Direkter Protein Lieferung Säugerzellen mit Zellpermeable Cys<sub> 2</sub> -His<sub> 2</sub> Zink-Finger-Domains
Summary
Zinkfingerdomänen sind eigen zellpermeablen und fähig zur Vermittlung Proteinabgabe in einem weiten Bereich von Säugetierzelltypen. Hier wird eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Durchführung Zinkfinger-Technologie für die intrazelluläre Proteinabgabe dargestellt.
Abstract
Due to their modularity and ability to be reprogrammed to recognize a wide range of DNA sequences, Cys2-His2 zinc-finger DNA-binding domains have emerged as useful tools for targeted genome engineering. Like many other DNA-binding proteins, zinc-fingers also possess the innate ability to cross cell membranes. We recently demonstrated that this intrinsic cell-permeability could be leveraged for intracellular protein delivery. Genetic fusion of zinc-finger motifs leads to efficient transport of protein and enzyme cargo into a broad range of mammalian cell types. Unlike other protein transduction technologies, delivery via zinc-finger domains does not inhibit enzyme activity and leads to high levels of cytosolic delivery. Here a detailed step-by-step protocol is presented for the implementation of zinc-finger technology for protein delivery into mammalian cells. Key steps for achieving high levels of intracellular zinc-finger-mediated delivery are highlighted and strategies for maximizing the performance of this system are discussed.
Introduction
Hoch effizient und vielseitig Protein Lieferstrategien sind entscheidend für viele der Grundlagenforschung und therapeutische Anwendungen. Die direkte Lieferung von gereinigten Proteinen in Zellen ist eine der sichersten und einfachsten Methoden, um dies zu erreichen. Im Gegensatz zu 1,2-Strategien, die auf die Genexpression von Nukleinsäuren beruhen, stellt 3-5 Protein Liefer kein Risiko einer Insertionsmutagenese, ist unabhängig von der zelluläre Transkriptions / Translations-Maschinen und ermöglicht eine sofortige Wirkung. Jedoch das Fehlen einfacher und verallgemeinerbar Methoden auszustatten zellpenetrierenden Aktivität an Proteine routine confounds ihrer direkten Eintritt in die Zellen. Aktuelle Verfahren zur Erleichterung der intrazellulären Proteinabgabe auf der Verwendung von natürlich vorkommenden oder 6-8 ausgebildet zellpenetrierenden Peptide 9-12 aufgeladenen Transduktion Domänen 13,14 Nanopartikel 15 und Liposomen, 16 virusähnlichen Partikeln 17,18 basierend </sup> und polymere Mikromaterialien. 19. Leider sind viele dieser Ansätze zeichnen sich durch geringe zelluläre Aufnahme Tarife, 20,21 schlechte Stabilität, 22 unbeabsichtigte Zelltyp-Spezifität, 23 Low endosomalen Flucht Objekte 24 und 25 neben Toxizität. behindert, viele Protein Übertragungstechnologien reduzieren die Bioaktivität der Proteine geliefert. 14
In unserem Labor wurde gezeigt, dass Zinkfinger-Nuclease (ZFN) Proteine - chimären Restriktionsendonukleasen aus einem programmierbaren Cys 2 -His 2 Zinkfinger-DNA-Bindungsprotein und die Spaltdomäne des FokI Restriktionsendonuklease 26-28 – inhärent zell- durchlässig. Es wurde gezeigt, 29 Diese überraschende zellpenetrierenden Aktivität eine intrinsische Eigenschaft des kundenspezifischen Zinkfinger-Domäne, einer DNA-bindenden Plattform, die als ein leistungsfähiges Werkzeug für die gezielte Genom en hervorgegangen sein,Engineering, 30-32 und als das Ergebnis der Konstellation von sechs positiv geladene Reste auf der Proteinoberfläche sein. Tatsächlich haben mehrere DNA-bindenden Proteinen, einschließlich c-Jun und N-DEK wurde gezeigt, dass eine angeborene Fähigkeit, Zellmembranen zu durchqueren besitzen. 33 In jüngerer Zeit haben unser Labor auf diese Ergebnisse und zeigten, dass die Zellen eindringende Aktivität zink- Finger (ZiF) Domains können für den intrazellulären Proteintransport genutzt werden. Genetische Fusion von entweder einem oder zwei Finger ZiF Domänen an spezifische Proteinfracht, ergab einen Wirkungsgrad, die viele herkömmliche zellpenetrierende Peptid Abgabesysteme überschritten Aufnahme. 34 Vor allem ZiF-vermittelte Abgabe nicht beeinträchtigen die Aktivität des fusionierten enzymatische Ladung und erleichtert hohe cytosolische Lieferung. Zusammen zeigen diese Ergebnisse zeigen das Potenzial der ZiF Domäne zur Erleichterung der effizienten und einfachen Verabreichung von Proteinen und möglicherweise mehrere verschiedene Arten von MakroMoleküle, in Zellen.
