단백질 공동 식의 다각적 인 장점에<em> 대장균</em
Summary
Protein co-expression is a powerful alternative to the reconstitution in vitro of protein complexes, and is of help in performing biochemical and genetic tests in vivo. Here we report on the use of protein co-expression in Escherichia coli to obtain protein complexes, and to tune the mutation frequency of cells.
Abstract
We report here that the expression of protein complexes in vivo de Escherichia coli can be more convenient than traditional reconstitution experiments in vitro. In particular, we show that the poor solubility of Escherichia coli DNA polymerase III ε subunit (featuring 3’-5’ exonuclease activity) is highly improved when the same protein is co-expressed with the α and θ subunits (featuring DNA polymerase activity and stabilizing ε, respectively). We also show that protein co-expression in E. coli can be used to efficiently test the competence of subunits from different bacterial species to associate in a functional protein complex. We indeed show that the α subunit of Deinococcus radiodurans DNA polymerase III can be co-expressed in vivo with the ε subunit of E. coli. In addition, we report on the use of protein co-expression to modulate mutation frequency in E. coli. By expressing the wild-type ε subunit under the control of the araBAD promoter (arabinose-inducible), and co-expressing the mutagenic D12A variant of the same protein, under the control of the lac promoter (inducible by isopropyl-thio-β-D-galactopyranoside, IPTG), we were able to alter the E. coli mutation frequency using appropriate concentrations of the inducers arabinose and IPTG. Finally, we discuss recent advances and future challenges of protein co-expression in E. coli.
Introduction
과발현 기술의 도입은 낮은 카피 수 효소의 생화학 적 연구와 약리학 적 활성 단백질 (예를 들면, 인슐린)의 산업 생산를 부스팅. 이러한 기술의 출현 때문에 상당한 진보는 재조합 단백질의 수율 및 품질을 증가시키기 위해 달성되어왔다. 또한, 원핵 및 진핵 3 1,2- 과발현 시스템은 단백질 공학, 즉, 대장균 "일꾼"유용한 대안을 제공 년에 걸쳐 개발되었다. E. 대안 플랫폼 특히, 가용성 대장균 재조합 펩타이드 또는 번역 후 변형을 함유하는 단백질의 제조되었다. 그러나, 언급되어야 E. 대장균은 여전히 재조합 단백질 생산을위한 선택의 유기체를 나타냅니다. 이 가장 관련성이있을 수있는 여러 요소 중에서,에 기인고려 : ⅰ) 과발현 시스템 (발현 벡터 및 균주 확실히 다수의 가능 여부)을위한 E. 대장균 1,2; E. II의) 짧은 생성 시간 및 높은 수율의 바이오 매스, 풍부하고 합성 다양한 미디어에서 대장균; ⅲ) 생화학에서이 미생물의 유전자 수준에서 어느 손쉬운 조작; ⅳ) 4 독성 단백질의 생산이 가능한 균주의 분리; V) 인구 레벨 5,6에 균일 유도를 갖춘 균주의 건설. 또한, 최근에 E. 그 생산에 적합한 발현 시스템을 도시 한 번역 후 변형은 단백질의 대장균이 고안을 구성 할 수있다.
현재, 단백질의 과발현은 주로 그의 hypersynthesis 적절한 플라스미드에 클로닝 한 유전자와 함께 수행 될 수 단량체 또는 호모 올리고머 단백질을 얻기 위해 사용된다. 그러나 관심은 최근에 있었다E. 건설에게 지급 콜라이 단백질의 공동 발현 시스템, 헤테로 올리고머 성 복합체 (2)의 생체 내, 생산 도전. 흥미롭게도, 단백질의 공동 표현의 초기 실험은 시아 노 박테리아 리불 로스 -1,5- 비스 포스페이트 카르 복실 / 시게나 제 7,8의 크고 작은 소단위의 간 종 조립 및 HIV-1의 절단 및 전체 길이 형태의 관계를 해결 효소 구 역. 이러한 선구적인 연구는 단백질의 공동 발현이 체외 재구성 전통에 대한 강력한 대안을 나타낸다는 것을 보여 주었다. E.에서 또한, 단백질의 공동 발현 대장균은 천연 아미노산이 함유 단백질을 얻기 위해, 번역 후 변형이 담지 다른 단백질을 생산하고, 과발현 된 막 단백질 (2)의 수율을 증가시키기 위해 사용되었다. 또한, 단백질과 같은 공구의 공동 발현의 전위를 부여하는 E. 대장균 경쟁단백질 분비 후부 활성 조사 2 중입니다.
