Syntesen av protein biokonjugat<em> via</em> Cystein-maleimid Chemistry
Summary
Detta protokoll detaljer de viktiga åtgärder som krävs för biokonjugering av en cysteininnehållande protein till en maleimid, inklusive reagens rening, reaktionsbetingelser, biokonjugatet rening och biokonjugatet karakterisering.
Abstract
The chemical linking or bioconjugation of proteins to fluorescent dyes, drugs, polymers and other proteins has a broad range of applications, such as the development of antibody drug conjugates (ADCs) and nanomedicine, fluorescent microscopy and systems chemistry. For many of these applications, specificity of the bioconjugation method used is of prime concern. The Michael addition of maleimides with cysteine(s) on the target proteins is highly selective and proceeds rapidly under mild conditions, making it one of the most popular methods for protein bioconjugation.
We demonstrate here the modification of the only surface-accessible cysteine residue on yeast cytochrome c with a ruthenium(II) bisterpyridine maleimide. The protein bioconjugation is verified by gel electrophoresis and purified by aqueous-based fast protein liquid chromatography in 27% yield of isolated protein material. Structural characterization with MALDI-TOF MS and UV-Vis is then used to verify that the bioconjugation is successful. The protocol shown here is easily applicable to other cysteine – maleimide coupling of proteins to other proteins, dyes, drugs or polymers.
Introduction
Biokonjugering involverar kovalent bindning av en biomolekyl med en annan eller med en syntetisk molekyl såsom ett färgämne, läkemedel eller en polymer. Protein biokonjugering metoder nu i stor utsträckning används i många kemi, biologi och nanoteknik forskargrupper med tillämpningar som sträcker sig från fluorescerande färgämne märkning 1,2, vilket protein (antikropp) -prodrugs 3 (antikropp läkemedelskonjugat – ADC) syntes av protein dimerer 4,5 , genom att självsamlande proteinpolymerhybrider 6,7 används i nanomedicin 8 och system kemi 9.
Specificitet av kemin som används för biokonjugering, medan inte alltid är kritisk, är av yttersta vikt för de flesta funktionella protein biokonjugat, för att inte interferera med det aktiva stället i målproteinet. Den idealiska biokonjugering reaktion måste uppfylla flera kriterier, bland annat: i) riktar sällsynta eller unika ställen på proteinet av intresse,ii) vara selektiv mot detta mål, iii) fortsätta under icke-denaturerande förhållanden för att undvika protein utspelas och iv) vara högavkastande som målproteinet är vanligtvis endast tillgänglig vid under millimolar koncentration. Den maleimid – cystein Michael tillägg kommer nära att uppfylla alla dessa kriterier, och har av den anledningen länge hävdat en särställning när det gäller Bioconjugate Chemistry 10. Detta beror på att i) många proteiner som endast innehåller en cysteinrest på sin yta kan manipuleras genetiskt där, ii) vid korrekt pH reaktionen är i hög grad selektiv mot cystein, iii) det förs framåt i vattenhaltiga buffertar och iv) det är mycket snabb med den andra ordningens hastighetskonstant av maleimider till cysteininnehållande proteiner som rapporterats överstiga 5.000 M -1 sek -1 i vissa fall 11. Förutsatt att proteinet av intresse kan tolerera en liten (≈ 5-10%) mängd organiskt samlösningsmedel 12, nästan alla maleimid-funktion färgämne, polymer, yta eller ett annat protein kan kopplas till proteiner. Dessutom maleimider är mer specifika för cysteiner på proteiner än jodacetamider, som är mer benägna att reagera med andra nukleofiler vid förhöjt pH; och mer stabil än disulfid-baserade konjugationer som måste hållas vid surt pH för att förhindra disulfidutbyte 13.
