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Biochemistry

膜蛋白質の構造解析および経験的モデリング中性子小角散乱実験でコントラストに一致する洗剤

Published: October 21, 2018
doi:
10.3791/57901
, , , , ,
1Neutron Scattering Division,Oak Ridge National Laboratory, 2School of Chemistry and Biochemistry,Georgia Institute of Technology

Summary

このプロトコルは、低解像度第一原理計算モデルと洗剤のコントラストが一致する中性子小角散乱法を用いたソリューションの洗剤可溶化膜蛋白質の構造の詳細を取得する方法を示します。

Abstract

高流束同位体リアクターのオークリッジ国立研究所で生物学的中性子小角散乱装置、生体材料ナノからをカバー、バイオ燃料の処理、生物学的材料の調査に捧げられてマイクロメータ スケール。膜タンパク質の物性 (すなわちサイズと形状) を調査するためにここで提示されたメソッド (ここで MmIAP、 Methanoculleus marisnigriから膜アスパルチル プロテアーゼ) ミセル形成のソリューションで洗剤とりわけこの中性子小角散乱装置に適しています。他の生物物理学的解析技術がタンパク質洗剤複雑な構造で洗剤の貢献に対処する彼らの無力によって妨げられます。さらに、バイオ重水素化研究室へのアクセスは、大規模な耕作を準備し、タンパク質強化による散乱信号の重水素標識蛋白質を表現するためのユニークな機能を提供します。この技術は、高分解能で構造の詳細を提供しない、膜蛋白質の構造の知識のギャップには近く原子分解能を必要とせず研究の多くのアドレス指定可能な分野が含まれています。たとえば、これらの区域は、摂動、および折りたたみ/展開イベント オリゴマー状態、複雑な形成、構造変化の測定を含みます。これらの調査は、このメソッドのアプリケーションを容易に実現できます。

Introduction

膜タンパク質は、すべての遺伝子1の推定 30% がエンコードされ、現代の医薬品のターゲットの大多数を表します。2これらの蛋白質は、彼らの豊かさと重要性にもかかわらず重要な細胞機能を3の広い配列を行うなど、研究利用に供構造バイオインフォマティクス (RCSB) 蛋白質のための総構造の約 1% にすぎませんデータ ・ バンク。4彼らの部分的に疎水性性質のため膜結合蛋白質の構造決定が極めて挑戦でされています。5,6,7

生物物理技法の多くは、測定溶液中における同一径粒子を必要と、ネイティブ膜から膜タンパク質を分離し、生体膜の可溶性模倣これらのタンパク質の安定化は最近の研究の活発な領域をされています。数十年。8,9,これらの調査は、nanodiscs11,12,13膜,14,15 等の膜タンパク質の可溶化多くの新規両親媒性アセンブリの開発につながっている10と amphipols。16,17ただし、洗剤のミセルの使用特定の蛋白質の容解性の要件を満たすための最も一般的で簡単な方法の 1 つは。18,19,20,21,22,23,24,25残念ながら、単一の洗剤や洗剤の魔法混合現在存在満たすすべての膜蛋白質。したがって、これらの条件は経験的蛋白質ごとの固有の要件にスクリーニングする必要があります。26,27

洗剤は、ミセルと呼ばれる集合構造を形成するソリューション、臨界ミセル濃度以上で自己組み立てます。ミセルは、疎水性のアルキル鎖ミセル コアおよび水溶媒に直面してミセル シェル層に配置される親水性のヘッド グループを形成 (通常は 20 から 200 まで) 多くの洗剤モノマーの構成されます。洗剤のミセル形成挙動は古典的な疎水性効果、28およびサイズでチャールズ タンフォードによって記述され、膜タンパク質研究で一般的に使用される洗剤のミセルの形状をしています。小角散乱法を用いた特徴付けられます。29,30洗剤組織膜タンパク質についても研究されていると、きちんと洗剤のような配置でタンパク質を取り巻く洗剤の分子蛋白質界面活性剤複合体 (Pdc) の形成を期待ミセル。31