E. 단백질의 공동 표현의 두 가지 주요 전략 대장균 추구 할 수 있습니다 다른 유전자를 호스팅 할 하나의 플라스미드의 사용이 과발현되는 I); ⅱ) 단일 셀에서 여러 플라스미드를 사용하는 목적 단백질의 공동 발현한다. 탠덤 프로모터 / 운영자 특정 원소를 함유하는 플라스미드가 공동 – 식 (10)에 대해 구축되었다하더라도 첫 번째 경우, 플라스미드의 선택을위한 기준은, 전통적인 단일 단백질 과발현 실험의 것과 다르지 않다. 첫 번째 방법은 따라서 매우 간단합니다. 그러나, 다른 단백질을 공동 발현하는 하나의 플라스미드를 사용하는이 두 가지 문제에 직면 언급한다 : ⅰ) 공동 발현 된 단백질의 수를 제한 호스팅 유전자 수가 벡터 증가의 분자량; ⅱ) 다수의 단일 유전자 프로모터의 제어하에 복제 될 때, 극성을 수 decreas원위 프로모터 유전자 발현 전자. E. 이중에서 단일 또는 다수의 플라스미드를 사용 대장균 세포 따라서 플라스미드의 자격이 조합에 제약을 부과, 선택의 벡터의 호환성을 수행 할 수 있습니다. 그러나,이 두 번째 공동 발현 전략은 벡터의 분자량을 포함하는 장점을 특징으로하고, 극성을 제한한다. 우리는 최근 공동 발현 플라스미드 (11) 유전자의 셔틀 링을 용이하게하기위한 단백질의 공동 발현 시스템을 구축 하였다. 특히, 우리 PGOOD 벡터 시리즈 지어진 중요한 특징은 어느이다 : ⅰ) 복제 p15A 오리진, 상업적 벡터 (예, pBAD 시리즈 12) ColE1 기원을 함유 함께 PGOOD 플라스미드의 호환성을 제공하는 단계; ⅱ) 테트라 사이클린 내성 카세트; ⅲ) 락의 존재는 규제 요소, 즉, 프로모터 연산자 (O 1) 부부와의 lacI을 – 유래 </em> Q 유전자. 적절한 pBAD-PGOOD 커플을 사용하여, 우리는 E.의 촉매 코어를 과발현 할 수 있었다 세 개의 다른 소단위으로 구성 대장균 DNA 폴리머 라제 III, 즉, α (5'-3 '중합 효소), ε (3'-5'엑소 뉴 클레아 제) 및 (안정화 ε) 13 θ. 특히, αεθ 복합체의 공동 발현 E.에 더하여에 엄격히 의존 시연 IPTG와 아라비 모두 대장균 배양액 PGOOD 및 pBAD 각각 (도 1a)에서 트리거링 과발현.
본 보고서에서, 우리는 단백질의 공동 발현이 효율적으로 단백질 복잡한 서브 유닛의 가난한 용해도에 연결된 어려움을 해결할 수있는 방법을 보여줍니다. 또한, 어떻게 생체 단백질 보완 테스트에서 행할 수 보여, 우리는 마침내 E. 튜닝 주파수 변이 단백질로 공동 발현의 사용에 대한 보고서 안부내가. 이를 위해, 우리는 각각의 사례 연구의 관련 사례를 설명하기에 적합 PGOOD-pBAD 커플을 사용했다.
