É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo.  Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
Protein Crystallization
  • 00:00Visão Geral
  • 00:50Principles of Protein Crystallization
  • 03:16Protocol for Protein Expression, Crystallization, and X-Ray Diffraction
  • 05:15Applications
  • 07:20Summary

התגבשות חלבונים

English

COMPARTILHAR

Visão Geral

התגבשות חלבונים, קבלת סריג מוצק של ביומולקולים, מבהירה את מבנה החלבון ומאפשרת לחקור את תפקוד החלבון. התגבשות כרוכה בייבוש חלבון מטוהר תחת שילוב של גורמים רבים, כולל pH, טמפרטורה, חוזק יוני וריכוז חלבונים. לאחר קבלת הגבישים, מבנה החלבון יכול להיות מואר על ידי עקיפה של קרני רנטגן וחישוב של מודל צפיפות אלקטרונים.

וידאו זה מציג התגבשות חלבון ומציג הליך כללי. ביטוי חלבון וטיהור, התגבשות, עקיפה של קרני רנטגן מכוסים בהליך. יישומים של התגבשות חלבון כוללים בעיצוב תרופה סיליקו, קביעת אתר מחייב, וניתוח מבנה חלבון ממברנה.

התגבשות חלבונים היא תהליך של השגת צורה מוצקה סותרת של חלבון. גבישים אלה הם בעלי ערך מיוחד לביולוגים מבניים, ומסייעים בחקר תפקוד החלבון. טכניקות אחרות, כגון מפרט מסה או SDS-PAGE, יכולות לספק מידע רק על המבנה החד-ממדי של חלבונים. התגבשות חלבונים משלימה את הטכניקות של ביטוי חלבון רקומביננטי עקיפה של קרני רנטגן. וידאו זה יציג את עקרונות התגבשות החלבון, הליך מעבדה כללי, וכמה מיישומיו בתחום הביוכימי.

הצעד הראשון הנדרש בתהליך הוא להשיג כמויות מיליגרם של חלבון טהור מאוד, בדרך כלל באמצעות ביטוי חלבון רקומביננטי. הגן המתאים לחלבון העניין משוכפל לווקטור ביטוי, והחלבון המבוטא מותך לתג זיקה, כגון פולי-היסטידין, כדי לסייע בטיהור על ידי כרומטוגרפיה של זיקה. למידע נוסף, עיין בסרטון של אוסף זה על כרומטוגרפיה של זיקה.

היווצרות החלבון המטוהר לגבישים תלויה בשילוב הנכון של גורמים רבים, כולל pH, חוזק יוני, ריכוזים של משקעים וחלבון, טמפרטורה וקצב של שאיון. השיטה הנפוצה ביותר בשימוש היא דיפוזיה אדים, אשר ישנן שתי קטגוריות: תלייה טיפה וירידה בישיבה. טיפה המכילה חלבון טהור, חיץ ומים, שהיא מוצק יוני הקושר מולקולות מים, מפחיתה את זמינות המים לחלבון ומחקה ריכוז חלבון גבוה יותר, נמצאת במיקרווול סגור עם מאגר עם תערובת מרוכזת יותר של אותו חיץ ומשקעים. בהתחלה, ריכוזי החלבון והמים נמוכים מכדי לגרום להתגבשות. במהלך הניסוי, מים מתאדים מהטיפה ונאספים במאגר; ירידה בכמות המים בטיפת גורמת למערכת להיות רוויה, וההתגבשות, ואחריה התגבשות, יכולה להתרחש. ההעברה נטו של מים מהטיפה נמצאת בשיווי משקל, והמערכת נשמרת עד להשלמת התהליך.

כדי להציג באופן חזותי את המבנה התלת-ממדי, נעשה שימוש בעקיפת קרני רנטגן. כדי לקבל נתוני רנטגן מקריסטל, הוא ממוקם בקרן רנטגן מונוכרומטית, שם הוא חשוף לקרן בכל הזוויות. כל חשיפה מספקת תמונה, שבה כל נקודה היא צילום רנטגן מפוזר, שיוצא מהגביש ונרשם על ידי גלאי. הנתונים משולבים כדי לייצר מודל של סידור האטומים בתוך הגביש. מבנה הגביש המתקבל מדגים את המיקום התלת מימדי של האטומים, ברזולוציה אופיינית של 2 אנגסטרום.

כעת, לאחר שכיסינו את עקרונות התגבשות החלבון, הבה נבחן פרוטוקול כללי.

כדי להתחיל את ההליך וקטור ביטוי המכיל את גן העניין הופך לתאים. התאים דוגרים ובאמצע יומן הרישום, הביטוי מופעל על ידי הוספת תמריץ, כגון IPTG, מה שמפעיל את שעתוק ה- mRNA של הגן. לאחר ביטוי חלבון, החומר הגולמי מושעה במאגר תמוגה, ולאחר מכן הובהר על ידי צנטריפוגה.

