Codificados genéticamente-sondas moleculares para Estudiar G receptores acoplados a proteínas

Summary

Nos genéticamente-codificar el aminoácido no natural, p-azido-L-fenilalanina en varias posiciones específicas en los GPCR y mostrar la versatilidad del grupo azido en diferentes aplicaciones. Estos incluyen una tecnología fotorreticulación dirigido a identificar los residuos en el bolsillo de unión a ligando de un GPCR, y la modificación bioorthogonal específica de sitio de los GPCR con una etiqueta de epítopo de péptido o de la sonda fluorescente.

Abstract

Para facilitar los estudios estructurales y dinámicas de proteína G-receptor acoplado (GPCR) de señalización complejos, se necesitan nuevos enfoques para introducir sondas o etiquetas informativas en receptores expresados ​​que no perturban la función del receptor. Se utilizó tecnología de supresión de ámbar codón para genéticamente a codificar el aminoácido no natural, p-azido-L-fenilalanina (azf) en varias posiciones específicas en los GPCRs heteróloga expresadas en células de mamífero. La versatilidad del grupo azido se ilustra aquí en diferentes aplicaciones para estudiar los GPCR en su ambiente celular nativo o bajo condiciones de detergente solubilizadas. En primer lugar, demostramos una tecnología fotorreticulación específica basada en células para identificar los residuos en el bolsillo de unión a ligando de GPCR en donde un ligando de molécula pequeña marcada con tritio se reticula a un aminoácido codificado genéticamente azido-. Se demuestra a continuación, la modificación específica de sitio de los GPCR por la bioorthogonal ligadura de reacción de Staudinger-Bertozzición que se dirige el grupo azido el uso de derivados de fosfina. Se discute una estrategia general para el objetivo marcado péptido epítopo de las proteínas de membrana expresadas en la cultura y su detección mediante un enfoque basado en ELISA de células enteras. Por último, se muestra que AZF-GPCR pueden ser etiquetados de forma selectiva con sondas fluorescentes. Las metodologías discutidos son generales, en que pueden, en principio, aplicarse a cualquier posición del aminoácido en cualquiera de GPCR expresado para interrogar a los complejos de señalización activo.

Introduction

Receptores acoplados a proteínas G (GPCRs heptahelical) comprenden una superfamilia de proteínas de la membrana altamente dinámicos que median señales extracelulares importantes y diversos. En el paradigma clásico, la activación del receptor se acopla con los cambios conformacionales inducidos por ligando. ^{1, 2} avances recientes en biología estructural de los GPCR han proporcionado información significativa sobre los mecanismos moleculares de la señalización transmembrana. ^3-5 Sin embargo, para entender con mayor precisión la química mecanismo funcional y dinámica estructural de señalización de GPCR, se requiere un conjunto de herramientas de enfoques para incorporar sondas moleculares y químicas informativas para interrogar a los complejos de señalización activo.

Para este fin, se adaptó un método para introducir específicamente en el sitio no o mínimamente sondas perturbadores en receptores expresados ​​sobre la base de aminoácido no natural (SAU) mutagénesis usando codón ámbar tecnología de supresión previamente por primera vez por Schultz y C. oworkers ⁶ Hemos optimizado la metodología de mutagénesis SAU para lograr una expresión de alto rendimiento y sistema de mutagénesis para las proteínas tales como los GPCR, que son difíciles de expresar en sistemas más heterólogas distintas de las células de mamíferos. El uso de un supresor ARNt ortogonal diseñado y desarrollado aminoacil-ARNt-sintetasa par de UAA específica, hemos introducido específicamente en el sitio UAAs en GPCRs objetivo expresado. La incorporación con éxito de UAAs, p-acetil-L-fenilalanina (ACF), p-benzoil-L-fenilalanina (BZF), y p-azido-L-fenilalanina (AZF) se ha demostrado en nuestros GPCR modelo – rodopsina humana y receptor de quimiocinas CC, CCR5. ^{7, 8}

En principio, un UAA puede ser codificada genéticamente en cualquier posición dentro de la secuencia de la proteína, y esta propiedad es una herramienta bioquímica invaluable, ya que permite el escaneo de un solo codón de un GPCR diana. Nos centramos aquí específicamente en la versatilidad de la UAA, AZF, que tiene un azi reactivahacer fracción. Además de servir como un (IR) de la sonda única de infrarrojos, ^{8, 9} azf también puede servir como un agente de reticulación fotoactivable por reacción con aminas primarias vecinas o hidrógenos alifáticos. Además, el grupo azido biológicamente inerte puede participar como un asa química selectiva en las reacciones de etiquetado bioorthogonal. Aquí se presentan ejemplos que ilustran las aplicaciones útiles de la incorporación específica de sitio de AZF en GPCRs, como fotorreticulación dirigida a atrapar a un complejo receptor-ligando, y la modificación de los GPCRs de etiquetado epítopo bioorthogonal y estrategias de marcaje fluorescente.

