JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Protocol
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biology

טיהור Hsp104, Disaggregase חלבון

Published: September 30, 2011
doi:
10.3791/3190
, ,
1Department of Biochemistry and Biophysics,University of Pennsylvania

Summary

כאן אנו מתארים פרוטוקול לטיהור מאוד פעיל Hsp104, AAA hexameric + חלבון מן שמרים, אשר זוגות הידרוליזה ל-ATP disaggregation חלבון. תכנית זו מנצל לבנות His6-tagged לטיהור זיקה בין<em> א coli</em> ואחריו אניון מטבע כרומטוגרפיה, His6, תג עם הסרת פרוטאז TeV, וגודל-הדרה כרומטוגרפיה.

Abstract

Hsp104 הוא hexameric AAA + חלבון 1 של שמרים, אשר זוגות הידרוליזה ATP לחלבון disaggregation 20-10 (איור 1). פעילות זו מקנה שני יתרונות מרכזיים סלקטיבית. ראשית, renaturation של אגרגטים מופרעת על ידי Hsp104 מסמיך הישרדות שמרים לאחר חלבונים misfolding מדגיש שונים, כולל הלם חום 3,5,11,12. שנית, שיפוץ צולבות סיבי עמילואיד ביתא על ידי Hsp104 מאפשרת שמרים לנצל פריונים עצום (amyloids זיהומיות) כמאגר של מועיל תורשתי וריאציה פנוטיפי 13-22. למרבה הפלא, Hsp104 ישירות remodels oligomers preamyloid ו סיבי עמילואיד, כולל אלה מורכבת של חלבונים הפריון שמרים Sup35 ו Ure2 23-30. פונקציונליות זו עמילואיד שיפוץ הוא פן מיוחד של שמרים Hsp104. E. orthologue coli, ClpB, נכשל preamyloid oligomers לשפץ או סיבי עמילואיד 26,31,32.

Orthologues Hsp104 נמצאים בכל ממלכות החיים חוץ, להביך, בעלי חיים. ואכן, אם תאים חיים בעלי כל המערכת האנזימטית שזוגות disaggregation חלבון renaturation (ולא השפלה) נשאר 33-35 ידוע. לפיכך, אנו ואחרים הציעו Hsp104 עשוי להיות מפותח כסוכן הטיפולי למחלות ניווניות שונות הקשורות misfolding של חלבונים ספציפיים לתוך oligomers preamyloid רעילים סיבי עמילואיד 4,7,23,36-38. אין טיפולים ישירות ליעד מינים מצטברים הקשורים למחלות אלה. עם זאת, Hsp104 מתמוסס oligomers רעילים סיבי עמילואיד מורכב אלפא synuclein, אשר מחוברים עם מחלת פרקינסון 23, כמו גם צורות של PRP עמילואיד 39. חשוב לציין, Hsp104 מפחית הצטברות חלבון מקילה ניוון מוחיים מכרסמים במודלים של מחלת פרקינסון 23 ו – 38 מחלת הנטינגטון. באופן אידיאלי, כדי לייעל את הטיפול ולמזער את תופעות הלוואי, Hsp104 יהיה מהונדסים potentiated סלקטיבי לשפץ אגרגטים ספציפי מרכזי המחלה שאלה 4,7. עם זאת, הבנה מבניים מכניסטית מוגבל של כמה Hsp104 disaggregates כזה רפרטואר מגוון של מבנים מצטברים חלבונים שאינם קשורים מתסכל אלה במאמצים 30,40-42.

כדי להבין את המבנה ואת מנגנון של Hsp104, חיוני ללמוד את חלבון טהור מחדש פעילות disaggregase שלה עם רכיבים מינימליים. Hsp104 הוא חלבון 102kDa עם לצרכן של 5.3 ~, אשר hexamerizes בנוכחות ADP או ה-ATP, או בריכוזים בחלבונים בהעדר 43-46 נוקלאוטידים. כאן אנו מתארים פרוטוקול אופטימיזציה עבור טיהור של פעיל ביותר, Hsp104 יציב מ E. coli. השימוש E. coli מאפשר פשוטה בקנה מידה גדול ייצור השיטה שלנו יכולה להתבצע במהירות ובאופן אמין עבור Hsp104 וריאנטים רבים. פרוטוקול שלנו מגדילה Hsp104 טוהר מפשט הסרת 6-התג שלו לעומת שיטת טיהור הקודם מתוך ה coli 47. יתר על כן, פרוטוקול שלנו הוא קליל ונוח יותר מאשר שני הפרוטוקולים מאוחרים יותר 26,48.