לאחר מכן, הליסאט המובהר נטען על עמוד ניקל, והחלבון המתויג בפוליהיסטידין נקשר לעמודה בזמן שכל הביומולקולים האחרים נשטפים.

לאחר כמה מיליגרם של חלבון טהור הושגו, הוא מוכן להתגבש על ידי דיפוזיה אדים. מגש טיפה תלוי/יושב 24 היטב מלא בריכוזים שונים של פתרונות חיץ נתרן כלורי ונתרן אצטט. עבור שיטת טיפת הישיבה, כמויות שוות של חלבון ופתרון מאגר מועברים על המדף מעל כל באר, ולאחר מכן המגש מכוסה בסרט שקוף. המגש ממוקם לאחר מכן בתא דגירה, והברות מנוטרות לצמיחה למחרת, ואז כל כמה ימים.

לאחר גבישי מתאים הושג הוא מוכן לניתוח עקיפה רנטגן. הגביש מותקן על גוניומטר כדי למקם את הגביש באוריינטציות נבחרות. הגביש מואר בקרן מונוכרומטית של צילומי רנטגן בכל הזוויות, ומייצר תבנית עקיפה. התוכנה ממירה את התמונות הדו-ממדיות, שצולמו באוריינטציות שונות, למודל תלת מימדי של צפיפות האלקטרונים בתוך הגביש על ידי קביעת מיקומי האטומים בגביש.

עכשיו שבדקנו הליך, בואו נסקור כמה יישומים שימושיים של התגבשות חלבונים, וטכניקת התגבשות נוספת.

התגבשות חלבון עשויה לשמש בעיצוב תרופות סיליקו. המבנה התלת מימדי של חלבון בסיסי פולימראז של נגיף השפעת 2, אשר נקשר לזיהום ויראלי ביונקים, נקבע על ידי התגבשות עקיפה של קרני רנטגן. אתרי כריכה פוטנציאליים בחלבון דמיינו, ועם השימוש בתוכנית עגינה, תוכננה מולקולה תלת ממדית שתכניס לשסע בחלבון.

התגבשות משותפת של קומפלקסים של חלבון-DNA היא גם טכניקה שימושית. חלבונים מחייבי דנ”א מווסתים מגוון רחב של פונקציות ביולוגיות כגון שעתוק ופימור DNA ותיקון DNA; ומבני קריסטל של מתחמים אלה יכולים לספק תובנה על תפקוד החלבון, המנגנון ואופי האינטראקציה הספציפית. החלבון E. coli SeqA, רגולטור שלילי של שכפול DNA, התגבש במשותף עם DNA המימתילציה.

חלבונים ממברנה אינטגרליים כגון קולטנים מצמידים לחלבון G, או GCPRs, קשה לגבש בשל הכמות המוגבלת שלהם של שטח הפנים הקוטבי הזמין ליצירת מגעים סריג קריסטל, אשר הוביל לפיתוח של היתוך-חלבון בסיוע חלבון התגבשות חלבון. גנים קידוד β2 קולטן adrenergic, GCPR, וליזוזים הוכנסו לתוך וקטור ביטוי. התגבשותו של חלבון ההיתוך β2AR-lysozyme הושגה בשל המשטח ההידרופילי החוץ-תאי המוגבר מעל β2AR ההידרופובי הטבעי, המסופק על ידי ליזוזים, הדרוש ליצירת אינטראקציות אריזה בסריג הקריסטל.

הרגע צפית בסרטון של ג’וב על התגבשות חלבונים. סרטון זה תיאר את עקרונותיו, פרוטוקול כללי, וחלק מהשימושים בו בתחום הביו-רפואי. תודה שצפיתם!

Procedimento

התגבשות חלבונים, קבלת סריג מוצק של ביומולקולים, מבהירה את מבנה החלבון ומאפשרת לחקור את תפקוד החלבון. התגבשות כרוכה בייבוש חלבון מטוהר תחת שילוב של גורמים רבים, כולל pH, טמפרטורה, חוזק יוני וריכוז חלבונים. לאחר קבלת הגבישים, מבנה החלבון יכול להיות מואר על ידי עקיפה של קרני רנטגן וחישוב של מודל צפיפות אלק…

Declarações

No conflicts of interest declared.

Transcrição

Protein crystallization is the process of obtaining a latticed solid form of a protein. These crystals are especially valuable to structural biologists, assisting in the study of protein function. Other techniques, such as mass spec or SDS-PAGE, can only provide information on the one-dimensional structure of proteins. Protein crystallization is complemented by the techniques of recombinant protein expression and x-ray diffraction. This video will show the principles of protein crystallization, a general laboratory procedure, and several of its applications in the biochemical field.