Reactivos fotoactivables se han utilizado para estudiar los sistemas biológicos desde la década de 1960. ¹⁰ En este período, se ha informado de una gran cantidad de experimentos de reticulación de receptor-ligando para estudiar complejos de GPCR, la mayoría de las cuales implicó el uso de ligandos de fotoafinidad. ^{11, 12} Sin embargo, estos las aplicaciones son técnicamente limitados, ya que requiere síntesis de ligandos que portan un grupo de reticulación. ^13-15 Además, con el resto reticulante en el ligando, es un reto para identificar la ubicación de la reticulación en el GPCR. La introducción específica de sitio grupos fotorreticulación como UAAs en proteínas utilizando el codón ámbar tecnología de supresión es un avance valioso. ^{16, 17} Hemos desarrollado una técnica fotorreticulación para identificar la interfaz de unión sobre un receptor que está implicado en la formación de un complejo receptor-ligando en células vivas mediante la introducción de grupos fotolábiles en los GPCR. ^{18, 19} Aquí se describe el protocolo experimental y método de análisis de datos para la aplicación de esta tecnología fotorreticulación dirigido a identificar el sitio de unión de un ligando de molécula pequeña, maraviroc tritiada, en el CCR5. Este método aprovecha la cuantificación precisa de la manija radiactivo en el ligando, además de retener la estructura química nativa del ligando.

Las técnicas basadas en la fluorescencia apoyan la comprensión precisa de la base estructural de la activación del receptor mediante el sondeo directamente el estado conformacional del receptor. ^{20, 21} Sin embargo, las técnicas que poseen la flexibilidad para introducir etiquetas fluorescentes en los GPCR específica de sitio son limitados. Estamos interesados ​​en el empleo de estrategias de modificación química bioorthogonal para facilitar la detección de moléculas individuales (SMD) de complejos de señalización de GPCR. ²² El grupo azido puede participar en las químicas bioorthogonal como la ligadura de ^{Staudinger-Bertozzi, 23, 24} azida-deformación-promovido sin cobre cicloadición alquino (SpAAC) ²⁵ y azida alquino cicloadición catalizada por cobre (CuAAC). ²⁶ Nos centramos aquí en la reacción de ligación Staudinger-Bertozzi que implica la reacción específica entre una azida y una fosfina. Se demuestra el uso de dos derivados de fosfina diferentes, conjugados a un epítopo de péptido (péptido FLAG) o un marcador fluorescente(Fluoresceína) para lograr la modificación específica de sitio de los GPCR.

Previamente Hemos optimizado las condiciones para el etiquetado específico del sitio de la rodopsina AZF variantes utilizando la estructura cristalina de rayos X y simulaciones dinámicas para elegir los sitios de destino que estén expuestos al disolvente. ^{27, 28} también ilustra la factibilidad de lograr un etiquetado fondo libre por Staudinger- ligadura Bertozzi. ²⁹ Se demuestra aquí el procedimiento general empleado para conseguir el marcaje fluorescente de un receptor solubilizada con detergente que está inmovilizado sobre una matriz de inmunoafinidad y posteriormente visualizada por fluorescencia en gel. Además, demostramos una útil extensión de esta estrategia de etiquetado para identificar posiciones susceptibles de etiquetado en un receptor de estructura desconocida, CCR5. Esto se lleva a cabo utilizando una estrategia de marcado epítopo de péptido dirigido que se basa en la modificación de bioorthogonal azf-GPCR variantes en un formato semi-alto rendimiento basado en células. ³⁰ Estamétodo explota las propiedades de detección de varios pasos de un ELISA de la superficie celular para monitorear eventos de etiquetado.

Las metodologías que se discuten aquí son generales y, en principio, se pueden aplicar a cualquier GPCR incorporado con AZF utilizando el codón ámbar tecnología de supresión. En los protocolos presentados aquí detallamos los pasos involucrados en la expresión de células de mamíferos de los receptores incorporados con UAAs como AZF utilizando el método de mutagénesis de aminoácidos no naturales y sus aplicaciones posteriores para facilitar los estudios estructurales y dinámicas de los GPCRs.

Protocol

1. Sitio específico de incorporación genética de Unnatural Aminoácidos en GPCRs Mantener las células HEK293T en medio DMEM (4,5 g / l de glucosa, glutamina 2 mM) suplementado con suero bovino fetal al 10% (FBS) a 37 ° C en una atmósfera de CO2 al 5%. Transfectar las células cultivadas a 60-80% de confluencia en una placa de 10 cm usando reactivo Lipofectamine Plus. Para 750 l de DMEM, añadir 10 l de reactivo Plus, 3,5 g de ADNc de GPCR (pMT4. Rho o pcDNA 3.1. CCR5) que c…

