Summary

Mätning<em> In Vitro</em> ATPas aktivitet för enzymatisk karakterisering

Published: August 23, 2016
doi:

Summary

We describe a basic protocol for quantitating in vitro ATPase activity. This protocol can be optimized based on the level of activity and requirements for a given purified ATPase.

Abstract

Adenosintrifosfat-hydrolyserande enzymer, eller ATPaser, spelar en avgörande roll i en mångfald av cellulära funktioner. Dessa dynamiska proteiner kan generera energi för mekaniskt arbete, såsom protein trafficking och nedbrytning, transport av lösta ämnen, och cellulära rörelser. Protokollet som beskrivs här är en grundläggande analys för mätning av aktiviteten av renade ATPaser in vitro för funktionell karakterisering. Proteiner hydrolyserar ATP i en reaktion som resulterar i oorganiskt fosfat release, och mängden fosfat som frigöres därefter kvantifierades med användning av en kolorimetrisk analys. Denna mycket anpassningsprotokoll kan justeras för att mäta ATPas-aktivitet i kinetiska eller slutpunktsanalyser. Ett representativt protokoll tillhandahålls här baserat på aktiviteten och krav Epse, AAA + ATPas inblandade i typ II Sekre i bakterien Vibrio cholerae. Mängden renat protein som behövs för att mäta aktivitet, längd analysen och tidpunkten och antalet sampling intervaller, buffert och saltkomposition, temperatur, co-faktorer, stimulantia (om någon), etc. kan variera från de som beskrivs här, och därmed viss optimering kan vara nödvändig. Detta protokoll ger en grundläggande ram för kännetecknande ATPaser och kan utföras snabbt och enkelt justeras vid behov.

Introduction

ATPases are integral enzymes in many processes across all kingdoms of life. ATPases act as molecular motors that use the energy of ATP hydrolysis to power such diverse reactions as protein trafficking, unfolding, and assembly; replication and transcription; cellular metabolism; muscle movement; cell motility; and ion pumping1-3. Some ATPases are transmembrane proteins involved in transporting solutes across membranes, others are cytoplasmic and may be associated with a biological membrane such as the plasma membrane or those of organelles.

AAA+ ATPases (ATPases associated with various cellular activities) make up a large group of ATPases that share some sequence and structural conservation. These proteins contain conserved nucleotide binding motifs such as Walker-A and -B boxes and form oligomers (generally hexamers) in their active state1. Large conformational changes in these proteins upon nucleotide binding have been characterized among diverse members of the AAA+ family. EpsE is a AAA+ ATPase and member of the bacterial Type II/IV secretion subfamily of NTPases4-6. EpsE powers Type II Secretion (T2S) in Vibrio cholerae, the causative agent of cholera. The T2S system is responsible for the secretion of a wide variety of proteins, such as the virulence factor cholera toxin that causes profuse watery diarrhea when V. cholerae colonizes the human small intestine7.

Techniques for quantitating in vitro ATPase activity are varied, but commonly measure phosphate release using colorimetric, fluorescent, or radioactive substrates8-11. We describe a basic method for determining in vitro ATPase activity of purified proteins using a colorimetric assay based on a commercially available malachite green-containing substrate that measures liberated inorganic phosphate (Pi). At low pH, malachite green molybdate forms a complex with Pi and the level of complex formation can be measured at 650 nm. This simple and sensitive assay may be used to functionally characterize new ATPases and to evaluate the roles of potential activators or inhibitors, to determine the importance of domains and/or specific residues, or to assess the effect of particular treatments on enzymatic activity.

Protocol

1. Utför ATP hydrolysreaktion med renat protein Förbered Lagren av alla nödvändiga reagenser för inkubation med renat protein. Förbereda 5x HEPES / NaCl / glycerol (HNG) buffert innehållande 100 mM HEPES pH 8,5, 65 mM NaCl, och 5% glycerol (eller annat analysbuffert så är lämpligt). Förbereda 100 mM MgCl2 (eller annan metall, om ATPas är metall-beroende) i vatten. Bered en färsk 100 mM ATP i 200 mM Tris Base (inte justera pH vidare) med hjälp av hög renhe…

Representative Results

Aktiviteten in vitro av T2S ATPas Epse kan stimuleras genom copurification av Epse med cytoplasmadomänen av EpsL (Epse-cytoEpsL) och tillsats av den sura fosfolipider kardiolipin 12. Det är också möjligt att bestämma rollen av särskilda EPSE rester i ATP-hydrolys genom att jämföra aktiviteten för vildtyp (WT) för att variantformer av proteinet med användning av denna analys. Här, är effekten av att substituera två lysinrester i EPSE zinkbindande domänen…

Discussion

Detta är ett allmänt protokoll för att mäta in vitro ATPas-aktiviteten hos renade proteiner för biokemisk karakterisering. Denna metod kan enkelt optimeras; till exempel, kan justera mängden protein, buffert och saltkompositioner, temperatur och varierande analys längd och intervall (däribland ökade det totala antalet intervall) förbättra aktivitet kvantifiering. Kommersiellt tillgängliga malakitgrönt baserade reagens är mycket känsliga och kan detektera små mängder av fri fosfat (~ 50 pmol i 1…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to acknowledge funding from a National Institutes of Health grant RO1AI049294 (to M. S.).

