Введение

Бимолекулярная флуоресцентная комплементация (также известная как BiFC) – это технология, обычно используемая для подтверждения взаимодействий белков. Она основана на ассоциации фрагментов флуоресцентных белков, присоединенных к компонентам одного и того же макромолекулярного комплекса. Белки, предположительно взаимодействующие, сливаются с несвернутыми комплементарными фрагментами флуоресцентного репортерного белка и экспрессируются в живых клетках. Взаимодействие этих белков сближает флуоресцентные фрагменты, позволяя репортерному белку восстановить свою нативную трехмерную структуру и испускать флуоресцентный сигнал. Этот флуоресцентный сигнал можно обнаружить и локализовать внутри клетки с помощью инвертированного флуоресцентного микроскопа, обеспечивающего визуализацию флуоресценции в клетках. Кроме того, интенсивность испускаемой флуоресценции пропорциональна силе взаимодействия: более высокие уровни флуоресценции свидетельствуют о тесных или прямых взаимодействиях, а более низкие – о взаимодействии в составе комплекса. Таким образом, визуализация и анализ интенсивности и распределения флуоресценции в этих клетках позволяют определить как локализацию, так и белковые партнеры по взаимодействию интересующих белков.

История

Впервые биохимическая комплементация была описана для субтилизинового расщепления бычьей панкреатической рибонуклеазы, а затем расширена с использованием мутантов β-галактозидазы, позволявших клеткам расти на лактозе. Позже было установлено, что многие белки способны спонтанно собираться в функциональные комплексы, а также что фрагменты белков могут собираться в результате спонтанной сборки функциональных комплексов взаимодействующих партнеров, к которым они присоединены, что было продемонстрировано на фрагментах убиквитина в белковых взаимодействиях дрожжей. В 2000 году Гош и соавторы разработали систему, позволяющую восстановить зеленый флуоресцентный белок (GFP) с помощью антипараллельной лейциновой молнии в клетках *E. coli*. Это было достигнуто путем разделения GFP на C- и N-концевые фрагменты. Поскольку фрагмент GFP был присоединен к каждой лейциновой молнии с помощью линкера, гетеродимеризация антипараллельной лейциновой молнии привела к восстановленному, или реформированному, белку GFP, который можно было визуализировать. Успешный флуоресцентный сигнал показал, что отдельные пептидные фрагменты GFP способны правильно собираться и приобретать третичную структуру. Таким образом, было предположено, что фрагментированный GFP можно использовать для изучения взаимодействий между белковыми парами, N- и C-концы которых находятся в непосредственной близости друг от друга. После демонстрации успешного восстановления фрагментов флуоресцентного белка в клетках млекопитающих, Hu и соавторы описали использование фрагментированного желтого флуоресцентного белка (YFP) для изучения взаимодействий факторов транскрипции bZIP и семейства Rel.

Флуоресцентная маркировка

Активация фторфора происходит посредством автокаталитической реакции циклизации, которая запускается после правильного сворачивания белка. Это стало возможным благодаря успешной реконституции фторфора YFP из фрагментов белка, слитых с взаимодействующими белками, в течение 8 часов после трансфекции, о чем было сообщено в 2002 году. Кроме того, важен тщательный выбор флуоресцентного белка, поскольку различные флуоресцентные белки требуют различных клеточных условий. Например, GFP можно использовать в клетках *E. coli*, а YFP – в клетках млекопитающих. Стабильные клеточные линии, содержащие вектор экспрессии, интегрированный в геном, обеспечивают более стабильную экспрессию генов в клеточной популяции, что приводит к более воспроизводимым результатам.

Создание надлежащих плазмидных экспрессионных векторов

При проектировании плазмидных векторов для экспрессии интересующих белков, конструкция должна быть способна экспрессировать белки, которые могут образовывать белки-слияния с фрагментами флуоресцентных белков, не нарушая при этом функцию белка. Кроме того, ожидаемый белковый комплекс должен быть способен к стабилизации взаимодействия фрагментов флуоресцентного белка без влияния на функцию комплекса или исследуемой клетки. Для BiFC можно использовать множество фрагментов флуоресцентных белков, способных соединяться различными способами. В качестве контролей часто используют фрагменты флюорофоров, связанные с не взаимодействующими белками, поскольку наличие таких слияний снижает неспецифическую комплементацию и количество ложноположительных результатов. Если флуоресценция обнаруживается при экспрессии белков-слияний, но отсутствует или значительно снижается после экспрессии мутированного отрицательного контроля, вероятно, происходит специфическое взаимодействие между двумя целевыми белками. Однако, если интенсивность флуоресценции существенно не отличается между мутировавшим отрицательным контролем и его диким типом, то флуоресценция, скорее всего, вызвана неспецифическими белковыми взаимодействиями, и следует протестировать другую комбинацию конформаций белка-слияния. Если флуоресценция не обнаружена, взаимодействие между интересующими белками все же может существовать, поскольку создание белка-слияния может изменить структуру или поверхность взаимодействия целевого белка, или фрагменты флуоресценции могут быть физически неспособны к ассоциации. Чтобы исключить ложноотрицательный результат, необходимо проверить взаимодействие белков в условиях, когда для комплементации и активации флуоресценции требуется внешний сигнал. В этом случае, если внешний сигнал не вызывает ассоциацию флуоресцентных фрагментов, вероятно, белки не взаимодействуют или существует физическое препятствие для флуоресцентной комплементации.

