Кіріспе
Бимолекулярлы флуоресценциялық комплементация (әдетте BiFC деп аталады) – протеин өзара әрекеттесуін растау үшін қолданылатын технология. Ол бір макромолекулалық кешеннің құрауыштарына бекітілген флуоресцентті ақуыз фрагменттерінің бірігуіне негізделген. Бір-бірімен өзара әрекеттесетіні болжамдалған протеиндер флуоресцентті баяндамалық ақуыздың жазылмаған толықтайтын фрагменттерімен біріктіріліп, тірі жасушаларда экспрессияланады. Бұл протеиндердің өзара әрекеттесуі флуоресцентті фрагменттерді жақынға әкеліп, баяндамалық ақуыздың өзінің үш өлшемді құрылымын қайта құруына және флуоресценттік сигналды шығаруына мүмкіндік береді. Бұл флуоресценттік сигнал инвертті флуоресценттік микроскоп арқылы жасуша ішінде анықталып, орналасқан жеріне қарай ізделеді. Флуоресценция интенсивтілігі өзара әрекеттесудің күшіне пропорционалды: жоғары деңгейдегі флуоресценция жақын немесе тікелей өзара әрекеттесуді көрсетеді, ал төмен деңгейдегі флуоресценция кешендегі өзара әрекеттесуді білдіреді. Сондықтан, осы жасушалардағы флуоресценция интенсивтілігі мен таралуын визуализациялау және талдау арқылы қызығушылық тудыратын протеиндердің орналасқан жері мен өзара әрекеттесетін серіктестерін анықтауға болады.
Тарих
Биохимиялық комплементация алғаш рет субтилизинмен кесілген сиыр панкреатикалық рибонуклеазасында байқалды, содан кейін лактозада өсуге мүмкіндік беретін β-галактозидаза мутанттарын пайдалану арқылы кеңейтілді. Көптеген ақуыздардың функционалдық кешендерге спонтанды түрде жиналу қабілеті, сондай-ақ ақуыз фрагменттерінің оларға қосылған өзара әрекеттесу серіктестерінің спонтанды функционалдық кешендерін құруының нәтижесінде жиналу қабілеті, ашытқы ақуыздарының өзара әрекеттесуіндегі убиквитин фрагменттері үшін кейіннен хабарланды. 2000 жылы Гош және авторлар E. coli жасушаларында антипараллель лейцин молдығын пайдаланып жасыл флуоресцентті ақуызды (GFP) қайта құрастыруға мүмкіндік беретін жүйені жасады. Бұл GFP-ті C және N терминалды GFP фрагменттеріне бөлу арқылы іске асырылды. GFP фрагменттері линкер арқылы әр лейцин молдығына бекітілгендіктен, антипараллель лейцин молдығының гетеродимеризациясы қайта құрылған немесе жаңадан құрылған GFP ақуызын құрады, оны көруге болады. Сәтті флуоресценттік сигнал GFP пептидінің жеке фрагменттері дұрыс жиналып, үшіншілік құрылымға ие болғанын көрсетті. Осылайша, осы техниканы қолдану арқылы фрагменттелген GFP-ті N-C терминалдары жақын орналасқан ақуыз-ақуыз жұптарының өзара әрекеттесуін зерттеу үшін пайдалануға болады деп болжалды. Сүтқоректілер жасушаларында флуоресцентті ақуыз фрагменттерін сәтті қайта құру көрсетілгеннен кейін, Ху және авторлар bZIP және Rel отбасы транскрипция факторларының өзара әрекеттесуін зерттеу үшін фрагменттелген сары флуоресцентті ақуызды (YFP) пайдалануды сипаттады.
Флуоресценттік таңбалау
Флюорофордың белсенділігі ақуыз дұрыс қалыптасқаннан кейін болатын автокаталитикалық циклдеу реакциясы арқылы іске асырылады. Бұл 2002 жылы хабарланғандай, өзара әрекеттесетін ақуыздарға біріктірілген YFP флюорофорының ақуыз фрагменттерінен 8 сағаттың ішінде табысты қайта құралуымен дәлелденді. Сондай-ақ, флуоресцентті ақуызды таңдау өте маңызды, себебі әртүрлі флуоресцентті ақуыздарға әртүрлі жасушалық орта қажет. Мысалы, GFP E. coli жасушаларында, ал YFP сүтқоректі жасушаларында қолданылады. Геномға енгізілген экспрессиялық векторға ие тұрақты жасуша желілері жасуша популяциясында геннің тұрақты экспрессиясын қамтамасыз етеді, соның нәтижесінде нәтижелер дәйімі бірқалыпты болады.