Materials

HEPES buffer Fisher BP310-500
Sodium chloride Fisher BP358-212
Magnesium chloride Fisher BP214-500
Adenosine triphosphate (ATP) Fisher BP41325
96-well plates (clear, flat-bottom) VWR 82050-760
BIOMOL Green Enzo Life Sciences BML-AK111 Preferred phosphate detection reagent. Caution: irritant.
Microplate reader BioTek Synergy or comparable
Prism 5 GraphPad Software

References

  1. Hanson, P. I., Whiteheart, S. W. AAA+ proteins: have engine, will work. Nat Rev Mol Cell Biol. 6 (7), 519-529 (2005).
  2. Baker, T. A., Sauer, R. T. ClpXP, an ATP-powered unfolding and protein-degradation machine. Biochimica et Biophysica Acta. 1823 (1), 15-28 (2012).
  3. Maxson, M. E., Grinstein, S. The vacuolar-type H+-ATPase at a glance – more than a proton pump. J Cell Sci. 127 (23), 4987-4993 (2014).
  4. Planet, P. J., Kachlany, S. C., DeSalle, R., Figurski, D. H. Phylogeny of genes for secretion NTPases: Identification of the widespread tadA subfamily and development of a diagnostic key for gene classification. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (5), 2503-2508 (2001).
  5. Robien, M. A., Krumm, B. E., Sandkvist, M., Hol, W. G. J. Crystal Structure of the Extracellular Protein Secretion NTPase EpsE of Vibrio cholerae. J Mol Biol. 333 (3), 657-674 (2003).
  6. Camberg, J. L., Sandkvist, M. Molecular analysis of the Vibrio cholerae type II secretion ATPase EpsE. J Bacteriol. 187 (1), 249-256 (2005).
  7. Sandkvist, M. Type II secretion and pathogenesis. Infect Immun. 69 (6), 3523-3535 (2001).
  8. Brune, M., Hunter, J. L., Corrie, J. E. T., Webb, M. R. Direct, Real-time measurement of rapid inorganic phosphate release using a novel fluorescent probe and its application to actomyosin subfragment 1 ATPase. Biochimie. 33 (27), 8262-8271 (1994).
  9. Carter, S. G., Karl, D. W. Inorganic phosphate assay with malachite green: An improvement and evaluation. J Biochem Biophys Methods. 7 (1), 7-13 (1982).
  10. Henkel, R. D., VandeBerg, J. L., Walsh, R. A. A microassay for ATPase. Anal Biochem. 169 (2), 312-318 (1988).
  11. Harder, K. W., Owen, P., Wong, L. K. H., Aebersold, R., Clark-Lewis, I., Jirik, F. R. Characterization and kinetic analysis of the intracellular domain of human protein tyrosine phosphatase β (HPTP β) using synthetic phosphopeptides. Biochem J. 298 (2), 395-401 (1994).
  12. Camberg, J. L., Johnson, T. L., Patrick, M., Abendroth, J., Hol, W. G., Sandkvist, M. Synergistic stimulation of EpsE ATP hydrolysis by EpsL and acidic phospholipids. EMBO J. 26 (1), 19-27 (2006).
  13. McLaughlin, S. H., Smith, H. W., Jackson, S. E. Stimulation of the weak ATPase activity of human Hsp90 by a client protein. J Mol Biol. 315 (4), 787-798 (2002).
  14. Shiue, S., Kao, K., Leu, W., Chen, L., Chan, N., Hu, N. XpsE oligomerization triggered by ATP binding, not hydrolysis, leads to its association with XpsL. EMBO J. 25 (7), 1426-1435 (2006).
  15. Ghosh, A., Hartung, S., van der Does, C., Tainer, J. A., Albers, S. V. Archaeal flagellar ATPase motor shows ATP-dependent hexameric assembly and activity stimulation by specific lipid binding. Biochem J. 437 (1), 43-52 (2011).
  16. Savvides, S. N., et al. VirB11 ATPases are dynamic hexameric assemblies: new insights into bacterial type IV secretion. EMBO J. 22 (9), 1969-1980 (2003).
  17. Sanghera, J., Li, R., Yan, J. Comparison of the luminescent ADP-Glo assay to a standard radiometric assay for measurement of protein kinase activity. Assay Drug Dev Techn. 7 (6), 615-622 (2009).
  18. Sherman, D. J., et al. Decoupling catalytic activity from biological function of the ATPase that powers lipopolysaccharide transport. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (13), 4982-4987 (2014).
  19. Zhang, X., et al. Altered cofactor regulation with disease-associated p97/VCP mutations. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (14), E1705-E1714 (2015).
  20. Rowlands, M. G., Newbatt, Y. M., Prodromou, C., Pearl, L. H., Workman, P., Aherne, W. High-throughput screening assay for inhibitors of heat-shock protein 90 ATPase activity. Anal Biochem. 327 (2), 176-183 (2004).
check_url/fr/54305?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Rule, C. S., Patrick, M., Sandkvist, M. Measuring In Vitro ATPase Activity for Enzymatic Characterization. J. Vis. Exp. (114), e54305, doi:10.3791/54305 (2016).

View Video