Här rapporterar vi ett generiskt protokoll för konjugering av maleimid-funktionaliserade molekyler till ett protein som innehåller en enda cysteinrest med användning av reaktionen mellan en Ru (II) -baserade kromofor och redox-proteinet cytokrom c som ett exempel. Detta protokoll är lika tillämpbar på de flesta andra proteiner som innehåller en tillgänglig yta cysteinrest och motsvarande maleimid-funktionaliserad mål, vare sig det ett annat protein, ett fluorescerande färgämne, en kromofor eller en syntetisk polymer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rening av utgångsmaterial innan en biokonjugering är av yttersta vikt. Proteiner erhållna från kommersiella rekombinanta källor innehåller ofta andra isoformer av proteinet av intresse, som kan ha olika ytkemi och reaktivitet. Till exempel i den beskrivna biokonjugering, den kommersiellt tillgängliga cyt c innehåller en blandning av båda iso-1 och iso-2 cyt c 12,14,17. Iso-2 och iso-1 former cytokrom c är i stort sett homolog med den huvudsakliga skillnaden är närvaron a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank the Australian Research Council (ARC) for ARC Future Fellowship (FT120100101) and ARC Centre of Excellence CE140100036) grants to P.T. and the Mark Wainwright Analytical Centre at UNSW for access to mass spectrometry and NMR facilities.
Materials
| sodium dihydrogen phosphate | Sigma-Aldrich | 71496 | |
| sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 71691 | |
| sodium chloride | Sigma-Aldrich | 73575 | |
| cytochrome c, from saccaromyces cerevisiae | Sigma-Aldrich | C2436 | |
| dithiothreitol | Sigma-Aldrich | 43819 | |
| TSKgel SP-5PW | Sigma-Aldrich | Tosoh SP-5PW, 07161 | 3.3 mL strong cation exchange column |
| Amicon Ultra-15 | Merck-Millipore | UFC900308 | 3.5 kDa spin filter |
| Slide-A-Lyzer mini dialysis units | Thermo Scientific | 66333 | 3.5 kDa dialysis cassetes |
| Ru(II) bisterpyridine maleimide | Lab made | see ref (14) | |
| acetonitrile | Sigma-Aldrich | A3396 | |
| ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma-Aldrich | 03609 | |
| tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride | Sigma-Aldrich | 93284 | |
| imidazole | Sigma-Aldrich | 56749 | |
| nickel acetate | Sigma-Aldrich | 244066 | |
| AcroSep IMAC Hypercell column | Pall | via VWR: 569-1008 | 1 mL IMAC column |
| 0.2 micron cellulose membrane filter | Whatman | Z697958 | 47 mm filter for buffers |
| 0.2 micron PVDF membrane filter | Merck-Millipore | SLGV013SL | syringe filters for proteins |
| hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 84426 | extremely corrosive! Use caution |
| caffeic acid | Sigma-Aldrich | 60018 | MALDI matrix |
| trifluoroacetic acid | Sigma-Aldrich | 91707 | extremely corrosive! Use caution |
| SimplyBlue SafeStain | Thermo Scientific | LC6060 | Coomassie blue solution |
| NuPAGE Novex 12% Bis-Tris Gel | Thermo Scientific | NP0342BOX | precast protein gels |
| SeeBlue Plus2 Pre-stained Protein Standard | Thermo Scientific | LC5925 | premade protein ladder |
| NuPAGE LDS Sample Buffer (4X) | Thermo Scientific | NP0008 | premade gel sample buffer |
| NuPAGE Sample Reducing Agent (10X) | Thermo Scientific | NP0004 | premade gel reducing agent |
| NuPAGE MES SDS Running Buffer (20X) | Thermo Scientific | NP0002 | premade gel running buffer |
| Voyager DE STR MALDI reflectron TOF MS | Applied Biosystems | ||
| Acta FPLC | GE | Fast Protein Liquid Chromatography | |
| Cary 50 Bio Spectrophotometer | Varian-Agilent | UV-Vis | |
| Milli-Q ultrapure water dispenser | Merck-Millipore | ultrapure water | |
| Low volume UV-Vis Cuvette | Hellma | 105-201-15-40 | 100 microliter cuvette |
References
- Griffin, B. A., Adams, S. R., Tsien, R. Y. Specific covalent labeling of recombinant protein molecules inside live cells. Science. 281, 269-272 (1998).