Representative Results

Se empleó la metodología de mutagénesis de aminoácidos no naturales a sitios específicos introducir sondas moleculares en un GPCR utilizando el codón ámbar tecnología de supresión. El esquema de la figura 1 resume los pasos más destacados de la metodología y de las diversas aplicaciones de la incorporación de la SAU versátil, p-azido-L-fenilalanina (AZF), en GPCRs. Expresión de AZF-GPCR en células de mamíferos permite dirigido fotorreticulación a ligandos, y dirigido etiquetado…

Discussion

Se describe aquí una metodología sólida para la incorporación específica de sitio de una sonda reactiva, AZF, en GPCRs y demostrar tres aplicaciones útiles de esta herramienta para el estudio de la estructura y dinámica de los GPCRs. Nuestro método para sitios específicos incorporar UAAs elude un problema fundamental con una estrategia alternativa basada en el etiquetado químicamente ^{32, 33} o adjuntar photocrosslinkers ³⁴ a un solo mutante cisteína accesible. Aunque, las químicas que se…

Materials

Name of Reagent/Material	Company	Catalog Number	Comments
Plasmid pSVB. Yam			(Ye et al., 2008)
Plasmid pcDNA.RS for azF			(Ye et al., 2009)
Plasmids pMT4.Rho and pcDNA 3.1.CCR5			Optionally contain the amber stop codon (TAG) at a desired position
HEK 293T cells			Adherent cells
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM)	Gibco	10566
Phosphate Buffered Saline	Gibco	14200
Fetal Bovine Serum	Gemini Bio-products	100-106
Lipofectamine Plus	Invitrogen	Lipofectamine: 18324-012 Plus: 11514-015
p-azido-L-phenylalanine	Chem-Impex International	6162
			Table 1. Site-specific genetic incorporation of unnatural amino acids into GPCRs materials
			[header]
Maxima ML-3500S UV-A lamp	Spectronics Corporation		azF is activated by 365-nm light
Hank's Buffered Salt Solution (HBSS)	Gibco	14065
HEPES	Irvine Scientific	9319
Bovine serum albumin	Roche	3117405001
Tritium-labeled ligand			From collaborator (Grunbeck et al., 2012)
1% (w/v) n-dodecyl-β-D-maltoside	Anatrace	D310LA
1D4-sepharose resin			1D4 mAb immobilized on CNBr-activated sepharose 2B resin
1% (w/v) sodium dodecyl sulfate (SDS)	Fisher Scientific	BP166
NuPAGE Novex 4 – 12% SDS gels	Invitrogen	NP0322BOX	SDS-PAGE performed on NuPAGE apparatus
Trans-Blot SD apparatus	Biorad		Apparatus for semi-dry transfer
Immobilon polyvinylidene difluoride (PVDF) membrane	Millipore	IPVH00010
Non-fat powered milk	Fisher Scientific	NC9934262
Tween-20	Aldrich	274348
Ecoscint A	National Diagnostics	LS-273	Scintillation fluid
Scintillation vials	Fisher Scientific	333726
LKB Wallac 1209 Rackbeta Liquid Scintillation Counter	Perkin Elmer		Beta-Scintillation counter
Anti-rhodopsin 1D4 mAb	National Cell Culture Center	custom
Horseradish peroxidase (HRP)-conjugated anti-mouse IgG	KPL, Inc.	474-1806
SuperSignal West Pico Chemiluminescent Substrate	Thermo Scientific	34080
Hyblot CL AR film	Denville	E3018
			Table 2. Targeted photocrosslinking materials
			[header]
0.25% Trypsin	Invitrogen	15050065
FLAG-triarylphosphine	Sigma	GPHOS1
M2 FLAG mAb	Sigma	F1804
anti-CCR5 2D7 mAb	BD Biosciences	555990
Poly-D-lysine	Sigma	P6407
96-well plate	Costar	3601	Clear bottom, high binding EIA/RIA
Phosphate Buffered Saline (Calcium, Magnesium)	Gibco	14040
16% Paraformaldehyde	EMS	28908
HRP-conjugated	KPL, Inc.	474-1516
anti-rabbit IgG	KPL, Inc.	474-1516
Amplex Red	Invitrogen	A12222
Hydrogen peroxide	DE Healthcare Products	97-93399
CytoFluor II fluorescence multi-well plate reader	Perseptive Biosystems
			Table 3. Targeted peptide-epitope tagging and cell surface ELISA materials
			[header]
Fluorescein-phosphine			(Huber et al., submitted 2012)
Nonapeptide (C9 peptide)	AnaSpec	62190	Peptide mimicking the 1D4-epitope NH2-TETSQVAPA-COOH
1% (w/v) n-dodecyl-β-D-maltoside	Anatrace	D310LA
1D4-sepharose resin			1D4 mAb immobilized on CNBr-activated sepharose 2B resin
NuPAGE Novex 4 – 12% SDS gels	Invitrogen	NP0322BOX	SDS-PAGE performed on NuPAGE apparatus
Confocal Typhoon 9400 fluorescence scanner	GE Healthcare	discontinued	Scanner with 488-nm wavelength laser
			Table 4. Fluorescent labeling materials