Purification de l'homme S100A12 et de ses oligomères induits par les ions pour la stimulation cellulaire immunitaire
Summary
Ce protocole décrit une méthode de purification pour la protéine recombinante sans étiquette de liaison de calcium S100A12 et ses oligomères ion-induits pour des essais humains de stimulation de monocyte.
Abstract
Dans ce protocole, nous décrivons une méthode pour purifier la protéine sététicire-contraignante humaine S100A12 et ses oligomères ion-induits de la culture d’Escherichia coli pour des stimulations de cellules immunitaires. Ce protocole est basé sur une stratégie de chromatographie en deux étapes, qui comprend la pré-purification des protéines sur une colonne de chromatographie d’échange d’anion et une étape de polissage ultérieure sur une colonne hydrophobe-interaction. Cette stratégie produit des protéines S100A12 d’une grande pureté et d’un rendement à des coûts gérables. Pour les essais fonctionnels sur les cellules immunitaires éventuelle contamination endotoxine résiduelle nécessite une surveillance attentive et d’autres étapes de nettoyage pour obtenir des protéines sans endotoxine. La majorité des contaminations à l’endotoxine peuvent être exclues par la chromatographie d’échange d’anions. Pour épuiser les contaminations résiduelles, ce protocole décrit une étape d’élimination avec des filtres centrifuges. Selon la résistance aux ions disponible S100A12 peut organiser en différents homomultimers. Pour étudier la relation entre la structure et la fonction, ce protocole décrit davantage le traitement ionique de la protéine S100A12 suivi d’un raccordement chimique pour stabiliser les oligomères S100A12 et leur séparation subséquente par exclusion de taille Chromatographie. Enfin, nous décrivons un essai cellulaire qui confirme l’activité biologique de la protéine purifiée et confirme la préparation Sans LPS.
Introduction
S100A12 est une protéine de liaison de calcium qui est principalement produite par les granulocytes humains. La protéine est surexprimée pendant l’inflammation (systémique) et ses niveaux de sérum, particulièrement dans les maladies (auto)inflammatoires telles que l’arthrite idiopathique juvénile systémique (sJIA), la fièvre méditerranéenne familiale (FMF) ou la maladie de Kawasaki (KD) peut informer au sujet de l’activité de la maladie et la réponse à la thérapie. Selon les récepteurs de reconnaissance des modèles (PRR) tels que les récepteurs à péage (TLR), le système immunitaire inné peut être activé par des modèles moléculaires associés aux agents pathogènes (PAMP) comme les lipopolysaccharides (LPS) ou des modèles moléculaires associés à des dommages (DAMP; également appelé «alarmins»). Les DAMP sont des molécules endogènes telles que les protéines cellulaires, les lipides ou les acides nucléiques1. DAMP-fonctions sont bien décrits pour les membres de la famille des protéines calgranuline, S100A8/A9 et S100A122, qui sont également signalés pour fonctionner comme métal divalent ion-chelating peptides antimicrobiens3,4, 5,6. Selon la force d’ion disponible S100A12 peut, comme d’autres membres de la famille S100, organiser dans différents homomultimers et jusqu’à récemment l’impact de S100A12-oligomerisation sur PRR-interaction, en particulier TLR4, était inconnu.
La forme monomérique de la protéine (92 acides aminés, 10,2 kDa) se compose de deux structures d’hélice-boucle-boucle EF reliées par un lien flexible. Le C-terminalEF-hand contient le motif classique Ca2 –contraignant tandis que le N-terminalEF-hand présente une structure de boucle étendue spécifique aux protéines S100 (‘pseudo-EF-hand’) et révèle une affinité Ca2′. La liaison Ca2MDpar S100A12 peut entraîner un changement conformationnel majeur dans le terminus Cdes protéines, qui entraîne l’exposition d’un patch hydrophobe sur chaque monomère et forme l’interface de dimerisation. Ainsi, dans des conditions physiologiques, la plus petite structure quaternaire formée par S100A12 est un dimère non covalent (environ 21 kDa) dans lequel les monomères individuels sont en orientation antiparallèle. Lorsqu’il est disposé comme dimère, S100A12 est signalé à séquestreZ2 ainsi que d’autres ions métalliques divalents, par exemple, Cu2 avec une forte affinité7. Ces ions sont coordonnés à l’interface dimère S100A12 par les acides aminés H15 et D25 d’une sous-unité et H85 ainsi que H89 de l’autre sous-unité anti-parallèle8,9,10. Tandis que des études antérieures suggèrent que Zn2 -chargéS100A12 peut induire l’organisation de la protéine en homo-tetramers (44 kDa) et pour avoir comme conséquence l’augmentation De Ca2– affinité11,12, titration métallique récente les études6 suggèrent Ca2-contraignant par S100A12 pour augmenter l’affinité de la protéine à Zn2. Une fois que les mains EF S100A12 sont entièrement occupées par Ca2,on pense que le Ca2 supplémentaire se lie entre les dimères, déclenchant la formation d’hexamer (environ 63 kDa). L’architecture de la structure hexameric quarternary est clairement différente de celle du tétramer. Il est proposé que l’interface tétramer est perturbée pour donner lieu à de nouvelles interfaces dimer-dimer qui bénéficie formation hexamer10. S100A12 est presque exclusivement exprimé par les granulocytes humains où il constitue environ 5% de toute la protéine cytosolique13. Dans sa fonction DAMP S100A12 a été historiquement décrit comme agoniste du récepteur multi-ligand pour les produits finaux avancés de glycation (RAGE), alors appelé protéine extracellulaire nouvellement identifiée rage-contraignante (EN-RAGE)14. Bien que nous ayons précédemment rapporté biochimique S100A12-contraignant à la fois RAGE et TLR415, nous avons récemment démontré monocytes humains pour répondre à la stimulation S100A12 d’une manière TLR4-dépendante16. Cela nécessite l’arrangement de S100A12 dans sa ca2/Zn2 -induitstructure hexameric quarternary16.
