筛到了E3连接酶的互作蛋白,怎么验证哪个才是真正的底物

所属分类: 技术干货

发布时间: 2026-06-22

概要: 在泛素-蛋白酶体系统(UPS)的研究中,拿到候选互作蛋白列表只是验证之路的起点。当你手握一张E3连接酶A的互作蛋白列表,如何找到哪一个才是它的真正底物?




在泛素-蛋白酶体系统(UPS)的研究中,拿到候选互作蛋白列表只是验证之路的起点。成百上千个候选蛋白中,混杂着高丰度骨架蛋白、分子伴侣、间接结合亚基,以及大量非特异性互作。当你手握一张E3连接酶A的互作蛋白列表,如何找到哪一个才是它的真正底物?

面我会以E3泛素连接酶A和候选底物蛋白B为例,一步步说清,究竟该怎么设计实验。

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为什么互作蛋白不等于底物



1. E3-底物互作往往是“瞬时的”

大多数E3(尤其是RING型):与底物结合时间极短、依赖构象或修饰状态、很难在稳态co-IP中捕获真实结合。


2. 互作可能是间接的

B可能是:A的复合物成员、A的上游调控因子、蛋白降解通路中的“旁观者”。



3. 过表达系统会引入大量假阳性

  • A过表达 → 非生理E3活性扩散

  • B过表达 → 非特异进入降解通路

  • 泛素应激反应被激活

第一阶:筛选与富集 —— 从候选列表中锁定可信底物


拿到互作数据后,我不会直接跳入泛素化实验。

第一道过滤线是对照与数据库双筛:将AP-MS数据提交CRAPome污染库,利用数百个阴性对照的光谱计数剔除高频“常客”(骨架蛋白、分子伴侣等);再结合SAINT算法,依据生物学重复的富集倍数筛选高可信互作蛋白。

若B富集分数不高或E3结合极弱,我启用邻近标记(BioID/TurboID)—— 将BirA突变体与A融合,在活细胞内给10nm范围内的蛋白打上生物素烙印,变性强拉,连弱结合底物也能富集。需警惕“旁观者蛋白”空间假阳性。

另一个利器是TR-TUBE捕获法:将串联泛素结合实体(TUBE)与A融合,当A刚泛素化B,TUBE即刻咬住泛素链,阻止B脱离或降解,锁定瞬时催化状态下的真实底物,尤其适用于降解极快、丰度极低的底物。

第二阶:体内功能验证 —— A是否调控B的稳定性和泛素化?


1. 丰度与半衰期实验

平行设计两套操作:过表达野生型A观察B是否下降;敲低/敲除A观察B是否累积。

若过表达A使B显著下降,加入MG132(10μM,4-6h)可完全逆转,则符合UPS降解特征。

随后做放线菌酮(CHX)追踪实验测定B半衰期(t1/2)。加50μg/mL CHX阻断新蛋白合成,于0、2、4、6、8h收样,WB灰度定量拟合一阶降解曲线。

过表达A使t1/2缩短,敲低A使t1/2延长,即拿到A促进B动力学生降解的定量证据。

2. 变性免疫共沉淀(d-IP)

—— 排除假阳性的金标准


普通非变性IP会拉下与B非共价结合的泛素化蛋白,造成假象。

我选用d-IP:2%SDS煮沸使蛋白完全变性,解离所有非共价相互作用。



核心流程:

细胞沉淀加入变性裂解液(2%SDS、NEM/PR-619抑DUB、蛋白酶抑制剂)→100℃煮沸10min→超声剪DNA→稀释10倍降SDS至0.2%以下→加抗B抗体4℃孵育过夜→Protein A/G磁珠拉取→高盐洗涤→煮沸洗脱→WB。

用抗Ub抗体检测到B位置的高分子量弥散smear,即证明B本身被泛素化。

第三阶:体外重构 —— 排除“间接介导”的唯一途径


细胞内结果再漂亮,仍可能被质疑:A是否通过降解B的去泛素化酶间接导致B泛素化?无细胞体外重构是排除一切中间媒介的必经之路。

1. 重组蛋白纯化要求

所有组分单独表达纯化,确保无内源性污染:E1(人源UBA1)、E2(首选UBE2D3;HECT/RBR家族则用UBE2L3)、E3 A(多亚基用昆虫细胞表达)、底物B(带标签)。

2. 标准反应体系(30μL)

