השיטה לחזות ולנתח חלבוני אינטראקצית ממברנה ידי הילוכים מיקרוסקופים אלקטרונים

Summary

Many proteins perform their function when attached to membrane surfaces. The binding of extrinsic proteins on nanodisc membranes can be indirectly imaged by transmission electron microscopy. We show that the characteristic stacking (rouleau) of nanodiscs induced by the negative stain sodium phosphotungstate is prevented by the binding of extrinsic protein.

Abstract

Monotopic proteins exert their function when attached to a membrane surface, and such interactions depend on the specific lipid composition and on the availability of enough area to perform the function. Nanodiscs are used to provide a membrane surface of controlled size and lipid content. In the absence of bound extrinsic proteins, sodium phosphotungstate-stained nanodiscs appear as stacks of coins when viewed from the side by transmission electron microscopy (TEM). This protocol is therefore designed to intentionally promote stacking; consequently, the prevention of stacking can be interpreted as the binding of the membrane-binding protein to the nanodisc. In a further step, the TEM images of the protein-nanodisc complexes can be processed with standard single-particle methods to yield low-resolution structures as a basis for higher resolution cryoEM work. Furthermore, the nanodiscs provide samples suitable for either TEM or non-denaturing gel electrophoresis. To illustrate the method, Ca²⁺-induced binding of 5-lipoxygenase on nanodiscs is presented.

Introduction

במחקר רפואי, תשומת לב רבה מתמקדת חלבונים בממברנה, או פנימיים או חיצוניים, מעורבים במגוון אינטראקציות שומנים. עבודה עם חלבונים אינטראקציה השומנים כולל גם בחירת תחליף ליפידים, כגון חומרי ניקוי, amphipols ^1, או חלבונים קטנים ^2, או למצוא תחליף קרום שמחזיק את חלבון מסיס ופעיל. תחליפי קרום ליפואית כוללים ליפוזומים nanodiscs (ND) ^{3, 4.}

Nanodiscs הם פלטפורמות הממברנה כמעט טבעיות שפותחה על ידי הנדסה חלק חלבון, ApoA-1, של ליפופרוטאין בצפיפות גבוהה (HDL) טבעי בדם. ApoA-1 הנו רשת 243 שאריות-ארוכה של סלילים-α amphipathic קצרים ויש לו קונפורמציה מסיס ליפיד חינם. במבחנה כאשר בנוכחות של שומנים, שני עותקים של חלבון ApoA-1 לסדר מחדש באופן ספונטני לכתר את hydrחלק בשרשרת acyl ophobic של תיקון bilayer השומנים ^5. גרסאות תכנון הנדסי של ApoA-1 נקראים בדרך כלל חלבונים פיגומים הממברנה (MSP), ואת מספר גדל והולך זמינים מסחרית כמו פלסמידים או חלבונים מטוהרים. חזרות או השמטות של הסלילים-α ב תוצאת ApoA-1 ב ⁶ ארוכים או קצרים ⁷ חלבונים בממברנה פיגומים. זה בתורו מאפשר ליצור דיסקים סביב 6 ננומטר ⁷ עד 17 ננומטר ⁸ קוטר. ישנם סוגים שונים של יישומים עבור nanodiscs ^{3, 9.} היישום הנפוץ ביותר הוא לספק סביבת קרום כמעט טבעית לייצוב של חלבון ממברנלי אינטגרלי ^8, ביקורת בעבר ^{3, 9.} אחד משימושים פחות בחנו הם לספק משטח הממברנה ננו לחקר חלבוני פריפרית קרום ^{10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17.} סעיף 1 של פרוטוקול להלן ממחיש את ההליך להכנת nanodiscs מורכב פוספוליפידים וחלבונים פיגומים הממברנה.

הכנת מדגם היא צוואר בקבוק ברוב השיטות. דגימות שיטה ספציפית עשויות להוסיף מידע מסוים, אבל הם גם עושים השוואות של תוצאות קשות. לכן, זה פשוט יותר כאשר הדגימות הן multimodal וניתן להשתמש בו ישירות בכמה שיטות שונות. אחד היתרונות עם השימוש nanodiscs הוא גודלו הקטן של nanodisc בהשוואה ליפוזומים (למשל, דגימות יכול לשמש ישירות לשני TEM ו ג'ל אלקטרופורזה הלא denaturing, כמו בפרוטוקול הנוכחי).