Ici nous décrivons une procédure de purification pour l’homme recombinant S100A12 et ses oligomères ion-induits pour des stimulations de cellules immunitaires16,17. Ceci est basé sur une stratégie de chromatographie en deux étapes, qui comprend initialement une colonne d’échange d’anions pour isoler et concentrer la protéine et éliminer les contaminations en vrac (par exemple, les endotoxines/lipopolysaccharides)18. Les résines de chromatographie ion-échange séparent les protéines sur la base de différentes charges de surface nettes. Pour les protéines acides comme S100A12 (point isoélectrique de 5,81), un système tampon avec un pH de 8,5 et une forte résine d’échange d’anion conduit à une bonne séparation. Les protéines liées ont été élucées avec un gradient tampon à haute teneur en sel. Avec une augmentation de la force ionique des ions négatifs dans le tampon d’élution concurrencent les protéines pour les charges sur la surface de la résine. Les protéines s’éliment individuellement en fonction de leur charge nette et, par conséquent, les tampons décrits ci-dessus permettent d’isoler et de concentrer la protéine S100A12 surexprimée. En raison de groupes chargés négativement dans les lipopolysaccharides, ces molécules se lient également aux résines d’échange d’anion. Cependant, leur charge nette plus élevée entraîne une élution ultérieure dans le gradient de haute teneur en sel appliqué. La deuxième étape de la procédure de purification a été introduite à des fins de polissage. Cela permet d’utiliser la capacité de liaison de calcium de S100A12 et élimine les impuretés restantes sur une colonne hydrophobe-interaction. La liaison calcique de S100A12 entraîne un changement conformationnel et une exposition de plaques hydrophobes à la surface de la protéine. À cette condition, S100A12 interagit avec la surface hydrophobe de la résine. Sur le calcium-chelating par EDTA, cette interaction est inversée. En présence d’ions, en particulier de calcium et de zinc, S100A12 s’arrange en oligomères homoméricagris. Pour étudier les relations structure-fonction des différents oligomères, nous avons stabilisé le sadicycle, le tétramérique et le recombinant hexamérique S100A12 avec un crosslinker chimique et avons séparé les complexes sur une colonne de chromatographie d’exclusion de taille. Enfin, pour analyser la fonctionnalité et l’activité biologique de la protéine purifiée et de ses oligomères induits par les ions, la libération de cytokine du monocyte stimulé S100A12 et du LPS peut être comparée.
Diverses méthodes de purification du S100A12 ont été décrites jusqu’à présent. Jackson et coll.19, par exemple, ont publié un protocole avec purification par l’intermédiaire d’une colonne d’échange d’anion et d’une chromatographie d’exclusion de taille ultérieure. Le polissage de la purification sur une colonne d’exclusion de taille donne de bons résultats, mais, en raison par exemple des volumes de chargement limités, il est moins flexible en matière d’évolutivité. Une approche différente, publiée par Kiss et coll.20, décrit la purification des protéines étiquetées par la colonne d’affinité Ni2 comme la première étape de purification, suivie d’un clivage enzymatique pour enlever l’étiquette et d’autres étapes de purification. Contrairement aux études précitées19,20, la protéine produite telle que décrite dans ce protocole est déterminée pour des expériences sur les cellules immunitaires. Par conséquent, la contamination résiduelle d’endotoxine de la culture bactérienne est un défi. Bien que différentes approches pour l’élimination de l’endotoxine ont été décrites jusqu’à présent, il n’existe aucune méthode uniforme qui fonctionne aussi bien pour une solution de protéines donnée21,22.
En résumé, notre protocole combine les avantages d’une expression sans étiquette dans un système bactérien avec l’élimination efficace de l’endotoxine et un rendement élevé de protéines pures.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans ce protocole, nous décrivons l’expression bactérienne tag-free de S100A12 humain et sa purification aussi bien que la séparation dans différents oligomères ion-induits pour la stimulation de cellules immunitaires. Comparé à la littérature éditée sur la purification de protéine de S100A128,23,24, l’utilisation du CaCl2 élevé (25 mM) dans la chromatographie hydrophobe-interaction est à notre connaissa…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été soutenue par des subventions du programme de recherche médicale innovante intra-muros de la faculté de médecine de l’Université De Muenster (KE121201 à C.K.) et de la Fondation allemande de recherche (DFG, Fo354/3-1 à D.F.).
