Введение
Процесс биотехнологической модификации для присоединения биотина к молекуле. В биохимии биотинилирование – это процесс ковалентного присоединения биотина к белку, нуклеиновой кислоте или другой молекуле. Биотинилирование происходит быстро, специфично и вряд ли нарушает естественную функцию молекулы благодаря небольшому размеру биотина (ММ = 244,31 г/моль). Биотин связывается со стрептавидином и авидином с исключительно высокой аффинностью, высокой скоростью связывания и высокой специфичностью, и эти взаимодействия используются во многих областях биотехнологии для выделения биотинилированных молекул, представляющих интерес. Связывание биотина со стрептавидином и авидином устойчиво к экстремальным температурам, pH и протеолизу, что делает возможным захват биотинилированных молекул в самых разнообразных условиях. Кроме того, к белку, представляющему интерес, можно конъюгировать несколько молекул биотина, что позволяет связывать несколько молекул белков стрептавидина, авидина или нейтравидина и повышает чувствительность обнаружения интересующего белка. Существует большое количество биотинилирующих реагентов, использующих широкий спектр возможных методов мечения. Благодаря сильной аффинности между биотином и стрептавидином, очистка биотинилированных белков является широко используемым подходом для выявления белок-белковых взаимодействий и посттрансляционных событий, таких как убиквитинирование, в молекулярной биологии.
In biochemistry, biotinylation is the process of covalently attaching biotin to a protein, nucleic acid or other molecule. Biotinylation is rapid, specific and is unlikely to disturb the natural function of the molecule due to the small size of biotin (MW = 244.31 g/mol). Biotin binds to streptavidin and avidin with an extremely high affinity, fast on rate, and high specificity, and these interactions are exploited in many areas of biotechnology to isolate biotinylated molecules of interest. Biotin binding to streptavidin and avidin is resistant to extremes of heat, pH and proteolysis, making capture of biotinylated molecules possible in a wide variety of environments. Also, multiple biotin molecules can be conjugated to a protein of interest, which allows binding of multiple streptavidin, avidin or neutravidin protein molecules and increases the sensitivity of detection of the protein of interest. There is a large number of biotinylation reagents available that exploit the wide range of possible labelling methods. Due to the strong affinity between biotin and streptavidin, the purification of biotinylated proteins has been a widely used approach to identify protein protein interactions and post translational events such as ubiquitylation in molecular biology.
Методы маркировки
Белки могут быть биотинилированы химическим или ферментативным способом. Химическая биотиниляция использует различные стратегии конъюгации для достижения неспецифической биотиниляции аминов, карбоксилатов, сульфгидрилов и углеводов (например, NHS-конъюгация приводит к биотинилированию любых первичных аминов в белке). Ферментативная биотиниляция приводит к биотинилированию конкретного лизина в определенной последовательности с помощью бактериальной биотинлигазы. Большинство химических реагентов для биотиниляции состоят из реактивной группы, присоединенной через линкер к валериановой кислотной боковой цепи биотина. Поскольку биотин-связывающий карман в авидине/стрептавидине находится в углублении на поверхности белка, предпочтительны реагенты для биотиниляции с более длинным линкером, поскольку они обеспечивают большую доступность молекулы биотина для связывания с белком авидина/стрептавидина/нейтравидина после ее присоединения к мишени. Этот линкер также может влиять на растворимость реагентов для биотиниляции; линкеры, содержащие полиэтиленгликоль (PEG), могут сделать нерастворимые в воде реагенты растворимыми или повысить растворимость уже частично растворимых реагентов для биотиниляции.
Энзимная биотиниляция
В отличие от химических методов биотинилирования, ферментативное биотинилирование позволяет присоединять биотин к единственному аминокислотному остатку в белке. Эта реакция биотинилирования может протекать до завершения, что обеспечивает получение продукта с высокой однородностью, который может быть связан со стрептавидином в определенной ориентации, например, для мультимеров MHC. Ферментативное биотинилирование чаще всего проводят с помощью биотинового голоферментного синтетазы *E. coli*, также известного как биотинлигаза (BirA). Наиболее распространенный способ таргетирования белка, представляющего интерес, – это слияние белка с 15-аминокислотным пептидом, называемым AviTag или акцепторным пептидом (AP), на N-конце, C-конце или во внутренней петле. После присоединения тега белок инкубируют с BirA, что позволяет осуществить биотинилирование в присутствии биотина и АТФ. Ферментативное биотинилирование также может происходить *in vivo*, как правило, посредством коэкспрессии белка с тегом AviTag и BirA. Естественным субстратом BirA является биотин-карбоксил-переносчик (BCCP). До открытия более мелких тегов для таргетирования белка требовалось слияние с полным белком BCCP. Белок, слитый с BCCP, может быть распознан молекулами биотина *in vivo* и связываться с ними. До AviTag использовались и другие небольшие теги, но AviTag оказался наиболее эффективным на сегодняшний день. После стандартной депротекции полученные конъюгаты можно очистить с помощью обращенно-фазовой или анионообменной ВЭЖХ.