Protocol

1. הביטוי של Hsp104 הפלסמיד המועסקים לטיהור ב E. coli, pPROEX-HTb-Hsp104, מכיל את Hsp104 לפתוח קריאת מסגרת בשליטת ועין מתנהלת של האמרגן TRC 26. הפלסמיד מייצר Hsp104 עם תג 6-N-מסוף שלו כי ניתן להסיר על ידי מחשוף פרוטאז TeV. המר…

Discussion

ציר הזמן: עבור פעילות Hsp104 מקסימלי אנו ממליצים על ערכת טיהור כולו יושלם במהירות האפשרית. עם זאת, את מספר הצעדים טיהור הופך לוח זמנים תובעני כי לא תמיד מעשית. אם הפעולות לטיהור מתבצעות מהר ככל האפשר, את הזמן מסוף ביטוי לילה ועד 2-4 שעות של דגירה על 30 מעלות צלזיוס עם TeV פ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי מענק מ-NIH (5T32GM008275-22) ואת הלב האגודה האמריקאית מענק predoctoral (עד EAS), כימיה, ביולוגיה ממשק אחוות מ-NIH (2T32GM071339-06A1) (על MED); ומענקים מן NIH (1DP2OD002177-01 ו-NS067354 0110), אליסון רפואי הקרן, ואת ביל ומלינדה גייטס (ל JS).

