Expressão de Proteína Recombinante, Cristalização e Estudos Biofísicos de<em> Bacillus</em> -conservado Nucleotide Pyrophosphorylase, BcMazG
Summary
Bacillus anthracis é o agente patogénico obrigatório do antraz mortal por inalação, pelo que os estudos dos seus genes e proteínas são rigorosamente regulados. Uma abordagem alternativa é estudar genes ortólogos. Descrevemos estudos biofísico-químicos de um ortólogo de B. anthracis em B. cereus , bc1531, requerendo equipamento experimental mínimo e sem preocupações de segurança graves.
Abstract
Para superar as restrições e regulamentações de segurança ao estudar genes e proteínas de patógenos verdadeiros, seus homólogos podem ser estudados. Bacillus anthracis é um agente patogénico obrigatório que provoca o antraz mortal por inalação. Bacillus cereus é considerado um modelo útil para estudar B. anthracis devido à sua estreita relação evolutiva. O grupo de genes ba1554 – ba1558 de B. anthracis é altamente conservado com o cluster bc1531 – bc1535 em B. cereus , bem como com o cluster bt1364 – bt1368 em Bacillus thuringiensis, indicando o papel crítico dos genes associados no gênero Bacillus . Este manuscrito descreve métodos para preparar e caracterizar um produto proteico do primeiro gene ( ba1554 ) do grupo genético em B. anthracis usando uma proteína recombinante de seu ortholog em B. cereus , bc1531.
Introduction
A expressão de proteína recombinante é amplamente utilizada para superar problemas associados a fontes de proteína naturais, tais como quantidades limitadas de proteínas e contaminação prejudicial. Além disso, nos estudos de genes patogénicos e proteínas, uma estirpe laboratorial alternativa que não requer precauções adicionais de segurança pode ser utilizada. Por exemplo, Bacillus cereus é um modelo útil para estudar Bacillus anthracis devido à sua estreita relação evolutiva 1 .
B. anthracis é um agente patogénico obrigatório que provoca o antraz mortal por inalação em seres humanos e gado e pode potencialmente ser utilizado como arma biológica 2 . Assim, os estudos laboratoriais sobre B. anthracis são rigorosamente regulados pelos Centros de Controle de Doenças dos Estados Unidos, exigindo práticas de nível 3 de biossegurança (BSL-3), que determinam que a área do laboratório seja segregada com pressão negativa. Em contraste com B. anthracis </eM>, B. cereus é categorizado como um agente BSL-1 e, portanto, tem preocupações mínimas de segurança. B. cereus é um patógeno oportunista que, após a infecção, provoca intoxicação alimentar que pode ser tratada sem assistência médica. No entanto, uma vez que B. cereus partilha muitos genes críticos com B. anthracis , as funções das proteínas de B. anthracis podem ser estudadas utilizando os correspondentes homólogos de B. cereus 1 .
O agrupamento de genes ba1554 – ba1558 de B. anthracis é altamente conservado com o agrupamento bc1531 – bc1535 De B. cereus , bem como com o grupo bt1364-bt1368 de Bacillus thuringiensis , em termos de organização e sequência de genes. Além disso, os primeiros genes ( ba1554 , bc1531 e bt1364 ) dos respectivos clusters são absolutamente conservados ( isto é, 100% de identidade de sequência de nucleótidos), implyiUm papel crítico do produto gênico nas espécies de Bacillus . Devido à sua localização nestes agrupamentos de genes, ba1554 foi mal identificado como um suposto transcrição regulador [ 3] . No entanto, a análise da sequência de aminoácidos do produto ba1554 indica que pertence à família MazG, que tem actividade de nucleótido pirofosfoidrolase e não está associada à actividade do factor de transcrição 4 , 5 . Embora as proteínas pertencentes à família MazG sejam diversas em relação à sequência e ao comprimento globais, partilham um domínio MazG comum de ~ 100 resíduos caracterizado por um motivo EXXE 12-28 EXXD ("X" significa qualquer resíduo de aminoácido e o número Indica o número de resíduos X).
O domínio MazG nem sempre representa diretamente uma determinada atividade catalítica. Um membro MazG de Escherichia coli (EcMazG) possui dois domínios MazG, mas emO domínio MazG C-terminal é enzimaticamente activo 6 . Além disso, a especificidade do substrato de enzimas MazG varia de nucleosídeos trifosfatos não específicos (para EcMazG) para dCTP / dATP específicos (para integrados MazG) e dUTP (para dUTPases) 6 , 7 , 8 , 9 . Por conseguinte, são necessárias análises biofísicoquímicas da proteína BA1554 para confirmar a sua actividade NTPase e para decifrar a sua especificidade de substrato.
