Improving the Yeast Two-Hybrid System with Permutated Fusion Proteins: the Varicella Zoster Virus Protein Interaction Network
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Improving the Yeast two-hybrid system with permutated fusion proteins: The Varicella zoster virus protein interaction network Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN (Dr. rer. nat.) Fakultät für Chemie und Biowissenschaften Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - Universitätsbereich vorgelegte DISSERTATION von Diplom-Biologe Thorsten Stellberger aus Rauenberg Dekan: Prof. Dr. Stefan Bräse Referent: Prof. Dr. Jonathan Sleeman Korreferent: Prof. Dr. Jörg Kämper Tag der mündlichen Prüfung: 20.10.2010 Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Januar 2007 bis September 2010 in der Arbeitsgruppe von PD Dr. Peter Uetz im Institut für Toxikologie und Genetik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), Campus Nord, angefertigt. Zusammenfassung Die vorliegende Studie beschreibt den ersten Versuch zur Erstellung eines vergleichenden Protein-Protein Interaktionsnetzwerks mit dem Yeast two-hybrid (Y2H) System. Viele Studien bestätigen, dass Interaktionsnetzwerke aus proteomweiten Screens unvollständig sind. Dies stützt sich auf die Beobachtung, dass Interaktionsdaten, die mit unterschiedlichen Methoden erhoben wurden, nur geringe Überlappungen zeigen. Dies betrifft auch unterschiedliche Systeme innerhalb einer Methode, wie verschiedene Y2H-Systeme. Dadurch wurde die Frage aufgeworfen, welche Rolle strukturelle Unterschiede, insbesondere sterische Bedingungen im Testsystem spielen, verursacht durch die Orientierung der verwendeten Fusionsdomänen. In dieser Arbeit untersuche ich deren Einfluss auf die Detektierbarkeit von Protein-Protein Interaktionen. Zunächst habe ich ein Vektorsystem entwickelt, welches die Y2H-Testdomänen an den C-Terminus und nicht an den N-terminus fusioniert, wie es traditionell gemacht wird. Die Ausgangsvektoren pGBKT7g und pGADT7g habe ich zunächst entsprechend umgebaut und wieder für die Hochdurchsatz-Klonierung kompatibel gemacht (Gateway-Klonierung, Invitrogen, Karlsruhe). Nach der Konversion konnten beide Vektorsysteme kombiniert werden, wodurch vier verschiedene Bait- Prey Kombinationen getestet werden können, mit N-N-, N-C-, C-N- und C-C- terminalen Testdomänen. Eine Bibliothek aus Gateway® Eingangsvektoren von Varizella Zoster Virus (VZV) wurde in beide Vektorsysteme hineinrekombiniert und zusätzlich zur NN-Topologie auf binäre Proteininteraktionen getestet. Dadurch konnten etwa doppelt so viele Interaktionen identifiziert und die Rate an falsch-negativen Interaktionen gesenkt werden. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Validierung mittels eines humanen Referenz-Sets erzielt. Deshalb empfehle ich, dieses System in zukünftigen Studien routinemäßig anzuwenden. Zusätzlich zum VZV-Interaktom habe ich ein Subnetzwerk von DNA-Enkapsidations Proteinen analysiert und eine besonders interessante Interaktion näher charakterisiert. Das essentielle, vom offenen Leserahmen Nummer 25 (ORF25) codierte Protein zeigt viele Interaktionen mit DNA-Verpackungsproteinen wie auch mit den meisten anderen viralen Proteinen. I Mithilfe von Peptid-Arrays konnte ich drei Sequenzbereiche Identifizieren, welche die Selbstinteraktion des Proteins vermitteln. Diese Erkenntnisse können in Kombination mit 3-D Strukturen und neuen Methoden des virtuellen drug-design bei der Entwicklung antiviraler Therapeutika verwendet werden. II Summary The study at hand is the first comprehensive attempt to perform a high-throughput protein-protein interaction network with the Yeast two-hybrid (Y2H) system. Reports of incompleteness and low overlaps between protein-protein interaction datasets derived by different methods and variants of the Yeast two-hybrid system, raised the question about the impact of sterical circumstances caused by the fusion tags added to the proteins in order to detect a possible interaction. First, I developed a Y2H vector system with the fusion tags C-terminally fused to the test-constructs. Additionally, the vectors had to be suitable for high-throughput cloning of test libraries. As parental vectors I have used the pGBKT7g bait and pGADT7g prey vector, derivatives of the Clontech MatchMaker Y2H system that were previously modified for high-throughput cloning by the Gateway® recombination cloning technology. After the conversion, both vector systems, the traditional N-terminally- and the new C-terminally tagging vector system could be combined to screen four different tag-topologies of bait- and prey-fusion tags. A Gateway® entry-vector library of Varicella zoster virus (VZV), which was recently screened with the progenitor Y2H vectors, was recombinated into both vector systems and additional Y2H screens were performed to gain a complete "combinatorial" network of VZV (A