Protocol
Representative Results
Discussion
단백질은 그 차 구조 배좌 (25)의 제한된 수의 제한되지 않은 영역을 갖춘, 무질서 본질적 일 수있다. 이들 무질서 화 된 단백질은 통상 25 응집 경향이며, 그들의 분리 및 특성 규명은 어려운 작업을 나타낼 수도있다. E.의 ε 소단위 대장균 DNA 중합 효소 III는 두 가지 영역, 즉 (26, 27)를 특징 : I) N-터 도메인, θ 서브 유닛을 바인딩에 3'-5 '엑소 뉴 클레아 제 …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
수치를 다시 인쇄하는 스프링과 엘스 비어에 의한 권한은 크게 인정 받고 있습니다.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Agar | Sigma-Aldrich | A1296 | |
| Ampicillin | Sigma-Aldrich | A9518 | |
| Chloroform | Sigma-Aldrich | 288306 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | EDS | |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
| INT | Sigma-Aldrich | I8377 | |
| IPTG | Sigma-Aldrich | I5502 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P9541 | |
| L-Arabinose | Sigma-Aldrich | A3256 | |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M2670 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 31434 | |
| PMSF | Sigma-Aldrich | P7626 | |
| PNP-gluc | Sigma-Aldrich | N7006 | |
| pNP-TMP | Sigma-Aldrich | T0251 | |
| Tetracyclin | Sigma-Aldrich | 87128 | |
| Trizma base | Sigma-Aldrich | T1503 | |
| Tryptone | Sigma-Aldrich | 95039 | |
| Yeast extract | Fluka | 70161 | |
| Acrylamide solution 30% | BioRad | 161-0158 | For gel electrophoresis |
| Ammonium persolphate | BioRad | 161-0700 | For gel electrophoresis |
| Glycine | BioRad | 161-0718 | For gel electrophoresis |
| SDS | BioRad | 161-0302 | For gel electrophoresis |
| TEMED | BioRad | 161-0800 | For gel electrophoresis |
| Tris | BioRad | 161-0719 | For gel electrophoresis |
| Cuvettes 0.1 cm | BioRad | 1652089 | For electroporation |
| EQUIPMENT | |||
| Centrifuge 5415R | Eppendorf | ||
| Centrifuge Allegra 21R | Beckman | ||
| Chromatography apparatus GradiFrac | Pharmacia Biotech | ||
| Gene Pulser II electroporation | BioRad | ||
| Microplate Reader 550 | Biorad | ||
| MiniProtean 3 cell | BioRad | ||
| Power Supply | BioRad | ||
| Sonicator 3000 | Misonix |
References
- Durani, V., Sullivan, B. J., Magliery, T. J. Simplifying protein expression with ligation-free, traceless and tag-switching plasmids. Protein Expr. Purif. 85 (1), 9-17 (2012).
- Hochkoeppler, A. Expanding the landscape of recombinant protein production in Escherichia coli. Biotechnol. Lett. 35 (12), 1971-1981 (2013).
- Geisse, S., Gram, H., Kleuser, B., Kocher, H. P. Eukaryotic expression systems: a comparison. Protein Expr. Purif. 8 (3), 271-282 (1996).
- Miroux, B., Walker, J. E. Over-production of proteins in Escherichia coli: mutant hosts that allow synthesis of some membrane proteins and globular proteins at high levels. J. Mol. Biol. 260 (3), 289-298 (1996).
- Khlebnikov, A., Datsenko, K. A., Skaug, T., Wanner, B. L., Keasling, J. D. Homogeneous expression of the PBAD promoter in Escherichia coli by constitutive expression of the low-affinity high-capacity AraE transporter. Microbiology. 147 (12), 3241-3247 (2001).
- Morgan-Kiss, R. M., Wadler, C., Cronan, J. E. Long-term and homogeneous regulation of the Escherichia coliaraBAD promoter by use of a lactose transporter of relaxed specificity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99 (11), 7373-7377 (2002).
- Tabita, F. R., Small, C. L. Expression and assembly of active cyanobacterial ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase in Escherichia coli containing stoichiometric amounts of large and small subunits. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 82 (18), 6100-6103 (1985).
- Van der Vies, S. M., Bradley, D., Gatenby, A. A. Assembly of cyanobacterial and higher plant ribulose bisphosphate carboxylase subunits into functional homologous and heterologous enzyme molecules in Escherichia coli. EMBO J. 5 (10), 2439-2444 (1986).
- Amann, E., Brosius, J. ATG vectors for regulated high-level expression of cloned genes in Escherichia coli. Gene. 40 (2-3), 183-190 (1985).
- Scheich, C., Kümmel, D., Soumailakakis, D., Heinemann, U., Büssow, K. Vectors for co-expression of an unrestricted number of proteins. Nucleic Acids Res. 35 (6), e43 (2007).
- Conte, E., Landolfi, G., Vincelli, G., Stefan, A., Hochkoeppler, A. pGOODs: new plasmids for the co-expression of proteins in Escherichia coli. Biotechnol. Lett. 33 (9), 1815-1821 (2011).
