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Chimica

Sito-Labeling Spin e EPR spettroscopiche Studi di canali pentamerica ligando-dipendenti Ion

Published: July 04, 2016
doi:
10.3791/54127
, ,
1Department of Physiology and Biophysics,Case Western Reserve University, 2School of Medicine,Case Western Reserve University

Summary

This article describes methods for site-directed spin labeling and reconstitution of pentameric ligand-gated channels for Electron Paramagnetic Resonance studies. This protocol can be adapted for any membrane protein. The reconstitution method described here can also be used for patch-clamp measurements of macroscopic and single-channel currents in a defined lipid system.

Abstract

Ion channel gating is a stimulus-driven orchestration of protein motions that leads to transitions between closed, open, and desensitized states. Fundamental to these transitions is the intrinsic flexibility of the protein, which is critically modulated by membrane lipid-composition. To better understand the structural basis of channel function, it is necessary to study protein dynamics in a physiological membrane environment. Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy is an important tool to characterize conformational transitions between functional states. In comparison to NMR and X-ray crystallography, the information obtained from EPR is intrinsically of lower resolution. However, unlike in other techniques, in EPR there is no upper-limit to the molecular weight of the protein, the sample requirements are significantly lower, and more importantly the protein is not constrained by the crystal lattice forces. Therefore, EPR is uniquely suited for studying large protein complexes and proteins in reconstituted systems. In this article, we will discuss general protocols for site-directed spin labeling and membrane reconstitution using a prokaryotic proton-gated pentameric Ligand-Gated Ion Channel (pLGIC) from Gloeobacter violaceus (GLIC) as an example. A combination of steady-state Continuous Wave (CW) and Pulsed (Double Electron Electron Resonance-DEER) EPR approaches will be described that will enable a complete quantitative characterization of channel dynamics.

Introduction

Negli ultimi dieci anni, la comprensione strutturale dei canali ionici ligando-dipendenti pentamerica (pLGIC) è cresciuto in salti e limiti, a causa di una moltitudine di strutture ad alta risoluzione di diversi membri della famiglia. I fattori chiave che hanno portato ai progressi in corso nel settore includono, la scoperta dei canali pLGIC procariote, 1-3 grandi progressi nella espressione della proteina di membrana eucariotica, 4-6 e enormi progressi negli approcci determinazione della struttura. 7 Queste strutture forniscono un chiaro consenso su la conservazione complessiva dell'architettura tridimensionale pLGIC. Tuttavia, due aree principali che sembrano scia dietro sono la caratterizzazione funzionale di questi preparati canale e la descrizione meccanicistica della funzione del canale.

Gating cambiamenti conformazionali sono complessi e si verificano su una distanza di 60 Å lungo la lunghezza del canale e queste transizioni sono ampiamente modulati dalipidi di membrana. In particolare, è stato dimostrato lipidi negativi, colesterolo e fosfolipidi di modulare la funzione di pLGIC 8-11. Mentre il ruolo preciso di questi costituenti lipidici in funzione del canale rimane sconosciuta, una comprensione molecolare completa di gating richiederebbe lo studio di questi canali nel loro ambiente nativo. spettroscopia sito-Spin Labeling (SDSL) e Risonanza paramagnetica elettronica (EPR) sono le tecniche di scelta per studiare la dinamica delle proteine ​​nei sistemi ricostituiti. spettroscopia EPR non è limitata dalla dimensione molecolare (come è NMR) o la proprietà ottica del campione (come è spettroscopia di fluorescenza), e permette quindi misure di costrutti integrali ricostituiti in condizioni native lipidici. La tecnica è estremamente sensibile ed ha requisiti relativamente basse campione (nell'intervallo pico-mole). Entrambi questi aspetti rendono la tecnica adatta per studiare proteine ​​di membrana di grandi dimensioni che sono difficili da esprimere in oltre milligrammile quantità.

