Paramagnetische Relaxationsverstärkung zur Detektion und Charakterisierung von Selbstassoziationen von intrinsisch ungeordneten Proteinen

Summary

Es wird ein Protokoll für die Anwendung der NMR-Spektroskopie zur Verstärkung der paramagnetischen Relaxation vorgestellt, um schwache und transiente inter- und intramolekulare Wechselwirkungen in intrinsisch ungeordneten Proteinen zu detektieren.

Abstract

Intrinsisch ungeordnete Proteine und intrinsisch ungeordnete Regionen innerhalb von Proteinen machen einen großen und funktionell bedeutsamen Teil des menschlichen Proteoms aus. Die hohe Flexibilität dieser Sequenzen ermöglicht es ihnen, schwache, langreichweitige und vorübergehende Wechselwirkungen mit verschiedenen biomolekularen Partnern einzugehen. Spezifische, aber wenig affine Interaktionen fördern die promiskuitive Bindung und ermöglichen es einem einzelnen, intrinsisch ungeordneten Segment, mit einer Vielzahl von Zielstellen zu interagieren. Aufgrund der vorübergehenden Natur dieser Wechselwirkungen kann es schwierig sein, sie mit strukturbiologischen Methoden zu charakterisieren, die auf Proteinen beruhen, um eine einzige, vorherrschende Konformation zu bilden. Die NMR zur Verbesserung der paramagnetischen Relaxation ist ein nützliches Werkzeug, um die strukturellen Grundlagen schwacher und transienter Wechselwirkungen zu identifizieren und zu definieren. Ein detailliertes Protokoll zur Verwendung der paramagnetischen Relaxationsverstärkung zur Charakterisierung der niedrig besiedelten Begegnungskomplexe, die sich zwischen intrinsisch ungeordneten Proteinen und ihren Proteinen, Nukleinsäuren oder anderen biomolekularen Partnern bilden, wird beschrieben.

Introduction

Intrinsische Störung (ID) beschreibt Proteine (IDPs) oder Regionen innerhalb von Proteinen (IDRs), die sich nicht spontan zu stabilen Sekundär- oder Tertiärstrukturen falten, sondern biologisch aktiv sind. Im Allgemeinen besteht die Funktion von IDP/IDRs darin, spezifische, aber reversible Wechselwirkungen mit Biomolekülen unter physiologischen Bedingungen zu ermöglichen¹. Somit sind IDPs und IDRs an einer Reihe von zellulären Funktionen beteiligt, einschließlich der Rekrutierung, Organisation und Stabilisierung von Multi-Protein-Komplexen, z. B. der Assemblierung und Aktivität des Spleißosoms², der Rekrutierung und Organisation von Komponenten an den Stellen der DNA-Schädigung³, der Organisation und Stabilisierung der Rekrutierung von Transkriptionskomplexen⁴ oder des Chromatin-Remodelers BAF⁵. Darüber hinaus werden IDPs an Signalknoten gefunden, wo ihre Promiskuität für verschiedene Bindungspartner es ihnen ermöglicht, den Informationstransfer durch zelluläre Proteinnetzwerke zu vermitteln⁶. Neuere Arbeiten haben auch gezeigt, dass IDR-Regionen dazu neigen, sich selbst zu assoziieren und biomolekulare Kondensate durch den Prozess der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung zu bilden⁷. Viele der oben erwähnten Funktionen, die ID betreffen, werden heute auch mit einem Aspekt der Kondensatbildung in Verbindung gebracht⁸. Trotz der Bedeutung von ID für die Assemblierung, Stabilisierung, Gerüstbildung und Signaltransduktion biomolekularer Komplexe sind die atomaren Details ihrer spezifischen Wechselwirkungen schwer zu identifizieren, da IDPs und IDRs in der Regel nicht für strukturelle Untersuchungen mit Röntgenkristallographie oder kryogener Elektronenmikroskopie geeignet sind.

