הביטוי ולטיהור TRPC3 האדם רגיש השומנים הקטיון ערוץ לקביעת מבניים על-ידי הקפאה יחיד-חלקיקים-מיקרוסקופ
Summary
פרוטוקול זה מתאר טכניקות המשמשות לקביעת יון ערוץ מבנים על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים הקפאה, כולל מערכת baculovirus שנועדה להביע ביעילות גנים בתאים בתרבית של מינימום מאמץ, רעילות, חלבון החילוץ, טיהור, בדיקת איכות, הכנת הדוגמא רשת ו ההקרנה, כמו גם איסוף נתונים, עיבוד.
Abstract
ערוצי פוטנציאלי קולטן ארעי (TRPCs) תת TRP הקנוני הם ערוצים הקטיון nonselective לשחק תפקיד חיוני הומאוסטזיס סידן, ערך סידן במיוחד המופעלים על החנות, אשר חיוני לשמירה על תפקוד תקין של שלפוחית סינפטית שחרור, תאיים איתות המסלולים. בהתאם לכך, ערוצי TRPC היו מעורבים במגוון רחב של מחלות האדם כולל מחלות לב וכלי דם כגון היפרטרופיה, הפרעות ניווניות כגון מחלת פרקינסון, הפרעות רגשיות ונוירולוגיות כגון אטקסיה spinocerebellar. לכן, ערוצי TRPC מייצגים יעד פוטנציאליים תרופתי למחלות אנושיות. עם זאת, המנגנון המולקולרי של gating בערוצים אלה עדיין אינם ברורים. הקושי בהשגת כמויות גדולות של חלבונים מטוהרים, הומוגני ויציב כבר גורם מגביל במחקרים נחישות מבנה, במיוחד עבור ממברנה יונקים חלבונים כגון תעלות היונים TRPC. כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור הביטוי בקנה מידה גדול של יון בתרבית של ערוץ קרום חלבונים באמצעות מערכת העברת הגן ששונה baculovirus ולטיהור חלבונים אלה על-ידי זיקה ו כרומטוגרפיה גודל-הדרה. בהמשך נציג פרוטוקול כדי לאסוף יחיד-חלקיקים הקפאה-אלקטרון מיקרוסקופ תמונות של חלבון מטוהרים וכדי להשתמש בתמונות אלה כדי לקבוע את מבנה החלבון. מכשור לקביעת קשיות ומבנה היא שיטה עוצמה להבנת המנגנונים של gating ותפקוד בתוך תעלות יונים.
Introduction
סידן מעורב תהליכים תאיים ביותר כולל איתות אשדים, בקרת שעתוק, שחרור נוירוטרנסמיטר והורמון מולקולה סינתזה1,2,3. קיום cytosolic סידן חינם homeostatic חיוני הבריאות והתפקוד של תאים. אחד המנגנונים העיקריים של הומאוסטזיס סידן תאיים הוא סידן המופעלים באמצעות החנות כניסה (SOCE), תהליך שבו דלדול של הסידן מאוחסנים הגורמים המפעילים (ER) רשתית תוך-פלזמית פתיחת תעלות היונים על קרום פלזמה כדי להקל חידוש מלאי של מיון סידן, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש עוד איתות4,5,6. קולטן ארעי פוטנציאליים ערוצים (TRPCs), אשר ערוצי סידן-חדיר השייכים superfamily TRP, זוהו כמשתתף העיקריים ב- SOCE-7,–8,–9 .
בין חברי שבע ממשפחת TRPC, TRPC3, TRPC6 ו- TRPC7 ליצור קבוצת homologue, והם ייחודי ביכולת להיות מופעל על ידי השומנים שליח משני diacylglycerol (DAG), תוצר השפלה של השומנים איתות phosphatidylinositol 4, 5-bisphosphate (PIP2)10,11. TRPC3 מתבטאת מאוד שריר חלק, האזורים במוח, אסטרוציטומה של המוח, שבו היא משחקת תפקידים חיוניים ב סידן איתות להשפיע12,עצבית ו נוירוג’נסיס13. תפקוד לקוי של TRPC3 נקשר במערכת העצבים המרכזית, מחלות לב וכלי דם, סרטן מסוימים כגון אדנוקרצינומה השחלות14,15,16. לכן, TRPC3 טומן בחובו הבטחה כמטרה תרופות לטיפול במחלות אלה. הפיתוח של תרופות ממוקדות במיוחד על TRPC3 היה מוגבל בשל חוסר ההבנה של מנגנונים הפעלה המולקולרי שלה, כולל השומנים איגוד אתרי17,18. אנחנו מדווחים על המבנה האטומי ברזולוציה הראשון של הערוץ TRPC3 האנושית (hTRPC3) ואתרי שלה מחייב ליפיד שתי במצב סגור, לספק תובנות חשובות אלה מנגנונים19.
