Organisation hélicoïdale de facteur VIII de coagulation du sang sur les lipides nanotubes
Summary
Nous présentons une combinaison de cryo-microscopie électronique, lipides nanotechnologies, et l'analyse de la structure appliquée pour résoudre la structure membranaire des deux formes de FVIII hautement homologues: les droits et les porcins. La méthodologie développée dans notre laboratoire à organiser de manière hélicoïdale les deux formes de FVIII recombinants fonctionnels sur les nanotubes de lipides chargés négativement (LNT) est décrite.
Abstract
Cryo-microscopie électronique (cryo-ME) 1 est une approche puissante pour étudier la structure fonctionnelle des protéines et complexes dans un environnement hydraté de l'Etat et de la membrane 2.
Le facteur de coagulation VIII (FVIII) 3 est une glycoprotéine du plasma sanguin multi-domaines. Défaut ou l'insuffisance de facteur VIII est la cause pour le type d'hémophilie A – un trouble de saignement grave. Lors de l'activation protéolytique du FVIII se lie à la sérine protéase du facteur IXa sur la membrane plaquettaire chargée négativement, ce qui est essentiel pour la coagulation sanguine normale 4. Malgré le rôle essentiel dans la coagulation FVIII joue, des informations structurelles pour son état membranaire est incomplète 5. Recombinant concentré de facteur VIII est le médicament le plus efficace contre le type de l'hémophilie A et disponibles dans le commerce FVIII peut être exprimée comme humaine ou porcine, les deux complexes fonctionnels formant avec le facteur humain IX 6,7.
"> Dans cette étude, nous présentons une combinaison de cryo-microscopie électronique (cryo-ME), lipides nanotechnologie et de la structure d'analyse appliquée pour résoudre la structure de deux formes de FVIII hautement homologues membranaire. Humain et porcin La méthodologie développée dans notre laboratoire d'organiser de manière hélicoïdale les deux formes de FVIII recombinants fonctionnels sur les nanotubes de lipides chargés négativement (LNT) est décrite. Les résultats représentatifs montrent que notre approche est suffisamment sensible pour définir les différences dans l'organisation hélicoïdale entre les deux fortement homologue en séquence (identité de séquence de 86% ) des protéines. protocoles détaillés pour l'organisation hélicoïdale, Cryo-EM et la tomographie électronique (ET) d'acquisition de données sont donnés. bidimensionnel (2D) et en trois dimensions (3D) analyse de la structure appliquées pour obtenir les reconstructions 3D humaine et porcine FVIII-LNT est discutée. Les structures humaines et porcines FVIII-LNT présentés montrent le potentiel de la méthodologie proposée pour Calculate l'organisation fonctionnelle, liée à la membrane de la coagulation sanguine facteur VIII à haute résolution.Introduction
La coagulation du sang de facteur VIII (FVIII) est une grande glycoprotéine de 2332 acides aminés organisés en six domaines: A1-A2-B-A3-C1-C2 3. Lors de l'activation de la thrombine FVIII agit comme cofacteur pour le facteur IXa dans le complexe tenase liée à la membrane. La liaison de FVIII activé (FVIIIa) pour FIXa d'une manière à la membrane augmente en fonction FIXa efficacité protéolytique plus de 10 5 fois, ce qui est critique pour l'efficacité de coagulation de sang 4. Malgré le rôle important dans la coagulation FVIII joue et la formation du complexe tenase, la structure de FVIII membranaire fonctionnel est encore à résoudre.
Pour y remédier, nanotubes de bicouche lipidique (LNT) riche en phosphatidylsérine (PS), capables de se lier avec une forte affinité FVIII 8, 9 et ressemblant à la surface des plaquettes activées ont été mises au point 10. Organisation hélicoïdale consécutive de FVIII lié à LNT a été prouvé pour être effive pour déterminer la structure de FVIII état liée à la membrane par Cryo-EM 5. Fonctionnalisé LNT sont un système idéal pour étudier la protéine-protéine et des interactions protéine-membrane des protéines associées à la membrane de manière hélicoïdale organisées par cryo-EM 11, 12. Cryo-EM présente l'avantage par rapport aux procédés traditionnels de structure telles que la cristallographie aux rayons X et résonance magnétique nucléaire, que l'échantillon est conservé à la plus proche de l'environnement physiologique (tampon, une membrane, le pH), sans additifs et des isotopes. Dans le cas du FVIII, étude de la structure membranaire avec cette technique est encore plus physiologiquement pertinents, comme la LNT ressemblent beaucoup par la taille, la forme et la composition des pseudopodes des plaquettes activées où les complexes de tenase assemblent in vivo.