Die Kernspinresonanz (NMR) ist eine ideale Technik zur Untersuchung der ID, da sie nicht vom Vorhandensein starrer oder homogener Strukturensembles abhängt, sondern über die unmittelbare lokale Umgebung einzelner Kerne berichtet. Die Resonanzfrequenz oder chemische Verschiebung eines Kerns in einem bestimmten Molekül wird durch schwache Magnetfelder beeinflusst, die durch die lokale elektronische Verteilung induziert werden, die wiederum von Bindungslängen, Winkeln, der Nähe anderer Kerne, Wechselwirkungen mit Bindungspartnern und anderen Faktoren abhängt⁹. So fungiert jeder Kern als einzigartige, ortsspezifische Struktursonde, die empfindlich auf Veränderungen in seiner lokalen chemischen Umgebung reagiert. Trotz dieser Vorteile ist die NMR eine Bulk-Technik, und die beobachtete chemische Verschiebung ist der Durchschnitt aller Umgebungen, die von einem bestimmten Kern beprobt wurden. Eine Reihe von NMR-Techniken, von denen viele in dieser Ausgabe beschrieben werden, wurden entwickelt, um strukturelle, dynamische und kinetische Informationen über hochenergetische, niedrig besiedelte biomolekulare Konformationen zu gewinnen, die in der gemittelten chemischen Verschiebung enthalten^{sind 10,11}. Obwohl sie nur vorübergehend besiedelt sind, sind die Identifizierung und Quantifizierung dieser Zustände wichtig, um die Details der funktionellen Mechanismen zu bestimmen¹². Zum Beispiel kann im Fall von IDPs und IDRs das Konformationsensemble verzerrt sein, um bevorzugt Konformationen zu probieren, die für die Bildung von Begegnungskomplexen mit physiologischen Bindungspartnern produktiv sind. Die Detektion dieser Zustände sowie die Identifizierung der restspezifischen inter- und intramolekularen Wechselwirkungen und Dynamiken sind wichtig, um die zugrundeliegenden strukturellen Mechanismen der Proteinfunktion und Komplexbildung zu bestimmen.

Es wird ein Protokoll zur Verwendung der paramagnetischen Relaxationsverstärkung (PRE) NMR zur Untersuchung transienter, niedrig besiedelter Zustände beschrieben, die für die Bildung von IDP/IDR-vermittelten biomolekularen Komplexen wichtig sind¹³. Dieser Ansatz ist nützlich für die Untersuchung der transienten Protein-Protein-Interaktionen, wie z. B. solche, die den Aufbau von Amyloidfibrillen aus α-Synuclein 14,15 oder die Selbstassoziation von FUS¹⁶ fördern, sowie für die Charakterisierung spezifischer Protein-Protein-Interaktionen^, z. B. zwischen Signalproteinen¹⁷. Ein Beispiel für eine selbstassoziierende IDP wird vorgestellt, bei der spezifische inter- und intramolekulare Wechselwirkungen zu bevorzugt verdichteten Zuständen sowie zu ortsspezifischen Wechselwirkungen führen, die die Selbstassoziation vorantreiben.

Die PRE entsteht aus der magnetischen dipolaren Wechselwirkung eines Kerns mit einem paramagnetischen Zentrum mit einem isotropen g-Tensor, der üblicherweise in Form eines ungepaarten Elektrons auf einer Nitroxidgruppe oder als paramagnetisches Metallatom¹⁸ geliefert wird (Abbildung 1). Während Atome mit anisotropen g-Tensoren auch einen PRE-Effekt erzeugen, ist die Analyse dieser Systeme aufgrund von Störeffekten, die durch die Pseudo-Kontaktverschiebungen (PCS) oder die residuale dipolare Kopplung (RDC) verursacht werden, ^{schwieriger13,19}. Die Stärke der Wechselwirkung zwischen einem Kern und dem paramagnetischen Zentrum hängt vom Abstand <^r-6> zwischen den beiden ab. Diese Wechselwirkung führt zu einem Anstieg der Kernrelaxationsraten, was zu einer nachweisbaren Linienverbreiterung auch für langreichweitige Wechselwirkungen (~10-35 Å) führt, da das magnetische Moment des ungepaarten Elektrons so stark ist^20,21. Die Erkennung von transienten Zuständen mit dem PRE ist möglich, wenn die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sind; (1) die transiente Wechselwirkung befindet sich in schnellem Austausch auf der NMR-Zeitskala (beobachtete chemische Verschiebung ist ein populationsgewichteter Durchschnitt der austauschenden Zustände); und (2) der Abstand zwischen Kernen und paramagnetischem Schwerpunkt ist im vorübergehend besiedelten Zustand kürzer als im Hauptzustand¹¹. Die transversale PRE wird Γ₂ bezeichnet und aus praktischen Gründen aus der Differenz der ^{transversalen}Relaxationsraten von 1 H zwischen einer Probe mit einem paramagnetischen Zentrum und einer diamagnetischen Steuerung berechnet. Für eine eingehende Behandlung der Theorie der PRE und der damit verbundenen Pseudokontaktverschiebungen in schnellen und langsamen Austauschregimen wird der Leser auf die umfassenden Übersichtsarbeiten von Clore und Mitarbeitern^13,22 verwiesen. Hier wird nur die Situation betrachtet, in der sich ¹H_{N-Γ 2} im schnellen Austauschregime befindet, wobei aufgrund der ^{r-6-Abhängigkeit} des PRE die beobachtete Relaxationsrate sowohl mit der Entfernung, in der sich das paramagnetische Zentrum dem Kern nähert, als auch mit der Zeit, die es in dieser Konformation verbringt, zusammenhängt. Daher erzeugen transiente Konformationen, die keine enge Annäherung beinhalten, eine kleine PRE, während nähere Wechselwirkungen, auch wenn sie nur von kurzer Dauer sind, eine größere PRE erzeugen.

