מכלולי פפטיד הטרנסממברני ייצור של דיסולפיד-התייצבו ללימודים מבניים
Summary
מחקרי Biophysical והביוכימי של אינטראקציות בין חלבוני קרום תחומים מוטבעים-להתמודד עם אתגרים טכניים רבים, הראשונה שבן היא קבלת חומר הלימוד מתאים. מאמר זה מתאר פרוטוקול להפקה וטיהור מתחמי פפטיד הטרנסממברני דיסולפיד-התייצב המתאימים לניתוח מבנים על ידי תהודה מגנטית גרעינית פתרון (NMR) ויישומים אנליטיים אחרים.
Abstract
אינטראקציות פיסיות בין תחומי שומנים משובצים אלפא הסליל של חלבוני קרום לשחק תפקיד מכריע בקיפול והרכבה של קומפלקסי חלבוני קרום ובתהליכים דינמיים כגון הטרנסממברני (TM) איתות ובקרה של רמות חלבון על פני קרום תא. הבנת התכונות המבניות נהיגת העמותה של רצפים מסוימים דורשת ניתוחי biophysical וביוכימיים מתוחכמים של מתחמי פפטיד TM. עם זאת, hydrophobicity הקיצוני של תחומי TM גורם להם קשים מאוד לתמרן תוך שימוש בטכניקות כימית פפטיד סטנדרטיות, וייצור של חומר הלימוד המתאים לעתים קרובות מוכיח להחריד מאתגר. זיהוי תנאים שבם פפטידים יכולים לאמץ תצורות סליל יציבות ומתחמי צורה ספונטנית מוסיף רמה נוספת של קושי. כאן אנו מציגים הליך לייצור קומפלקסי פפטיד TM הטרו dimeric מחומרי הומו או שבאים לידי הביטוי בE. colאני, ובכך מאפשר שילוב של תוויות יציבות איזוטופים לתהודה מגנטית גרעינית (NMR) או חומצות אמינו לא טבעיות ליישומים אחרים יחסית זול. החדשנות המרכזית בשיטה זו היא שקומפלקסי TM מיוצרים וטהרו כמכלולים הקשורים קוולנטית (דיסולפיד crosslinked-) כי יכול להיוצר מבנים יציבים, stoichiometric והומוגנית כאשר מחדש לחומרי ניקוי, שומנים בדם או חומרים אחרים קרום כוזבים. אנו מציגים גם נהלים מותאמים בקפידה לביטוי וטיהור שחלים גם אם הפקת תחומי TM בודדים או מתחמי crosslinked ולספק ייעוץ להתאמת שיטות אלה לרצפי TM חדשים.
Introduction
בפרוטוקול זה הליך שפתחנו להפקת מתחמי דיסולפיד התייצבו-הטרנסממברני של פפטידים (TM) למחקרים מבניים באמצעות NMR פתרון. ההליך מנצל את הביטוי החזק הניתן על ידי מערכת היתוך ΔtrpLE1413 (ראה להלן) ומאפשר מתחמי פפטיד TM של הרכב מוגדר להיות שנוצר תוך שימוש בטכניקות תיוג-איזוטופ היציב מתוחכמות עבור ניסויי NMR רבי ממדים מודרניים. יש לנו מועסקים הטכניקות הללו כדי לקבוע כמה מבני NMR שחשפו מידע חדש וחשוב על איך immunoreceptors הלימפוציטים-מפעילות מורכבים מיחידות משנת חלבון קרום רבות באמצעות אינטראקציות בין תחומי TM (לאחרונה בדק ב1). טכניקות אלו חלות על מערכות רבות אחרות בממברנה חלבונים, כמו גם מגוון רחב של שיטות אנליטיות במורד זרם בנוסף לתמ"ג פתרון. אמנם הדוגמא שניתנה כאן מנצלת שאריות ציסטאין ילידיםליצירה מורכבת, שמחק באופן טבעי דיסולפיד מלוכדות החלבון, העיצוב הוא מתאים באותה מידה גם ליצירת קשרי דיסולפיד מהונדסים לייצב מתחמי שבדרך כלל מוחזקים יחד על ידי אינטראקציות חלשות יותר, שאינן קוולנטיים כגון הומו והטרו מתחמי TM dimeric של קולט גורם גדילה באפידרמיס חלבונים (EGFR)-משפחה 2-4 או מתחמי integrin αβ heterodimeric 5,6.
