Summary

Een proteoliposome-Based Efflux Assay om Enkelmolecuul Eigenschappen van Cl Bepaal<sup> -</sup> Kanalen en Transporters

Published: April 20, 2015
doi:

Summary

Proteoliposomes are used to study purified channels and transporters reconstituted in a well-defined biochemical environment. An experimental procedure to measure efflux mediated by these proteins is illustrated. The steps to prepare proteoliposomes, perform the recordings, and analyze data to quantitatively determine the functional properties of the reconstituted protein are described.

Abstract

The last 15 years have been characterized by an explosion in the ability to overexpress and purify membrane proteins from prokaryotic organisms as well as from eukaryotes. This increase has been largely driven by the successful push to obtain structural information on membrane proteins. However, the ability to functionally interrogate these proteins has not advanced at the same rate and is often limited to qualitative assays of limited quantitative value, thereby limiting the mechanistic insights that they can provide. An assay to quantitatively investigate the transport activity of reconstituted Cl channels or transporters is described. The assay is based on the measure of the efflux rate of Cl from proteoliposomes following the addition of the K+ ionophore valinomycin to shunt the membrane potential. An ion sensitive electrode is used to follow the time-course of ion efflux from proteoliposomes reconstituted with the desired protein. The method is highly suited for mechanistic studies, as it allows for the quantitative determination of key properties of the reconstituted protein, such as its unitary transport rate, the fraction of active protein and the molecular mass of the functional unit. The assay can also be utilized to determine the effect of small molecule compounds that directly inhibit/activate the reconstituted protein, as well as to test the modulatory effects of the membrane composition or lipid-modifying reagents. Where possible, direct comparison between results obtained using this method were found to be in good agreement with those obtained using electrophysiological approaches. The technique is illustrated using CLC-ec1, a CLC-type H+/Cl exchanger, as a model system. The efflux assay can be utilized to study any Cl conducting channel/transporter and, with minimal changes, can be adapted to study any ion-transporting protein.

Introduction

In de laatste twee decennia is de mogelijkheid om overexpressie en te zuiveren membraan transporteiwitten is dramatisch toegenomen: ionkanalen, primaire en secundaire transporteurs worden nu routinematig gezuiverd van heterologe expressie systemen, alsmede natuurlijke bronnen. Nieuwe benaderingen te controleren meningsuiting, te verbeteren en de winning faciliteren en versterken de stabiliteit van deze eiwitten worden constant ontwikkeld 1-5. Deze technologische doorbraken zijn geweest bij het activeren van de explosie van atoom-niveau structurele informatie over membraaneiwitten die op zijn beurt verbeterde ons begrip van de structurele basis van hun functie is. Daarentegen ons vermogen sonderen de functionele eigenschappen van de gezuiverde eiwitten geen verhoging in hetzelfde tempo, zodat in sommige gevallen hoge resolutie structuurinformatie gepaard met kwalitatieve functionele gegevens, waardoor ons vermogen om kwantitatief te testen structuur gebaseerde voorspellingen beperkt. Vandaar dat de development van kwantitatieve en generaliseerbaar functionele assays is een belangrijke stap naar de ontrafeling van de mechanistische onderbouwing van membraaneiwit functie.

Hier beschrijven we een efflux assay die kan worden gebruikt om kwantitatief belangrijkste functionele eigenschappen van gezuiverd en gereconstitueerd Cl kanalen en transporters. De beginselen van de test kan worden gegeneraliseerd naar diverse transportsystemen, alsmede niet-ion transport eiwitten. Liposomen worden gereconstitueerd met gezuiverde Cl kanaal / transporters in de aanwezigheid van een grote Cl helling (figuur 1A, B). Cl efflux wordt geïnitieerd door de toevoeging van een ionofoor om voor tegenion flux, in ons geval de K + ionofoor valinomycine, dat voldoet aan de Cl spanning shunt gradiënt en het beginvolume membraanpotentiaal de evenwichtspotentiaal van K + 6,7. Zonder thij ionofoor geen significant netto Cl efflux optreedt, zoals wordt voorkomen door het genereren van een transmembraanpotentiaal. De data wordt kwantitatief beschreven door twee meetbare parameters (figuur 1C): τ de tijdconstante van Cl efflux en f0, de fractie van liposomen actief eiwit bevatten. Van τ en f 0 de unitaire Cl transportsnelheid, kan de fractie van actief eiwit en de molecuulmassa van het actieve complex afgeleid 8. De techniek wordt hier geïllustreerd aan de hand proteoliposomen gereconstitueerd met CLC-EC1, een goed gekarakteriseerde CLC-type H + / Cl wisselaar van bekende structuur en functie. Deze test wordt gemakkelijk gegeneraliseerd om kanalen of transporters met verschillende ionische selectiviteit of waarvan de activiteit afhankelijk van de aanwezigheid van spanning en / of liganden. Bovendien kan deze bepaling worden vastgesteld of kleine moleculen rechtstreeks de gereconstitueerde eiwit,om de effecten van deze verbindingen en hoe membraansamenstelling of lipidemodificerend reagentia invloed op de functie van de gereconstitueerde kanalen en transporters kwantificeren.

