Summary

Syntese af Protein biokonjugater<em> via</em> Cystein-maleimid Kemi

Published: July 20, 2016
doi:

Summary

Denne protokol beskriver de vigtige skridt, der er nødvendige for bioconjugation af en cystein indeholder protein til en maleimid, herunder reagens rensning, reaktionsbetingelser, biokonjugat rensning og biokonjugat 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

Bioconjugation indebærer kovalent binding ene biomolekyle med hinanden eller med en syntetisk molekyle, såsom et farvestof, lægemiddel eller en polymer. Protein bioconjugation metoder nu flittigt brugt i mange kemi, biologi og nanoteknologi forskergrupper med ansøgninger fra fluorescerende farvestof mærkning 1,2, hvilket gør af protein (antistof) -prodrugs 3 (antistof medikamentkonjugater – ADC'er) syntese af protein dimerer 4,5 , igennem til selvsamlende protein-polymer-hybrider 6,7 anvendes i nanomedicin 8 og systemer kemi 9.

Specificitet af kemien, der anvendes til bioconjugation, mens ikke altid kritisk, er af største vigtighed for de fleste funktionelt protein biokonjugater, således at ikke forstyrre det aktive sted i målproteinet. Den ideelle bioconjugation reaktion skal opfylde flere kriterier, herunder: i) rettet mod sjældne eller unikke steder på proteinet af interesse,ii) være selektiv mod dette mål, iii) fortsætte under ikke-denaturerende betingelser for at undgå protein udfoldning og iv) være højtydende som målproteinet er sædvanligvis kun tilgængelige på sub-millimolær koncentration. Den maleimid – cystein Michael Ud kommer tæt på at opfylde alle disse kriterier, og har derfor længe hævdet en særlig status inden for biokonjugat kemi 10. Dette er fordi i) mange proteiner, der kun indeholder én cysteinrest på deres overflade kan gensplejses der, ii) på den korrekte pH reaktionen er stærkt selektiv dybt cystein, iii) det forløber glat i vandige puffere og iv) det er meget hurtigt med den anden ordens hastighedskonstanten af maleimider til cysteinholdige proteiner rapporteret at overstige 5.000 M -1 sek-1 i nogle tilfælde 11. Forudsat proteinet af interesse kan tolerere en lille (≈ 5-10%) mængden af organisk co-opløsningsmiddel 12, næsten enhver maleimid-funktionaliseret farvestof, polymer, overflade eller et andet protein kan bindes til proteiner. Desuden maleimider er mere specifikke for cysteiner på proteiner end iodacetamider, som er mere tilbøjelige til at reagere med andre nukleofiler ved forhøjet pH; og mere stabile end disulfid-baserede bøjninger, som skal holdes ved sur pH for at forhindre disulfidudskiftning 13.

Her rapporterer vi en generisk protokol for konjugering af maleimid-funktionaliserede molekyler til et protein, der indeholder en enkelt cysteinrest ved hjælp af reaktionen mellem en Ru (II) -baseret kromofor og redox-proteinet cytochrom c som et eksempel. Denne protokol er lige så anvendelig til de fleste andre proteiner indeholdende en tilgængelig overflade cysteinrest og den tilsvarende maleimid-funktionaliseret mål, det være sig et andet protein, et fluorescerende farvestof, en kromofor eller en syntetisk polymer.

Protocol

Bemærk: Den følgende protokol er beregnet til syntesen af et protein-farvestof biokonjugat som vist i figur 1 Det er en generel protokol for reaktionen af en maleimidgruppe med fri overflade cystein indeholdende proteiner, med noter indsat i givet fald at bistå med membranprotein. biokonjugater, protein-polymer biokonjugater og syntetisk protein dimer (protein-protein) biokonjugater. I dette særlige tilfælde er proteinet iso-1 cytochrom c har en overflade cysteinrest rådighed til at reagere, som tillader en y…

Representative Results

Syntesen af biokonjugater bekræftes af tre primære fremgangsmåder: Matrix-Assisted Laser Desorption Ionisering Time of Flight massespektrometri (MALDI-TOF MS), polyacrylamidgelelektroforese, og ultraviolet synligt (UV-Vis-spektroskopi), som vist i figur 2, 3 og 4. En masseforøgelse svarende til massen af den vedføjede lille molekyle, og manglen på en uomsat protein viser den vellykkede kovalente binding af Ru (II) (tpy) 2 -maleimide til …

Discussion

Oprensning af udgangsmaterialerne før en bioconjugation er af allerstørste betydning. Proteiner opnået fra kommercielle rekombinante kilder indeholder ofte andre isoformer af proteinet af interesse, som kan have forskellige overfladekemi og reaktivitet. For eksempel i den beskrevne bioconjugation, det kommercielt tilgængelige cyt c indeholder en blanding af både iso-1 og iso-2 cyt c 12,14,17. Iso-2 og iso-1 former for cytochrom c er stort set homologe, med de vigtigste forskel …

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

  1. Griffin, B. A., Adams, S. R., Tsien, R. Y. Specific covalent labeling of recombinant protein molecules inside live cells. Science. 281, 269-272 (1998).
  2. Sletten, E. M., Bertozzi, C. R. Bioorthogonal chemistry: Fishing for selectivity in a sea of functionality. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 6974-6998 (2009).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Thordarson, P., Le Droumaguet, B., Velonia, K. Well-defined protein-polymer conjugates–synthesis and potential applications. Appl. Microbiol. Biotechnol. 73, 243-254 (2006).
  7. Lutz, J. F., Börner, H. G. Modern trends in polymer bioconjugates design. Prog. Polym. Sci. 33, 1-39 (2008).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Hermanson, G. T. . Bioconjugate Techniques. , (2013).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Borges, C. R., Sherma, N. D. Techniques for the Analysis of Cysteine Sulfhydryls and Oxidative Protein Folding. Antioxid. Redox Signal. (3), 1-21 (2014).
  14. Peterson, J. R., Thordarson, P. Optimising the purification of terpyridine-cytochrome c bioconjugates. Chiang Mai J. Sci. 36 (2), 236-246 (2009).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Müller, M., Azzi, A. Selective labeling of beef heart cytochrome oxidase subunit III with eosin-5-maleimide. FEBS Lett. 184 (1), 110-114 (1985).
  19. 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).
check_url/kr/54157?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Mason, A. F., Thordarson, P. Synthesis of Protein Bioconjugates via Cysteine-maleimide Chemistry. J. Vis. Exp. (113), e54157, doi:10.3791/54157 (2016).

View Video