רצפים פפטידים מאוד הידרופובי כגון אלה נגזרים משומני bilayer התפרסות על חלקים של חלבוני TM הם נושאים קשים ביותר למחקרים ביוכימיים וbiophysical. בנוסף להיות מאוד מאתגר לתמרן באמצעות חלבון סטנדרטי וטכניקות כימית פפטיד, הם לעתים קרובות למדי רעילים לתאים ולכן קשים לייצר recombinantly. אנחנו 7,8 ואחרים 9-11 יש לו הצלחה משמעותית לבטא רצפים פפטידים כה קשים בחיידקים כבמסגרת Carboxy-מסוףfusions לגרסה שונה של ΔtrpLE1413 הרצף נגזרת מE. coli trp אופרון 12. פוליפפטיד trpLE ~ 13 kDa מקודד על ידי רצף זה יכול להיות מיוצר ברמות גבוהות תחת אמרגן T7 והוא לגמרי מקומי לגופי הכללה בי בעיות הנוגעות לרעילות ו / או חוסר יציבות עוקפות. שינוי של הרצף על ידי תוספת של תג 9-היסטידין 13 וחיסול שאריות מתיונין וציסטאין פנימיים מרצף trpLE 14 fusions אפשר trpLE-פפטיד להיות מטוהר על ידי מתכת יון זיקת כרומטוגרפיה ומתעכל באמצעות ציאנוגן ברומיד (CNBr-מסוף אמינית ) כדי לשחרר את רצף הפפטיד הרצוי. אנחנו השתמשנו בהצלחה במערכת זו כדי להביע יותר מתריסר רצפים שונים כמו fusions trpLE מייצג ברי חלבון קרום המכילים עד ארבעה תחומי TM (7,8 ותוצאות לא פורסמו; ראו סעיף דיון גם).
חדשנות מרכזית בפרוטוקול זה היא זיהוי של תנאים בי fusions בלתי המובנה וצורה הגרועה מאוד מסיס trpLE-TM יכול להיות יעיל דיסולפיד crosslinked-בהקשר של זרימת עבודה יעילה. כמה היבטים של ביטוי, טיפול תשואה גבוהה וטיהור של מוצרים פפטידים גם מוטבו ביסודיות, ואת ההמלצות שהציגו כאן הן לא פחות רלוונטיות לייצור שאינם דיסולפיד crosslinked-מוצרים (monomeric) TM פפטיד.
Protocol
Representative Results
Discussion
הביטוי של fusions trpLE-TM. מניסיוננו, fusions trpLE-TM מבוטא היטב במדיום התרבות עשיר על 37 מעלות צלזיוס, ובתנאים שתוארו כאן התרבות הוכיחו מוצלחים עבור רצפים שונים המכילים 1-4 תחומי TM עם תשואות הנעות 50-150 מ"ג / ליטר של היתוך טהור, ללא פגע. קידוד fusions שלוש או ארבעה שברי TM GPCR (CCR5 האנו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מימון עבור עבודה זו ניתן על ידי ביטוח בריאות הממלכתית ומועצה למחקר רפואי של אוסטרליה (NHMRC פרויקט מענק 1011352 לMEC וMJC; תכנית מחקר עצמאית מכוני תשתיות תמיכה [IRIISS] מענק לWEHI) והממשלה ויקטוריאני (VESKI חדשנות המלגה לMEC; תמיכת מדינה ויקטוריאני ממשלה תפעולית תשתיות לWEHI). MEC הוא עמית אליזבת שנייה מלכת המועצה למחקר האוסטרלי. EFXB מודה תמיכה מתכנית נורמה ילדת שוסטר המלגות באוניברסיטת מלבורן.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalogue Number | Comments |
| Cyanogen bromide | ALDRICH | P.No- C91492,CAS-506-68-3 | HAZARDOUS SUBSTANCE. DANGEROUS GOODS. Very toxic by inhalation, in contact with skin and if swallowed. Contact with acids liberates very toxic gas. Very toxic to aquatic organisms, may cause long-term adverse effects in the aquatic environment. |
| Trifluoroacetic acid | SIGMA-ALDRICH | P.CODE-1000984387, CAS Number 76-05-1 | HAZARDOUS SUBSTANCE. DANGEROUS GOODS., Causes severe burns. Harmful by inhalation. Harmful to aquatic organisms, may cause long-term adverse effects in the aquatic environment. |