- Sletten, E. M., Bertozzi, C. R. Bioorthogonal chemistry: Fishing for selectivity in a sea of functionality. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 6974-6998 (2009).
- Lyon, R. P., Meyer, D. L., Setter, J. R., Senter, P. D. Conjugation of anticancer drugs through endogenous monoclonal antibody cysteine residues. Meth. Enzymol. 502, 123-138 (2012).
- Natarajan, A., Xiong, C. Y., Albrecht, H., DeNardo, G. L., DeNardo, S. J. Characterization of site-specific ScFv PEGylation for tumor-targeting pharmaceuticals. Bioconjug. Chem. 16, 113-121 (2005).
- Hvasanov, D., et al. One-Pot Synthesis of High Molecular Weight Synthetic Heteroprotein Dimers Driven by Charge Complementarity Electrostatic Interactions. J. Org. Chem. 79, 9594-9602 (2014).
- Thordarson, P., Le Droumaguet, B., Velonia, K. Well-defined protein-polymer conjugates–synthesis and potential applications. Appl. Microbiol. Biotechnol. 73, 243-254 (2006).
- Lutz, J. F., Börner, H. G. Modern trends in polymer bioconjugates design. Prog. Polym. Sci. 33, 1-39 (2008).
- Nicolas, J., Mura, S., Brambilla, D., Mackiewicz, N., Couvreur, P. Design, functionalization strategies and biomedical applications of targeted biodegradable/biocompatible polymer-based nanocarriers for drug delivery. Chem. Soc. Rev. 42, 1147-1235 (2013).
- Wong, C. K., et al. Polymersomes Prepared from Thermoresponsive Fluorescent Protein-Polymer Bioconjugates: Capture of and Report on Drug and Protein Payloads. Angew. Chem. Int. Ed. , 5317-5322 (2015).
- Hermanson, G. T. . Bioconjugate Techniques. , (2013).
- Li, J., Xu, Q., Cortes, D. M., Perozo, E., Laskey, A., Karlin, A. Reactions of cysteines substituted in the amphipathic N-terminal tail of a bacterial potassium channel with hydrophilic and hydrophobic maleimides. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (18), 11605-11610 (2002).
- Peterson, J. R., Smith, T. A., Thordarson, P. Synthesis and room temperature photo-induced electron transfer in biologically active bis(terpyridine)ruthenium(II)-cytochrome c bioconjugates and the effect of solvents on the bioconjugation of cytochrome c. Org. Biomol. Chem. 8, 151-162 (2010).
- Borges, C. R., Sherma, N. D. Techniques for the Analysis of Cysteine Sulfhydryls and Oxidative Protein Folding. Antioxid. Redox Signal. (3), 1-21 (2014).
- Peterson, J. R., Thordarson, P. Optimising the purification of terpyridine-cytochrome c bioconjugates. Chiang Mai J. Sci. 36 (2), 236-246 (2009).
- Hvasanov, D., Mason, A. F., Goldstein, D. C., Bhadbhade, M., Thordarson, P. Optimising the synthesis, polymer membrane encapsulation and photoreduction performance of Ru(II)- and Ir(III)-bis(terpyridine) cytochrome c bioconjugates. Org. Biomol. Chem. 11 (28), 4602-4612 (2013).
- Signor, L., Boeri Erba, E. Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight (MALDI-TOF) Mass Spectrometric Analysis of Intact Proteins Larger than 100 kDa. J. Vis. Exp. , e50635 (2013).
- Foucher, M., Verdière, J., Lederer, F., Slonimski, P. P. On the presence of a non-trimethylated iso-1 cytochrome c in a wild-type strain of Saccharomyces cerevisiae). Eur. J. Biochem. 31, 139-143 (1972).
- Müller, M., Azzi, A. Selective labeling of beef heart cytochrome oxidase subunit III with eosin-5-maleimide. FEBS Lett. 184 (1), 110-114 (1985).
- Shen, B. Q., et al. Conjugation site modulates the in vivo stability and therapeutic activity of antibody-drug conjugates. Nat. Biotechnol. 30 (2), 184-189 (2012).
