Идентификация растений ледово-связывающих белков путем оценки льда рекристаллизации ингибирования и выделение с помощью льда-аффинной очистки
Summary
В настоящем документе описывается идентификация льда-связывающих белков с замораживанием терпимо растений путем оценки ингибирования активности льда рекристаллизации и последующего выделение нативных PIL, используя очистку льда сродства.
Abstract
Ice-связывающие белки (PIL,) принадлежат к семейству индуцированных стрессом белков, которые синтезируются с помощью некоторых организмов, подвергшихся воздействию отрицательных температур. В растениях, повреждение замораживания происходит, когда внеклеточные кристаллы льда растет, что приводит к разрыву плазматической мембраны и возможной гибели клеток. Адсорбция PIL, чтобы кристаллов льда ограничивает дальнейший рост с помощью процесса, известного как лед рекристаллизации торможения (IRI), тем самым уменьшая повреждение клеток. PIL, также демонстрирует способность угнетает температуру замерзания раствора ниже точки плавления равновесия, свойство известного как тепловая гистерезиса (TH) активность. Эти защитные свойства повысили интерес к идентификации новых PIL, из-за их возможное использование в промышленных, медицинских и сельскохозяйственных применениях. Этот документ описывает идентификацию растений PIL, через 1) индукцию и извлечение PIL, в растительной ткани, 2) скрининг экстрактов для активности IRI и 3) выделение и PurifЦия ИБП. После индуцирования ИБФ при воздействии низкой температуры экстракты испытывают на активность IRI с использованием «анализа splat», который позволяет наблюдать рост кристаллов льда с использованием стандартного светового микроскопа. Этот анализ требует низкой концентрации белка и генерирует результаты, которые быстро получены и легко интерпретируются, обеспечивая начальный экран для активности связывания льда. Затем ИБП могут быть выделены из загрязняющих белков, используя свойство ИБФ для адсорбции на льду, с помощью методики, называемой «аффинная очистка льдом». Используя клеточные лизаты, собранные из растительных экстрактов, можно медленно выращивать ледяное полушарие на латунном зонде. Это включает IBPs в кристаллическую структуру поликристаллического льда. Не требуя априорных биохимических или структурных знаний о ИБФ, этот метод позволяет восстановить активный белок. Очищенные от льда белковые фракции могут быть использованы для нижестоящих применений, включая идентификацию pepприлив последовательности по масс-спектрометрии и биохимического анализа нативных белков.
Introduction
Ice-связывающие белки (PIL , ) представляют собой разнородное семейство защитных белков , которые были обнаружены в ряде организмов , в том числе и растения, насекомых-2, 3, рыб и микробов 4. Ключевой особенностью этих белков является их уникальная способность специфически и эффективно адсорбироваться кристаллов льда, изменяя их рост. PIL, имеют несколько документированных свойств, с двумя наиболее хорошо охарактеризованных будучи тепловой гистерезис (TH) и ингибирование льда рекристаллизации (IRI). TH активность более легко наблюдать в PIL, произведенных в замораживающих непереносимостью животных. Результаты этой деятельности в снижении точки замерзания кровеносной или интерстициальных жидкостей организмов для предотвращения замерзания. В противоположность этому, в морозильных толерантных организмов, которые неизбежно будут замерзать при отрицательных температурах, PIL, по всей видимости, обладают низкой активностью TH. Несмотря на низкой активности TH, высокая активность IRI ограничить лед крикStal рост часто наблюдается с этими белками. Для сублимационной терпимы организма, эта деятельность IRI предположительно помогает защитить клетки от неконтролируемого роста льда в внеклеточных отсеках.
Модель «Кнопка Матрас» может быть использован для описания механизма , с помощью которого PIL , предотвратить рост кристаллов льда 5. В соответствии с этой моделью, PIL, специфически адсорбироваться на поверхности кристаллов льда с интервалами, таким образом, что молекулы воды могут только включают с ростом кристаллов льда решетки в пространстве между связанной PIL,. Это создает кривизну , что делает включение дополнительных молекул воды неблагоприятно, событие , которое может быть описано с помощью эффекта Гиббса-Томсон 6. Якорь решетчатые воды гипотеза обеспечивает механизм для специфического связывания PIL, на поверхности кристаллов льда при этом наличие заряженных остатков, в частности, расположен на участке белка, связывающего льда, приводит к REOРГАНИЗАЦИЯ молекул воды , таким образом они соответствуют один или несколько плоскостей кристаллической решетки льда 7.