- Guzman, L., Belin, D., Carson, M., Beckwith, J. Tight regulation, modulation, and high-level expression by vectors containing the arabinose PBAD promoter. J. Bacteriol. 177 (14), 4121-4130 (1995).
- McHenry, C. S. DNA replicases from a bacterial perspective. Annu. Rev. Biochem. 80, 403-436 (2011).
- Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 72 (1-2), 248-254 (1976).
- Hamdan, S., et al. Hydrolysis of the 5’-p-nitrophenyl ester of TMP by the proofreading exonuclease (ε) subunit of Escherichia coli DNA polymerase III. Biochimie. 41 (16), 5266-5275 (2002).
- Guillén Suárez, A. S., Stefan, A., Lemma, S., Conte, E., Hochkoeppler, A. A continuous enzyme-coupled assay of phosphate- or pyrophosphate-releasing enzymes. BioTechniques. 53 (2), 99-103 (2012).
- DeRose, E. F., et al. Model for the catalytic domain of the proofreading ε subunit of Escherichia coli DNA polymerase III based on NMR structural data. Biochimie. 41 (1), 94-110 (2002).
- Ozawa, K., Jergic, S., Park, A. Y., Dixon, N. E., Otting, G. The proofreading exonuclease subunit ε of Escherichia coli DNA polymerase III is tethered to the polymerase subunit α via a flexible linker. Nucleic Acids Res. 36 (15), 5074-5082 (2008).
- Bressanin, D., Stefan, A., Dal Piaz, F., Cianchetta, S., Reggiani, L., Hochkoeppler, A. Proteolysis of the proofreading subunit controls the assembly of Escherichia coli DNA polymerase III catalytic core. Biochim. Biophys. Acta. 1794 (11), 1606-1615 (2009).
- Schaaper, R. M. Base selection, proofreading, and mismatch repair during DNA replication in Escherichia coli. J. Biol. Chem. 268 (32), 23762-23765 (1993).
- Selifonova, O., Valle, F., Schellenberger, V. Rapid evolution of novel traits in microorganisms. Appl. Environ. Microbiol. 67 (8), 3645-3649 (2001).
- Reynolds, A. E., Felton, J., Wright, A. Insertion of DNA activates the cryptic bgl operon in E. coli K12. Nature. 293, 625-629 (1981).
- Schaeffer, S. Inducible system for the utilization of β-glucosides in Escherichia coli. I. Active transport and utilization of β-glucosides. J. Bacteriol. 93 (1), 254-263 (1967).
- Miller, J. H., Suthar, A., Tai, J., Yeung, A., Truong, C., Stewart, J. L. Direct selection for mutators in Escherichia coli. J. Bacteriol. 181 (5), 1576-1584 (1999).
- Dunker, A. K., et al. The unfoldomics decade: an update of intrinsically disordered proteins. BMC Genomics. 9, (2008).
- Taft-Benz, S. A., Schaaper, R. M. The C-terminal domain of DnaQ contains the polymerase binding site. J. Bacteriol. 181 (9), 2693-2695 (1999).
- Perrino, F. W., Harvey, S., McNeill, S. M. Two functional domains of the ε subunit of DNA polymerase III. Biochimie. 38 (48), 16001-16009 (1999).
- Kim, D. R., McHenry, C. S. In vivo assembly of overproduced DNA polymerase III. Overproduction, purification, and characterization of the α, α-ε, and α-ε-θ subunits. J. Biol. Chem. 271 (34), 20681-20689 (1996).
- Maul, R. W., Ponticelli, S. K. S., Duzen, J. M., Sutton, M. D. Differential binding of Escherichia coli DNA polymerase to the β-sliding clamp. Mol. Microbiol. 65 (3), 811-827 (2007).
- Greener, A., Callahan, M. XL1-red: highly efficient random mutagenesis strain. Strategies. 7, 32-34 (1994).
- Chanda, P. K., Edris, W. A., Kennedy, J. D. A set of ligation-independent expression vectors for co-expression of proteins in Escherichia coli. Protein Expr. Purif. 47 (1), 217-224 (2006).
- Sun, J., Hopkins, R. C., Jenney, F. E., McTernan, P. M., Adams, M. W. W. Heterologous expression and maturation of an NADP-dependent [NiFe]-hydrogenase: a key enzyme in biofuel production. PloS One. 5 (5), (2010).