Плазмидтер экспрессиясының векторларын құру
Плазмидтік векторларды белсенді ақуыздарды экспрессиялау үшін жобалау кезінде, конструкция ақуыздың функциясын бұзбай, флуоресцентті ақуыз фрагменттерімен бірігіп, жаңа ақуыздарды құруға қабілетті болуы керек. Сонымен қатар, күтілетін ақуыздық кешен ақуыздық кешеннің немесе зерттелген жасушаның функциясына әсер етпей, флуоресцентті ақуыз фрагменттерінің өзара әрекеттесуін тұрақтандыруға қабілетті болуы тиіс. БиФК-да әртүрлі жолдармен біріктірілетін көптеген флуоресцентті ақуыз фрагменттерін қолдануға болады. Бақылаудың бірі – өзара әрекеттеспейтін ақуыздарға байланысты флюорофор фрагменттері, себебі мұндай бірігулер ерекше емес толықтыру мен жалған оң нәтижелерді азайтуға көмектеседі. Егер бірігіп экспрессияланған ақуыздарда флуоресценция байқалса, бірақ мутацияланған теріс бақылау экспрессияланғаннан кейін ол жоқ немесе айтарлықтай төмендесе, онда екі мақсатты ақуыз арасында нақты өзара әрекеттесу болуы мүмкін. Дегенмен, егер мутацияланған теріс бақылаудағы бірігіп экспрессияланған ақуыз бен оның жабайы типтегі нұсқасы арасындағы флуоресценция қарқындылығында айтарлықтай айырмашылық болмаса, онда флуоресценция ерекше емес ақуыздық өзара әрекеттесулерден туындауы мүмкін, сондықтан бірігіп экспрессияланатын ақуыз конформацияларының басқа комбинациясын сынап көру керек. Егер флуоресценция байқалмаса, қызығушылық тудыратын ақуыздар арасында өзара әрекеттесу болуы мүмкін, себебі бірігіп экспрессияланатын ақуыз мақсатты ақуыздың құрылымын немесе өзара әрекеттесу бетін өзгерте алады, немесе флуоресценция фрагменттері физикалық тұрғыдан бірігуге қабілетсіз болуы мүмкін. Бұл нәтиже жалған теріс нәтиже емес екеніне және өзара әрекеттесудің жоқтығына көз жеткізу үшін, флуоресценция толықтыру мен белсендіру үшін сыртқы сигнал қажет болатын жағдайда ақуыздық өзара әрекеттесуді тексеру қажет. Мұндай жағдайда, егер сыртқы сигнал флуоресценция фрагменттерінің бірігуіне себеп болмаса, онда ақуыздар өзара әрекеттеспеуі мүмкін немесе флуоресценция толықтыруына физикалық кедергі болуы мүмкін.
Сезімталдық
Көптеген in vivo белок өзара әрекеттесу тәжірибелерінен өзгеше, BiFC протеин кешендерінің көп мөлшерде немесе стехиометриялық пропорцияда қалыптасуын қажет етпейді. Оның орнына, BiFC протеин субпопуляциялары арасындағы өзара әрекеттесулерді, әлсіз өзара әрекеттесулерді және флуоресцентті баяндамалық протеиннің тұрақты толықтылуының арқасында аз экспрессияланатын протеиндерді анықтауға мүмкіндік береді.
Арнайы жабдық жоқ
BiFC арнайы жабдық талап етпейді, себебі визуализация жасушалардағы флуоресценцияны анықтай алатын инвертті флуоресценттік микроскоп арқылы жүзеге асырылады.
Нақты уақытпен анықтау
Флуоресценттік сигнал ақуыздар өзара әрекеттескеннен кейін ғана пайда болады, және бұл әдетте бірнеше сағатқа созылады. Сондықтан BiFC ақуыздық өзара әрекеттесуді нақты уақыт режимінде анықтай алмайды. Флюорофордың түзілуіне қатысты химиялық реакциялардың кешігуі, кешеннің ыдырауы мен серіктес алмасу динамикасына да әсер етуі мүмкін.
Қайталанбайтын BiFC түзілуі
BiFC кешенінің қалыптасуы флуоресцентті репортерлік белоктың қайта құрастырылуының алғашқы қадамында ғана қайтымды болады, әдетте миллисекундтармен өлшеніп, жүзеге асады. Флуорохром қайта құрастырылғаннан кейін, ол in vitro жағдайында дерлік қайтымсыз болып табылады. Бұл ақуыздардың басқаларымен өзара әрекеттесуіне кедерілтің тудырып, динамикалық тепе-теңдіктегі ақуыз кешендерінің бірігуі мен ажырауын бұзуы мүмкін. Дегенмен, кейбір организмдер, әсіресе апикомплекстерде, жоғары автофлуоресценция деңгейіне ие, бұл оларда BiFC қолдануды қиындатады. Кейбір саңырауқұлақтар, мысалы Candida albicans, да жоғары автофлуоресценттік фонға ие, бірақ тиісті бақылаулар мен штамдар қолданғанда BiFC-ті орындау мүмкін болады.