TH активность может быть определена количественно путем измерения разности между плавления и замораживания температуры одного ледяного кристалла в присутствии IBP. В то время как активность TH является широко распространенным методом оценки активности, PIL, низкого зазора TH производимого заводом PIL, (как правило, лишь доли градуса) обычно требует высокой концентрации белка, специализированного оборудования и опыта оператора. Несмотря на то, не PIL, может ограничить рост кристаллов льда, это свойство, присущее всем PIL, и, таким образом, тестирование на активность IRI является эффективным начальный экран на наличие PIL, особенно для тех, с низкой активностью TH. Методология, используемая для проверки этой активности известен как «знак» анализа, в результате чего образец белка флэш заморожены для получения монослой мелких кристаллов льда, которые наблюдаются в течение определенного периода времени, чтобы определить, является лиРост кристаллов льда ограничен. В отличие от других методов, используемых для скрининга образца источника ткани на наличие PIL, этот метод применим к низкой концентрации белка в диапазоне 10-100 нг, использует легко панельном оборудование, и генерирует данные, которые быстро и легко интерпретировать. Тем не менее, важно подчеркнуть, что этот анализ обеспечивает начальный экран для PIL, которым необходимо следовать путем определения TH и формирования кристаллов льда.
Выделение нативных белков является сложной задачей, часто требует информации о структурных и биохимических свойств белка. Сродство PIL, для льда позволяет для выделения этих белков с использованием льда в качестве субстрата для целей очистки. Поскольку большинство молекул выталкиваются вперед границы льда-воды в процессе роста кристаллов льда, медленный рост ледяной полусферы в присутствии результатов выборки IBP в высоко очищенной пробе, лишенный большого quantitх года примесных белков и растворенные вещества. Этот метод был использован для идентификации PIL , от насекомых 8, 9, 10, 11 бактерий, рыб и растений 12 13, 14. Кроме того, IBP-обогащенные фракции, полученные с помощью этого метода можно также использовать для нисходящего биохимического анализа. В настоящем документе описывается идентификацией PIL, в растениях путем индукции и извлечения PIL, анализ активности IRI, чтобы подтвердить наличие белков, а также выделение белков с помощью аффинной очистки льда.
Protocol
Representative Results
Discussion
Для успешного анализа и очистки PIL, важно понимать, чувствительная к температуре характера некоторых из этих белков. Некоторые растения PIL, становится нестабильной при температуре выше 0 ° С, что приводит к развертке, осадков и бездействию. Для того чтобы получить активный PIL, часто бывае…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась за счет гранта NSERC (Канада) в VKW.
Materials
| 1.5 mL microcentrifugetubes | Fisher | 05-408-129 | |
| Adjustable lab jack | Fisher | S63080 | |
| Benchtop centrifuge | Desaga MC2 | ||
| Brass probe | Custom built | ||
| Camera/ camera port | Canon | Canon Power Shot SX110 digitial camera; custom built microscope port | |
| Cheesecloth | Purewipe/Fisher Scientific | 06-665-25A | |
| Concentration tubes (0.5 mL) | EMD Millipore | UFC501008 | |
| Concentration tubes (15 mL) | EMD Millipore | UFC900308 | |
| Conical tubes (50 mL) | Thermo Fisher | AM12502 | |
| Cooling block | VWR | 13259 | Use a metal heating block |
| Dehumidifier | Whirlpool | 50 pint Energy Star dehumidifier; purchase from local supplier | |
| Dessciation beads | t.h.e. Dessicant/VWR | EM-DX0017-2 | 6-8 mesh size; 100% indicating |
| Dissection microscope | Olympus Tokyo | ||
| Double walled glass bowl | Generic | Purchase from local lab glassware supplier | |
| Dry ice | Generic | Use local supplier; hazardous | |
| EDTA-protease inhibitor tablets | Sigma Aldrich | 11836170001 | Roche cOmplete mini |
| Ethylene glycol | Generic | Green automotive ethylene glycol can be purchased from any local hardware store (i.e. Home Depot) | |
| Hexane | Sigma Aldrich | 296090 | Anhydrous, 95%; hazardous |
| Immersion oil | Sigma Aldrich | 56822 | |
| JA10/20 centrifuge | Beckman | ||
| Large plastic petri dish | Generic | ||
| Liquid nitrogen | Generic | Use local supplier; hazardous | |
| Magnetic stir plate | Hanna Instruments | HI190M | |
| Microscope cover slides | Fisher | 12-542A | |
| Plastic tube | Generic | Purchase PVC pipe from local hardware store | |
| Polarized film | Edmund Optics | 43-781 | |
| Polystyrene foam | Generic | Can be constructed from polystyrene shipping boxes | |
| Poreclain mortar and pestle | Fisher | FB961 | |
| PVPP | Sigma Aldrich | 77627 | 110 µm particle size |
| Retort Stand | Fisher | 12-000 | |
| Small stir bar | Fisher | 14-513-51 | |
| Temperature-programmable water bath | VWR | 13271-118 | |
| Vacuum grease | Dow Corning/Sigma Aldrich | Z273554 | |
| Vinyl tubing | Generic |
References
- Sidebottom, C., et al. Heat-stable antifreeze protein from grass. Nature. 406 (6793), 256 (2000).
