완전히 가공된 재조합 KRAS4b: 판자및 메틸화 단백질을 분리하고 특성화
Summary
전조는 말초 막 결합 단백질에 대한 중요한 변형입니다. 곤충 세포는 단백질 단백질과 단백질 지질 상호 작용의 생물 물리학 측정을 가능하게 하는 양으로 farnesylated 및 carboxymethylated KRAS4b를 생성하기 위하여 조작될 수 있습니다
Abstract
단백질 prenylation는 세포내 막에 단백질을 표적으로 하는 책임 있는 중요한 수정입니다. 인간 암의 22%에서 돌연변이되는 KRAS4b는 C-종단에 ‘CAAX’ 박스 모티프가 존재하기 때문에 패네실화와 카르복시메틸화에 의해 처리됩니다. 엔지니어링 된 바쿨로 바이러스 시스템은 곤충 세포에서 farnesylated 및 카르복시 메틸화 KRAS4b를 발현하는 데 사용되었으며 이전에 설명되었습니다. 여기서, 우리는 단백질의 상세하고 실용적인 정제 및 생화학적 특성을 설명합니다. 구체적으로, 친화성 및 이온 교환 크로마토그래피는 균질성으로 단백질을 정제하는 데 사용되었다. 손상되지 않은 네이티브 질량 분석법은 KRAS4b의 올바른 변형을 검증하고 뉴클레오티드 결합을 검증하기 위해 사용되었다. 마지막으로, 피네시레이트 및 카르복시메틸화된 KRAS4b의 막 체내를 리포솜으로 표면 플라스몬 공명 분광법을 사용하여 측정하였다.
Introduction
번역 후 변형은 단백질의 기능적 활성을 정의하는 데 중요한 역할을 합니다. 인산화 및 당화와 같은 변형은 잘 확립됩니다. 지질 수정은 덜 잘 특징입니다, 그러나. 모든 세포 단백질의 0.5%가1. 전조는 CAAX 모티프2를함유하는 수용자 단백질로 15탄소 파네실 또는 20탄소 제라닐라닐 지질 사슬을 전달하는 것입니다. 조기 노화3,알츠하이머4,심장 기능 장애5,중증 혈증6,암7을포함한 여러 인간 질병의 진행에 전산 단백질이 연루되어 있다. 작은 GTPases, HRAS, NRAS 및 KRAS1,핵 라미닌, 및 키네토초레 CENP-E 및 F는 기초 조건 하에서 farnesylated 단백질입니다. 다른 작은 GTPas, 즉 로아, 로C, Rac1, cdc-42 및 RRAS는 제라냐게니라니어8,반면 로브는 farnesylated 또는 제라뉴어니어9 .
작은 GTPase KRAS4b분자 스위치로 기능, 본질적으로 세포 내 성장 인자 신호 세포 성장 및 확산을 자극 하는 세포 내 신호 전달 경로 전송, 여러 단백질-단백질 상호 작용을 통해. KRAS4b 생화학의 활동에 필수적인 두 가지 주요 측면이 있습니다. 첫째, 단백질은 비활성 GDP와 활성 GTP 경계 상태 사이의 주기로 이펙터와 적극적으로 관여합니다. 둘째, C 말단 폴리리신 영역과 원거리 및 카르복시스테인이 단백질을 혈장 막으로 유도하여 하류 이펙터의 모집 및 활성화를 가능하게 한다. 돌연변이 KRAS4b는 췌장, 대장암 및 폐암10의내인성 동인이며, 이와 같이 치료적 개입은 엄청난 임상적 이점을 가질 것이다. 원거리 및 카르복시메틸화된 본성 변형 재조합 단백질의 생산은 리포좀 또는 지질나노디스크(11,12)와같은 막 대리체와 조합하여 KRAS4b를 이용한 생화학적 스크리닝을 가능하게 할 것이다.