1 つは、洗剤を使用する利点は他の洗剤を組み込むことによって生じるミセル プロパティを操作できることを追加しました。多くの洗剤を示す理想的な混合と混合ミセルの選択プロパティはコンポーネントとの混合比率からも予想されます。22ただし、洗剤の存在できますまだ課題が生物物理特性の信号全体に貢献することであります。たとえば、x 線と光散乱技術、PDC の洗剤からの信号はタンパク質と実質的に区別できます。32単一粒子の低温電子顕微鏡 (Cryoem) 調査は通常トラップ (冷凍) 粒子に依存してください。蛋白質の構造の詳細は、特定の洗剤や洗剤を背景に追加する高濃度によってまだ隠されています。33 (洗剤を含む) 完全な PDC 構造の解釈への別のアプローチは、指定された膜タンパク質の周り洗剤を再構築しようとする計算方法で行われています。34

中性子散乱の場合は、洗剤のミセルでコア-シェル アレンジ観測散乱に寄与するフォーム ファクターが生成されます。幸いなことに、彼らは net の観測された散乱に寄与しないことなどは、ソリューション コンポーネントを変更できます。この「コントラスト マッチング」のプロセスと一致する (バッファー) の背景の散乱長密度を達成するために水素の重水素を置き換えることによって達成されます。(利用できる重水素化対応) と洗剤の賢明な選択と混合の比率を考慮しなければなりません。洗剤のミセル、洗剤を用いた重水素置換アルキル鎖 (d-尾 h 尾ではなく) を持っているが、同じヘッド グループこの置換を実行できます。洗剤は十分に混合されたので、35の集計でお越しの加重モル分率は、散乱長密度 (h 尾と尾 d) の 2 つのコンポーネントの平均。この平均コントラストが頭のグループの一貫性のある、均一の凝集構造と観測された散乱へのすべてを削除する完全に照合できます。

重水素標識アルキル鎖と化学的に同一の洗剤の分子を組み込むことによって洗剤のミセルの中性子コントラストを操作するためのプロトコルをご紹介します。19,36,37ミセル コアとシェルは、中性子散乱のユニークな機能は、一致する完全な対比ができます。35,38により大幅に洗練されたこの詳細レベルには、コントラストのマッチングを実現できます膜蛋白質の構造のそれ以外の場合不可能研究。さらに、このコントラスト マッチング方法は高分子交換反応39と油水分散剤、40または膜、41なども他の可溶化剤などの洗剤を含む他のシステムに拡張することnanodiscs、42またはブロック共重合体。この原稿が、アルキル鎖および/または頭の部分重水素置換の単一洗剤種を用いたアウトラインとして43 A 同様のアプローチは最近出版されました。置換および 2 段階用の洗剤の利用できる位置の限られた数、ここで紹介した方法と比較して37これが水素と重水素洗剤中のランダムな分布の改善に期待できます。合成洗剤は、ポーズの追加の課題を検討に必要な。

多くの場合下記のプロトコルの手順 1 と 2 が重なる品質提案を提出する最初の実験計画を行う必要がありますので。ただし、提案書の提出であるここでは中性子実験の前にこのプロセスを開始することを強調する最初のステップとして。また、提案によって示される必要があります、前提条件の手順が生化学的および物理的な特性 (安定性、純度など) 中性子研究の必要性をサポートするサンプルを持つことをする必要があります。小角中性子散乱 (SAN) の一般的な議論はこの記事の範囲を超えています。簡単なしかし徹底的な導入はカウフマン、44と包括的な教科書に焦点を当てた生物小角ソリューション散乱による材料特性評価を公開されている最近の参照作業で利用可能です。45さらにおすすめの読書は、ディスカッション セクションで与えられます。小角散乱は、散乱過程を説明する中央の量として、いわゆる散乱ベクトル Q を使用します。この資料を使用して、広く受け入れられている定義 Q = 4 π 罪 (θ)/θ が受信および散乱ビームと λ の半分の角度、λ は、オングストロームの中性子放射の波長。使用別のなどの記号、その他の定義が存在する ‘ の散乱ベクトルは要因 2 π かナノメートル オングストロームの代わりを使用して異なる場合があります (図 10の議論を参照してください)。

Protocol

1. 準備し、中性子施設はり時間と計測器の提案を提出 一般的なユーザー中性子ビームの時間アクセス、オークリッジ国立研究所 (ORNL) などを提供する中性子散乱施設を特定するためのオンライン リソースを参照してください。中性子設備、中性子研究世界についての情報の地図はオンラインできません。46これらの施設が通常提案; 通常の呼び出しであることを注意?…

Representative Results

ビームの時間と計測器の提案は、提案する実験の有効な評価を行うことができますので、審査委員会に必要なすべての情報を明確に伝える必要があります。NSS との通信は非常に経験の浅いユーザーの示唆されました。NSS は、初期の可能性と可能性、安全性、効果の高い科学の可能性を強調するガイド提案提出を評価できます。提案で提供される情報は、背景情報と?…