The first step required in the process is to obtain milligram quantities of very pure protein, typically using recombinant protein expression. The gene corresponding to the protein of interest is cloned into an expression vector, and the expressed protein is fused to an affinity tag, such as poly-histidine, to assist in the purification by affinity chromatography. To learn more, see this collection’s video on affinity chromatography.

Formation of the purified protein into crystals is dependent on the proper combination of many factors, including pH, ionic strength, concentrations of precipitant and protein, temperature, and rate of equilibration. The most common method used is vapor diffusion, of which there are two categories: hanging drop and sitting drop. A droplet containing pure protein, buffer, and precipitant, which is an ionic solid that binds water molecules, reducing water availability for the protein and mimicking higher protein concentration, is in an enclosed microwell with a reservoir with a more highly concentrated mixture of the same buffer and precipitant. At the beginning, the concentrations of protein and precipitant are too low to cause crystallization. During the course of the experiment, water vaporizes from the droplet and collects in the reservoir; a decrease in the amount of water in the droplet causes the system to become supersaturated, and nucleation, followed by crystallization, can occur. The net transfer of water from the droplet is in equilibrium, and the system is maintained until the process is complete.

To visualize the 3D structure, x-ray diffraction is used. To obtain x-ray data from a crystal, it is placed in a monochromatic x-ray beam, where it is exposed to the beam at all angles. Each exposure provides an image, where each spot is a diffracted x-ray, which emerges from the crystal and is registered by a detector. The data are combined to produce a model of the arrangement of atoms within the crystal. The resulting crystal structure demonstrates the 3-dimensional placement of the atoms, with a typical resolution of 2 angstroms.

Now that we have covered the principles of protein crystallization, let us look at a generalized protocol.

To begin the procedure an expression vector containing the gene of interest is transformed into cells. The cells are incubated and at mid-log phase, expression is initiated by adding an inducer, such as IPTG, which triggers transcription of the gene’s mRNA. After protein expression, the crude material is suspended in lysis buffer, and then clarified by centrifugation.

The clarified lysate is then loaded onto a nickel column, and the polyhistidine-tagged protein binds to the column while all other biomolecules are washed away.

Once several milligrams of pure protein have been obtained, it is ready for crystallization by vapor diffusion. A 24-well hanging/sitting drop tray is filled with varying concentrations of sodium chloride and sodium acetate buffer solutions. For the sitting drop method, equal volumes of protein and reservoir solution are pipetted onto the shelf above each well, and then the tray is covered with transparent tape. The tray is then placed in an incubation chamber, and the wells are monitored for growth the following day, then every few days.

Once a proper crystal has been obtained it is ready for x-ray diffraction analysis. The crystal is mounted on a goniometer to position the crystal at selected orientations. The crystal is illuminated with a monochromatic beam of x-rays at all angles, producing a diffraction pattern. The software converts the two-dimensional images, taken at different orientations, to a three-dimensional model of the density of electrons within the crystal by determining the positions of the atoms in the crystal.

Now that we have reviewed a procedure, let’s review some useful applications of protein crystallization, and another crystallization technique.

Protein crystallization may be used for in silico drug design. The three-dimensional structure of Influenza virus’s polymerase basic protein 2, which has been linked to viral infection in mammals, was determined by crystallization and x-ray diffraction. Potential binding sites in the protein are visualized, and with the use of a docking program, a three-dimensional molecule was designed that would insert into a cleft in the protein.

Co-crystallization of protein-DNA complexes is also a useful technique. DNA-binding proteins modulate a wide variety of biological functions such as transcription and DNA polymerization and DNA repair; and crystal structures of these complexes can provide insight into protein function, mechanism, and the nature of the specific interaction. The E. coli protein SeqA, a negative regulator of DNA replication, was co-crystallized with hemimethylated DNA.

Integral membrane proteins such as G-protein coupled receptors, or GCPRs, are difficult to crystallize due to their limited amount of polar surface area available for forming crystal lattice contacts, which has led to the development of fusion-protein-assisted protein crystallization. Genes encoding β2 adrenergic receptor, a GCPR, and a lysozyme were inserted into an expression vector. The crystallization of the β2AR- lysozyme fusion protein was achieved due to the increased extracellular hydrophilic surface over the naturally hydrophobic β2AR, provided by the lysozyme, necessary for forming packing interactions in the crystal lattice.

You’ve just watched JoVE’s video on protein crystallization. This video described its principles, a generalized protocol, and some its uses in the biomedical field. Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Protein Crystallization. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

Vídeos Relacionados