- Duman, J. G. Antifreeze and ice nucleator proteins in terrestrial arthropods. Annu Rev Physiol. 63, 327-357 (2001).
- Davies, P. L., Hew, C. L. Biochemistry of fish antifreeze proteins. FASEB J. 4 (8), 2460-2468 (1990).
- Gilbert, J. A., Hill, P. J., Dodd, C. E., Laybourn-Parry, J. Demonstration of antifreeze protein activity in Antarctic lake bacteria. Microbiology. 150 (Pt 1), 171-180 (2004).
- Knight, C. A., Cheng, C. C., DeVries, A. L. Adsorption of alpha-helical antifreeze peptides on specific ice crystal surface planes. Biophys. L. 59 (20), 409-418 (1991).
- Yeh, Y., Feeney, R. E. Antifreeze proteins: structures and mechanisms of function. Chem. Rev. 96 (2), 601-618 (1996).
- Smolin, N., Daggett, V. Formation of ice-like water structure on the surface of an antifreeze protein. J. Phys. Chem. B. 112 (19), 6193-6202 (2008).
- Graham, L. A., Davies, P. L. Glycine-rich antifreeze proteins from snow fleas. Science. 310 (5747), 461 (2005).
- Hawes, T. C., Marshall, C. J., Wharton, D. A. Antifreeze proteins in the Antarctic springtail, Gressittacantha terranova. J. Comp. Physiol. B. 181 (6), 713-719 (2011).
- Basu, K., Graham, L. A., Campbell, R. L., Davies, P. L. Flies expand the repertoire of protein structures that bind ice. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (3), 737-742 (2015).
- Guo, S., Garnham, C. P., Whitney, J. C., Graham, L. A., Davies, P. L. Re-evaluation of a Bacterial Antifreeze Protein as an Adhesin with Ice-Binding Activity. PLoS One. 7 (11), e48805 (2012).
- Marshall, C. B., Fletcher, G. L., Davies, P. L. Hyperactive antifreeze protein in a fish. Nature. 429 (6988), 153 (2004).
- Zhang, D. Q., Liu, B., Feng, D. R., He, Y. M., Wang, J. F. Expression, purification and antifreeze activity of carrot antifreeze protein and its mutants. Protein Expr. Purif. 35 (2), 257-263 (2007).
- Gupta, R., Dreswal, R. Low temperature stress modulated secretome analysis and purification of antifreeze protein from Hippophae rhamnoides, a Himalayan wonder plant. Proteome Res. 11 (5), 2684-2696 (2012).
- Kuiper, M. J., Lankin, C., Gauthier, S. Y., Walker, V. K., Davies, P. L. Purification of antifreeze proteins by adsorption to ice. Biochem. Biphys. Res. Commun. 300 (3), 645-648 (2003).
- Middleton, A. J., et al. Isolation and characterization of ice-binding proteins from higher plants. Methods Mol. Biol. 1166, 255-277 (2014).
- Bredow, M., Vanderbeld, B., Walker, V. K. Ice-binding proteins confer freezing tolerance in transgenic Arabidopsis thaliana. Plant Biotechnol. J. , (2016).
- Olijve, L. L., et al. Blocking rapid ice crystal growth through nonbasal plane adsorption of antifreeze proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113 (14), 3740-3745 (2016).
- Zakharov, B., et al. Ice Recrystallization in a Solution of a Cryoprotector and Its inhibition by a Protein: Synchrotron X-Ray Diffraction Study. J. Pharm. Sci. 105 (7), 2129-2138 (2016).
- Capicciotti, C. J., et al. Small molecule ice recrystallization inhibitors enable freezing of human red blood cells with reduced glycerol concentrations. Sci. Rep. 5, 9692 (2015).
- Knight, C. A., Cheng, C. C., DeVries, A. L. Adsorption of alpha-helical antifreeze peptides on specific ice crystal surface planes. Biophys. J. 59 (2), 409-418 (1991).
- Van Driessche, E., Beeckmans, S., Dejaegere, R., Kanarek, L. Thiourea: the antioxidant of choice for the purification of proteins from phenol rich plant tissues. Anal. Biochem. 141 (1), 184-188 (1984).
- Marshall, C. J., Basu, K., Davies, P. L. Ice-shell purification of ice-binding proteins. Cryobiology. 72 (3), 258-263 (2016).
- Basu, K., et al. Determining the ice-binding planes of antifreeze proteins by fluorescence-based ice plane affinity. J. Vis. Exp. (83), e51185 (2014).
- Sandve, S. R., Rudi, H., Asp, T., Rognli, O. A. Tracking the evolution of a cold stress associated gene family in cold tolerant grasses. BMC Evol. Biol. 8 (245), (2008).
- Middleton, A. J., Brown, A. M., Davies, P. L., Walker, V. K. Identification of the ice-binding face of a plant antifreeze protein. FEBS Lett. 583 (4), 815-819 (2009).
