Sintesi di proteine bioconiugati<em> via</em> Chimica cisteina-maleimmide
Summary
Dettagli Questo protocollo i passi importanti necessari per la bioconjugation di un cisteina contenente proteine per un maleimmide, tra cui la purificazione dei reagenti, condizioni di reazione, di purificazione e caratterizzazione bioconjugate bioconjugate.
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 comporta covalentemente collegando una biomolecola con un altro o con una molecola sintetica, come un colorante, farmaco o un polimero. Metodi bioconjugation proteine sono ora ampiamente utilizzate in molti chimica, biologia e nanotecnologia gruppi di ricerca con applicazioni che vanno dal fluorescente etichettatura tintura 1,2, rendendo di proteine (anticorpi) -prodrugs 3 (coniugati anticorpo – ADC) sintesi di dimeri di proteine 4,5 , fino alla ibridi proteina-polimeri autoassemblanti 6,7 utilizzati in nanomedicina 8 e chimica dei sistemi 9.
Specificità della chimica utilizzata per bioconjugation, pur non sempre critico, è di estrema importanza per bioconiugati proteiche più funzionali, in modo da non interferire con il sito attivo della proteina bersaglio. La reazione ideale bioconjugation deve soddisfare diversi criteri, tra cui: i) di targeting siti rare o uniche sulla proteina di interesse,ii) essere selettivo verso questo obiettivo, iii) procedere in condizioni non denaturanti per evitare proteine dispiegarsi e iv) essere ad alto rendimento come la proteina bersaglio è solitamente disponibile solo a concentrazioni sub-millimolare. Il maleimmide – addizione di Michael cisteina si avvicina a soddisfare tutti questi criteri, e ha per questo motivo a lungo sostenuto uno status speciale nel campo della chimica bioconjugate 10. Questo perché i) molte proteine contenenti residui di una sola cisteina sulla loro superficie può essere geneticamente lì, ii) al pH corretto la reazione è altamente selettivo verso cisteina, iii) procede senza intoppi in buffer acquosi e iv) è molto veloce con la seconda costante di velocità dell'ordine di maleimmidi alle proteine cisteina contenenti segnalati per superare i 5.000 m -1 sec -1, in alcuni casi 11. A condizione che la proteina di interesse può tollerare una piccola (≈ 5-10%) quantità di organico cosolvente 12, quasi tutte dye maleimide-funzionalizzata, poLymer, superficie o un'altra proteina può essere collegato alle proteine. Inoltre, maleimmidi sono più specifiche per cisteine su proteine che iodoacetamides, che sono più inclini a reagire con altri nucleofili a pH elevato; e più stabile di coniugazioni disolfuro-based che devono essere mantenuti a pH acido per impedire lo scambio disolfuro 13.
Qui riportiamo un protocollo generico per la coniugazione di molecole maleimmide-funzionalizzato ad una proteina contenente un singolo residuo di cisteina utilizzando la reazione tra un Ru (II) cromoforo sede e la proteina redox citocromo c come esempio. Questo protocollo è ugualmente applicabile alla maggior parte altre proteine contenenti un accessibile residui superficiali cisteina e la corrispondente porta maleimide-funzionalizzati, sia un'altra proteina, un colorante fluorescente, un cromoforo o un polimero sintetico.
Protocol
Representative Results
Discussion
Purificazione dei materiali di partenza prima di una bioconjugation è della massima importanza. Proteine ricombinanti ottenuti da fonti commerciali contengono spesso altre isoforme della proteina di interesse, che può avere diverse chimica di superficie e reattività. Ad esempio, nel bioconjugation descritto, il citocromo c commercialmente disponibile contiene una miscela di entrambi iso-1 e iso-2 cit c 12,14,17. Iso-2 e iso-1 forme di citocromo c sono sostanzialmente omolog…
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 |
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