Discussion

構造生物学研究では、溶液散乱溶液中生体分子から (全体のサイズや形) など生化学的および構造の詳細を取得するような相補的な構造技術を活用します。SAN は、膜蛋白質の低分解能構造、現代構造生物学と生化学のコア焦点を決定するための特に魅力的な手法です。SAN に匹敵する結晶構造試験 (1 mg/サンプル) の浄化された蛋白質の量が必要です。高純度重水素化洗剤膜タンパク質研究に関?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

構造分子生物学 (CSMB) とバイオのオークリッジ国立研究所のセンターで研究をサポート オフィスの生物と環境の研究-科学的なユーザー施設課の基本的なエネルギー科学のオフィス、米国部門でサポートされている機能を使用して SANエネルギー。リーバーマン ラボでの膜タンパク質の構造的な仕事は、NIH (DK091357、GM095638) によってサポートされている、NSF (0845445)。

Materials

Amicon Ultra MWCO 50KDa concentrator  EMD Millipore UFC905096 labware
Ammonium citrate dibasic Fisher Scientific A663 medium component
Ammonium sulfate EMD Millipore 2150 medium component
Bioflo 310 Bioreactor System Eppendorf M1287-2110 equipment
Calcium chloride dihydrate Acros 423525000 medium component
Carbenicillin IBI Scientific IB02025 antibiotic
Chloramphenicol EMD Millipore 3130 antibiotic
Cobalt (II) chloride Acros AC21413-0050 medium component
Copper (II) sulfate Acros AC19771-1000  medium component
Deuterium oxide Sigma-Aldrich 756822 medium component
Drierite Gas Purifier W.A. Hammond Drierite Co. Ltd. 27068
EDTA, disodium, dihydrate EMD Millipore 4010 medium component
Emulsiflex-C3 Avestin EF-C3 equipment
Äkta Purifier UPC100 GE Healthcare  equipment
Glycerol Sigma-Aldrich G5516 medium component
HEPES Sigma-Aldrich H4034
HiPrep 16/60 Sephacryl S-300 HR column GE Healthcare  17116701
Imidazole VWR 97064-622
IPTG Teknova I3325
Iron(III) chloride hexahydrate MP Biochemicals ICN19404590 medium component
LB Agar Miller Fisher Scientific BP1425-2
Magnesium sulfate heptahydrate VWR 97062-134 medium component
Manganese(II) sulfate monohydrate Acros AC20590-5000 medium component
MaxQ 6000 Incubated/Refrigerated Shaker Thermo Scientific SHKE6000-7  equipment
n-Dodecyl-d25-β-D-maltopyranoside Anatrace D310T
n-Dodecyl-β-D-maltopyranoside Anatrace D310A
Potassium phosphate monobasic VWR 97062-346 medium component
RC 6 Plus Centrifuge Thermo Scientific Sorvall 46910 equipment
SIGMAFAST protease inhibitor cocktail tablets, EDTA-free Sigma-Aldrich S8830
Sodium chloride Sigma-Aldrich S3014
Sodium hydroxide Sigma-Aldrich 795429
Sodium phosphate dibasic Sigma-Aldrich S7907 medium component
Sterile 25mm syringe filter with 0.2µm PES membrane VWR 28145-501 labware
Sterile disposable bottle top filter with 0.2µm PES membrane Thermo Scientific 596-4520  labware
Superdex 200 10/300 GL  GE Healthcare  17517501
Superose-12 10/300 GL column  GE Healthcare  17517301
Ultrospec 10 Cell Density Meter GE Healthcare  80211630 equipment
Zinc sulfate monohydrate Acros AC38980-2500  medium component
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Membrane ProteinSmall-angle Neutron ScatteringContrast MatchingDeuterium LabelingAb Initio ModelingOligomeric StateSizeShapeLow Resolution StructureDetergentScattering Length DensityContrast Match PointE. ColiDeuterated ProteinMinimal MediumBioreactor
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Oliver, R. C., Naing, S., Weiss, K. L., Pingali, S. V., Lieberman, R. L., Urban, V. S. Contrast-Matching Detergent in Small-Angle Neutron Scattering Experiments for Membrane Protein Structural Analysis and Ab Initio Modeling. J. Vis. Exp. (140), e57901, doi:10.3791/57901 (2018).
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