L'uso della spettroscopia EPR in combinazione con il sito-diretta etichettatura rotazione è stato sviluppato da Wayne Hubbell e colleghi, ed è stato adattato per studiare una gamma di tipi di proteine. 12-24 dati EPR sono stati utilizzati per indagare strutture secondarie, cambiamenti nella proteina conformazione, profondità di membrana di inserimento, e proteina-proteina / interazioni proteina-ligando.

Il metodo prevede la sostituzione cisteina nelle posizioni di interesse mediante mutagenesi sito-diretta. Per garantire un'etichettatura sito-specifica, è necessario sostituire cisteine ​​nativi con un altro aminoacido (ad es., Serina) per creare un modello cisteina-less. Di gran lunga, l'etichetta di spin più popolare è un MTSL specifica-tiolo: (1-oxyl-2,2,5,5-tetrametil-Δ3-pirrolina-3-metil) methanethiosulfonate che si attacca alla proteina attraverso un ponte legame disolfuro. Grazie alla sua elevata specificità, relativamente piccole dimensioni (leggermente più grande di triptofano), e flexibilità della regione linker, questa etichetta centrifuga ha dimostrato di avere un'ottima reattività anche con una cisteina sepolta. Inoltre, per massimizzare la reattività, la reazione di marcatura della proteina è effettuata sotto forma detergente solubilizzata. Dopo la separazione dell'eccesso libera spin-label per dimensione cromatografia di esclusione, la proteina viene ricostituito in liposomi o sistemi doppio strato-mimando di composizione lipidica definito. In generale, cisteina mutagenesi è ben tollerato nella maggior parte della proteina, e le dimensioni relativamente ridotte dello spin-sonda porta perturbazione minimo per le strutture secondarie e terziarie. Per garantire che la modifica mantenuto funzioni wild type, i canali etichettati e ricostituiti possono essere studiate mediante misurazioni patch-clamp.

La proteina marcata-funzionale è quindi sottoposto a misure spettroscopiche, che forniscono essenzialmente tre tipi principali di informazioni: 12,14,15,20,22,23,25-27 dinamiche spin-sonda lineshanalisi ape; l'accessibilità della sonda ad agenti paramagnetici di rilassamento; e la distanza di distribuzione. 27 distanze EPR sono misurate da due approcci diversi. Il primo si basa sulla tecnica Continuous Wave (CW), dove spettrale allargamento derivanti da interazioni dipolari tra spin-etichette (in 8 – un intervallo di distanze 20). Viene utilizzato per determinare la distanza 28,29 Il secondo è un pulsato EPR metodo in cui le misure di distanza può essere estesa fino a 70 Å. 30-34 in doppio Electron Electron Resonance (cervo), le oscillazioni di ampiezza spin-echo vengono analizzati per determinare le distanze e le distribuzioni di distanza. Qui l'eco di spin è modulato alla frequenza dell'interazione dipolare. Insieme, questi parametri vengono utilizzati per determinare la topologia di proteine, elementi strutturali secondari, e le modifiche delle proteine-conformazionale.

Protocol

1. mutagenesi sito-diretta e cisteina Mutazioni Clonazione e mutagenesi NOTA: GLIC wild type (wt) 35 ha una cisteina singolo nativo (C27), che è mutato in serina per creare uno sfondo cisteina-less. Mutazioni cisteina vengono introdotti sullo sfondo cisteina-less per mutagenesi sito-diretta utilizzando primer che portano un codone di cisteina nella posizione desiderata 36. Mescolare 5 ml di tampone 10x reazione, 1 ml di 100 ng / ml cisteina-meno GLIC modello di …

Representative Results

Caratterizzazione biochimica dei mutanti GLIC Spin-marcato Seguendo il protocollo sopra descritto sarebbe tipicamente produrre proteina di fusione GLIC-MBP nell'intervallo 10 – 12 mg / L di cultura. Anche se questo valore può variare tra diversi mutanti, in particolare per le posizioni sepolti all'interno della proteina, il rendimento può essere notevolmente compromessa. In questi casi, i volumi di c…