Materials

Name of the reagent Company Catalogue number
BL21-CodonPlus-RIL Competent Cells Stratagene, Agilent Technologies 230255
2XYT broth USB 75864
Complete, mini, EDTA-free protease inhibitor tablets Roche 1836170
Pepstatin A Sigma P4265
Ni-Sepharose 6 Fast Flow GE Healthcare 17-5318-02
Amicon Ultra-15 centrifugal filter units (MWCO 30,000) Millipore UFC903008
Resource Q – 6ml column GE Healthcare 17-1179-01
proTEV Protease Promega V6052
AcTEV Protease Invitrogen 12575015
Superose 6 10/300 GL GE Healthcare 17-5172-01
Hsp40 Assay Designs SPP-400
Hsp72 Assay Designs ADI-NSP-555
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Erzberger, J. P., Berger, J. M. Evolutionary relationships and structural mechanisms of AAA+ proteins. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 35, 93-114 (2006).
  2. Glover, J. R., Lindquist, S. Hsp104, Hsp70, and Hsp40: A Novel Chaperone System that Rescues Previously Aggregated Proteins. Cell. 94, 73-82 (1998).
  3. Parsell, D. A., Kowal, A. S., Singer, M. A., Lindquist, S. Protein disaggregation mediated by heat-shock protein Hsp104. Nature. 372, 475-478 (1994).
  4. Vashist, S., Cushman, M., Shorter, J. Applying Hsp104 to protein-misfolding disorders. Biochem Cell Biol. 88, 1-13 (2010).
  5. Parsell, D. A., Sanchez, Y., Stitzel, J. D., Lindquist, S. Hsp104 is a highly conserved protein with two essential nucleotide-binding sites. Nature. 353, 270-273 (1991).
  6. Doyle, S. M., Wickner, S. Hsp104 and ClpB: protein disaggregating machines. Trends Biochem Sci. 34, 40-48 (2009).
  7. Shorter, J. Hsp104: a weapon to combat diverse neurodegenerative disorders. Neurosignals. 16, 63-74 (2008).
  8. Glover, J. R., Lum, R. Remodeling of protein aggregates by Hsp104. Protein Pept Lett. 16, 587-597 (2009).
  9. Mogk, A., Haslberger, T., Tessarz, P., Bukau, B. Common and specific mechanisms of AAA+ proteins involved in protein quality control. Biochem Soc Trans. 36, 120-125 (2008).
  10. Grimminger-Marquardt, V., Lashuel, H. A. Structure and function of the molecular chaperone Hsp104 from yeast. Biopolymers. 93, 252-276 (2010).
  11. Sanchez, Y., Lindquist, S. L. HSP104 required for induced thermotolerance. Science. 248, 1112-1115 (1990).
  12. Sanchez, Y., Taulien, J., Borkovich, K. A., Lindquist, S. Hsp104 is required for tolerance to many forms of stress. Embo J. 11, 2357-2364 (1992).
  13. Alberti, S., Halfmann, R., King, O., Kapila, A., Lindquist, S. A systematic survey identifies prions and illuminates sequence features of prionogenic proteins. Cell. 137, 146-158 (2009).
  14. Halfmann, R., Alberti, S., Lindquist, S. Prions, protein homeostasis, and phenotypic diversity. Trends Cell Biol. 20, 125-1233 (2010).
  15. Shorter, J., Lindquist, S. Prions as adaptive conduits of memory and inheritance. Nat Rev Genet. 6, 435-450 (2005).
  16. True, H. L., Berlin, I., Lindquist, S. L. Epigenetic regulation of translation reveals hidden genetic variation to produce complex traits. Nature. 431, 184-187 (2004).
  17. True, H. L., Lindquist, S. L. A yeast prion provides a mechanism for genetic variation and phenotypic diversity. Nature. 407, 477-483 (2000).
  18. Tyedmers, J., Madariaga, M. L., Lindquist, S. Prion switching in response to environmental stress. PLoS Biol. 6, e294-e294 (2008).
  19. Chernoff, Y. O., Lindquist, S. L., Ono, B., Inge-Vechtomov, S. G., Liebman, S. W. Role of the chaperone protein Hsp104 in propagation of the yeast prion-like factor [psi+]. Science. 268, 880-884 (1995).
  20. Halfmann, R., Lindquist, S. Epigenetics in the extreme: prions and the inheritance of environmentally acquired traits. Science. 330, 629-632 (2010).
  21. Satpute-Krishnan, P., Langseth, S. X., Serio, T. R. Hsp104-dependent remodeling of prion complexes mediates protein-only inheritance. PLoS Biol. 5, e24-e24 (2007).
  22. Sweeny, E. A., Shorter, J. Prion proteostasis: Hsp104 meets its supporting cast. Prion. 2, 135-140 (2008).
  23. Lo Bianco, C. Hsp104 antagonizes alpha-synuclein aggregation and reduces dopaminergic degeneration in a rat model of Parkinson disease. J Clin Invest. 118, 3087-3097 (2008).
  24. Narayanan, S., Walter, S., Reif, B. Yeast prion-protein, sup35, fibril formation proceeds by addition and substraction of oligomers. Chembiochem. 7, 757-765 (2006).
  25. Savistchenko, J., Krzewska, J., Fay, N., Melki, R. Molecular chaperones and the assembly of the prion Ure2p in vitro. J Biol Chem. 283, 15732-15739 (2008).
  26. Shorter, J., Lindquist, S. Hsp104 catalyzes formation and elimination of self-replicating Sup35 prion conformers. Science. 304, 1793-1797 (2004).
  27. Shorter, J., Lindquist, S. Destruction or potentiation of different prions catalyzed by similar Hsp104 remodeling activities. Mol Cell. 23, 425-438 (2006).
  28. Shorter, J., Lindquist, S. Hsp104, Hsp70 and Hsp40 interplay regulates formation, growth and elimination of Sup35 prions. Embo J. 27, 2712-2724 (2008).
