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Biochimica

構造および生化学的研究のためのヒト溶質担体のハイスループット発現および精製(英語)

Published: September 29, 2023
doi:
10.3791/65878
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
1Centre for Medicines Discovery, Nuffield Department of Medicine,University of Oxford, 2Nuvisan ICB GmbH, 3CeMM Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences

Summary

ヒト膜トランスポーターの構造的および生化学的研究には、安定で無傷の均質なタンパク質がミリグラム単位で必要です。ここでは、コドン最適化遺伝子を用いてヒト溶質キャリアトランスポーターをスクリーニング、発現、精製するためのスケーラブルな方法について説明します。

Abstract

溶質担体(SLC)は、イオン、栄養素、代謝物、神経伝達物質、医薬品など、さまざまな内因性および外因性の基質を輸出入する膜トランスポーターです。このタンパク質群は、魅力的な治療標的および疾患マーカーとして浮上しているにもかかわらず、現在の医薬品では比較的薬漬けにされていません。これらのトランスポーターの創薬プロジェクトは、構造的、機能的、生理学的知識が限られているために妨げられており、最終的にはこのクラスの膜包埋タンパク質の発現と精製が困難であるためです。ここでは、コドン最適化遺伝子配列を用いて、高純度のミリグラム量のヒトSLCトランスポータータンパク質を得る方法を紹介します。これらのプロトコルは、コンストラクトデザインとハイスループット発現の体系的な探索と併せて、標的タンパク質の構造的完全性と生化学的活性の維持を保証します。また、これらのタンパク質の真核細胞発現、アフィニティー精製、およびサイズ排除クロマトグラフィーにおける重要なステップについても強調しています。最終的に、このワークフローにより、高分解能構造決定、輸送研究、低分子結合アッセイ、およびハイスループットin vitro スクリーニングに適した、純粋で機能活性かつ安定したタンパク質調製が得られます。

Introduction

膜タンパク質は、長い間、研究者や製薬業界の標的となってきました。これらのうち、溶質キャリア(SLC)は、ヒトゲノム1内にコードされている400を超える二次トランスポーター遺伝子のファミリーです。これらのトランスポーターは、イオン2、神経伝達物質3、脂質4,5,6,7、アミノ酸8、栄養素9,10,11、医薬品12など、多数の分子の輸出入に関与しています。このような幅広い基質により、これらのタンパク質は、毒素の輸送13、乱用薬物の輸送と阻害14,15、または有害な突然変異16を通じて、さまざまな病態生理学にも関与しています。細菌の相同体は、いくつかのSLCファミリーの基本的な輸送メカニズムのプロトタイプとして機能してきました17、18、19、20、21、22、23、24、25。ヒトタンパク質とは対照的に、原核生物のオルソログは、よく理解されている大腸菌発現系でよりよく発現することが多く26,27、X線結晶構造解析用の整然とした結晶を生成する小さな界面活性剤でより安定しています28。しかし、配列と機能の違いは、これらの遠縁タンパク質の創薬への使用を複雑にします29,30。したがって、SLCを標的とする薬物の作用機序を解読するために、ヒトタンパク質の直接的な研究がしばしば必要になります31、32、33、34、35。クライオ電子顕微鏡(クライオ電子顕微鏡)の最近の進歩により、より天然に近い条件でのSLCの構造特性評価が可能になりましたが36,37、これらのタンパク質の発現と精製の難しさは、標的治療薬や診断薬の開発にとって依然として課題です。