파네실 트랜스퍼라제(FNT)는 KRAS4b의 CAAX 모티프에서 C 말단 시스테인에 파네실 파이로포스페이트를 첨가하는 촉매제. prenylation 후, 단백질은 Ras 변환 효소 (RCE1)가 3개의 C 말단 잔기를 절단하는 안구 성 망막 (ER)으로 인신매매됩니다. 처리의 마지막 단계는 ER 막 단백질에 의한 새로운 C 말단 파네실시스테인 잔기의 메틸화, 이소프렌시스테인 카르복실 메틸트랜스퍼라제(ICMT)이다. 대장균에서 재조합KRAS4b의 발현은 변형되지 않은 단백질의 생산을 초래한다. 이전에는 처리된 KRAS4b를 생산하려는 시도가 구조적 또는 약물 스크리닝 실험에 대한 수율이 부족하여 제한되었거나 네이티브 전체 길이 성숙단백질(13,14)을재량화하지 못했다. 여기에 제시된 프로토콜은 세포 배양의 5 mg/L의 수율에서 고도로 정제되고 완전히 처리된 KRAS4b를 생성하는 엔지니어링된 바쿨로바이러스 기반 곤충 세포 발현 시스템 및 정제 방법을 이용한다.
신중한 단백질 특성화는 구조 생물학 또는 약물 스크리닝 연구에 착수하기 전에 재조합 단백질의 품질을 검증하는 데 필수적입니다. 완전히 처리된 KRAS4b의 두 가지 주요 파라미터는 막 대용품 또는 지질과의 상호 작용을 위한 올바른 프레닐 변형 및 카르복시내화 C-종단(FMe)의 가용성검증이다. KRAS4b-FMe의 전기 분무 이온화 질량 분석법(ESI-MS)은 분자량을 측정하고 파네실 및 카르복시메틸 변형의 존재를 확인하기 위해 사용되었다. 시료가 비분폐 용매로 분무되는 네이티브 질량 분석법은 KRAS4b-FMe가 GDP 보조 인자에 묶여 있음을 입증하는 데 사용되었습니다. 마지막으로, 표면 플라스몬 공명 분광법은 고정된 리포솜을 이용한 KRAS4b-FMe의 직접 결합을 측정하는데 사용되었다.
Protocol
Representative Results
Discussion
대표 결과 섹션에서 언급한 바와 같이, 정제 시 가장 중요한 단계는 낮은 염분에 있는 시간 동안 시료의 취급이다. 시료가 200mM 미만NaCl에 노출되는 시간을 제한하면 강수량을 줄이고 샘플 수율을 높일 수 있습니다. 프로파일이 예상과 일치하지 않는 경우 CEX의 결과를 해석하기 어려울 수 있습니다(그림 2참조). 프로토콜이 일상화될 때까지, 앞으로 이동되지 않는 CEX 용출 분?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 카리사 그로스, 젠 멜할코, 맷 드류의 복제 및 발현 지원을 암 연구를 위한 프레드릭 국립 연구소의 단백질 발현 실험실에서 인정합니다. 이 프로젝트는 계약 번호에 따라 국립 암 연구소, 국립 보건원에서 연방 기금의 전체 또는 일부를 지원되었습니다. HHSN261200800001E. 이 출판물의 내용은 반드시 보건 복지부의 견해 나 정책을 반영하지 않으며, 미국 정부의 승인을 의미하지 는 않으며, 상품, 상업 제품 또는 조직에 대한 언급은 없습니다.
