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Química

사이트 감독 스핀 라벨 및 펜타 머 리간드 - 게이 티드 이온 채널의 EPR 분광 연구

Published: July 04, 2016
doi:
10.3791/54127
, ,
1Department of Physiology and Biophysics,Case Western Reserve University, 2School of Medicine,Case Western Reserve University

Summary

This article describes methods for site-directed spin labeling and reconstitution of pentameric ligand-gated channels for Electron Paramagnetic Resonance studies. This protocol can be adapted for any membrane protein. The reconstitution method described here can also be used for patch-clamp measurements of macroscopic and single-channel currents in a defined lipid system.

Abstract

Ion channel gating is a stimulus-driven orchestration of protein motions that leads to transitions between closed, open, and desensitized states. Fundamental to these transitions is the intrinsic flexibility of the protein, which is critically modulated by membrane lipid-composition. To better understand the structural basis of channel function, it is necessary to study protein dynamics in a physiological membrane environment. Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy is an important tool to characterize conformational transitions between functional states. In comparison to NMR and X-ray crystallography, the information obtained from EPR is intrinsically of lower resolution. However, unlike in other techniques, in EPR there is no upper-limit to the molecular weight of the protein, the sample requirements are significantly lower, and more importantly the protein is not constrained by the crystal lattice forces. Therefore, EPR is uniquely suited for studying large protein complexes and proteins in reconstituted systems. In this article, we will discuss general protocols for site-directed spin labeling and membrane reconstitution using a prokaryotic proton-gated pentameric Ligand-Gated Ion Channel (pLGIC) from Gloeobacter violaceus (GLIC) as an example. A combination of steady-state Continuous Wave (CW) and Pulsed (Double Electron Electron Resonance-DEER) EPR approaches will be described that will enable a complete quantitative characterization of channel dynamics.

Introduction

지난 10 년간, 펜타 머 리간드 관문 이온 채널의 구조 이해 (pLGIC)는 여러 가족 구성원의 고해상도 구조 군중에 의해, 비약적으로 성장했다. 분야에서 현재 발전을 주도하는 중요한 요소는 구조 결정 방법의 원핵 pLGIC 채널 발견, 진핵 생물의 세포막 단백질 발현 1-3 주요 진행됨 4-6 엄청난 돌파구를 포함한다. (7) 이러한 구조가 명확한 합의 제공 pLGIC의 3 차원 구조의 전체적인 보존. 그러나 뒤에 흔적 것 두 가지 주요 영역이 채널 준비의 기능적 특성 및 채널 기능의 기계 론적 설명이다.

게이팅 구조적 변화는 복잡하고, 채널의 길이를 따라 60 Å 거리에 걸쳐 발생하고 이러한 전환을 광범위에 의해 조절되는막 지질. 특히, 음의 지질, 콜레스테롤 및 인지질 pLGIC 8-11의 기능을 조절하는 것으로 나타났다. 채널 기능에서 이러한 지질 성분의 정확한 역할을 알 수없는 남아 있지만, 게이트의 완전한 분자 이해는 그 나라의 환경에서 이러한 채널을 연구 필요합니다. 사이트 감독 스핀 라벨 (SDSL) 및 전자 스핀 공명 (EPR) 분광법은 재구성 시스템에서 단백질 역학 연구를위한 선택의 기술이다. (형광 스펙트럼은 그대로), 이로써 천연 지질 조건 재구성 전장 구조체의 측정이 가능 EPR 분광법은 분자 크기에 의해 제한 (NMR처럼) 또는 시료의 광학 특성 아니다. 이 기술은 매우 민감하고 (피코 몰 범위에서) 상대적으로 낮은 샘플 요구 사항이 있습니다. 이 두 측면은 밀리그램 이상에서 표현하기 어려운 큰 막 단백질 연구에 대한 기술이 적합하다수량.

부위 – 스핀 표지와 함께 EPR 분광법의 사용 웨인 Hubbell의 연구진에 의해 개발되었고, 단백질 종류의 범위를 학습하도록하고있다. 12-24 EPR 데이터 이차 구조를 조사하기 위해 사용 된, 단백질의 변화 형태, 막 – 삽입 깊이 및 단백질 – 단백질 / 단백질 – 리간드 상호 작용.