Protocol

1. lipidepreparaat Aliquot de gewenste hoeveelheid lipiden in een heldere glazen buis. Gebruik E. coli polair lipide-extract, maar de meeste lipidesamenstellingen worden gebruikt. Indien lipiden in poedervorm, resuspendeer ze in chloroform tot een concentratie van 20 mg / ml. Droog de ​​lipiden bij KT onder N2-gas totdat al het oplosmiddel verdampt. Resuspendeer de lipiden in pentaan en drogen weer een gestage stroom van gas N2 overgebleven sporen van chloroform te…

Representative Results

We beschrijven een gedetailleerd en robuust protocol om Cl te meten – transport gemedieerd door gezuiverd CLC-EC1, een prokaryotische CLC-type H + / Cl – wisselaar, gereconstitueerd in liposomen. Een schematische voorstelling van het experiment wordt getoond in figuur 3 proteoliposomen gereconstitueerd met gezuiverd CLC-EC1 en met hoge interne Cl -. Ondergedompeld in een bad oplossing die lage Cl -. Onder deze omstandigheden net Cl – effl…

Discussion

Transport gemedieerd door gezuiverd anion-selectieve kanalen of transporteurs gereconstitueerd in liposomen We hebben een gedetailleerd protocol om Cl te meten beschreven. Het voorbeeld gebruikt was de prokaryotische H + / Cl wisselaar CLC-EC1. Echter, kan de methode gemakkelijk worden aangepast om kanalen afgesloten door liganden 12,13,15, 11,12 spanning of sportieve andere anionogene selectiviteit 15,16 door vervanging van de Ag bestuderen: AgCl elektrode met …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by NIH grant GM085232 and an Irma T. Hirschl/ Monique Weill-Caulier Scholar Award (to A.A.).

Materials

Name of Reagent/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Liposomicator, Avanti Polar Lipids Inc.  Avanti Polar Lipids Inc. 610200
IEC Centra CL2 Benchtop Thermo Scientific
Orion Research Model 701A Digital pH-mV meter These can be found on Ebay.
 Non-functional pH probe Any pH meter probe with silver wires will work. The glass/plastic coating needs to be removed and the wires cleaned.
  DI-710 Data Logger DATAQ instruments
WinDAQ acquisition software DATAQ instruments
Pierce Disposable Plastic Columns, Gravity-flow, 2ml Pierce (Thermo Scientific) 29922
KIMAX Culture Tubes, Disposable, Borosilicate Glass Kimble Chase 73500-13100
Extruder Set With Holder/Heating Block Avanti Polar Lipids Inc. 610000
Computer