Les défauts et les carences de la cause FVIII hémophilie A, un trouble de saignement grave qui affecte de 1 à 5000 hommes de la population humaine 4, 6. La plupart des ethérapie éfficace pour l'hémophilie A est l'administration long de la vie du FVIII humain recombinant (facteur VIII humain). Une complication importante de la thérapie FVIII recombinant hémophilie A est le développement d'anticorps inhibiteurs de la forme humaine qui touche environ 30% des patients atteints d'hémophilie A 13. Dans ce cas, le FVIII porcin (pFVIII) concentré est utilisé, en tant que facteur VIII porcin affichages faible réactivité croisée avec des anticorps inhibiteurs contre le FVIII humain et forme des complexes fonctionnels avec FIXa humain 7. Fixant l'organisation liée à la membrane des deux porcine et formes de FVIII humains est important de comprendre la base structurelle de la fonction et les implications pour l'hémostase de sang cofacteur FVIII.
Dans cette étude, nous décrivons une combinaison de lipides nanotechnologies, Cryo-EM, et analyse de la structure visant à résoudre l'organisation liée à la membrane de deux formes de FVIII hautement homologues. Les données Cryo-EM présentés et structures 3D pour Porci hélice organiséFVIII humain ne et chargée négativement sur LNT montrent le potentiel de la nanotechnologie proposé comme base pour la détermination de structure et des facteurs FVIII et de complexes dans un environnement de membrane physiologique coagulation liés à la membrane.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans ce travail, une méthodologie est présentée à la différence entre les deux organisations de protéines hautement homologues membranaires: FVIII humain et porcin auto-assemblée sur des nanotubes lipidiques dans les conditions rencontrées dans le corps humain.
Dans la procédure décrite, humain et porcin FVIII sont organisées de façon hélicoïdale avec succès sur des nanotubes de lipides, qui est l'étape la plus critique. La prochaine étape cru…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est soutenu par une subvention de développement national scientifique de l'American Heart Association: 10SDG3500034 et UTMB-BCN fonds de démarrage pour SSM. Les auteurs remercient les installations Cryo-EM et calcul scientifique au Centre de Sealy pour la biologie structurale à l'UTMB ( www.scsb.utmb.edu ), ainsi que les Drs. Steve Ludtke et Ed Egelman de l'aide avec les algorithmes de reconstruction hélicoïdaux 2D et 3D.
Materials
| JEM2100 with LaB6 | JEOL Ltd. | JEM-2100 | operated at 200 kV |
| with TEMCON software | JEOL Ltd. | ||
| Gatan626 Cryo-holder | Gatan, Inc. | 626.DH | cooled to -175 °C |
| with temperature controler unit | Gatan, Inc. | ||
| Gatan 4K x 4K CCD camera | Gatan, Inc. | US4000 | 4096 x 4096 pixel at 15 microns/pixel physical resolution |
| Solarus Model 950 plasma cleaner | Gatan, Inc. | ||
| Vitrobot Mark IV | FEI | ||
| Materials | |||
| Carbon coated 300 mesh 3mm copper grid | Ted Pella | 01821 | plasma cleaned for 10 s on high power |
| Quantifoil R2/2 300 mesh | Electron Microscopy Sciences | Q225-CR2 | Carbon coated 300 mesh Cu grids with 2 mm in diameters holes |
| Uranyl acetate dihydrate | Ted Pella | 19481 | 1% solution, filtered |
| Galactosyl ceramide | Avanti Polar Lipids Inc. | 860546 | |
| Dioleoyl-sn-glycero-phospho-L-serine | Avanti Polar Lipids Inc. | 840035 | |
| Software | |||
| EM software Digital Micrograph | Gatan, Inc. | http://www.gatan.com/DM/ | |
| EM software EMAN | free download | http://blake.bcm.edu/emanwiki/EMAN/ | |
| EM software Spider | free download | http://spider.wadsworth.org/spider_doc/spider/docs/spider.html | |
| EM software IHRSR | free download | Programs available from Edward H. Egelman http://people.virginia.edu/~ehe2n/ | |
| EM software (IMOD) | free download | http://bio3d.colorado.edu/imod/ | |
| EM software (SerialEM) | free download | ftp://bio3d.colorado.edu/pub/SerialEM/ | |
| UCSF-Chimera | free download | http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html |
References
- Henderson, R. Realizing the potential of electron cryo-microscopy. Quarterly Reviews of Biophysics. 37, 3-13 (2004).
