Medición de perfiles Biomolecular DSC con ligandos termolábiles para caracterizar rápidamente doblar y atar las interacciones
Summary
Presentamos un protocolo para la caracterización rápida de biomolecular plegado y encuadernación interacciones con ligandos termolábiles utilizando calorimetría diferencial.
Abstract
Calorimetría diferencial (barrido DSC) es una técnica poderosa para la cuantificación de parámetros termodinámicos que rigen biomolecular plegable y las interacciones de los Unión. Esta información es fundamental en el diseño de nuevos compuestos farmacéuticos. Sin embargo, muchos ligandos farmacéuticamente relevantes son químicamente inestables a las altas temperaturas utilizadas en análisis de DSC. Así, las interacciones de los Unión de medición es difícil porque las concentraciones de ligandos y convierte térmicamente los productos cambian constantemente dentro de la célula del calorímetro. Aquí, presentamos un protocolo usando ligandos termolábiles y DSC para obtener rápidamente información termodinámica y cinética de plegamiento, vinculante y ligando procesos de conversión. Hemos aplicado el método al aptámero de ADN MN4 que se une a la cocaína ligando termolábiles. Usando un nuevo análisis del ajuste global que tenga en cuenta para la conversión de ligando termolábiles, el conjunto completo de parámetros vinculantes y plegable se obtienen de un par de experimentos de DSC. Además, nos muestran que la constante de velocidad para la conversión de ligando termolábiles puede obtenerse con sólo un conjunto de datos complementario de DSC. Se presentan las directrices para la identificación y análisis de datos de varios escenarios más complicados, incluyendo la agregación irreversible de la biomolécula, plegamiento lento, enlace lento y rápido agotamiento del ligand termolábil.
Introduction
Calorimetría diferencial (barrido DSC) es un método eficaz para la cuantificación biomolecular vinculante y plegable interacciones1,2,3. Los puntos fuertes de DSC incluyen su capacidad para aclarar vinculantes y mecanismos de plegamiento y rendir los correspondientes parámetros termodinámicos2,3. Además, DSC puede realizarse en solución bajo condiciones fisiológicas cerca y no requiere de etiquetado de la biomolécula o ligando, por ejemplo, con fluoróforos, etiquetas de spin o isótopos nucleares4. El instrumento escanea en temperatura, midiendo la cantidad de calor necesaria para desnaturalizar las biomoléculas en presencia y en ausencia de ligando. Los termogramas resultantes se utilizan para extraer los parámetros termodinámicos que gobiernan el ligando vinculante y procesos de plegamiento. La información proporcionada por DSC u otras técnicas termodinámicas es fundamental para orientar el diseño de fármacos dirigidos a biomoléculas1,5,6,7,8. Sin embargo, la exploración repetida a altas temperaturas (~ 60-100 ° C) puede ser problemático. Por ejemplo, muchos compuestos farmacéuticamente importantes someterse a cambio o descomposición sobre la exposición sostenida a altas temperaturas9,10,11, es decir, que son termolábiles. Examen de enlace las interacciones por DSC normalmente requiere múltiples exploraciones hacia adelantadas y hacia atrás con el fin de verificar la reproducibilidad de la termografía para el análisis termodinámico12. Conversión térmica de un ligando inicial a una forma secundaria con características de atascamiento alterado conduce a pronunciadas diferencias en la forma y posición de los termogramas sucesivas, puesto que la concentración del ligando inicial disminuye con cada barrido mientras que la se acumulan productos de conversión térmica. Estos conjuntos de datos no son susceptibles de análisis tradicionales.
Recientemente hemos desarrollado un método de ajuste global para datasets termolábiles ligando DSC que el conjunto completo de parámetros termodinámicos que gobiernan el plegamiento de biomolecular y vinculante de las interacciones de un solo experimento ligando enlazado hace referenciada a la Termograma de necesarias para el libre biomoléculas4. El análisis reduce el tiempo experimental y la muestra necesaria por ~ 10 veces en comparación con métodos estándar de DSC. Hemos representaron para ligando conversión térmica asumiendo esto sucede durante la parte de alta temperatura de cada exploración donde el termograma no depende de la concentración de ligando. Por lo tanto, la concentración de ligando es una constante dentro de la porción del termograma que se utiliza para extraer parámetros termodinámicos. Además demostramos cómo puede obtenerse la constante de velocidad para la conversión térmica ligando mediante la realización de un experimento complementario con un largo periodo de equilibrado de alta temperatura. Para sistemas donde la conversión termal ligando es menos dependiente de la temperatura (es decir, que ocurre apreciable en todas las temperaturas), el análisis puede ser modificado para incluir las concentraciones de ligando variable. Aquí demostramos este procedimiento para el aptámero de ADN MN4 en presencia de la cocaína ligando termolábiles, que rápidamente se convierte en benzoylecgonine a altas temperaturas (> 60 ° C). La quinina se utiliza como un control negativo para thermolability ligando ya que no sufre conversión a estas temperaturas experimentales y también se une a MN4. Describimos la adquisición de ligando termolábiles DSC conjuntos de datos y su análisis, obtención de parámetros termodinámicos y cinéticos de la plegable, vinculante y ligando procesos de conversión.
Protocol
Representative Results
Discussion
Modificaciones y la resolución de problemas
El información de los análisis de montaje global utilizado en la figura 1 y figura 2 ha sido descrito previamente4. Aquí, describimos aspectos prácticos de la realización y análisis de experimentos de unión de DSC con ligandos termolábiles. Tenga en cuenta que una base de DSC obtenidos para el ligando termolábil solo se resta del ligando + co…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
R. W. H. V fue apoyado por el programa de formación ingeniería investigación Consejo de Canadá (NSERC) en Bionanomachines y Ciencias naturales de McGill. A. K. M. y P. E. J. fueron apoyados por donaciones NSERC 327028-09 (A. K. M) y 238562 (P. E. J.).