גורם מפתח לקביעת המבנה של חלבון ממברנה ברזולוציה גבוהה הוא לקבל חלבון באיכות גבוהה. ההקרנה המתאימים של ביטוי וטיהור התנאים הדרושים לקבל חלבון איכותי יכול להיות מאמץ זמן רב ויקרות. כאן אנו מציגים פרוטוקול המתארת בפירוט כיצד אנו מזהים את תנאים אופטימליים כדי להפוך את הביטוי טיהור של hTRPC3, אשר התנהגה בצורה עלובה ההקרנה הראשונית שלנו. אנו מציגים מספר נקודות מפתח כיצד לפתור בעיות ולמטב את ההתנהגות חלבון, אשר בסיס יציב שלנו הקפאה-האלקטרון מיקרוסקופ (הקפאה-EM) מחקרים. אנו משתמשים baculoviral שונה של יצירת וקטור (pEG), שפותחה על ידי Gouaux ועמיתיו, אשר ממוטב עבור הקרנה מבחני והפקת יעיל baculovirus תאים בתרבית של20. שיטה זו ביטוי מתאים ביטוי מהירה וחסכונית של חלבונים קרום התא יונקים. אנו משלבים את השימוש הזה וקטור עם זריחה-זיהוי גודל-הדרה מבוססי וואקום (FSEC) prescreening שיטת21. שיטה זו משתמשת תג חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP) דבוקה הבונה של עניין ומשפר ויזואליזציה של החלבון היעד בדגימות solubilized קטן, כל תא. זה מאפשר להקרנה של חלבון יציבות בנוכחות חומרי ניקוי שונים, תוספים, עם מוטציות thermostabilizing, והוא מאפשר השימוש של מספר קטן של תאים תקנים ארעי בקנה מידה קטן. בדרך זו, מספר רב של מצבים יכולים להיות במהירות מוקרן לפני שעבר הוא לטיהור חלבון בקנה מידה גדול. בעקבות הביטוי, סינון, טיהור, אנו מציגים פרוטוקול קבלת ועיבוד תמונות מהקפאה-EM כדי להפיק את נחישות דה נובו מבנית של החלבון. אנו מאמינים כי הגישות המתוארות כאן ישמש פרוטוקול להכליל ללימודי מבנית של קולטנים ערוץ TRP וחלבונים אחרים ממברנה.
Protocol
Representative Results
Discussion
קביעת מבנה של חלבונים על ידי הקפאה-EM יש מהפכה בתחום ביולוגיה מבנית בשנים האחרונות, בזכות הפיתוח של מצלמות חדשות ואלגוריתמים המזרזת באופן משמעותי את קביעת מבנה של חלבונים שאינם ברצון crystalize, במיוחד קרום חלבונים. למרות כל התפתחויות אחרונות טכניקת הקפאה-EM, הכנת מספקות איכות וכמות מטוהרים חלב?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים ג’י זאו, אקס מנג לתמיכה באיסוף נתונים ב דוד ואן אנדל מתקדם הקפאה-אלקטרון מיקרוסקופ Suite. אנו מעריכים את הקבוצה VARI מחשוב עם ביצועים גבוהים עבור תמיכה חישובית. אנחנו נותנים את הכרת התודה שלנו כדי ש קלמנטה, דמי ד, ג’ Floramo, הואנג י’, י’ קים, מולר ג, רוט נולד ב ו צ Ruan עבור הערות השתפרה מאוד כתב היד הזה. אנו מודים Nadziejka ד על העריכה תמיכה כתב היד הזה. עבודה זו נתמכה על ידי VARI פנימי מימון.