Materials
| 1.8 mL Safe-Lock Tubes, Natural | Eppendorf | 22363204 | |
| 11 mm Cl SS Interlocked Insert Autosampler Vials | Thermo Scientific | 30211SS-1232 | |
| 1-palmitoyl-2-oleoyl-glycero-3-phosphocholine (POPC) | AVANTI POLAR LIPIDS | 850457 | purchase as liquid stocks in chloroform |
| 1-palmitoyl-2-oleoyl-glycero-3-phospho-L-serine (POPS) | AVANTI POLAR LIPIDS | 840034 | purchase as liquid stocks in chloroform |
| 5427R Centrifuge | Eppendorf | ||
| Acetonitrile, HPLC Grade | Fisher Chemical | A998-1 1L | |
| Ammonium Acetate | Sigma-Aldrich | 09689-250g | |
| Argon gas | Airgas | ARUP | |
| Assay Plate 384 | CORNING | 3544 | |
| Biacore T200 Instrument | GE Healthcare | ||
| Blue Snap-It Seals, T/S | Thermo Scientific | C4011-54B | |
| Branson Ultrasonic Bath | Thermo Fisher | 15-336-1000 | |
| Cation Exchange Chromatography (CEX) column | GE Healthcare Life Sciences | 29018183 | HiPrep SP Sepharose High Performance |
| CHAPS | Sigma | C3023 | |
| Dyna Pro Plate Reader | Wyatt Technologies | ||
| Exactive Plus EMR Mass Spectrometer | Thermo Scientific | ||
| Formic Acid | Sigma-Aldrich | F0507-500Ml | Use Reagent Grade or better |
| Gilson vials 7×14 mm Tubes | GE Healthcare | BR-1002-12 | |
| Glass screw thread vials with PTFE foam liners | Scientific Specialities | B69302 | |
| High speed/benchtop centrifuge | Thermo Fischer Scientific | 05-112-114D | capable of up to 4,000 xg |
| His6-Tobacco Etch Virus (TEV) protease | Addgene | 92414 | Purified as per Raran-Kurussi et al. (2017) Removal of Affinity Tags with TEV Protease. In: Burgess-Brown N. (eds) Heterologous Gene Expression in E.coli. Methods in Molecular Biology, vol 1586. Humana Press, New York, NY |
| Immobilized Metal Affinity Chromatography (IMAC) column | GE Healthcare Life Sciences | 28-9365-51 | HisPrep FF 16/10 |
| In-House Water Supply, Arium Advance | Sartorius Stedim | Resistivity of 18 MΩ0-cm | |
| Lipid extruder set with holder | AVANTI POLAR LIPIDS | 610023 | |
| Liquid nitrogen | Airgas | NI-DEWAR | |
| M110-EH microfluidizer | Microfluidics | ||
| MabPac RP UHPLC Column, 4 um, 3.0 x 50 mm | Thermo Scientific | 088645 | |
| MabPac SEC-1 Column, 5 um, 300 Å, 2.1 x 150 mm | Thermo Scientific | 088790 | |
| MagTran software | Thermo Scientific | ||
| Methanol, HPLC Grade | VWR Chemicals | BDH20864.400 | |
| NGC Chromatography System | BioRad | 78880002 | NGC QuestTM 100 Chromatography system |
| Protease Inhibitor Cocktail without EDTA or other chelators | Millipore Sigma | P8849 | |
| Rubber Caps type 3 | GE Healthcare | BR-1005-02 | |
| Series S Sensor Chip L1 | GE Healthcare | 29104993 | |
| Spectrophotometer | Thermo Fischer Scientific | 13-400-519 | Absorbace at 280nm |
| Ultra-15 Centrifugal Filter Units, 10K NMWL | Millipore Sigma | UFC901008 | PES membrane |
| Ultracel 10K MWCO Ultra 0.5 mL Centrifuge Filters | Amicon | UFC501024 | |
| Ultracentrifuge | Beckman Coulter | Optima – L80K | capable of 100,000 xg |
| Vanquish UHPLC (Pump, Column Hearter, and LC System) | Thermo Scientific | ||
| Vortex Genie 2 | Fisher | 12-812 | |
| Water, HPLC Grade | Sigma-Aldrich | 270733-1L | May use in-house water source (see below) |
| Whatman GD/XP PES 0.45 mm syringe filter | GE Healthcare – Whatman | 6994-2504 | |
| Xcalibur QualBrowser | Thermo Scientific | proteomics software |
Referências
- Cox, A. D., Der, C. J. Protein prenylation: more than just glue. Current Opinion in Cell Biology. 4 (6), 1008-1016 (1992).
- Zhang, F. L., Casey, P. J. Protein Prenylation: Molecular Mechanisms and Functional Consequences. Annual Review of Biochemistry. 65, 241-269 (1996).