| 2-Mercaptoethanol | SIGMA-ALDRICH | P.No M7154, CAS Number 60-24-2 | HAZARDOUS SUBSTANCE. DANGEROUS GOODS. Toxic by inhalation, in contact with skin and if swallowed. Irritating to skin. Risk of serious damage to eyes. May cause sensitization by skin contact. Very toxic to aquatic organisms, may cause long-term adverse effects in the aquatic environment. |
| 1,1,1,3,3,3-Hexafluoro-2-propanol | SIGMA-ALDRICH | Product Number 52512, CAS-No. 920-66-1 | HAZARDOUS SUBSTANCE. DANGEROUS GOODS. Harmful by inhalation and if swallowed. Causes burns. |
| Formic acid | Merck KGaA | K41186564 | Flammable liquid and vapour. Causes severe skin burns and eye damage. |
| Urea | UNIVAR, AJAX FINECHEM | Product Number, 817, CAS-No 57-13-6 | When heated, decomposes to carbon dioxide and ammonia; if burned, emits small amounts of nitrogen oxides. Can cause redness and irritation of skin and eyes. |
| GUANIDINE HYDROCHLORIDE | Amresco | P.No-M110, CAS Number: 50-01-1 | Harmful if swallowed, Causes serious eye irritation,Causes skin irritation, Acute Toxicity Oral, Skin Irritant, Eye Irritant. |
| TRITON X-100 | SIGMA | Product Number- T8532 CAS No: 9002-93-1 | Triton X-100 is a nonionic detergent, 100% active ingredient, which is often used in biochemical applications to solubilize proteins. Triton X-100 has no antimicrobial properties and considered a comparatively mild non-denaturing detergent |
| His-Select Nickel-Affinity gel | SIGMA-ALDRICH | Catalog Num- P6611 | IS-Select Nickel Affinity Gel is an immobilized metal- ion affinity chromatography (IMAC) product. The HIS-Select Nickel Affinity gel is a proprietary quadridentate chelate on beaded agarose charged with nickel that is designed to specifically bind histidine containing proteins. |
| (-)-Glutathione, oxidized | SIGMA-ALDRICH | Catalog num 150568 | |
| Misonix S-3000 sonicator | QSONICA | S-3000 (discontinued) | Max power output 600 watts. 1/2-inch replaceable-tip probe takes 1/2-inch high-intensity, high-volume tips and a range of high-intensity, low-volume tips. Closest models currently available from this company are Q500 and Q700. |
| RP-HPLC: BioLogic DuoFlow chromatography system, Software Version 5.3 | Bio-Rad Laboratories | Catalog Num 760-0047, Config No: AU500571, Serial No: 484BR3705 | Peptides binds to reverse phase HPLC columns in high aqueous mobile phase and are eluted from RP HPLC columns with high organic mobile phase. In RP HPLC peptides are separated based on their hydrophobic character. Peptides can be separated by running a linear gradient of the organic solvent. |
| Prep HT C3 ZORBAX 300SB-Analytical HPLC Column, 21.2 x 150 mm, 5 μm particle size | Agilent | Product No: 895150-909 | Reversed-phase HPLC colum |
| NuPAGE 12% Bis-Tris Gels | Life Technologies | NP0341BOX | Pre cast gels for protein electrophoresis |
| Slide-A-Lyzer G2 Dialysis Cassettes, 3.5K MWCO | Thermo Scientific | Product No: 87724 | Sample dialysis |
References
- Call, M. E., Chou, J. J. A view into the blind spot: solution NMR provides new insights into signal transduction across the lipid bilayer. Structure. 18, 1559-1569 (2010).