Materials
| pEG BacMam vector (pFastBacI) | addgene | 31488 | |
| DH10α cells | Life Technologies | 10361-012 | |
| S.O.C. media | Corning | 46003CR | for transformation of DH10α cells for Bacmid |
| Bacmam culture plates | Teknova | L5919 | for culture of transformed DH10α cells |
| Incubation shaker for bacterial cells | Infors HT | Multitron standard | |
| Incubated orbital shaker for insect cells | Thermo-Fisher | SHKE8000 | |
| Reach-in CO2 incubator for mammalian cells | Thermo-Fisher | 3951 | |
| Table-top orbital shaker | Thermo-Fisher | SHKE416HP | used in Reach-in CO2 incubator for mammalian cells |
| Incubator | VWR | 1535 | for bacterial plates |
| QIAprep Spin Miniprep Kit | Qiagen | 27106 | for plasmid extraction and purification |
| Phenol:Chloroform:Isoamyl alcohol | Invitrogen | 15593031 | for DNA extraction |
| Sf9 cells | Life Technologies | 12659017 | insect cells for producing virus |
| Sf-900 media | Gibco | 12658-027 | insect cell media |
| FBS | Atlanta Biologicals | S11550 | |
| Cellfectin II | Gibco | 10362100 | for transfecting insect cells |
| lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668-027 | for transfecting mamalian cells |
| 0.2 mm syringe filter | VWR | 28145-501 | for filtering P1 virus |
| 0.2 mm filter flasks 500ml resevoir | Corning | 430758 | for filtering P2 virus |
| erlenmeyer culture flask (flat bottom 2L) | Gene Mate | F-5909-2000 | for culturing insect cells |
| erlenmeyer culture flask (baffled 2L) | Gene Mate | F-5909-2000B | for culturing mammalian cells |
| nanodrop 2000 spectrophotometer | Thermo-Fisher | ND-2000 | for determining DNA and protein concentrations |
| HEK293 | ATCC | CRL-3022 | mammalian cells for producing protein |
| Freestyle 293 expression Medium | Gibco | 1238-018 | mammalian cell media for protein expression |
| Butyric Acid Sodium Salt | Acros | 263195000 | to amplify protein expression |
| PMSF | Acros | 215740500 | protease inhibitor |
| Aprotinin from bovine lung | Sigma-Aldrich | A1153-100MG | protease inhibitor |
| Leupeptin hydrochloride | Sigma-Aldrich | 24125-16-4 | protease inhibitor |
| pepstatin A | Fisher Scientific | BP2671-250 | protease inhibitor |
| digitonin | EMD Millipore | 300410 | detergent – to solubilize protein from membrane |
| imidazole | Sigma | 792527 | to elute protein from resin column |
| TALON resin | Clonetech | 635504 | for affinity purification by His-tag |
| superose6 incease columns | GE | 29091596; 29091597 | for HPLC and FPLC |
| Prominence Modular HPLC System | Shimadzu | See Below | |
| Controller Module | " | CBM20A | |
| Solvent Delivery System | " | LC30AD | |
| Fluorescence Detector | " | RF20AXS | |
| Autosampler with Cooling | " | SIL20ACHT | |
| Pure FPLC System with Fractionator | Akta | ||
| thrombin (alpha) | Haematologic Technologies Incorporated | HCT-0020 Human alpha | for cleaving GFP tag |
| Amicon Ultra 15 mL 100K centrifugal filter tube | Millipore | UFC910008 | for concentrating protein |
| EDTA | Fisher | E478500 | for stabilizing protein |
| 400 mesh carbon-coated copper grids | Ted Pella Inc. | 01754-F | grids for negative stain |
| Quantifoil holey carbon grid (gold, 1.2/1.3 μm size/hole space, 300 mesh) | Electron Microscopy Sciences | Q3100AR1.3 | grids for Cryo-EM |
| Vitrobot Mark III | FEI | for preparing sample grids by liquid ethane freezing | |
| liquid nitrogen | Dura-Cyl | UN1977 | |
| ethane gas | Airgas | UN1035 | |
| Solarus Plasma System | Gatan | Model 950 | for cleaning grids before sample freezing |
| Tecnai Spirit electron microscope | FEI | for negative stain EM imaging | |
| Talos Arctica electron microsocope | FEI | for screening and low resolution imaging of Cryo-EM grids | |
| Titan Krios electron microscope | FEI | for high-resolution Cryo-EM imaging | |
| Software | |||
| Gautomatch software | http://www.mrc-lmb.cam.ac.uk/kzhang/Gautomatch/ | to pick particles from micrographs | |
| Relion 2.1 software | https://github.com/3dem/relion | to construct 2D and 3D classification | |
| CryoSPARC software | https://cryosparc.com/ | to generate an initial structure model | |
| Frealign software | http://grigoriefflab.janelia.org/frealign | to refine particles | |
| Coot software | https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/personal/pemsley/coot/ | to build a model | |
| MolProbity software | http://molprobity.biochem.duke.edu/ | to evaluate the geometries of the atomic model | |
| SerialEM software | http://bio3d.colorado.edu/SerialEM/ | for automated serial image stack acquisition | |
| MortionCor2 software | http://msg.ucsf.edu/em/software/motioncor2.html | for motion correction of summed movie stacks | |
| GCTF software | https://www.mrc-lmb.cam.ac.uk/kzhang/Gctf/ | for measuring defocus values in movie stacks | |
| Phenix.real_space_refine software | https://www.phenix-online.org/documentation/reference/real_space_refine.html | for real space refinement of the initial 3D model |
References
- Berridge, M. J., Bootman, M. D., Roderick, H. L. Calcium signalling: dynamics, homeostasis and remodelling. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 4 (7), 517-529 (2003).