Bei IDPs wird der PRE verwendet, um die Wechselwirkungen innerhalb eines einzelnen Moleküls (intramolekular) und zwischen einzelnen Molekülen (intermolekular) zu messen und zu differenzieren. Durch Anbringen eines paramagnetischen Zentrums an ein sichtbares (z. B. ¹⁵N-markiertes) oder NMR-unsichtbares (z. B. ^{natürliches 14}N) Protein kann die Quelle (inter- oder intramolekular) des PRE bestimmt werden (Abbildung 2). Die ortsgerichtete Mutagenese, die einen Cysteinrest einführt, ist ein bequemer Ansatz, um ein paramagnetisches Zentrum (Spin-Label) an ein Protein^{anzuhängen 23}. Es wurden verschiedene Arten von Molekülen für die Verwendung als Spin-Markierungen vorgeschlagen, darunter Metallchelat-Moleküle (EDTA-basiert) und freie Radikale (Nitroxid-basiert)²⁴. Verschiedene Nitroxid-Spin-Markierungen wurden beschrieben und sind mit unterschiedlichen Cystein-reaktiven Chemikalien wie Methanethiosulfonat, Maleimid und Iodacetamid^25,26 erhältlich (Abbildung 1). Die inhärente Flexibilität des Tags oder des Linkers kann für bestimmte Analysen problematisch sein, und in diesen Situationen wurden verschiedene Strategien vorgeschlagen, um die Bewegung des Tags zu begrenzen, z. B. durch Hinzufügen sperriger chemischer Gruppen oder die Verwendung eines zweiten Linkers, um den Tag am Protein zu verankern (Attachment an zwei Stellen^{)27, 28}. S. Darüber hinaus können kommerziell erhältliche Tags diastereomere Proteine enthalten, was jedoch im Allgemeinen nicht zu der beobachteten PRE²⁹ beiträgt. Die Verwendung des 3-Maleimido-PROXYLS, das über Maleimid-Chemie an ein freies Cystein gebunden ist, wird beschrieben, da es leicht verfügbar, kostengünstig und nicht reversibel ist und das Reduktionsmittel Tris(2-carboxyethyl)phosphin (TCEP) während der gesamten Markierungsreaktion in der Lösung beibehalten werden kann. Da 3-Maleimido-PROXYL einen isotropen g-Tensor aufweist, werden keine PCS oder RDCs induziert, und die gleichen chemischen Verschiebungszuweisungen können sowohl für die paramagnetischen als auch für die diamagnetischen Proben¹³ verwendet werden.