Discussion

spettroscopia EPR ha dimostrato di essere un approccio strutturale senza precedenti nella quantificazione cambiamenti conformazionali nelle proteine ​​di membrana in un ambiente quasi nativa. Questo approccio ci permette una sbirciatina nei dettagli molecolari di dinamica delle proteine ​​che vengono oscurate in strutture ad alta risoluzione da cristallografia a raggi X e microscopia crioelettronica. Tuttavia, è importante considerare le limitazioni tecniche di questo approccio che può influenzare l'applic…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Siamo molto grati ai deputati ed ex deputati del laboratorio Chakrapani per la lettura critica e commenti sul manoscritto. Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health sovvenzione (1R01GM108921) e l'American Heart Association (NCRP Scientist Development Grant 12SDG12070069) e SC.

Materials

Site-Directed Mutagenesis and Cys mutations
10x PfuUltra HF reaction buffer Agilent Technologies 600380-52
dNTPS New England BioLabs Inc‎ N0447L 10mM each dNTP
pfu Ultra DNA polymerase Agilent Technologies 600380-51 2.5 U/ul
DPNI New England BioLabs Inc‎ R0176S 20,000 U/ml
XL10 GOLD Agilent Technologies 200314
SOC media New England BioLabs Inc‎ B9020S
Kanamycin Fisher Scientfic BP905
LB media Invitrogen 127957084
Miniprep kit QIAGEN 27106
C43 competent cells Lucigen 60446
Expression and Purification
Glucose Fisher Scientfic D16
Tryptone Fisher Bioreagents BP1421-500
Yeast extract Amresco J850
Glycerol Fisher Bioreagents BP229
K2HPO4 Amresco 0705
KH2PO4 Amresco 0781
IPTG (isopropyl-thio-β-galactoside) Gold Biotechnology I2481C25
Trizma Base Sigma Life Science T1503
NaCl Sigma-Aldrich S7653
DNase I Sigma Life Science DN25
PMSF Amresco M145
Leupeptine Amresco J580
Pepstatin Amresco J583
DDM (n-Docecyl-β-D-Maltopyranoside) Anatrace D310S
Amylose resin New England BioLabs Inc‎ E8021L
TCEP Amresco K831
EDTA Fisher Scientfic BP118
Maltose Acros Organics 329915000
Superdex 200GL GE Healthcare 17-5175-01
Empty polypropylene Chromatography column BioRad 731-1550
Site-Directed Spin Labeling
MTSL (1-oxyl-2,2,5,5-tetramethyl-3-pyrroline-3-methyl) Methanethiosulfonate Toronto Reaserch chemicals Inc O873900
(1-acetoxy-2,2,5,5-tetramethyl-Δ3-pyrroline-3-methyl) methanethiosulfonate Toronto Reaserch chemicals Inc A167900
DMSO J.T. Baker 9224-01
Reconstitution
Asolectin lipid Avanti polar lipids Inc 541602C
Biobeads (Polystyrine beads) Bio Rad 152-3920
Methanol Fisher chemicals A413
FRET
Fluorescein-maleimide ThermoFisher Scientific F-150
Tetramethylrhodamine-maleimide ThermoFisher Scientific T-6027
POPC Avanti polar lipids Inc 850457C
POPG Avanti polar lipids Inc 840457C
E.Coli polar lipid extract Avanti polar lipids Inc 100600C
HEPES Sigma Life Science H3375
EPR measurement
TPX plastic capillaries Bruker ER221
EDDA (Ethylenediamine-N, N'-diacetic acid) Aldrich 158186
Ni(OH)2 Aldrich 283622
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Riferimenti

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Basak, S., Chatterjee, S., Chakrapani, S. Site Directed Spin Labeling and EPR Spectroscopic Studies of Pentameric Ligand-Gated Ion Channels. J. Vis. Exp. (113), e54127, doi:10.3791/54127 (2016).
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