- Kumar, R., Thompson, J. R. The regulation of parathyroid hormone secretion and synthesis. Journal of the American Society of Nephrology. 22 (2), 216-224 (2011).
- Sudhof, T. C. Calcium control of neurotransmitter release. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 4 (1), a011353 (2012).
- Ong, H. L., de Souza, L. B., Ambudkar, I. S. Role of TRPC Channels in Store-Operated Calcium Entry. Advances in Experimental Medicine and Biology. 898, 87-109 (2016).
- Smyth, J. T., et al. Activation and regulation of store-operated calcium entry. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 14 (10), 2337-2349 (2010).
- Prakriya, M., Lewis, R. S. Store-Operated Calcium Channels. Physiological Reviews. 95 (4), 1383-1436 (2015).
- Liu, X., Singh, B. B., Ambudkar, I. S. TRPC1 is required for functional store-operated Ca2+ channels. Role of acidic amino acid residues in the S5-S6 region. Journal of Biological Chemistry. 278 (13), 11337-11343 (2003).
- Zhu, X., Jiang, M., Birnbaumer, L. Receptor-activated Ca2+ influx via human Trp3 stably expressed in human embryonic kidney (HEK)293 cells. Evidence for a non-capacitative Ca2+ entry. Journal of Biological Chemistry. 273 (1), 133-142 (1998).
- Zhu, X., et al. trp, a novel mammalian gene family essential for agonist-activated capacitative Ca2+ entry. Cell. 85 (5), 661-671 (1996).
- Itsuki, K., et al. Voltage-sensing phosphatase reveals temporal regulation of TRPC3/C6/C7 channels by membrane phosphoinositides. Channels (Austin). 6 (3), 206-209 (2012).
- Tang, J., et al. Identification of common binding sites for calmodulin and inositol 1,4,5-trisphosphate receptors on the carboxyl termini of trp channels. Journal of Biological Chemistry. 276 (24), 21303-21310 (2001).
- Gonzalez-Cobos, J. C., Trebak, M. TRPC channels in smooth muscle cells. Frontiers in Bioscience (Landmark Edition). 15, 1023-1039 (2010).
- Li, H. S., Xu, X. Z., Montell, C. Activation of a TRPC3-dependent cation current through the neurotrophin BDNF). Neuron. 24 (1), 261-273 (1999).
- Becker, E. B., et al. Candidate screening of the TRPC3 gene in cerebellar ataxia. Cerebellum. 10 (2), 296-299 (2011).
- Kitajima, N., et al. TRPC3 positively regulates reactive oxygen species driving maladaptive cardiac remodeling. Scientific Reports. 6, 37001 (2016).
- Yang, S. L., Cao, Q., Zhou, K. C., Feng, Y. J., Wang, Y. Z. Transient receptor potential channel C3 contributes to the progression of human ovarian cancer. Oncogene. 28 (10), 1320-1328 (2009).
- Oda, K., et al. Transient receptor potential cation 3 channel regulates melanoma proliferation and migration. Journal of Physiological Sciences. 67 (4), 497-505 (2017).