<p class = "jove_content"> שלפוחית ​​ו ליפוזומים כבר מזמן השתמשו להבין את תפקידם של חלבונים אינטראקציה-קרום. עבור מחקרים מבניים להדמיה, דוגמא של הנחישות המבנית של חלבון טראנסממברנלי ב ליפוזומים היא ¹⁸ זמין. עם זאת, אין מבנה 3D ברזולוציה גבוהה של חלבון הממברנה monotopic מוטבע על קרום ליפוזום פורסמה עדיין, ככל שאנו יודעים. חלקיקים או נוגדני זהב יכולים לשמש כדי לחזות חלבונים מחייבים ליפוזומים או שלפוחית באמצעות ¹⁹ TEM. למרות בדיקות אלה הם מאוד ספציפיים, שהם עלולים להפריע לתהליך חלבונים קושרי הממברנה על ידי מיסוך באתר קרום מחייב או על ידי מיסוך תחומי העניין עם החלקים גמישים. זהב שכותרתו או חלבונים ומורכבי נוגדן בטח יכולים להיות מנותח על ג'ל, אבל זה יגדיל את עלות הניסוי.

למרות ליפוזומים הם פלטפורמה מצוינת, אחד לא יכול להיות בטוח כי פופיש ulation יחס מסוים של חלבון לכל liposome, תכונה שיכולה להיחקר על ידי שימוש nanodiscs ^20. בשנת ליפוזום, קו-פקטורי מצעים יכולים להיות לכוד בפנים המסיס. חומרים שהם קרום מסיסים יחלקו את אותו גורל לשני סוגי mimetics הממברנה. אף על פי כן, כמו אזור bilayer קטן ב nanodiscs, כמות קטנה יותר של חומר נדרשה כדי להרוות את קרומי nanodisc.

תפקוד החלבון הבנת דרך קביעת המבנה האטומי כבר חיוני בתחומים רבים של מחקר. שיטות לקביעת מבנה חלבון כוללות רנטגן ^21; תהודה מגנטית גרעינית (NMR) ^{22, 23;} במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) ²⁴ בקירור, cryoEM. ההחלטה על ידי cryoEM לאחרונה שופרה מאוד, בעיקר בשל השימוש של דה אלקטרון הישירtectors ^{25, 26.} מקרומולקולות הם צלמו רזה, קרח זגוגי ²⁷ במצב כמעט טבעי. עם זאת, בגלל הקונטרסט הנמוך של מולקולות ביולוגיות, הם הופכים קשים לזהות בטווח הגודל של 100 – 200 kDa. לקבלת דוגמיות בגודל המתאים, איסוף נתונים יכול להתבצע ואת שיטת שחזור חלקיק בודד יכולה להיות מיושמת כדי להשיג מבנה ^28.

עם זאת, קביעת מבנה החלבון על ידי TEM הוא תהליך רב שלבי. זה מתחיל בדרך כלל עם ההערכה של מדגם monodispersity ב ^-29 שלילי כתם TEM באמצעות מלחים של מתכות כבדות כמו phosphotungsten (PT) ³⁰ או אורניום ^31. שחזור של מודל ברזולוציה נמוכה של מקרומולקולה המוכתמת שלילי עשוי בדרך כלל ועלול להניב מידע חשוב על המבנה המולקולרי ^29. במקביל,איסוף נתונים באמצעות cryoEM יכול להתחיל. יש להקפיד בעת הערכת נתוני TEM השלילית-כתם, כדי למנוע את הפרשנות השגויה של היווצרות artefact. Artefact אחד מסוים הוא ההשפעה של כתם PT על פוספוליפידים ליפוזומים ^32, וכתוצאה מכך ההיווצרות של מוטות ארוכות דומות ערימות של מטבעים במבט מהצד ^33. "רולו" או "ערימות" כזה (להלן מסומן כמו "ערימות") נצפו בשלב מוקדם עבור HDL ^34, ומאוחר יותר גם עבור nanodiscs ^35.

