Summary

Mesure<em> In vitro</em> Activité ATPase pour Enzymatic Caractérisation

Published: August 23, 2016
doi:

Summary

We describe a basic protocol for quantitating in vitro ATPase activity. This protocol can be optimized based on the level of activity and requirements for a given purified ATPase.

Abstract

enzymes triphosphate-hydrolyser adénosine, ou ATPases, jouent un rôle essentiel dans un large éventail de fonctions cellulaires. Ces protéines dynamiques peuvent générer de l'énergie pour le travail mécanique, comme le trafic de protéines et la dégradation, le transport de soluté, et les mouvements cellulaires. Le protocole décrit ici est un dosage de base pour mesurer l'activité in vitro des ATPases purifiés pour la caractérisation fonctionnelle. Les protéines hydrolysent l'ATP dans une réaction qui entraîne la libération de phosphate inorganique, et la quantité de phosphate libéré est ensuite quantifié en utilisant un dosage colorimétrique. Ce protocole hautement adaptable peut être ajustée pour mesurer l'activité d'ATPase dans les essais cinétiques ou le terminal. Un protocole représentatif est fourni ici sur la base de l'activité et les exigences de Epse, l'AAA + ATPase impliqué dans Type II Sécrétion dans la bactérie Vibrio cholerae. La quantité de protéine purifiée nécessaire pour mesurer l'activité, la durée de l'essai et le moment et le nombre de saintervalles mpling, tampon et de la composition de sel, température, co-facteurs, les stimulants ( le cas échéant), etc. peuvent varier de ceux décrits ici, et donc une certaine optimisation peuvent être nécessaires. Ce protocole fournit un cadre de base pour ATPases caractérisant et peut être effectuée rapidement et facilement ajustée si nécessaire.

Introduction

ATPases are integral enzymes in many processes across all kingdoms of life. ATPases act as molecular motors that use the energy of ATP hydrolysis to power such diverse reactions as protein trafficking, unfolding, and assembly; replication and transcription; cellular metabolism; muscle movement; cell motility; and ion pumping1-3. Some ATPases are transmembrane proteins involved in transporting solutes across membranes, others are cytoplasmic and may be associated with a biological membrane such as the plasma membrane or those of organelles.

AAA+ ATPases (ATPases associated with various cellular activities) make up a large group of ATPases that share some sequence and structural conservation. These proteins contain conserved nucleotide binding motifs such as Walker-A and -B boxes and form oligomers (generally hexamers) in their active state1. Large conformational changes in these proteins upon nucleotide binding have been characterized among diverse members of the AAA+ family. EpsE is a AAA+ ATPase and member of the bacterial Type II/IV secretion subfamily of NTPases4-6. EpsE powers Type II Secretion (T2S) in Vibrio cholerae, the causative agent of cholera. The T2S system is responsible for the secretion of a wide variety of proteins, such as the virulence factor cholera toxin that causes profuse watery diarrhea when V. cholerae colonizes the human small intestine7.

Techniques for quantitating in vitro ATPase activity are varied, but commonly measure phosphate release using colorimetric, fluorescent, or radioactive substrates8-11. We describe a basic method for determining in vitro ATPase activity of purified proteins using a colorimetric assay based on a commercially available malachite green-containing substrate that measures liberated inorganic phosphate (Pi). At low pH, malachite green molybdate forms a complex with Pi and the level of complex formation can be measured at 650 nm. This simple and sensitive assay may be used to functionally characterize new ATPases and to evaluate the roles of potential activators or inhibitors, to determine the importance of domains and/or specific residues, or to assess the effect of particular treatments on enzymatic activity.

Protocol

1. Effectuer ATP hydrolyse Réaction avec de la protéine purifiée Préparer les stocks de tous les réactifs nécessaires pour incubation avec de la protéine purifiée. Préparer 5x HEPES / NaCl / glycérol (HNG) contenant 100 mM de HEPES pH 8,5, 65 mM de NaCl et 5% de glycerol (ou un autre tampon d'essai selon le cas). Préparer 100 mM MgCl 2 (ou autre métal, si ATPase est en métal-dépendant) dans l' eau. Préparer frais mM ATP 100 dans 200 Tris base mM (…

Representative Results

L'activité in vitro de la T2S ATPase Epse peut être stimulée par copurification de Epse avec le domaine cytoplasmique de EpsL (Epse-cytoEpsL) et ajout de la cardiolipine phospholipide acide 12. Il est également possible de déterminer le rôle de certains résidus Epse dans hydrolyse de l'ATP en comparant l'activité de type sauvage (WT) des variantes de formes de la protéine à l'aide de ce test. Ici, l'effet de substituer deux résidus de ly…

Discussion

Ceci est un protocole général pour la mesure de l'activité ATPase in vitro de protéines purifiées pour la caractérisation biochimique. Cette méthode est facilement optimisée; par exemple, en ajustant la quantité de protéines, un tampon et des compositions de sel, la température, et à faire varier la durée de l'essai et les intervalles (y compris l'augmentation du nombre total d'intervalles) peut améliorer l'activité de quantification. réactifs verts à base de malach…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to acknowledge funding from a National Institutes of Health grant RO1AI049294 (to M. S.).