상기 방법은 부위 – 특이 적 돌연변이 유발에 의해 주목 위치의 시스테인의 치환을 포함한다. 부위 – 특이 적 표지를 보장하기 위해, 시스테인이없는 템플릿을 생성하기 위해 다른 아미노산과 (예., 세린) 천연 시스테인을 대체 할 필요가있다. 이황화 결합 다리를 통해 부착 단백질 (1- 옥실-2,2,5,5- 테트라 메틸 – 피 롤린 Δ3 -3- 메틸) methanethiosulfonate : 지금까지, 가장 인기 스핀 라벨 티올 특정 MTSL이다. 그것의 높은 특이성, (트립토판보다 약간 큰) 비교적 작은 크기, 플렉시에링커 영역의 부 합성,이 스핀 라벨에도 매립 시스테인 우수한 반응성을 가지는 것으로 밝혀졌다. 또한, 반응성을 극대화하기 위해, 단백질의 표지 반응은 세제 – 가용화 된 형태로 수행된다. 크기 배제 크로마토 그래피에 의한 과잉 자유 스핀 라벨 분리 후, 단백질 또는 리포좀 정의 지질 조성물의 이중층 흉내 낸 시스템으로 재구성된다. 일반적으로, 시스테인 돌연변이가 아니라 단백질의 대부분의 부분에서 허용되고, 스핀 프로브의 상대적으로 작은 크기의 2 차 및 3 차 구조로 최소한의 혼란을 일으키는. 수정이 야생형 기능을 유지하도록하려면 표지 및 재구성 된 채널은 패치 클램프 측정에 의해 공부하실 수 있습니다.

표지 된 기능성 단백질은 다음 본질적으로 정보의 세 가지 주요 유형을 제공 분광 측정을 실시 : linesh에 의해 12,14,15,20,22,23,25-27 스핀 프로브 역학을원숭이 분석; 상자성 이완 에이전트 프로브의 접근성; 거리 분포. 27 EPR 거리는 두 개의 서로 다른 접근 방법에 의해 측정된다. 첫번째는 스핀 라벨 간의 극성 상호 작용에서 발생하는 스펙트럼의 폭이 넓어합니다 (8 – 20 Å 거리 범위) 연속파 (CW) 기술에 기초한다. 거리를 결정하는 데 사용되는 28, 29 번째 펄스-EPR 인 거리 측정 이중 전자 전자 공명 (DEER) 70 Å. 30-34까지 연장 될 수있어서, 상기 스핀 에코 진폭의 진동이 거리와의 거리 분포를 결정하기 위해 분석된다. 여기 스핀 에코는 쌍극 상호 작용의 주파수로 변조된다. 함께, 이러한 파라미터는 단백질 토폴로지 이차 구조 요소 및 단백질 구조적 변화를 결정하기 위해 사용된다.

Protocol

1. 부위 특이 적 변이 및 시스테인 돌연변이 복제와 돌연변이 유발 참고 : GLIC 야생형 (중량) (35)는 시스테인없는 배경을 만드는 세린으로 변이 된 단일 기본 시스테인 (C27)를 가지고있다. 시스테인 돌연변이는 원하는 위치 36에 시스테인 코돈을 가지고 프라이머를 이용한 부위 특이 적 변이에 의해 시스테인없는 배경에 도입된다. 10 배 반응 완충액 5 μL, 10…

Representative Results

스핀 표지 GLIC 변이체의 생화학 적 특성 배양 12 ㎎ / ℓ – 일반적으로 10 내지 GLIC-MBP 융합 단백질을 수득 할 상기 프로토콜에 따라. 이 값은 특히 단백질 내에 매립 위치에 대한 다른 돌연변이마다 다를 수 있지만, 수율이 크게 저하 될 수있다. 이 경우, 문화 볼륨 업 스케일링이 필요할 수 있습니다. HRV3C 프로테아제…