ההערמה והעיצוב מחדש של ממברנות עלולות להתרחש מסיבות רבות. לדוגמה, זה יכול להיגרם על ידי שיתוף גורמים כמו נחושת, שמוצג על ידי הדמיה TEM ב כתם אמוניום molybdate ^36. שבריר של ליפידים קרום ליפוזומים כלול לקבוצת ראש חומצת iminodiacetic מחק complexation מתכת ידי EDTA, ובכך לערום ליפוזומים לאחר התוספת של יוני נחושת <sעד class = "Xref"> 36. הנחת יכול להיות גם עקב אינטראקציה בין חלבונים על ידי חלבון או על bilayers שומנים בדם (הכתם בשימוש אינו מוזכר) ^37. היווצרות ערימה של פוספוליפידים ידי PT נצפתה בשלב מוקדם; עם זאת, עבודה לאחר מכן התמקדה סר או ביטול היווצרות חפץ זה ^38.

כאן, אנו מציעים שיטה לנצל את nanodisc NAPT הנגרמת לערום לחקר חלבונים קושרי קרום ידי TEM. בקיצור, חלבון מחייב על nanodiscs שימנע nanodiscs מן הערמה. למרות הסיבות לערום אינן ברורות, הוצע ³⁹ כי קיימת אינטראקציה אלקטרוסטטית בין פוספוליפידים וקבוצת phosphoryl של PT, בגרימת הדיסקים לדבוק כל (איור 1 א) אחר. ההנחה העומדת מאחורי פרוטוקול שלנו היא שכאשר חלבון נקשר nanodisc, רוב השטח פוספוליפידים אינו availa ble לאינטראקציה עם PT עקב הפרעה סטרית ידי החלבון. זה ימנע היווצרות מחסנית (איור 1B). שתי מסקנות אפשר להסיק. ראשית, המניעה לערום כלומר החלבון של העניין הכפיף אותו הקרום. שנית, מורכב החלבון-ND יכול להיות מטופלים עם שיטות עיבוד יחיד חלקיקי תקן ^{24, 40} לקבל מורפולוגיה מחוספסת של המתחם. יתר על כן, מנתח בשיטות כמו ג'ל אלקטרופורזה הלא denaturing או פיזור אור דינאמי יכול להתבצע.

כדי להדגים את ההשערה הזו, השתמשנו החלבון קושר קרום 5 lipoxygenase (5LO), העוסק במחלות רבות דלקתיות ^{41, 42.} חלבון 78-kDa זה דורש יוני סידן להיקשר הממברנה שלה ^43. למרות עמותת קרום זה נחקרה באמצעות בהרחבה ליפוזומיםs = "Xref"> ^{44, 45, 46} ו שברי קרום ^47, אלה לא יכולים לשמש לניתוח TEM ונחישות מבנה.

הכנת nanodiscs מתחיל ידי ערבוב MSP עם השומנים resuspended ב cholate נתרן חומר ניקוי. לאחר דגירה על קרח למשך 1 שעות, אבקת הכביסה מוסרת לאט מתערובת הכינון מחדש תוך שימוש בשרף כושר ספיג. סוג של חומר זה עשוי לעתים קרובות קלקר בצורת לתוך חרוזים קטנים. הם יחסית הידרופובי יש העדפה חזקה מחייב דטרגנט לעומת שומנים ^48. לאחר הסרת חרוזים הידרופובי וביצוע בירור באמצעות צנטריפוגה, nanodiscs הם מטוהרים על ידי כרומטוגרפיה הדרה גודל (SEC). Nanodiscs מטוהר מעורבב עם חלבון הממברנה monotopic (ורכיבים אפשריים) ב יחס equimolar (או יחסי מספר עבור טיטרציה) והם עזבו כדי react (15 דק '). ניתוח על פי TEM מתבצע על ידי החלת μL-סכומי המדגם על-משוחרר זוהרת, רשתות מצופות הפחם ולאחר מכן על ידי ביצוע מכתים שלילי עם NAPT. מדגם זהה וממתי aliquots הוחלו על רשתות TEM יכול לשמש לניתוח על ידי הלא denaturing או SDS עמוד-ג'ל אלקטרופורזה, כמו גם על ידי סוגים שונים של מדידות פעילות, ללא שינויים משמעותיים.