Hier wird eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Implementierung ZiF Technologie für Proteintransport in Säugerzellen präsentiert. Wir zuvor konstruierten eine Reihe von ein-, zwei-, drei-, vier-, fünf- und sechs Finger ZiF Domänen, die die Fähigkeit zur Bindung von DNA, durch Substitution von jeder der α-helicalen DNA-bindenden Reste fehlen, aber fähig sind, liefert Proteine in Zellen 34 (Abbildung 1). Die Herstellung und die Transduktion von Smaragd GFP (EmGFP) in HeLa-Zellen unter Verwendung eines Zwei-Finger-Domäne ZiF beschrieben. Dieses Protokoll ist erweiterbar, um fast jedes Protein in der Lage, lösliche Expression in Escherichia coli und fast jedem Säugerzelltyp. Erwartete Ergebnisse werden bereitgestellt und Strategien für die Maximierung der Leistung des Systems ausgelegt werden ebenfalls diskutiert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier wird ein Schritt-für-Schritt-Protokoll für Proteinabgabe mit zellpermeablen Zinkfinger (ZIF) Domänen dargestellt. Das ZiF Domain nicht senken die Aktivität verschmolzen enzymatische Fracht 34; erlaubt die Herstellung und Reinigung von Proteinen in Ausbeuten fast identisch mit denen mit unmodifizierten Protein beobachtet; und kann Proteine und Enzyme mit Wirkungsgraden, die traditionelle zellpenetrierenden Peptid oder Proteintransduktionsdomäne Systeme übersteigen, in einer Vielzahl von Zellty…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (DP1CA174426 Carlos F. Barbas) und ShanghaiTech Universität, Shanghai, China (JL) unterstützt. Molekulare Grafiken wurden mit PyMol erzeugt.
Materials
| XmaI | New England Biolabs | R0180L | |
| SacI | New England Biolabs | R0156L | |
| Expand High Fidelity PCR system | Roche | 11759078001 | |
| dNTPs | New England Biolabs | N0446S | |
| 4-20% Tris-Glycine Mini protein gels, 1.5 mm, 10 wells | Life Technologies | EC6028BOX | |
| 2x Laemmli Sample Buffer | BioRad | 161-0737 | |
| T4 DNA Ligase | Life Technologies | 15224-017 | |
| BL21 (DE3) Competent E. coli | New England Biolabs | C2527I | |
| IPTG | Thermo Scientific | R0391 | |
| Zinc Chloride | Sigma-Aldrich | 208086-5G | |
| Kanamycin Sulfate | Fisher Scientific | BP906-5 | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G8270-100G | |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP152-25 | |
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S9888-25G | |
| DTT | Fisher Scientific | PR-V3151 | |
| PMSF | Thermo Scientific | 36978 | |
| Ni-NTA Agarose Resin | QIAGEN | 30210 | |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516-500ML | |
| Imidazole | Sigma-Aldrich | I5513-25G | |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units | EMO Millipore | UFC900324 | |
| DMEM | Life Technologies | 11966-025 | |
| Fetal Bovine Serum | Life Technologies | 10437-028 | |
| Antibiotic-Antimycotic | Life Technologies | 15240-062 | |
| 24-Well Flat Bottom Plate | Sigma-Aldrich | CLS3527-100EA | |
| Poly-Lysine | Sigma-Aldrich | P7280 | |
| DPBS, No Calcium, No Magnesium | Life Technologies | 21600010 | |
| Heparan Sulfate | Sigma-Aldrich | H4777 | |
| Trypsin | Life Technologies | 25300054 | |
| Hela cells | ATCC | CCL-2 | |
| Nano Drop ND-1000 spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | N/A | |
| QIAquick PCR Purification Kit | QIAGEN | 28104 | |
| QIAquick Gel Extraction Kit | QIAGEN | 28704 |
Referencias
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