Materials
| Sodium chloride | Chem Impex | #00829 | |
| Sodium phosphate monobasic dihydrate | Sigma Aldrich | 71502 | |
| Sodium phosphate dibasic | Sigma Aldrich | S9763 | |
| Deioinized water for molecular biology | Millipore | H20MB1001 | |
| 0.2 micron sterile syringe filters | VWR | CA28145-477 | |
| 3 kDa centrifugal filters | Millipore | UFC900324 | |
| Dialysis tubing 0.5-1.0 kDa cutoff | Spectrum Laboratories | 131048 | |
| Silicon tubing | VWR | 89068-474 | |
| Plastic DSC flange caps | TA Instruments | 6111 | |
| DNA aptamer MN4 | Integrated DNA Technologies | https://www.idtdna.com/site/order/menu | |
| Cocaine | Sigma Aldrich | C008 | |
| Quinine | Sigma Aldrich | 22620 | |
| NanoDSC-III microcalorimeter | TA Instruments | http://www.tainstruments.com/nanodsc/ | |
| DSCRun software | TA Instruments | http://www.tainstruments.com/support/software-downloads-support/instruments-by-software/ | |
| NanoAnalyze software | TA Instruments | http://www.tainstruments.com/support/software-downloads-support/instruments-by-software/ | |
| Contrad-70 | VWR | 89233-152 |
References
- Bruylants, G., Wouters, J., Michaux, C. Differential scanning calorimetry in life science: thermodynamics, stability, molecular recognition and application in drug design. Curr Med Chem. 12 (17), 2011-2020 (2005).
- Privalov, P. L., Dragan, A. I. Microcalorimetry of biological macromolecules. Biophys Chem. 126 (1-3), 16-24 (2007).
- Brandts, J. F., Lin, L. N. Study of strong to ultratight protein interactions using differential scanning calorimetry. Biochimie. 29 (29), 6927-6940 (1990).
- Harkness, R. W., Slavkovic, S., Johnson, P. E., Mittermaier, A. K. Rapid characterization of folding and binding interactions with thermolabile ligands by DSC. Chem Commun. 52 (92), 13471-13474 (2016).
- Garbett, N. C., Chaires, J. B. Thermodynamic studies for drug design and screening. Expert Opin Drug Dis. 7 (4), 299-314 (2012).
- Holdgate, G. A., Ward, W. H. J. Measurements of binding thermodynamics in drug discovery. Drug Discov Today. 10 (22), 1543-1550 (2005).
- Plotnikov, V., et al. An autosampling differential scanning calorimeter instrument for studying molecular interactions. Assay Drug Dev Technol. 1 (1), 83-90 (2002).
- Schon, A., Lam, S. Y., Freire, E. Thermodynamics-based drug design: strategies for inhibiting protein-protein interactions. Future Med Chem. 3 (9), 1129-1137 (2011).
- Periánez Parraga, L., G-L, A., Gamón Runnenberg, I., Seco Melantuche, R., Delgado Sánchez, O., Puigventós Latorre, F. Thermolabile Drugs. Operating Procedure In the Event of Cold Chain Failure. Farmacia Hospitalaria. 35 (4), 1-28 (2011).
- Murray, J. B., Alshora, H. I. Stability of Cocaine in Aqueous-Solution. J Clin Pharmacy. 3 (1), 1-6 (1978).
- Waterman, K. C., et al. Hydrolysis in pharmaceutical formulations. Pharm. Dev. Technol. 7 (2), 113-146 (2002).
- Mergny, J. L., Lacroix, L. Analysis of thermal melting curves. Oligonucleotides. 13 (6), 515-537 (2003).
- Neves, M. A., Reinstein, O., Johnson, P. E. Defining a stem length-dependent binding mechanism for the cocaine-binding aptamer. A combined NMR and calorimetry study. Biochimie. 49 (39), 8478-8487 (2010).
- Bonifacio, G. F., Brown, T., Conn, G. L., Lane, A. N. Comparison of the electrophoretic and hydrodynamic properties of DNA and RNA oligonucleotide duplexes. Biophys J. 73 (3), 1532-1538 (1997).
- Durchschlag, H., Hinz, H. -. J. Chapter 3. Thermodynamic Data for Biochemistry and Biotechnology. , 45-128 (1986).
- Hellman, L. M., Rodgers, D. W., Fried, M. G. Phenomenological partial-specific volumes for G-quadruplex DNAs. Eur Biophys J Biophy. 39 (3), 389-396 (2010).
- Farber, P., Darmawan, H., Sprules, T., Mittermaier, A. Analyzing Protein Folding Cooperativity by Differential Scanning Calorimetry and NMR Spectroscopy. J Am Chem Soc. 132 (17), 6214-6222 (2010).
- Reinstein, O., et al. Quinine binding by the cocaine-binding aptamer. Thermodynamic and hydrodynamic analysis of high-affinity binding of an off-target ligand. Biochimie. 52 (48), 8652-8662 (2013).
- Tellinghuisen, J. Statistical error propagation. J Phys Chem. A. 105 (15), 3917-3921 (2001).
- Drobnak, I., Vesnaver, G., Lah, J. Model-based thermodynamic analysis of reversible unfolding processes. J Phys Chem B. 114 (26), 8713-8722 (2010).