Die ¹H_{N-T 2} wird unter Verwendung einer Zwei-Zeitpunkt-Strategie (T _a, T_b) gemessen, die sich zuvor als so genau erwiesen hat wie das Sammeln einer vollständigen Evolutionsreihe, die aus 8 bis 12 Zeitpunkten besteht³⁰. Der erste Zeitpunkt (T _a) wird so nahe wie möglich an Null gesetzt, und die optimale Länge des zweiten Zeitpunkts hängt von der Größe der größten erwarteten PRE für eine gegebene Probe ab und kann geschätzt werden von: T_b ~ 1,15/(R2,dia + Γ₂), wobei R2,dia die R2 der diamagnetischen Probe¹³ darstellt. Wenn die Größe der größten PREs unbekannt ist, ist die Einstellung von T _b auf ~ das Einfache des ¹H T2 des Proteins eine gute erste Schätzung und wird durch Anpassung von T₂ weiter optimiert, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Diese Zwei-Punkt-Messstrategie reduziert die experimentelle Zeit, die für die Messung von PREs erforderlich ist, erheblich und ermöglicht mehr Zeit für eine bessere Signalmittelung, zumal relativ verdünnte Proben verwendet werden, um die Auswirkungen unspezifischer Kontakte zwischen Molekülen zu minimieren. Eine HSQC-basierte Pulssequenz wird zur Messung von ¹H_{, N-T2 verwendet und wurde} an anderer Stelle^{ausführlich beschrieben 30}. Um die Empfindlichkeit zu verbessern, können die harten Impulse der Vorwärts- und Rückwärts-INEPT-Übertragungen durch geformte Impulse ersetzt werden. alternativ kann die Sequenz ohne weiteres in eine TROSY-basierte Auslesung³¹ umgewandelt werden. Da IDPs typischerweise viel längere transversale Relaxationsraten haben, was zu schmaleren Linienbreiten führt (aufgrund der inhärenten Unordnung) als ähnlich große globuläre Proteine, können lange Aufnahmezeiten in der indirekten Dimension genutzt werden, um die spektrale Auflösung zu verbessern und die für IDPs inhärente Begrenzung der chemischen Verschiebungsdispersion zu mildern.

PRE ist ein nützliches Werkzeug für die Untersuchung von Protein-Protein- und Protein-Nukleinsäure-Interaktionen, insbesondere von Interaktionen, die vorübergehend oder schwach besiedelt sind. Ein detailliertes Protokoll für die Vorbereitung einer NMR-Probe, die für die Messung von PREs geeignet ist, einschließlich der Schritte zur Proteinaufreinigung, der ortsgerichteten Spinmarkierung, der Einrichtung und Kalibrierung des Pulsprogramms, der Verarbeitung und Interpretation der NMR-Daten, wird bereitgestellt. Es werden wichtige experimentelle Überlegungen angestellt, die sich auf die Datenqualität und das experimentelle Ergebnis auswirken können, einschließlich der Probenkonzentration, der Auswahl der Spin-Markierung und der Entfernung paramagnetischer Komponenten.

Protocol

Allgemeine Anforderungen an das Protokoll: Proteinreinigungseinrichtungen, UV-Vis-Spektrometer, Hochfeld-NMR-Spektrometer und Betriebssoftware, Post-Processing-Analysesoftware einschließlich; NMRPipe 32, Sparky33 (oder CCPN-Analyse34 oder NMRViewJ35). 1. Rekombinante Expression und Aufreinigung eines Proteins für PRE-Messungen Entwerfen Sie ein Expressionskonstrukt für das interessieren…

Representative Results

Intramolekulare 1H N-Γ2 PREs wurden auf einem selbstassoziierenden, intrinsisch ungeordneten Fragment (Reste 171-264) detektiert, das von der Domäne mit geringer Komplexität des RNA-bindenden Proteins EWSR142 abgeleitet wurde (Abbildung 3). Es wird erwartet, dass Rückstände in unmittelbarer sequentieller Nähe des Spin-Markierungs-Bindungspunktes (z. B. Rückstand 178 oder 260 in Abbildung 3)…

Discussion

Eine Methode zur Charakterisierung transienter Wechselwirkungen, die bei niedrigen Populationen zwischen intrinsisch ungeordneten Proteinen und verschiedenen Bindungspartnern bestehen, wurde mittels PRE vorgestellt. Im gezeigten Beispiel ist das Protein selbstassoziierend, so dass die PRE aus einer Kombination von inter- und intramolekularen Wechselwirkungen entstehen kann. Diese Methode lässt sich leicht auf heterogene Proben ausdehnen, bei denen die Wechselwirkungen zwischen zwei verschiedenen Proteinen charakterisier…