Materials
| pET11b vector | Novagen | ||
| BL21(DE3) competent E. coli | New England Biolabs | C2527 | |
| 100 x Non-essential amino acids | Merck | K 0293 | |
| 25% HCl | Carl Roth | X897.1 | |
| 4−20% Mini-PROTEAN TGX Protein Gels | BioRad | 4561093 | |
| Ampicillin sodium salt | Carl Roth | HP62.1 | |
| BS3 (bis(sulfosuccinimidyl)suberate) – 50 mg | ThermoFisher Scientific | 21580 | |
| Calciumchlorid Dihydrat | Carl Roth | 5239.1 | |
| Coomassie Briliant Blue R250 Destaining Solution | BioRad | 1610438 | |
| Coomassie Briliant Blue R250 Staining Solution | BioRad | 1610436 | |
| EasySep Human Monocyte Enrichment Kit | Stemcell | 19059 | Magnetic negative cell isolation kit |
| EDTA disodium salt dihydrate | Carl Roth | 8043.1 | |
| EGTA | Carl Roth | 3054.3 | |
| EndoLISA | Hyglos | 609033 | Endotoxin detection assay |
| Endotoxin-Free Ultra Pure Water | Sigma-Aldrich | TMS-011-A | Ultrapure water for preparation of endotoxin-free buffers |
| EndoTrap red | Hyglos | 321063 | Endotoxin removal resin |
| FBS (heat-inactivated) | Gibco | 10270 | |
| HBSS, no calcium, no magnesium | ThermoFisher Scientific | 14175053 | |
| Hepes | Carl Roth | 9105 | |
| Hepes (high quality, endotoxin testet) | Sigma-Aldrich | H4034 | |
| hTNF-alpha – OptEia ELISA Set | BD | 555212 | |
| IPTG (isopropyl-ß-D-thiogalactopyranosid) | Carl Roth | CN08.1 | |
| L-Glutamine (200 mM) | Merck | K 0282 | |
| LB-Medium | Carl Roth | X968.1 | |
| Lipopolysaccharides from E. coli O55:B5 | Merck | L6529 | |
| Pancoll, human | PAN Biotech | P04-60500 | Separation solution (density gradient centrifugation) |
| Penicillin/Streptomycin (10.000 U/ml) | Merck | A 2212 | |
| Phenyl Sepharose High Performance | GE Healthcare | 17-1082-01 | Resin for hydrophobic interaction chromatography |
| Polymyxin B | Invivogen | tlrl-pmb | |
| Protease inhibitor tablets | Roche | 11873580001 | |
| Q Sepharose Fast Flow | GE Healthcare | 17-0510-01 | Resin for anion-exchange chromatography |
| RoboSep buffer | Stemcell | 20104 | Cell separation buffer (section 5.1.4) |
| RPMI 1640 Medium | Merck | F 1215 | |
| Sodium chloride (NaCl) | Carl Roth | 3957.2 | |
| Sodium hydroxide | Carl Roth | P031.1 | |
| Tris Base | Carl Roth | 4855.3 | |
| Zinc chloride | Carl Roth | T887 | |
| Labware | |||
| 0,45 µm syringe filter | Merck | SLHA033SS | |
| 14 mL roundbottom tubes | BD | 352059 | |
| 2 L Erlenmyer flask | Carl Roth | LY98.1 | |
| 24 well suspension plates | Greiner | 662102 | |
| 5 L measuring beaker | Carl Roth | CKN3.1 | |
| 50 mL conical centrifuge tubes | Corning | 430829 | |
| 50 mL high-speed centrifuge tubes | Eppendorf | 3,01,22,178 | |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Unit MWCO 3 kDa | Merck | UFC900324 | |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Unit MWCO 50 kDa | Merck | UFC905024 | |
| Culture dish (100 mm) | Sarstedt | 83.3902 | |
| Dialysis Tubing Closures | Spectrum | 132738 | |
| EasySep magnet 'The Big Easy` | Stemcell | 18001 | |
| Fraction collector tubes 5 mL | Greiner | 115101 | |
| Lumox film, 25 µm, 305 mm x 40 m | Sarstedt | 94,60,77,316 | Film for monocyte culture plates |
| Spectra/Por Dialysis Membrane (3.5 kDa) | Spectrum | 132724 | |
| Steritop filter unit | Merck | SCGPT01RE | |
| Equipment | |||
| 37 °C Incubator (with shaking) | New Brunswick Scientific | Innova 42 | |
| ÄKTA purifier UPC 10 | GE Healthcare | FPLC System | |
| Fraction collector | GE Healthcare | Frac-920 | |
| Centrifuge (with rotor A-4-81) | Eppendorf | 5810R | |
| Fixed angle rotor | Eppendorf | F-34-6-38 | |
| Mini Protean Tetra Cell | BioRad | 1658000EDU | |
| NanoPhotometer | Implen | P330 | |
| Sonicator | Brandelin | UW2070 | |
| Fluorescence reader | Tecan | infinite M200PRO | |
| pH meter | Knick | 765 |
Riferimenti
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