- Fujiyoshi, Y., Unwin, N. Electron crystallography of proteins in membranes. Current opinion in structural biology. 18, 587-592 (2008).
- Toole, J. J., et al. Molecular cloning of a cDNA encoding human antihaemophilic factor. Nature. 312, 342-347 (1984).
- Fay, P. J. Factor VIII structure and function. International journal of hematology. 83, 103-108 (2006).
- Stoilova-McPhie, S., Lynch, G. C., Ludtke, S. J., Pettitt, B. M. Domain organization of membrane-bound factor VIII. Biopolymers. , (2013).
- Pipe, S. W. Hemophilia: new protein therapeutics. Hematology / the Education Program of the American Society of Hematology. American Society of Hematology. Education Program. 2010, 203-209 (2010).
- Gatti, L., Mannucci, P. M. Use of porcine factor VIII in the management of seventeen patients with factor VIII antibodies. Thrombosis and haemostasis. 51, 379-384 (1984).
- Parmenter, C. D., Cane, M. C., Zhang, R., Stoilova-McPhie, S. Cryo-electron microscopy of coagulation Factor VIII bound to lipid nanotubes. Biochemical and biophysical research communications. 366, 288-293 (2008).
- Parmenter, C. D., Stoilova-McPhie, S. Binding of recombinant human coagulation factor VIII to lipid nanotubes. FEBS letters. 582, 1657-1660 (2008).
- Wassermann, G. E., Olivera-Severo, D., Uberti, A. F., Carlini, C. R. Helicobacter pylori urease activates blood platelets through a lipoxygenase-mediated pathway. Journal of cellular and molecular medicine. 14, 2025-2034 (2010).
- Wilson-Kubalek, E. M., Chappie, J. S., Arthur, C. P. Helical crystallization of soluble and membrane binding proteins. Methods in enzymology. 481, 45-62 (2010).
- Egelman, E. H. Reconstruction of helical filaments and tubes. Methods in enzymology. 482, 167-183 (2010).
- Lusher, J. M. Development and introduction of recombinant factor VIII–a clinician’s experience. Haemophilia : the official journal of the World Federation of Hemophilia. 18, 483-486 (2012).
- Thim, L., et al. Purification and characterization of a new recombinant factor VIII (N8). Haemophilia : the official journal of the World Federation of Hemophilia. 16, 349-359 (2010).
- Doering, C. B., Healey, J. F., Parker, E. T., Barrow, R. T., Lollar, P. High level expression of recombinant porcine coagulation factor VIII. The Journal of biological chemistry. 277, 38345-38349 (2002).
- Tang, G., et al. EMAN2: an extensible image processing suite for electron microscopy. Journal of structural biology. 157, 38-46 (2007).
- Egelman, E. H. A robust algorithm for the reconstruction of helical filaments using single-particle methods. Ultramicroscopy. 85, 225-234 (2000).
- Egelman, E. H. The iterative helical real space reconstruction method: surmounting the problems posed by real polymers. Journal of structural biology. 157, 83-94 (2007).
- Mastronarde, D. N. Automated electron microscope tomography using robust prediction of specimen movements. Journal of structural biology. 152, 36-51 (2005).
- Stoilova-McPhie, S., Villoutreix, B. O., Mertens, K., Kemball-Cook, G., Holzenburg, A. 3-Dimensional structure of membrane-bound coagulation factor VIII: modeling of the factor VIII heterodimer within a 3-dimensional density map derived by electron crystallography. Blood. 99, 1215-1223 (2002).
- Goddard, T. D., Huang, C. C., Ferrin, T. E. Visualizing density maps with UCSF Chimera. Journal of structural biology. 157, 281-287 (2007).