この課題を軽減するため、RESOLUTE コンソーシアム (re-solute.eu) は、ヒト SLC ファミリータンパク質の大規模な発現と精製のためのリソースとプロトコルを開発しました38。コドン最適化遺伝子を皮切りに、SLCコンストラクトのハイスループットクローニングおよびスクリーニング法を開発しました。これらの方法はSLCファミリー全体に系統的に適用され、遺伝子はBacMamウイルス発現系にクローニングされ、タンパク質発現は、以前に記述されたハイスループットクローニングおよび発現試験の方法に基づいてヒト細胞株で試験された39。要約すると、SLC遺伝子はpDONR221プラスミドからpHTBV1.1ベクターにクローニングされます。その後、このコンストラクトを使用して、哺乳類細胞で発現するためのサイトメガロウイルスプロモーターおよびエンハンサー要素を含む昆虫細胞をトランスフェクションするためのバクミドベクターに目的の遺伝子を転置します。得られたバキュロウイルスは、標的SLCタンパク質の発現のために哺乳類細胞を形質導入するために使用できます。

さらに、選択したSLCの大規模発現と安定精製のための標準化された方法を開発しました(図1)。このプロトコルには、効果的なトラブルシューティングを容易にし、実験間のばらつきを最小限に抑えるための複数のチェックポイントが含まれています。特に、タンパク質の発現と局在のルーチンモニタリング、および個々のターゲットの精製条件の小規模な最適化は、連鎖球菌および緑色蛍光タンパク質(GFP)タグによって支援されました41,42。

最終的に、これらの化学的に純粋で構造的に均質なタンパク質サンプルは、X線結晶構造解析またはクライオ電子顕微鏡(クライオ電子顕微鏡)による構造決定、生化学的ターゲットエンゲージメントアッセイ、結合剤生成のための免疫、および化学的に定義されたリポソームへの再構成による無細胞機能研究に使用できます。

Protocol

注:すべてのコドン最適化 RESOLUTE SLC 遺伝子は AddGene43 に寄託されており、そのリンクは RESOLUTE 公開試薬44 のリストに掲載されています。これらの遺伝子はpDONR221プラスミドにクローニングされており、組換えクローニングを用いて目的ベクターへの遺伝子の直接クローニングを可能にする45。並行性を最大化するために、細菌、昆虫、およ…

Representative Results

SLC 遺伝子は、RESOLUTE pDONR プラスミドから哺乳類発現用の BacMam ベクターにクローニングできますクローニング、発現、および精製のための記載されたプロトコルは、複数のタンパク質フォールドにわたる多くのSLCトランスポーターに対して成功していることが証明されています。それにもかかわらず、この手順には、進行をモニタリングするためのいくつかのチェックポイン?…

Discussion

SLCを標的とする治療法の開発は、トランスポーター機能の体系的な特徴付けが欠如しているため、依然として妨げられてきました。これにより、正常および病態生理学的プロセスにおける多くの役割にもかかわらず、GPCRおよびイオンチャネル63と比較して、このタンパク質クラスを標的とする薬剤が不釣り合いに少なくなっています。RESOLUTE は、現在の SLC 研究を加速し、?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この作業は RESOLUTE プロジェクト内で行われました。RESOLUTE は、Innovative Medicines Initiative 2 Joint Undertaking (革新的医薬品イニシアチブ 2 共同事業) から助成金契約 No 777372 に基づき資金提供を受けました。この共同事業は、欧州連合(EU)の研究・イノベーションプログラム「ホライズン2020」とEFPIAの支援を受けています。この記事は著者の見解のみを反映しており、IMIも欧州連合およびEFPIAも、そこに含まれる情報の使用について責任を負いません。pHTBVプラスミドは、Frederick Boyce教授(ハーバード大学)のご厚意により提供していただきました。