Discussion

EPR 스펙트럼을 거의 네이티브 환경에서 막 단백질의 구조적 변화를 정량화에서 타의 추종을 불허하는 구조적 접근 것으로 입증되었습니다. 이러한 접근 방식은 우리에게 X 선 결정학 및 곳을 알아내는 – 전자 현미경에서 고해상도 구조에 가려하는 단백질 역학의 분자 세부 사항에 엿봄을 할 수 있습니다. 그러나, 다른 시스템으로 일반적인 적용에 영향을 미칠 수 있으며 마음에 길을 따라 잠재적 …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

우리는 원고의 중요한 읽기와 의견의 차크라 실험실의 현재와 전 회원들에게 매우 감사하고 있습니다. 이 작품은 보건 부여의 국립 연구소 (1R01GM108921)와 미국 심장 협회 (NCRP 과학자 개발 그랜트 12SDG12070069)에 의해 SC에 지원되었다.

Materials

Site-Directed Mutagenesis and Cys mutations
10x PfuUltra HF reaction buffer Agilent Technologies 600380-52
dNTPS New England BioLabs Inc‎ N0447L 10mM each dNTP
pfu Ultra DNA polymerase Agilent Technologies 600380-51 2.5 U/ul
DPNI New England BioLabs Inc‎ R0176S 20,000 U/ml
XL10 GOLD Agilent Technologies 200314
SOC media New England BioLabs Inc‎ B9020S
Kanamycin Fisher Scientfic BP905
LB media Invitrogen 127957084
Miniprep kit QIAGEN 27106
C43 competent cells Lucigen 60446
Expression and Purification
Glucose Fisher Scientfic D16
Tryptone Fisher Bioreagents BP1421-500
Yeast extract Amresco J850
Glycerol Fisher Bioreagents BP229
K2HPO4 Amresco 0705
KH2PO4 Amresco 0781
IPTG (isopropyl-thio-β-galactoside) Gold Biotechnology I2481C25
Trizma Base Sigma Life Science T1503
NaCl Sigma-Aldrich S7653
DNase I Sigma Life Science DN25
PMSF Amresco M145
Leupeptine Amresco J580
Pepstatin Amresco J583
DDM (n-Docecyl-β-D-Maltopyranoside) Anatrace D310S
Amylose resin New England BioLabs Inc‎ E8021L
TCEP Amresco K831
EDTA Fisher Scientfic BP118
Maltose Acros Organics 329915000
Superdex 200GL GE Healthcare 17-5175-01
Empty polypropylene Chromatography column BioRad 731-1550
Site-Directed Spin Labeling
MTSL (1-oxyl-2,2,5,5-tetramethyl-3-pyrroline-3-methyl) Methanethiosulfonate Toronto Reaserch chemicals Inc O873900
(1-acetoxy-2,2,5,5-tetramethyl-Δ3-pyrroline-3-methyl) methanethiosulfonate Toronto Reaserch chemicals Inc A167900
DMSO J.T. Baker 9224-01
Reconstitution
Asolectin lipid Avanti polar lipids Inc 541602C
Biobeads (Polystyrine beads) Bio Rad 152-3920
Methanol Fisher chemicals A413
FRET
Fluorescein-maleimide ThermoFisher Scientific F-150
Tetramethylrhodamine-maleimide ThermoFisher Scientific T-6027
POPC Avanti polar lipids Inc 850457C
POPG Avanti polar lipids Inc 840457C
E.Coli polar lipid extract Avanti polar lipids Inc 100600C
HEPES Sigma Life Science H3375
EPR measurement
TPX plastic capillaries Bruker ER221
EDDA (Ethylenediamine-N, N'-diacetic acid) Aldrich 158186
Ni(OH)2 Aldrich 283622
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Referências

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Keywords: Site Directed Spin LabelingEPR SpectroscopyPentameric Ligand-gated Ion ChannelsMembrane Protein DynamicsGLICSite-directed MutagenesisProtein PurificationCell LysisMembrane Protein Reconstitution
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Basak, S., Chatterjee, S., Chakrapani, S. Site Directed Spin Labeling and EPR Spectroscopic Studies of Pentameric Ligand-Gated Ion Channels. J. Vis. Exp. (113), e54127, doi:10.3791/54127 (2016).
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