  • 缓冲液:50mM Tris-HCl pH 7.5、100mM NaCl、5mM MgCl₂、1mM DTT

  • 能量:2mM ATP

  • 蛋白终浓度:E1 100nM,E2 500nM,E3 200nM,底物B 5-10μM,泛素20μM

  • 30℃/37℃振荡孵育1-2h,煮沸终止

3. 五组严格阴性对照

仅当完整组见明确泛素化而所有对照组阴性,才能充分证明“A直接泛素化B”。

第四阶:机制与位点验证——用突变体“双向互锁”锁定因果


1. E3催化死锁突变体



RING家族:

将锌配位Cys突变为Ala(如C30A),破坏锌指结构阻断E2结合,保留底物结合能力。



HECT家族:

将活性中心Cys突变为Ala(如C830A),丧失硫酯转移能力。



RBR家族:

突变RING2结构域催化Cys为Ala/Ser。

过表达死锁突变体丧失促进B降解和泛素化的能力。从“酶供体”端证明“A催化活性是B泛素化的必要条件”。

2. 底物B赖氨酸受体位点突变(K-to-R)

第一步质谱鉴定:d-IP纯化泛素化B→胰酶消化→LC-MS/MS找di-Gly修饰肽段(+114.04Da),锁定候选赖氨酸。

第二步K-to-R突变:将赖氨酸突变为精氨酸(带正电、空间相似,但无法接受泛素连接)。

第三步功能反证:B(K-to-R)突变体转染细胞,过表达野生型A。若A无法泛素化该突变体,且其半衰期不再受A调控(变得极长),则从“底物受体”端反向坐实——这是证据链中逻辑强度最高的环节。

3. 泛素链拓扑结构分析

泛素链的联结类型(K48、K63、K11等)直接决定了底物的生物学命运。我常用两种方法并行分析:



泛素突变体:

在细胞中转染K-only突变体(仅保留特定K)或K→R突变体(仅失活特定K),观察哪种变体维持或阻断多泛素化,从而判断链型。



UbiCRest法:

将d-IP富集的泛素化B分成数份,分别加链特异性DUB(OTUB1剪K48,AMSH剪K63,Cezanne剪K11),温和消化后WB观察smear回缩情况。

若仅在OTUB1处理后smear彻底解离为单体B,则直接证明A催化B形成的是K48联结的多泛素链 —— 这通常指向蛋白酶体降解途径。

若追求更高精度的定量数据,我会采用AQUA定量质谱技术,加入重同位素标记的合成肽段作为绝对定量内标,通过LC-MS/MS靶向分析(SRM/PRM),实现对B上各种泛素链型的皮摩尔级绝对定量。

总结


回顾整个实验设计流程,是一条从“体内筛选 - 体外直接证明 - 突变反向锁定”的严格阶梯式逻辑:

 筛选层(AP-MS+CRAPome过滤/BioID/TR-TUBE捕获)→ 获得高可信候选底物B,排除非特异性结合与空间假阳性。

 体内因果层过表达/敲低调控+CHX半衰期追踪+d-IP泛素化检测)→ 证明A调控B的丰度与半衰期,且B本身被泛素化修饰。

 体外重构层(E1/E2/E3重组蛋白体系+五组严格阴性对照)→ 排除任何间接媒介,确证A直接催化B的泛素转移。

 机制解剖层(E3催化死锁突变+底物B的K-to-R位点突变+泛素链型分析)→ 双向锁定催化活性、修饰受体位点和泛素链拓扑结构。

这四条层层递进的逻辑关卡,构成底物验证工作中遵循的核心标准框架。

当然,每个E3和底物都有其独特的生化特性,但方法论逻辑是相通的。希望这份阶梯式方案能帮助正在面对互作列表的你,从繁杂的候选蛋白中稳稳走向“直接泛素化”的坚实终点。


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参考文献

  • 1. Ionomou M, Saunders DN. Systematic approaches to identify E3 ligase substrates. Biochem J. 2016;473(22):4083-4101. 

  • 2. Xie Q, Zhao QZ. In vitro ubiquitination assay. Bio-Protocol. 2014;4(2):e928. 

  • 3. Kao SH, Wang WL, Chen CY, et al. Cycloheximide chase assay for protein stability analysis. Bio-Protocol. 2014;4(8):e1374. 

  • 4. Kamadurai HB, Qiu Y, Deng A, et al. Mechanism of ubiquitin ligation and lysine prioritization by a HECT E3. eLife. 2013;2:e00828.

  • 5. Zhang Z, Huo C, Liu Y, Su L, Zhao Y, Li H. UBE2L3: a review of its structure, function, and role in disease. Front Immunol. 2022;13:793610.

  • 6. Lu Z, Li Y, Wang Y, et al. TRIM15 and CYLD regulate ERK activation via Lys63-linked polyubiquitination. Nat Cell Biol. 2023. Preprint at bioRxiv.

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