  29. Doyle, S. M. Asymmetric deceleration of ClpB or Hsp104 ATPase activity unleashes protein-remodeling activity. Nat Struct Mol Biol. 14, 114-122 (2007).
  30. Wendler, P. Atypical AAA+ subunit packing creates an expanded cavity for disaggregation by the protein-remodeling factor Hsp104. Cell. 131, 1366-1377 (2007).
  31. Hinault, M. P. Stable alpha-synuclein oligomers strongly inhibit chaperone activity of the Hsp70 system by weak interactions with J-domain co-chaperones. J Biol Chem. 285, 38173-38182 (2010).
  32. Tipton, K. A., Verges, K. J., Weissman, J. S. In vivo monitoring of the prion replication cycle reveals a critical role for Sis1 in delivering substrates to Hsp104. Mol Cell. 32, 584-591 (2008).
  33. Bieschke, J., Cohen, E., Murray, A., Dillin, A., Kelly, J. W. A kinetic assessment of the C. elegans amyloid disaggregation activity enables uncoupling of disassembly and proteolysis. Protein Sci1. 8, 2231-2241 (2009).
  34. Cohen, E., Bieschke, J., Perciavalle, R. M., Kelly, J. W., Dillin, A. Opposing activities protect against age-onset proteotoxicity. Science. 313, 1604-1610 (2006).
  35. Cohen, E. Reduced IGF-1 signaling delays age-associated proteotoxicity in mice. Cell. 139, 1157-1169 (2009).
  36. Cushman, M., Johnson, B. S., King, O. D., Gitler, A. D., Shorter, J. Prion-like disorders: blurring the divide between transmissibility and infectivity. J Cell Sci. 23, 1191-11201 (2010).
  37. Carmichael, J. Bacterial and yeast chaperones reduce both aggregate formation and cell death in mammalian cell models of Huntington’s disease. Proc Natl Acad Sci. 97, 9701-9705 (2000).
  38. Vacher, C., Garcia-Oroz, L., Rubinsztein, D. C. Overexpression of yeast hsp104 reduces polyglutamine aggregation and prolongs survival of a transgenic mouse model of Huntington’s disease. Hum Mol Genet. 14, 3425-3433 (2005).
  39. Liu, Y. H. Heat Shock Protein 104 Inhibited the Fibrillization of Prion Peptide 106-126 and Disassembled Prion peptide 106-126 Fibrils in vitro. Int J Biochem Cell Biol. , (2011).
  40. Wendler, P., Saibil, H. R. Cryo electron microscopy structures of Hsp100 proteins: crowbars in or out. Biochem Cell Biol. 88, 89-96 (2010).
  41. Wendler, P. Motor mechanism for protein threading through Hsp104. Mol Cell. 34, 81-92 (2009).
  42. Lee, S., Sielaff, B., Lee, J., Tsai, F. T. CryoEM structure of Hsp104 and its mechanistic implication for protein disaggregation. Proc Natl Acad Sci. 107, 8135-8140 (2010).
  43. Parsell, D. A., Kowal, A. S., Lindquist, S. Saccharomyces cerevisiae Hsp104 protein. Purification and characterization of ATP-induced structural changes. J Biol Chem. 269, 4480-4487 (1994).
  44. Schirmer, E. C., Queitsch, C., Kowal, A. S., Parsell, D. A., Lindquist, S. The ATPase activity of Hsp104, effects of environmental conditions and mutations. J Biol Chem. 273, 15546-15552 (1998).
  45. Schirmer, E. C., Ware, D. M., Queitsch, C., Kowal, A. S., Lindquist, S. L. Subunit interactions influence the biochemical and biological properties of Hsp104. Proc Natl Acad Sci. 98, 914-919 (2001).
  46. Hattendorf, D. A., Lindquist, S. L. Cooperative kinetics of both Hsp104 ATPase domains and interdomain communication revealed by AAA sensor-1 mutants. EMBO J. 21, 12-21 (2002).
  47. Schirmer, E. C., Lindquist, S. Purification and properties of Hsp104 from yeast. Methods Enzymol. 290, 430-444 (1998).
  48. Hattendorf, D. A., Lindquist, S. L. Analysis of the AAA sensor-2 motif in the C-terminal ATPase domain of Hsp104 with a site-specific fluorescent probe of nucleotide binding. Proc Natl Acad Sci. 99, 2732-2737 (2002).
  49. Lum, R., Niggemann, M., Glover, J. R. Peptide and protein binding in the axial channel of Hsp104. Insights into the mechanism of protein unfolding. J Biol Chem. 283, 30139-30150 (2008).
  50. Lum, R., Tkach, J. M., Vierling, E., Glover, J. R. Evidence for an unfolding/threading mechanism for protein disaggregation by Saccharomyces cerevisiae Hsp104. J Biol Chem. 279, 29139-29146 (2004).
  51. Tessarz, P., Mogk, A., Bukau, B. Substrate threading through the central pore of the Hsp104 chaperone as a common mechanism for protein disaggregation and prion propagation. Mol Microbiol. 68, 87-97 (2008).
  52. Weibezahn, J. Thermotolerance requires refolding of aggregated proteins by substrate translocation through the central pore of ClpB. Cell. 119, 653-665 (2004).

Tags

PurificationHsp104Protein DisaggregaseHexameric AAA+ ProteinATP HydrolysisProtein DisaggregationRenaturationDisordered AggregatesHeat ShockCross-beta Amyloid FibrilsPrionsPhenotypic VariationPreamyloid OligomersE. Coli Orthologue ClpBHsp104 OrthologuesAnimal CellsTherapeutic AgentNeurodegenerative DiseasesMisfolding Of ProteinsToxic Preamyloid OligomersAmyloid Fibrils
check_url/3190?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Sweeny, E. A., DeSantis, M. E., Shorter, J. Purification of Hsp104, a Protein Disaggregase. J. Vis. Exp. (55), e3190, doi:10.3791/3190 (2011).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image