Aqui, fornecemos um protocolo passo a passo que a maioria dos laboratórios sem uma instalação BSL-3 pode seguir para caracterizar o produto proteico do gene B. cereus bc1531 , que é um ortholog de B. anthracis ba1554 , a nível molecular. Resumidamente, BC1531 recombinante (rBC1531) foi expresso em E. coli e purificado utilizando um marcador de afinidade. Para experimentos cristalográficos de raios X,Zação da proteína rBC1531 foram selecionadas e otimizadas. Para avaliar a actividade enzimática de rBC1531, a actividade de NTPase foi monitorizada colorimetricamente para evitar nucleótidos marcados radioactivamente que foram convencionalmente utilizados. Finalmente, as análises dos dados biofísico-químicos obtidos nos permitiram determinar o estado de oligomerização e os parâmetros catalíticos de rBC1531, bem como obter dados de difração de raios X a partir do cristal rBC1531.
Protocol
Representative Results
Discussion
Studies of true pathogens are limited due to safety restrictions and regulations. Alternatively, pathogens can be studied using evolutionarily related non-pathogens or less pathogenic species. The ba1554 gene is considered a critical gene in B. anthracis. Fortunately, an identical gene is present in nonclinical B. cereus. Thus, without serious safety concerns, recombinant BC1531 protein can be used for biophysical and enzymatic characterization. Here, we described detailed procedures, moving fr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os conjuntos de dados de difracção de raios X foram recolhidos na linha 7A do Laboratório de Aceleração de Pohang (Coreia). Este estudo foi apoiado pelo Programa de Investigação Científica Básica administrado através da Fundação Nacional de Investigação da Coreia (NRF), financiado pelo Ministério da Ciência, TIC e Planeamento do Futuro (2015R1A1A01057574 a MH).
Materials
| Bacillus cereus ATCC14579 | Korean Collection for Tissue Culture | 3624 | |
| Genomic DNA prep kit | GeneAll | 106-101 | Genomic DNA preparation |
| Forward primer | Macrogen | GAAGGATCCGGAAGCAAAAA CGATGAAAGATATGCA |
BamHI site is underlined |
| Reverse primer | Macrogen | CTTGTCGACTTATTCTTTCTCT CCCTCATCAATACGTG |
SalI site is underlined |
| nPfu-Forte | Enzynomics | P410 | PCR polymerase |
| BamHI | Enzynomics | R003S | |
| SalI | Enzynomics | R009S | |
| pET49b expression vector | Novagen | 71463 | Expression vector was modified to add affinity tags and BamHI/SalI sites10 |
| T4 DNA ligase | Enzynomics | M001S | |
| Dialysis memebrane | Thermofisher | 18265017 | |
| Dry block heater | JSR | JSBL-02T | |
| LB broth (Luria-Bertani) | LPS solution | LB-05 | |
| LB Agar, Miller (Luria-Bertani) | Becton, Dickinson and Company | ||
| Kanamycin | LPS solution | KAN025 | |
| Mini-prep kit | Favorgen | FAPDE300 | Plasmid DNA preparation |
| BL21(DE3) Competent cell | Novagen | 69450-3CN | |
| Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Fisher BioReagents | 50-213-378 | |
| Sodium chloride | Daejung | 7548-4100 | PBS material |
| Potassium chloride | Daejung | 6566-4405 | PBS material |
| Potassium phosphate | Bio Basic Inc | PB0445 | PBS material |
| Sodium phosphate | Bio Basic Inc | S0404 | PBS material |
| Imidazole | Bio Basic Inc | IB0277 | |
| Sonicator | Sonics | VCX 130 | |
| Ni-NTA agaros | Qiagen | 30210 | Nickel bead |
| Rotator | Finepcr | AG | |
| Precision Plus Protein Dual Color Standards | Bio-rad | 1610374 | SDS-PAGE protein standard |
| Coonmassie Brilliant Blue R-250 | Fisher BioReagents | BP101-25 | Coomassie staining solution |
| Methyl alcohol | Samchun chemical | M0585 | Coomassie staining solution |
| Acetic acid | Daejung | 1002-4105 | Coomassie staining solution |
| Dialysis memebrane | Thermofisher | 68035 | |
| 2-Mercaptoethanol | Sigma-aldrich | M6250 | |
| Thrombin | Merckmillipore | 605157-1KUCN | Prepare aliquots of 20 μl (1 Unit per μl) and store at 70 °C and thaw before use |
| Superdex 200 16/600 | General Electric | 28989335 | Size exclusion chromatography |
| Gel filtration standard | Bio-rad | 151-1901 | |
| Centrifugal filter | Amicon | UFC800396 | |
| Crystralization plates | Hampton research | HR3-083 | 96-well sitting drop plate |
| The JCSG core suite I-IV | Qiagen | 130924-130927 | Crystallization secreening solution |
| Microscope | Nikon | SMZ745T | |
| Cryschem plates | Hampton research | HR3-158 | 24-well sitting drop plate |
| Inorganic pyrophosphatase | Sigma | 10108987001 | |
| Ammonium molybdate solution | Sigma | 13106-76-8 | |
| L-ascorbic acid | Sigma | 50-81-7 | |
| NTP substrate | Startagene | 200415-51 | |
| Spectrophotometer | Biotek | SynergyH1 | microplate reader |
| GraphPad Prism 5 | GraphPad | Prism 5 for Window |
References
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