Materials

3C protease Produced in-house
50 or 100 kDa cut-off centrifugal concentrators Sartorius VS0242
5-Cyclohexyl-1-Pentyl-β-D-Maltoside Anatrace C325 CYMAL-5
96-well bacmid purification kit Millipore LSKP09604 Montage Plasmid Miniprep
96-well block (2 mL) Greiner Bio-One 780271
Adhesive plastic seals Qiagen 19570 Tape Pads
Agarose size exclusion chromatography column Cytiva 29091596 Superose 6 Increase 10/300 GL
Benzonase DNAse Produced in-house
BisTris Sigma Aldrich B9754
Cholesteryl Hemisuccinate Tris salt Anatrace CH210 CHS
Cobalt metal affinity resin Takara Bio 635653 TALON Metal Affinity Resin
D(+)-Biotin Sigma Aldrich 851209
Dextran-agarose size exclusion chromatography column Cytiva 28990944 Superdex 200 Increase 10/300 GL
Digitonin Apollo Scientific BID3301
Dounce tissue grinder (40 mL) DWK Life Sciences 357546
EDTA-free protease inhibitor cocktail Sigma Aldrich 4693132001 cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail
Fetal Bovine Serum Thermo Fisher 10500064
Fos-Choline-12 Anatrace F308S FS-12
Glycerol Sigma Aldrich G5516
Glyco-diosgenin Anatrace GDN101 GDN
Gravity flow columns Cole-Parmer WZ-06479-25
HEK293 medium Thermo Fisher 12338018 FreeStyle 293 medium
HEPES Apollo Scientific BI8181
Hydrophilic, neutral silica UHPLC column Sepax 231300-4615 Unix-C SEC-300 4.6 x 150
Imidazole Sigma Aldrich 56750
Insect transfection reagent Sigma Aldrich 71259 Reagent
Lauryl Maltose Neopentyl Glycol Anatrace NG310 LMNG
Magnesium Chloride Hexahydrate Sigma Aldrich M2670
Micro-expression shaker Glas-Col 107A DPMINC24CE
NaCl Sigma Aldrich S9888
n-Decyl-β-D-Maltoside Anatrace D322 DM
n-Dodecyl-b-D-Maltopyranoside Anatrace D310 DDM
n-Dodecyl-N,N-Dimethylamine-N-Oxide Anatrace D360 LDAO
n-Nonyl-β-D-Glucopyranoside Anatrace N324S NG
n-Octyl-d17-β-D-Glucopyranoside Anatrace O311D OGNG
Octaethylene Glycol Monododecyl
Ether		 Anatrace O330 C12E8
Octyl Glucose Neopentyl Glycol Anatrace NG311 OGNG
Phosphate Buffered Saline Sigma Aldrich D8537 DPBS
Polyoxyethylene(10)dodecyl Ether Anatrace AP1210 C12E10
Polyoxyethylene(9)dodecyl Ether Anatrace APO129 C12E9
Porous seal for tissue culture plates VWR 60941-084 Rayon Films for Biological Cultures
Proteinase K New England Biolabs P8107S
Recombination enzyme mix Thermo Fisher 11791020 Gateway LR Clonase II
Serum-free insect media Gibco 10902088 Sf-900 II serum-free media
Sodium Butyrate Sigma Aldrich 303410
Sonicator 24-head probe Sonics 630-0579
Sonicator power unit Sonics VCX 750
Strep-Tactin resin IBA Life Sciences 2-5030-025 Strep-TactinXT 4Flow high- capacity resin
Sucrose Sigma Aldrich S7903
Sucrose Monododecanoate Anatrace S350 DDS
Suspension-adapted HEK293 cells Thermo Fisher A14527 Expi293F
Transfection reagent Sigma Aldrich 70967 GeneJuice Transfection Reagent
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Raturi, S., Li, H., Chang, Y., Scacioc, A., Bohstedt, T., Fernandez-Cid, A., Evans, A., Abrusci, P., Balakrishnan, A., Pascoa, T. C., He, D., Chi, G., Kaur Singh, N., Ye, M., Li, A., Shrestha, L., Wang, D., Williams, E. P., Burgess-Brown, N. A., Dürr, K. L., Puetter, V., Ingles-Prieto, A., Sauer, D. B. High-Throughput Expression and Purification of Human Solute Carriers for Structural and Biochemical Studies. J. Vis. Exp. (199), e65878, doi:10.3791/65878 (2023).
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