Фьюзионды ақуыздарды қолдану
Эндогенді жабайы типтегі ақуыздар тірі организмде (in vivo) көрінбейтіндіктен, біріктірілген ақуыздар жасалып, олардың плазмидтері зерттелетін жасушаларға трансфекцияланады. Бұл біріктірілген ақуыздар жабайы типтегі ақуыздарға тән функцияларды, локализацияны және өзара әрекеттесуді толық қайталай бермейді, бұл зерттеліп отырған ақуыздар туралы бұрмаланған көрініс береді. Бұл мәселені құрылымдық ақпаратты және өзара әрекеттесу орындарының орналасуын пайдаланып, қызығушылық тудыратын ақуыздардағы біріктіру орындарын логикалық тұрғыдан анықтау, тиісті бақылаулар қолдану және Батыс блоттары (Western Blots) мен функционалдық талдаулар арқылы біріктірілген және жабайы типтегі ақуыздардың экспрессия деңгейлері мен функцияларын салыстыру арқылы шешуге болады.
Дәл өзара әрекеттесу байланысы белгісіз
Флюорофордың 7 нм немесе одан да көп қашықтықта қайта құралуы мүмкін болғандықтан, флуоресценттік комплементация флуоресценттік фрагменттерге біріктірілген ақуыздардың тікелей немесе жанама (яғни, бір кешен ішінде) өзара әрекеттесуін көрсете алады. Рибосомалардың құрастырылу процесі рибосомалық ақуыздардың дұрыс рет пен бағдарда ядролануын қамтиды. Құрастырылудың бұзылуы рибосомалық кішібірліктерде құрылымдық кемшіліктерге алып келуі мүмкін, нәтижесінде олар толыққанды функционалды рибосома құру үшін дұрыс бағдарда біріге алмайды. Сондықтан, BiFC-нің пайда болуымен белгіленетін кішібірліктердің бірігу оқиғалары, еңбекті полисома профильдеу әдістерімен салыстырғанда, рибосома биогенезін бақылаудың оңай жолы болып табылады.
Көп түсті флуоресценция
Биофлуоресценттік комплементация (BiFC) әдісінде қолданылатын флуоресцентті ақуыз фрагменттері көк, ақшыл көк, жасыл, сары, қызыл, шие және Венера түстерін қамтиды. Бұл түстердің кең ауқымы көп түсті флуоресценттік комплементациялық талдауды жүзеге асыруға мүмкіндік берді. Осылайша, BiFC субклеткалық бөлімшелердегі транскрипция факторларының орналасуын түсінуде маңызды құрал болып табылады.
Белок-белок өзара әрекеттесу беттерін өлшеу
BiFC ағын цитометриясымен (BiFC FC) үйлестірілді. Бұл, кешен құралуға әсер ететін сайтқа бағытталған немесе кездейсоқ мутацияларды енгізу арқылы, ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесу беттерін картаға түсіруге мүмкіндік береді. Алайда, ақуыздарды in vitro жағдайында зерттеу арқылы, жасуша ішіндегі нақты ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуінің функционалдық немесе физиологиялық салдарларын анықтау мүмкін емес. Ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуін зерттеу үшін ең көп қолданылатын басқа in vivo әдістеріне флуоресценттік резонанстық энергия алмасуы (FRET) және ашытқы екі гибриді (Y2H) әдісі жатады. Бұл әдістердің әрқайсысының BiFC-мен салыстырғанда өз артықшылықтары мен кемшіліктері бар.
Флуоресценттік резонанстық энергияны беру (FRET)
Флуоресценттік резонанстық энергияны беру (FRET), сондай-ақ Фёрстерлік резонанстық энергияны беру, резонанстық энергияны беру (RET) немесе электрондық энергияны беру (EET) деп аталады, және ол қозған (донорлық) хромофордан немесе флуорофордан (хромофорлар флуоресцентті болса) жақын жердегі акцепторға энергияның берілуіне негізделген. Бұл әдісте флуорофорлар химиялық тұрғыдан байланыстырылады немесе өзара әрекеттесетіні болжамдалған екі ақуызға генетикалық түрде біріктіріледі. Егер ақуыздар өзара әрекеттессе, бұл флуорофорларды кеңістікте жақын орналастырады. Егер флуорофорлар бір-біріне қарайтын бағытта орналасса, бұл әдетте флуорофор-ақуыз байланысын/бірігуін жобалау және құрастыру кезінде қамтамасыз етіледі, онда қозған донор флуорофордан энергияның берілуі флуорофорлардың флуоресценттік қарқындылығының немесе өмір сүру мерзімінің өзгеруіне алып келеді.