Expressão Mammalian Cell eficiente e de uma etapa de purificação extracelular glicoproteínas para a cristalização
Summary
This is a quick, cost-efficient protocol for the production of secreted, glycosylated mammalian proteins and subsequent single-step purification with sufficient yields of homogenous protein for X-ray crystallography and other biophysical studies.
Abstract
Production of secreted mammalian proteins for structural and biophysical studies can be challenging, time intensive, and costly. Here described is a time and cost efficient protocol for secreted protein expression in mammalian cells and one step purification using nickel affinity chromatography. The system is based on large scale transient transfection of mammalian cells in suspension, which greatly decreases the time to produce protein, as it eliminates steps, such as developing expression viruses or generating stable expressing cell lines. This protocol utilizes cheap transfection agents, which can be easily made by simple chemical modification, or moderately priced transfection agents, which increase yield through increased transfection efficiency and decreased cytotoxicity. Careful monitoring and maintaining of media glucose levels increases protein yield. Controlling the maturation of native glycans at the expression step increases the final yield of properly folded and functional mammalian proteins, which are ideal properties to pursue X-ray crystallography. In some cases, single step purification produces protein of sufficient purity for crystallization, which is demonstrated here as an example case.
Introduction
Compreender a estrutura da proteína em nível atômico é a chave para desvendar a base molecular das vias biológicas e as doenças. Cristalografia de raios X da proteína é o método mais amplamente utilizado / aplicável para a determinação de estruturas macromoleculares. O principal desafio deste método é a obtenção de quantidades suficientes de devidamente dobradas, proteína pura. Isto torna-se um problema particular quando se trabalha com as proteínas secretadas de mamíferos, que sofrem modificações pós-tradução específicos.
Proteínas expressas em bactérias, são a fonte primária das proteínas cristalizadas depositadas no Protein Data Bank 1. Os sistemas de expressão bacterianos são largamente preferidos porque são rápidos, baratos e geralmente produzem rendimentos elevados de proteína. No entanto, os domínios extracelulares de proteínas de mamífero expressas em bactérias muitas vezes não são correctamente dobrado, em que são necessárias caso de redobragem e purificação extensa passos para a obtenção de forma homogénea folded proteína. Além disso, muitas proteínas de mamíferos necessitam de glicosilação pós-tradução para atingir a dobragem correcta 2. Embora a expressão e a glicosilação em células de levedura ou de insecto pode ultrapassar o problema de dobragem, modificações pós-traducionais, incluindo a glicosilação, são significativamente diferentes das células de mamífero de 3, obtendo-se as proteínas com alterações incorrectos ou não-homogéneas.
As células de mamífero expressam toda a maquinaria molecular necessário para assegurar modificações pós-traducionais apropriadas e dobragem; No entanto, esses sistemas de expressão não são tipicamente preferido pela maioria dos laboratórios, devido a rendimentos limitados e os elevados custos de reagentes e materiais de consumo. A polietilenoimina (PEI), um reagente de transfecção padrão é relativamente barato, mas impõe citotoxicidade considerável e baixa eficiência de transfecção, o que resulta em aumento de custos em meio celular, ADN, e equipamentos de cultura. Muitas alternativas para PEI são proibitivamente caras. Abordamosestes problemas, descrevendo uma combinação de melhoria das ferramentas de cultura de células e quimicamente modificados de PEI para o método rápido e relativamente barato para a expressão de proteínas de mamífero secretada, seguido por purificação de um só passo. Este método dá rendimentos robusta suficientes para estudos funcionais e bioquímicos 4, e, em alguns casos, resulta em proteína passível de cristalização sem purificação adicional.
Este protocolo descreve várias técnicas para maximizar a expressão e para produzir as proteínas segregadas em mamíferos humano de rim embrionário (HEK 293F) células crescidas em suspensão. Eficiência de transfecção (e custo), a produção e purificação de proteínas são todos bastante reforçada, seguindo este protocolo. PEI modificada pela adição de carbamatos por meio de uma reacção de abertura do anel de um único passo (PEI-TMC-25, síntese e propriedades descritas em detalhe na ref 5) melhora a eficiência da transfecção, reduz a citotoxicidade de catiónicoda ruptura da membrana e, consequentemente, reduz os custos da experiência. Além disso, a viabilidade das células e expressão de proteínas são grandemente melhorada com a adição de suplementos de cultura para fornecimento de glucose e vitaminas. É importante para a produção de proteínas glicosiladas, o tratamento com kifunensine, um inibidor químico não-tóxico de manosidase I, produz proteínas com definidas, glicanos imaturos, que podem ser removidos pelo EndoHf endoglicosidase para produzir proteínas com um único N-acetilglucosamina em lugar de um de comprimento completo 6 glicano N-ligado. Finalmente, a secreção de proteínas em, num meio quimicamente definido isento de soro permite a purificação rápida e fácil para estudos estruturais e bioquímicos. Um único passo de níquel-ácido nitriloacético (Ni-NTA) purificação resina remove a maioria das espécies contaminantes no sobrenadante e, em alguns casos, pode originar proteínas com uma pureza suficiente para a cristalização.
Protocol
Representative Results
Discussion
Células HEK 293F oferecer a produção de proteínas que requerem robusta modificações pós-traducionais. Este sistema permite a expressão rápida e escalável de proteínas nativamente dobradas contendo persulfuretos, glicosilação e fosforilação que seriam ausente usando mais ferramentas de expressão de rotina. Além disso, este sistema pode ser usado para a expressão e purificação de complexos de multi-proteínas simplesmente por co-transfecção de plasmídeos múltiplos. Além trem2, este sistema tem sid…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by NIH R01-HL119813 (to T.J.B.), American Lung Association RG-196051 (to T.J.B.), a CIMED Pilot and Feasibility grant (to T.J.B.), American Heart Association Predoctoral Fellowships 14PRE19970008 (to Z.Y.) and 15PRE22110004 (to D.L.K.).
Materials
| Culture Flasks | GeneMate | F-5909B | |
| 293 Freestyle Media | Gibco/Life Technologies | 12338-018 | |
| GlutaMAX | Gibco/Life Technologies | 35050-061 | Use in place of Glutamine |
| Hype 5 transfection reagent | Oz Biosciences | HY01500 | |
| 293fectin transfection reagent | Life Technologies | 12347019 | |
| PEI transfection reagent | Sigma-Aldrich | 408727 | |
| Maxiprep Kit | Qiagen | 12162 | |
| Ni-NTA Superflow | Qiagen | 30430 | |
| Endo Hf | NEB | P0703L | |
| Amylose Resin | NEB | E8021S | |
| Cell Boost R05.2 | HyClone | SH30584.02 | Cell Culture Supplement |
| GlucCell | CESCO Bioengineering | DG2032 | Glucose Monitoring System |
| Opti-MEM | Life Technologies | 519850.91 | Serum Free Medium for DNA transfection |
| Luria Broth (LB Media) | Life Technologies | 10855-001 | |
| GC10 Competent Cells | Sigma-Aldrich | G2919 |
References
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