screen repeated with four bait-prey combinations N-N, N-C, C-N and C-C bait-prey fusion tag orientation, respectively). The permutations of N- and C-terminal Y2H vectors achieved an extensive increase of the coverage of this interactome screen, and thus significantly reduce the rate of undetected interactions. Similar results were determined by screening a human reference set. Accordingly, I recommend that future interaction screening projects should use such vector combinations on a routine basis. In the second part of this study I generated a sub-network of VZV DNA-packaging proteins. Thereupon, I synthesized peptide-arrays to characterize the self-interaction of one of those proteins, encoded by the essential VZV open reading frame number 25 (ORF25). I could identify three interacting peptides within the 156 amino acid protein, which contribute to its self-interaction. These findings provide a basis for modern drug-design in order to identify and develop new antiviral compounds. III IV Contents Zusammenfassung............................................................................................. I Summary............................................................................................................ III Contents............................................................................................................. V List of Abbreviations ........................................................................................... VIII List of Figures..................................................................................................... XI List of Tables...................................................................................................... XIV 1 Introduction .................................................................................................. 1 1.1 Protein-Protein Interactions........................................................... 1 1.2 From single interactions to the interactome................................... 1 1.2.1 The Yeast two-hybrid system.................................................... 2 1.2.2 Protein-interactome studies performed with the Y2H system.... 3 1.2.3 Biological databases ................................................................. 4 1.2.4 Y2H screening methods............................................................ 5 1.2.5 Limitations of the Yeast two-hybrid system............................... 7 1.2.6 Experimental strategy for matrix-based Y2H-screens............... 9 1.3 Varicella zoster virus as model for combinatorial Y2H-screening.. 12 1.3.1 VZV - clinical aspects................................................................ 12 1.3.2 General introduction into the Herpesviridae family.................... 12 1.3.3 Herpesviridae - subfamilies and phylogeny............................... 13 1.3.4 Virion structure and genetic organization.................................. 14 1.3.5 Herpesviral life-cycle................................................................. 16 1.3.6 Latency ..................................................................................... 20 1.4 Drug discovery .............................................................................. 20 1.5 Mapping of interaction epitopes using peptide arrays ................... 21 1.5.1 Spot synthesis........................................................................... 21 1.6 Aims .............................................................................................. 25 1.6.1 Combinatorial Y2H-screening with permutated fusion tags....... 25 1.6.2 Mapping of the homomerization domain of VZV ORF25........... 27 V 2 Materials and Methods .................................................................................28 2.1 Materials ........................................................................................28 2.1.1 Instruments................................................................................28 2.1.2 Consumable Materials...............................................................29 2.1.3 General Chemicals....................................................................29 2.1.4 Kits ............................................................................................31 2.1.5 Compounds of Bacteria- and Yeast Media ................................31 2.1.6 Chemicals for Peptide Synthesis...............................................32 2.1.7 DNA and Protein Ladders..........................................................33 2.1.8 Enzymes....................................................................................33 2.1.9 Media for Bacterial Culture ........................................................33 2.1.10 Media for Yeast Culture.............................................................34 2.1.11 General Buffers and Solutions...................................................36