- Bocharov, E. V., et al. Spatial structure of the dimeric transmembrane domain of the growth factor receptor ErbB2 presumably corresponding to the receptor active state. The Journal of Biological Chemistry. 283, 6950-6956 (2008).
- Mineev, K. S., et al. Spatial structure of the transmembrane domain heterodimer of ErbB1 and ErbB2 receptor tyrosine kinases. J. Mol. Biol. 400, 231-243 (2010).
- Mineev, K. S., et al. Spatial structure and dimer–monomer equilibrium of the ErbB3 transmembrane domain in DPC micelles. Biochim. Biophys Acta. 1808, 2081-2088 (2011).
- Lau, T. L., Kim, C., Ginsberg, M. H., Ulmer, T. S. The structure of the integrin alphaIIbbeta3 transmembrane complex explains integrin transmembrane signalling. The EMBO Journal. 28, 1351-1361 (2009).
- Zhu, J., et al. The structure of a receptor with two associating transmembrane domains on the cell surface: integrin alphaIIbbeta3. Molecular Cell. 34, 234-249 (2009).
- Call, M. E., et al. The structure of the zetazeta transmembrane dimer reveals features essential for its assembly with the T cell receptor. Cell. 127, 355-368 (2006).
- Call, M. E., Wucherpfennig, K. W., Chou, J. J. The structural basis for intramembrane assembly of an activating immunoreceptor complex. Nat. Immunol. 11, 1023-1029 (2010).
- Diefenderfer, C., Lee, J., Mlyanarski, S., Guo, Y., Glover, K. J. Reliable expression and purification of highly insoluble transmembrane domains. Anal. Biochem. 384, 274-278 (2009).
- Schnell, J. R., Chou, J. J. Structure and mechanism of the M2 proton channel of influenza A virus. Nature. 451, 591-595 (2008).
- Xie, X. Q., Zhao, J., Zheng, H. E. x. p. r. e. s. s. i. o. n. purification, and isotope labeling of cannabinoid CB2 receptor fragment, CB2(180-233). Protein Expr. Purif. 38, 61-68 (2004).
- Miozzari, G. F., Yanofsky, C. Translation of the leader region of the Escherichia coli tryptophan operon. J. Bacteriol. 133, 1457-1466 (1978).
- North, C. L., Blacklow, S. C. Structural independence of ligand-binding modules five and six of the LDL receptor. Biochemistry. 38, 3926-3935 (1999).
- Staley, J. P., Kim, P. S. Formation of a native-like subdomain in a partially folded intermediate of bovine pancreatic trypsin inhibitor. Protein Sci. 3, 1822-1832 (1994).
- Narayanan, S., Sato, T., Wolfe, M. S. A C-terminal region of signal peptide peptidase defines a functional domain for intramembrane aspartic protease catalysis. The Journal of Biological Chemistry. 282, 20172-20179 (2007).
- Klunk, W. E., Pettegrew, J. W. Alzheimer’s beta-amyloid protein is covalently modified when dissolved in formic acid. J. Neurochem. 54, 2050-2056 (1990).
- Klunk, W. E., Xu, C. J., Pettegrew, J. W. NMR identification of the formic acid-modified residue in Alzheimer’s amyloid protein. J. Neurochem. 62, 349-354 (1994).
- Previero, A., Coletti-Previero, M. A., Cavadore, J. C. A reversible chemical modification of the tryptophan residue. Biochim. Biophys. Acta. 147, 453-461 (1967).
- Kim, H. J., Howell, S. C., Van Horn, W. D., Jeon, Y. H., Sanders, C. R. Recent Advances in the Application of Solution NMR Spectroscopy to Multi-Span Integral Membrane Proteins. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 55, 335-360 (2009).