Materials

0.45 µm and 0.22 µm syringe filters	Millipore Sigma	SLHVM33RS SLGVR33RS	Filter lysate before first purification step and before size exclusion chromatography.
100 mm Petri Dish	Fisher	FB0875713	Agar plates for bacterial transformation.
14N Ammonium chloride	Sigma Aldrich	576794	Use of 15N in M9 medium will produce an NMR visible protein, 14N will produces an NMR invisible protein
15N Ammonium chloride	Sigma Aldrich	299251	Use of 15N in M9 medium will produce an NMR visible protein, 14N will produces an NMR invisible protein
3 L Fernbach baffled flask	Corning	431523	Bacterial expression culture
3-Maleimido-Proxyl	Sigma Aldrich	253375	Nitroxide spin label
50 mL conical centrifuge tubes	Thermo Fisher	14-432-22	Solution/protein storage
Amicon centrifugal filter	Millipore Sigma	UFC900308	Protein concentration
Ampicillan	Sigma Aldrich	A5354	Antibiotic for a selective marker, exact choice depends on the expression construct plasmid
Analytical balance	Oahus	30061978	Explorer Pro, for weighing reagents
Ascorbic acid	Sigma Aldrich	AX1775	Reduces nitroxide spin label
Autoclave			Sterilize glassware and culture media
Calcium chloride	Sigma Aldrich	C4901	M9 media component
Centrifuge bottles	Thermo Fisher	010-1459	Harvest E. coli cells after recombinant protein expression
Centrifuge, hand-crank	Thomas Scientific	0241C68	Boekel hand-driven, low-speed centrifuge with 15 mL buckets that can accommodate NMR tubes
Chelex 100	Sigma Aldrich	C7901	Remove contaminating paramagnetic compounds from buffer solutions
Computer workstation			Linux or Mac OS compatable with NMR data processing and analysis software packages such as NMRPipe and Sparky
Deuterium oxide	Sigma Aldrich	151882	Needed for NMR lock signal
Dextrose	Sigma Aldrich	D9434	M9 media component
Dibasic Sodium Phosphate	Sigma Aldrich	S5136	M9 media component
Ellman's reagent (5,5-dithio-bis-(2-nitrobenzoic acid)	Thermo Fisher	22582	Quantification of free cystiene residues
High speed centrifuge tubes	Thermo Fisher	3114-0050	Used to clear bacterial lysate.
High-field NMR instrument (600 – 800 MHz)	Bruker		Equiped with a multichannel cryogenic probe and temperature control
IMAC column, HisTrap FF	Cytvia	17528601	Initial fractionation of crude bacterial lysate
Isopropyl B-D-thiogalactoside (IPTG)	Sigma Aldrich	I6758	Induces protein expression for genes under control of lac operator
LB agar	Thermo Fisher	22700025	Items are used for transforming E. coli to express protein of interest, substitions for any of these items with like products is acceptable.
LB broth	Thermo Fisher	12780052
Low-pressure chromatography system	Bio-Rad	7318300	BioRad BioLogic is used for low-pressure chomatograph such as running IMAC columns
Magnesium sulfate	Sigma Aldrich	M7506	M9 media component
Medium pressure chromatography system	Bio-Rad	7880007	BioRad NGC equipped with a multi-wavelength detector, pH and conductivity monitors, and automatic fraction collector
MEM vitamin solution	Sigma Aldrich	M6895	M9 media component
Microfluidizer	Avestin	EmulsiFlex-C3	Provides rapid and efficient bacterial cell lysis
Micropipettes	Thermo Fisher		Calibrated set of micropippetters with properly fitting disposable tips (available from multiple manufacturers e.g. Eppendorf)
Monobasic potassium phosphate	Sigma Aldrich	1551139	M9 media component
NMR pipettes	Sigma Aldrich	255688	To remove sample from NMR tube
NMR sample tube	NewEra	NE-SL5	Suitable for high-field NMR spectrometers
Preparative Centrifuge	Beckman Coulter	Avanti J-HC	Harvest E. coli cells after recombinant protein expression
Round bottom polystyrene centrifuge tubes	Corning	352057	Clear bacterial lysate
Shaking incubator	Eppendorf	S44I200005	Temperature controlled growth of E. coli starter and expression cultures
Sodium chloride	Sigma Aldrich	S5886	M9 media component
Sonicating water bath and vacuum source	Thomas Scientific		Used to degas buffer solutions
Sonicator	Thermo Fisher	FB505110	Used for bacterial cell lysis or shearing bacterial DNA
Spectrophotometer	Implen	OD600 Diluphotometer	Monitor growth of E.coli protein expression cultures
Superdex 200 16/600 size exculsion colum	Cytvia	28989333	Final protein purification step
Topspin software, version 3.2 or later	Bruker		Operating software for the NMR instrument
Transformation competent E. coli cells	Thermo Fisher	C600003	One Shot BL21 Star (DE3) chemically competent E. coli, other strains may be compatable
Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP)	ThermoFisher	20490	Reducing agent compatable with some sulfhydryl-reactive conjugations
UV-Vis spectrophotometer	Implen	NP80	Measure protein concentration.
Water bath, temperature controlled	ThermoFisher	FSGPD25	For heat shock step of bacterial transformation
Yeast extract	Sigma Aldrich	Y1625	For supplementing M9 media if required