- Xia, M., Liu, D., Yao, C. TRPC3: A New Target for Therapeutic Strategies in Chronic Pain-DAG-mediated Activation of Non-selective Cation Currents and Chronic Pain (Mol Pain 2014;10:43). Journal of Neurogastroenterology and Motility. 21 (3), 445-447 (2015).
- Fan, C., Choi, W., Sun, W., Du, J., Lu, W. Structure of the human lipid-gated cation channel TRPC3. Elife. 7, e36852 (2018).
- Goehring, A., et al. Screening and large-scale expression of membrane proteins in mammalian cells for structural studies. Nature Protocols. 9 (11), 2574-2585 (2014).
- Hattori, M., Hibbs, R. E., Gouaux, E. A fluorescence-detection size-exclusion chromatography-based thermostability assay to identify membrane protein expression and crystallization conditions. Structure (London, England: 1993). 20 (8), 1293-1299 (2012).
- Zheng, S. Q., et al. MotionCor2: anisotropic correction of beam-induced motion for improved cryo-electron microscopy. Nature Methods. 14 (4), 331-332 (2017).
- Zhang, K. Gctf: Real-time CTF determination and correction. Journal of Structural Biology. 193 (1), 1-12 (2016).
- Scheres, S. H. RELION: implementation of a Bayesian approach to cryo-EM structure determination. Journal of Structural Biology. 180 (3), 519-530 (2012).
- Punjani, A., Rubinstein, J. L., Fleet, D. J., Brubaker, M. A. cryoSPARC: algorithms for rapid unsupervised cryo-EM structure determination. Nature Methods. 14 (3), 290-296 (2017).
- Grigorieff, N. Frealign: An Exploratory Tool for Single-Particle Cryo-EM. Methods in Enzymology. 579, 191-226 (2016).
- Emsley, P., Lohkamp, B., Scott, W. G., Cowtan, K. Features and development of Coot. Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography. 66 (Pt 4), 486-501 (2010).
- Afonine, P. V., et al. Towards automated crystallographic structure refinement with phenix.refine. Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography. 68 (Pt 4), 352-367 (2012).
- Chen, V. B., et al. MolProbity: all-atom structure validation for macromolecular crystallography. Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography. 66 (Pt 1), 12-21 (2010).
- Scheres, S. H. W., Chen, S. Prevention of overfitting in cryo-EM structure determination. Nature Methods. 9 (9), 853-854 (2012).
- Scheres, S. H. W. RELION: Implementation of a Bayesian approach to cryo-EM structure determination. Journal of Structural Biology. 180 (3), 519-530 (2012).
- Grigorieff, N. Frealign: An Exploratory Tool for Single-Particle Cryo-EM. Methods in Enzymology. 579, 191-226 (2016).
- Chen, V. B., et al. MolProbity: all-atom structure validation for macromolecular crystallography. Acta Crystallographica Section D-Biological Crystallography. 66, 12-21 (2010).
- Emsley, P., Lohkamp, B., Scott, W. G., Cowtan, K. Features and development of Coot. Acta Crystallographica Section D-Biological Crystallography. 66, 486-501 (2010).
- Green, E. M., Au, Thermostabilization, Expression, Purification, and Crystallization of the Human Serotonin Transporter Bound to S-citalopram. Journal of Visualized Experiments. (117), e54792 (2016).
- Mesa, P., Deniaud, A., Montoya, G., Schaffitzel, C. Directly from the source: endogenous preparations of molecular machines. Current Opinion in Structural Biology. 23 (3), 319-325 (2013).
- Bayburt, T. H., Sligar, S. G. Membrane Protein Assembly into Nanodiscs. FEBS letters. 584 (9), 1721-1727 (2010).
- Winkler, P. A., Huang, Y., Sun, W., Du, J., Lü, W. Electron cryo-microscopy structure of a human TRPM4 channel. Nature. 552, 200-204 (2017).
- Autzen, H. E., et al. Structure of the human TRPM4 ion channel in a lipid nanodisc. Science. 359 (6372), 228-232 (2017).
- Guo, J., et al. Structures of the calcium-activated, non-selective cation channel TRPM4. Nature. 552 (7684), 205-209 (2017).
- Parmar, M., et al. Using a SMALP platform to determine a sub-nm single particle cryo-EM membrane protein structure. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. 1860 (2), 378-383 (2018).
- Gulati, S., et al. Detergent-free purification of ABC (ATP-binding-cassette) transporters. Biochemical Journal. 461 (2), 269-278 (2014).