Protocol

1. הכנת Nanodiscs ביטוי וטיהור של פיגומי קרום החלבון 8, 35 לבטא את MSP1E3D1 שלו מתויג ב BL21 E. coli (DE3) זן T1R pRARE2 צלוחיות. הכן תרבות המתנע לילה 50 מ"?…

Representative Results

השיטה שאנו מציעים תלויה בהכנת nanodiscs לספק משטח הממברנה עבור monotopic קרום חלבון מחייב. מאחר ואין חלבון טראנסממברנלי מוטבע לתוך bilayer השומנים nanodisc, את nanodiscs הם כאן מסומן כמו "nanodiscs ריק" (איור 2 א). אלה יש משקל מולקולרי מחושב של 256 kDa עבור רכב שני ח?…

Discussion

השיטה ניתן לחלק לשלושה חלקים: הכינון מחדש של nanodiscs ריק, הכנת קומפלקסים חלבונים-nanodisc, ואת מכתים שלילי עבור TEM קומפלקסים אלה. כל חלק יטופל בנפרד בקשר להגבלות על הטכניקה, השלבים קריטיים, ושינויים שימושיים.

כינון של nanodiscs ריק. שלבים ומגבל…

Materials

Transmission electron microscope: JEOL2100F	JEOL
CCD camera	Tiez Video and Imaging Processing System GmbH, Germany
Glow discharger	Baltec
TEM grid: 400 mesh	TAAB	GM016/C
Size exclusion chromatography: Agilent SEC-5	Agilent Technologies	5190-2526
Superdex 200 HR 10/300	GE Healthcare Life Sciences	17-5172-01
Plasmid:MSP1E3D1	Addgene	20066
Bacteria: BL21DE3	NEB	C2527H
Bacteria: BL21 (DE3) T1R pRARE2	Protein Science Facility, KI, Solna
Purification Matrix: ATP agarose	Sigma Aldrich	A2767
Purification Matrix: HisTrap HP-5 ml	GE Healthcare Life Sciences	17-5247-01
Lipid:POPC	Avanti polar lipids	850457C	25 mg/ml in chloroform
Hydrophobic beads: Bio-Beads, SM-2 Resin	Bio-Rad	1523920
13 mm syringe filter: 0.2 μm	Pall life sciences	PN 4554T
Stain: Sodium phosphotungstate tribasic hydrate	Sigma Aldrich	31648
2-mercaptoethanol	Sigma Aldrich	M3148-250ML
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS)	Bio-Rad	161-0301
Protease inhibitor cocktail	Sigma Aldrich	4693132001
TCEP	Sigma Aldrich	646547
Detergent: Sodium cholate hydrate	Sigma Aldrich	C6445-10G
Sodium Cholate	500 mM Sodium cholate		Resuspend in miliQ water and store at -20°C
Lipid Stock	50 mM POPC, 100 mM sodium cholate, 20 mM Tris-HCl pH 7.5, 100 mM NaCl		Store at 4°C for a week or Store -80°C for a month, after purging the solution with nitrogen
MSP standard buffer	20 mM Tris-HCl pH 7.5, 100 mM NaCl, 0.5 mMEDTA		Store at 4°C
Non-Denaturaing Electrophoresis Anode Buffer	50 mM Bis Tris 50 mM Tricine, pH 6.8	BN2001	Purchased from Thermofisher Scientific
Non-Denaturaing Electrophoresis Cathode Buffer	50 mM Bis Tris 50 mM Tricine, pH 6.8 0.002% Coomassie G-250	BN2002	Purchased from Thermofisher Scientific
Non-Denaturaing Electrophoresis 4X Sample loading Buffer	50 mM BisTrispH 7.2, 6N HCl, 50 mM NaCl, 10% (w/v) glycerol, 0.001% Ponceau S	BN2003	Purchased from Thermofisher Scientific
Denaturaing Electrophoresis Running Buffer	25 mM Tris-HCl pH 6.8, 200 mM Glycine, 0.1 % (w/v) SDS		Inhouse receipe
Denaturaing Electrophoresis 5X Sample loading Buffer	0.05 % (w/v) Bromophenolblue, 0.2 M Tris-HCl pH 6.8, 20 % (v/v) glycerol, 10% (w/v) SDS,10 mM 2-mercaptoethanol		Inhouse receipe
Terrific broth	Tryptone – 12.0g Yeast Extract – 24.0g 100 mL 0.17M KH2PO4 and 0.72M K2HPO4 Glycerol – 4 mL		Tryptone, yeast extract and glycerol were prepared to 900 ml and autoclaved seperately. KH2PO4 and K2HPO4 were prepared and autoclaved separately. Both were mixed before using the medium