- Hottman, D. A., Li, L. Protein prenylation and synaptic plasticity: implications for Alzheimer’s disease. Molecular Neurobiology. 50 (1), 177-185 (2014).
- Hottman, D. A., Chernick, D., Cheng, S., Wang, Z., Li, L. HDL and cognition in neurodegenerative disorders. Neurobiology of Disease. 72, 22-36 (2014).
- Nakagami, H., Jensen, K. S., Liao, J. K. A novel pleiotropic effect of statins: prevention of cardiac hypertrophy by cholesterol-independent mechanisms. Annals of Medicine. 35 (6), 398-403 (2003).
- Kohnke, M., et al. Rab GTPase prenylation hierarchy and its potential role in choroideremia disease. PLoS One. 8 (12), 81758 (2013).
- Berndt, N., Hamilton, A. D., Sebti, S. M. Targeting protein prenylation for cancer therapy. Nature Reviews Cancer. 11 (11), 775-791 (2011).
- Kho, Y., et al. A tagging-via-substrate technology for detection and proteomics of farnesylated proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (34), 12479-12484 (2004).
- Armstrong, S. A., Hannah, V. C., Goldstein, J. L., Brown, M. S. CAAX geranylgeranyl transferase transfers farnesyl as efficiently as geranylgeranyl to RhoB. Journal of Biological Chemistry. 270 (14), 7864-7868 (1995).
- Stephen, A. G., Esposito, D., Bagni, R. K., McCormick, F. Dragging ras back in the ring. Cancer Cell. 25 (3), 272-281 (2014).
- Denisov, I. G., Sligar, S. G. Nanodiscs in Membrane Biochemistry and Biophysics. Chemical Reviews. 117 (6), 4669-4713 (2017).
- Bao, H., Duong, F., Chan, C. S. A Step-by-step Method for the Reconstitution of an ABC Transporter into Nanodisc Lipid Particles. Journal of Visualized Experiments. (66), e3910 (2012).
- Dementiev, A. K-Ras4B lipoprotein synthesis: biochemical characterization, functional properties, and dimer formation. Protein Expression and Purification. 84 (1), 86-93 (2012).
- Lowe, P. N., et al. Characterization of recombinant human Kirsten-ras (4B) p21 produced at high levels in Escherichia coli and insect baculovirus expression systems. Journal of Biological Chemistry. 266 (3), 1672-1678 (1991).
- Gillette, W., et al. Production of Farnesylated and Methylated Proteins in an Engineered Insect Cell System. Methods in Molecular Biology. 2009, 259-277 (2019).
- Agamasu, C., et al. KRAS Prenylation Is Required for Bivalent Binding with Calmodulin in a Nucleotide-Independent Manner. Biophysical Journal. 116 (6), 1049-1063 (2019).
- Talsania, K., et al. Genome Assembly and Annotation of the Trichoplusia ni Tni-FNL Insect Cell Line Enabled by Long-Read Technologies. Genes. 10 (2), 79 (2019).
- Spencer-Smith, R., et al. Inhibition of RAS function through targeting an allosteric regulatory site. Nature Chemical Biology. 13 (1), 62-68 (2016).
- Lowe, P. N., et al. Expression of polyisoprenylated Ras proteins in the insect/baculovirus system. Biochemical Society Transactions. 20 (2), 484-487 (1992).
- Dharmaiaha, S., et al. Structural basis of recognition of farnesylated and methylated KRAS4b by PDEδ. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (44), 6766-6775 (2016).
- Abdiche, Y. N., Myszka, D. G. Probing the mechanism of drug/Lipid membrane interactions using Biacore. Analytical Biochemistry. 328 (2), 233-243 (2004).
- Fisher, R. J., et al. Complex interactions of HIV-1 nucleocapsid protein with oligonucleotides. Nucleic Acids Research. 34 (2), 472-484 (2006).
- Lakshman, B., et al. Quantitative biophysical analysis defines key components modulating recruitment of the GTPase KRAS to the plasma membrane. Journal of Biological Chemistry. 294, 2193-2207 (2019).