Riferimenti

  1. Kawate, T., Gouaux, E. Fluorescence-detection size-exclusion chromatography for precrystallization screening of integral membrane proteins. Structure. 14, 673-681 (2006).
  2. Drew, D., et al. GFP-based optimization scheme for the overexpression and purification of eukaryotic membrane proteins in Saccharomyces cerevisiae. Nat Protocols. 3, 784-798 (2008).
  3. Hattori, M., Hibbs, R. E., Gouaux, E. A fluorescence-detection size-exclusion chromatography-based thermostability assay for membrane protein precrystallization screening. Structure. 20, 1293-1299 (2012).
  4. Almo, S. C., Love, J. D. Better and faster: improvements and optimization for mammalian recombinant protein production. Curr Opin Struct Biol. 26, 39-43 (2014).
  5. Xiao, S., Shiloach, J., Betenbaugh, M. J. Engineering cells to improve protein expression. Curr Opin Struct Biol. 26, 32-38 (2014).
  6. Accardi, A., Miller, C. Secondary active transport mediated by a prokaryotic homologue of CLC Cl- channels. Nature. 427, 803-807 (2004).
  7. Nguitragool, W., Miller, C. Uncoupling of a CLC Cl-/H+ exchange transporter by polyatomic anions. J. Mol. Biol. 362, 682-690 (2006).
  8. Walden, M., et al. Uncoupling and turnover in a Cl-/H+ exchange transporter. J. Gen. Physiol. 129, 317-329 (2007).
  9. Accardi, A., Kolmakova-Partensky, L., Williams, C., Miller, C. Ionic currents mediated by a prokaryotic homologue of CLC Cl- channels. J. Gen. Physiol. 123, 109-119 (2004).
  10. Basilio, D., Noack, K., Picollo, A., Accardi, A. Conformational changes required for H(+)/Cl(-) exchange mediated by a CLC transporter. Nat Struct Mol Biol. 21, 456-463 (2014).
  11. Lee, S. Y., Letts, J. A., MacKinnon, R. Functional reconstitution of purified human Hv1 H+ channels. Journal of Molecular Biology. 387, 1055-1060 (2009).
  12. Terashima, H., Picollo, A., Accardi, A. Purified TMEM16A is sufficient to form Ca2+ activated Cl- channels. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 19354-19359 (2013).
  13. Malvezzi, M., et al. Ca2+-dependent phospholipid scrambling by a reconstituted TMEM16 ion channel. Nature Communications. 4, 2367 (2013).
  14. Picollo, A., Malvezzi, M., Houtman, J. C., Accardi, A. Basis of substrate binding and conservation of selectivity in the CLC family of channels and transporters. Nat Struct Mol Biol. 16, 1294-1301 (2009).
  15. Eckford, P. D., Li, C., Ramjeesingh, M., Bear, C. E. Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) potentiator VX-770 (ivacaftor) opens the defective channel gate of mutant CFTR in a phosphorylation-dependent but ATP-independent manner. J Biol Chem. 287, 36639-36649 (2012).
  16. Stockbridge, R. B., et al. Fluoride resistance and transport by riboswitch-controlled CLC antiporters. Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 15289-15294 (2012).
  17. Menon, I., et al. Opsin is a phospholipid flippase. Curr Biol. 21, 149-153 (2011).
  18. Nimigean, C. M., Miller, C. Na+ block and permeation in a K+ channel of known structure. J Gen Physiol. 120, 323-335 (2002).
  19. Picollo, A., Xu, Y., Johner, N., Bernèche, S., Accardi, A. Synergistic substrate binding determines the stoichiometry of transport of a prokaryotic H(+)/Cl(-) exchanger. Nat Struct Mol Biol. 19, 525-531 (2012).
  20. Tsai, M. F., Fang, Y., Miller, C. Sided functions of an arginine-agmatine antiporter oriented in liposomes. Biochimica. 51, 1577-1585 (2012).
  21. Heginbotham, L., Kolmakova-Partensky, L., Miller, C. Functional reconstitution of a prokaryotic K+ channel. J Gen Physiol. 111, 741-749 (1998).
  22. Lundbaek, J. A., Collingwood, S. A., Ingólfsson, H. I., Kapoor, R., Andersen, O. S. Lipid bilayer regulation of membrane protein function: gramicidin channels as molecular force probes. J R Soc Interface. 7, 373-395 (2010).
  23. Lim, H. H., Stockbridge, R. B., Miller, C. Fluoride-dependent interruption of the transport cycle of a CLC Cl(-)/H(+) antiporter. Nat Chem Biol. 9, 712-715 (2013).
  24. Stockbridge, R. B., Robertson, J. L., Kolmakova-Partensky, L., Miller, C. A family of fluoride-specific ion channels with dual-topology architecture. Elife. 2, e01084 (2013).
  25. Nimigean, C., Shane, T., Miller, C. A cyclic nucleotide modulated prokaryotic K+ channel. J Gen Physiol. 124, 7 (2004).
  26. Brohawn, S. G., del Mármol, ., J, R., MacKinnon, Crystal Structure of the Human K2P TRAAK, a Lipid- and Mechano-Sensitive K+ Ion Channel. Science. 335, 436-441 (2012).
  27. Jayaram, H., Robertson, J. L., Wu, F., Williams, C., Miller, C. Structure of a slow CLC Cl-/H+ antiporter from a cyanobacterium. Biochimica. 50, 788-794 (2011).

Play Video

Citazione di questo articolo
Basilio, D., Accardi, A. A Proteoliposome-Based Efflux Assay to Determine Single-molecule Properties of Cl Channels and Transporters. J. Vis. Exp. (98), e52369, doi:10.3791/52369 (2015).

View Video