Чувствительность

В отличие от многих методов исследования взаимодействия белков in vivo, BiFC не требует, чтобы белковые комплексы образовывались значительной частью белков или в стехиометрических соотношениях. Вместо этого, BiFC способен обнаруживать взаимодействия между белковыми субпопуляциями, слабые взаимодействия и белки с низкой экспрессией благодаря стабильной комплементации флуоресцентного репортерного белка.

Нет специального оборудования

BiFC не требует специализированного оборудования, поскольку визуализация возможна с использованием инвертированного флуоресцентного микроскопа, способного обнаруживать флуоресценцию в клетках.

Обнаружение в реальном времени

Флуоресцентный сигнал возникает только после того, как белки провзаимодействовали, что обычно занимает несколько часов. Следовательно, BiFC не позволяет осуществлять обнаружение взаимодействий белков в режиме реального времени. Задержка, необходимая для химических реакций, приводящих к образованию флуорофора, также может влиять на динамику диссоциации комплекса и обмена партнерами.

Необратимое образование BiFC

Формирование комплекса BiFC обратимо только на начальной стадии реассамблеи флуоресцентного репортерного белка, обычно в течение миллисекунд. После восстановления фторхрома, обратимость процесса in vitro практически отсутствует. Это может препятствовать взаимодействию белков с другими белками и нарушать ассоциацию/диссоциацию белковых комплексов, находящихся в динамическом равновесии. Однако у некоторых организмов, особенно у апикомплекс, наблюдается повышенная автофлуоресценция, что затрудняет применение BiFC. У некоторых грибов, таких как Candida albicans, также присутствует высокий уровень автофлуоресценции, но BiFC часто все же можно выполнить при использовании соответствующих контролей и штаммов.

Использование синтетических белков

Поскольку эндогенные белки дикого типа невозможно визуализировать in vivo, необходимо создавать белки-химеры и трансфицировать их плазмиды в исследуемые клетки. Эти белки-химеры могут не полностью воспроизводить функции, локализацию и взаимодействия, характерные для их природных аналогов, что приводит к неточному представлению о рассматриваемых белках. Эту проблему можно смягчить, используя структурную информацию и расположение сайтов взаимодействия для рационального выбора мест слияния в интересующих белках, применяя соответствующие контроли и сравнивая уровни экспрессии и функции белков-химер и белков дикого типа с помощью вестерн-блоттинга и функциональных анализов.

Точное взаимодействие неизвестно

Поскольку восстановление флуорофора может происходить на расстоянии 7 нм и более, флуоресцентная комплементация может указывать либо на прямое, либо на косвенное (то есть внутри одного комплекса) взаимодействие между белками, к которым присоединены флуоресцентные фрагменты. Процесс сборки рибосом включает нуклеацию рибосомных белков в правильном порядке и ориентации. Нарушения в сборке могут приводить к структурным дефектам в рибосомных субъединицах, которые в результате не могут соединяться в правильной ориентации для формирования полностью функциональных рибосом. Таким образом, события соединения субъединиц, сигнализируемые появлением BiFC, представляют собой простой способ мониторинга биогенеза рибосом по сравнению с трудоемкими методами профилирования полисом.

Многоцветная флуоресценция

Фрагменты флуоресцентных белков, используемые в BiFC, были расширены и теперь включают цвета синий, голубой, зеленый, желтый, красный, вишневый и Venus. Этот спектр цветов сделал возможным разработку многоцветного анализа комплементации флуоресценции. Таким образом, BiFC является важным инструментом для изучения локализации факторов транскрипции в субклеточных компартментах.

Количественное определение поверхностей взаимодействия белка и белка

BiFC был соединен с проточной цитометрией (BiFC FC). Это позволяет картировать поверхности белок-белковых взаимодействий путем введения мутаций, направленных на конкретные участки или случайных, которые влияют на формирование комплекса. В конечном итоге, изучение белков in vitro не позволяет определить влияние специфических белок-белковых взаимодействий в клетке на функциональные или физиологические последствия. Другие наиболее часто используемые in vivo методы для изучения белок-белковых взаимодействий включают перенос энергии флуоресцентного резонанса (FRET) и двухгибридный анализ на дрожжах (Y2H). Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с BiFC.

Флуоресцентно-резонансная передача энергии (FRET)

Флуоресцентно-резонансный перенос энергии (FRET), также известный как перенос энергии резонанса Förster, перенос энергии резонанса (RET) или электронный перенос энергии (EET), основан на переносе энергии от возбужденного (донорного) хромофора или флуорофора (если хромофоры флуоресцируют) к находящемуся поблизости акцептору. В этом методе флуорофоры химически связывают или генетически объединяют с двумя белками, которые предположительно взаимодействуют. Если белки взаимодействуют, это сближает флуорофоры в пространстве. Если флуорофоры ориентированы таким образом, что они взаимодействуют друг с другом – обычно это обеспечивается при разработке и создании конъюгата/слияния белка с флуорофором – то перенос энергии от возбужденного донорного флуорофора приведет к изменению интенсивности флуоресценции или времени жизни флуорофоров.