Materials

HEPES buffer Fisher BP310-500
Sodium chloride Fisher BP358-212
Magnesium chloride Fisher BP214-500
Adenosine triphosphate (ATP) Fisher BP41325
96-well plates (clear, flat-bottom) VWR 82050-760
BIOMOL Green Enzo Life Sciences BML-AK111 Preferred phosphate detection reagent. Caution: irritant.
Microplate reader BioTek Synergy or comparable
Prism 5 GraphPad Software

References

  1. Hanson, P. I., Whiteheart, S. W. AAA+ proteins: have engine, will work. Nat Rev Mol Cell Biol. 6 (7), 519-529 (2005).
  2. Baker, T. A., Sauer, R. T. ClpXP, an ATP-powered unfolding and protein-degradation machine. Biochimica et Biophysica Acta. 1823 (1), 15-28 (2012).
  3. Maxson, M. E., Grinstein, S. The vacuolar-type H+-ATPase at a glance – more than a proton pump. J Cell Sci. 127 (23), 4987-4993 (2014).
  4. Planet, P. J., Kachlany, S. C., DeSalle, R., Figurski, D. H. Phylogeny of genes for secretion NTPases: Identification of the widespread tadA subfamily and development of a diagnostic key for gene classification. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (5), 2503-2508 (2001).
  5. Robien, M. A., Krumm, B. E., Sandkvist, M., Hol, W. G. J. Crystal Structure of the Extracellular Protein Secretion NTPase EpsE of Vibrio cholerae. J Mol Biol. 333 (3), 657-674 (2003).
  6. Camberg, J. L., Sandkvist, M. Molecular analysis of the Vibrio cholerae type II secretion ATPase EpsE. J Bacteriol. 187 (1), 249-256 (2005).
  7. Sandkvist, M. Type II secretion and pathogenesis. Infect Immun. 69 (6), 3523-3535 (2001).
  8. Brune, M., Hunter, J. L., Corrie, J. E. T., Webb, M. R. Direct, Real-time measurement of rapid inorganic phosphate release using a novel fluorescent probe and its application to actomyosin subfragment 1 ATPase. 생화학. 33 (27), 8262-8271 (1994).
  9. Carter, S. G., Karl, D. W. Inorganic phosphate assay with malachite green: An improvement and evaluation. J Biochem Biophys Methods. 7 (1), 7-13 (1982).
  10. Henkel, R. D., VandeBerg, J. L., Walsh, R. A. A microassay for ATPase. Anal Biochem. 169 (2), 312-318 (1988).
  11. Harder, K. W., Owen, P., Wong, L. K. H., Aebersold, R., Clark-Lewis, I., Jirik, F. R. Characterization and kinetic analysis of the intracellular domain of human protein tyrosine phosphatase β (HPTP β) using synthetic phosphopeptides. Biochem J. 298 (2), 395-401 (1994).
  12. Camberg, J. L., Johnson, T. L., Patrick, M., Abendroth, J., Hol, W. G., Sandkvist, M. Synergistic stimulation of EpsE ATP hydrolysis by EpsL and acidic phospholipids. EMBO J. 26 (1), 19-27 (2006).
  13. McLaughlin, S. H., Smith, H. W., Jackson, S. E. Stimulation of the weak ATPase activity of human Hsp90 by a client protein. J Mol Biol. 315 (4), 787-798 (2002).
  14. Shiue, S., Kao, K., Leu, W., Chen, L., Chan, N., Hu, N. XpsE oligomerization triggered by ATP binding, not hydrolysis, leads to its association with XpsL. EMBO J. 25 (7), 1426-1435 (2006).
  15. Ghosh, A., Hartung, S., van der Does, C., Tainer, J. A., Albers, S. V. Archaeal flagellar ATPase motor shows ATP-dependent hexameric assembly and activity stimulation by specific lipid binding. Biochem J. 437 (1), 43-52 (2011).
  16. Savvides, S. N., et al. VirB11 ATPases are dynamic hexameric assemblies: new insights into bacterial type IV secretion. EMBO J. 22 (9), 1969-1980 (2003).
  17. Sanghera, J., Li, R., Yan, J. Comparison of the luminescent ADP-Glo assay to a standard radiometric assay for measurement of protein kinase activity. Assay Drug Dev Techn. 7 (6), 615-622 (2009).
  18. Sherman, D. J., et al. Decoupling catalytic activity from biological function of the ATPase that powers lipopolysaccharide transport. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (13), 4982-4987 (2014).
  19. Zhang, X., et al. Altered cofactor regulation with disease-associated p97/VCP mutations. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (14), E1705-E1714 (2015).
  20. Rowlands, M. G., Newbatt, Y. M., Prodromou, C., Pearl, L. H., Workman, P., Aherne, W. High-throughput screening assay for inhibitors of heat-shock protein 90 ATPase activity. Anal Biochem. 327 (2), 176-183 (2004).
check_url/kr/54305?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Rule, C. S., Patrick, M., Sandkvist, M. Measuring In Vitro ATPase Activity for Enzymatic Characterization. J. Vis. Exp. (114), e54305, doi:10.3791/54305 (2016).

View Video