Неспецифическая биотиниляция
Фотоактивируемые биотинилирующие реагенты идеально подходят для случаев, когда первичные амины, сульфгидрильные группы, карбоксильные группы и углеводы недоступны для мечения. Эти реагенты основаны на арильных азидах, которые активируются ультрафиолетовым светом (УФ; >350 нм) и затем вступают в реакцию с C-H и N-H связями. Поскольку такие связи встречаются независимо от типа аминокислоты, этот вид биотинилирования называют "неспецифическим". Фотоактивируемые биотинилирующие реагенты также можно использовать для активации биотинилирования в заданное время в ходе эксперимента или при определенных условиях реакции, просто подвергнув реакционную смесь воздействию УФ-излучения в нужный момент или при нужных условиях.
Очищение
Биотиновый тег может использоваться в аффинной хроматографии вместе с колонкой, к которой присоединен авидин (или стрептавидин или нейтравидин) – естественный лиганд биотина. Однако для разрыва взаимодействия авидина/стрептавидина с биотином требуются жесткие условия (например, 6M GuHCl при pH 1,5), которые, скорее всего, приведут к денатурации белка, несущего биотиновый тег. Если необходима изоляция меченого белка, лучше использовать имминобиотин в качестве тега. Этот аналог биотина обеспечивает прочное связывание с авидином/стрептавидином при щелочном pH, но его аффинность снижается при понижении pH. Таким образом, функциональный белок, меченный имминобиотином, может быть элюирован с колонки авидина/стрептавидина путем снижения pH (до примерно pH 4).
Обнаружение
Этот тег также может быть использован для обнаружения белка с помощью анти-биотиновых антител или стратегий детекции, меченных авидином/стрептавидином, таких как ферментные репортеры (например, пероксидаза хрена, щелочная фосфатаза) или флуоресцентные зонды. Это может быть полезно для локализации с помощью флуоресцентной или электронной микроскопии, ELISA, ELISPOT, вестерн-блоттинга и других иммуноаналитических методов. Детекция с использованием моновалентного стрептавидина может предотвратить кластеризацию или агрегацию биотинилированной мишени.
Другие применения
Нековалентная связь, образующаяся между биотином и авидином или стрептавидином, обладает сродством к связыванию, которое выше, чем у большинства связей антиген-антитело, и приближается к прочности ковалентной связи. Эта очень прочная связь делает мечение белков биотином полезным инструментом для таких применений, как аффинная хроматография с использованием иммобилизованного авидина или стрептавидина для разделения биотинилированного белка из смеси других белков и биохимических веществ. Биотинилированные белки, такие как биотинилированный сывороточный альбумин бычьей крови (BSA), используются в твердофазных анализах в качестве покрытия поверхности лунок в многолуночных планшетах. Биотинилирование эритроцитов использовалось как способ определения общего объема крови без использования радиоактивных изотопов, таких как хром-51, что позволяет проводить измерения объема у новорожденных с низкой массой тела и беременных женщин, которым в противном случае не могли бы быть назначены необходимые дозы радиоактивности. Более того, биотинилирование молекул MHC для создания мультимеров MHC стало полезным инструментом для идентификации и выделения популяций Т-клеток, специфичных к антигену. В последнее время была разработана in vivo биотинилирование белков для изучения белок-белковых взаимодействий и их близости в живых клетках.
Определение степени биотиниляции
Условия реакции биотинилирования подбираются таким образом, чтобы целевая молекула (например, антитело) была помечена достаточным количеством молекул биотина для ее очистки или обнаружения, но не настолько, чтобы биотин препятствовал ее функции.
Анализ ХАБА
Для определения степени биотинилирования можно использовать анализ HABA (2-(4-гидроксиазобензола)бензойной кислоты). Краситель HABA связывается с авидином или стрептавидином и образует характерное поглощение. При добавлении биотинилированных белков или других молекул биотин вытесняет краситель, что приводит к изменению поглощения при 500 нм. Это изменение прямо пропорционально концентрации биотина в образце. Недостатком анализа HABA является то, что для его проведения требуется большое количество образца.
Стрептавидин гель-сдвиг
Степень биотинилирования также можно измерить методом сдвига полос в геле со стрептавидином, поскольку стрептавидин остается связанным с биотином при электрофорезе в агарозном или полиакриламидном геле. Долю биотинилированного целевого продукта можно определить по изменению интенсивности полосы целевого продукта в присутствии или отсутствии избытка стрептавидина, что быстро и количественно выявляется для биотинилированных белков при окрашивании бриллиантовым синим Кумасси.