Summary

Birliğin Rekombinant Protein Ekspresyonu, Kristalleştirilmesi ve Biyofiziksel Araştırmaları<em> Bacillus</em> - Konserve Nükleotid Pyrophosphorylase, BcMazG

Published: May 16, 2017
doi:

Summary

Bacillus anthracis ölümcül inhalasyon şarbonunun zorunlu patojendir, bu nedenle genleri ve proteinleri üzerine yapılan çalışmalar kesinlikle düzenlenmiştir. Alternatif bir yaklaşım, ortolog genleri incelemektir. B. cereus , bc1531'de B. antrasis ortologunun biyofizikokimyasal çalışmalarını, minimal deney ekipmanı gerektiren ve ciddi güvenlik endişeleri içermeyen çalışmalarını anlattık.

Abstract

Gerçek patojenlerden genleri ve proteinleri incelerken emniyet kısıtlamalarını ve yönetmelikleri aşmak için bunların homologları incelenebilir. Bacillus anthracis ölümcül inhalasyon şarbonuna neden olan zorunlu bir patojendir. Bacillus cereus , yakın evrimsel ilişkisi nedeniyle B. anthracis'i incelemek için faydalı bir model olarak düşünülür. B. anthracis'in ba1554ba1558 gen kümesi B. cereus'daki bc1531bc1535 kümesi ile Bacillus thuringiensis'deki bt1364bt1368 kümesi ile yüksek oranda korunmuştur, bu da Bacillus cinsindeki ilişkili genlerin kritik rolünü göstermektedir. Bu el yazması, B. anthracis'teki gen kümesinden birinci gen ( ba1554 ) 'ün bir protein ürününü B. cereus , bc1531'deki ortologunun rekombinant bir proteinini kullanarak hazırlamak ve karakterize etmek için kullanılan yöntemleri açıklamaktadır.

Introduction

Rekombinant protein ekspresyonu, sınırlı protein miktarı ve zararlı kontaminasyon gibi doğal protein kaynaklarıyla ilişkili problemlerin üstesinden gelmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, patojenik genler ve protein araştırmalarında ilave güvenlik önlemleri gerektirmeyen alternatif bir laboratuvar suşu kullanılabilir. Örneğin, Bacillus cereus , yakın evrimsel ilişkileri nedeniyle Bacillus anthracis'i incelemek için faydalı bir modeldir 1 .

B. anthracis , insanlarda ve hayvanlarda ölümcül inhalasyon şarbonuna neden olan zorunlu bir patojendir ve potansiyel olarak bir biyolojik silah olarak kullanılabilir 2 . Dolayısıyla, B. anthracis ile ilgili laboratuvar çalışmaları, ABD Hastalık Kontrol Merkezleri tarafından sıkı bir şekilde düzenlenir ve laboratuar alanının negatif oda basıncıyla ayrılması zorunluluğu getiren biyogüvenlik seviyesi 3 (BSL-3) uygulamaları gerektirir. B. anthracis'in aksine </eM>, B. cereus bir BSL-1 ajan olarak kategorize edilir ve bu nedenle en az güvenlik kaygısı vardır. B. cereus , enfeksiyon sırasında gıda zehirlenmesine neden olan ve tıbbi yardım almadan tedavi edilebilen, fırsatçı bir patojendir. Bununla birlikte, B. cereus B. anthracis ile birçok kritik geni paylaştığı için, B. anthracis proteinlerinin fonksiyonları B. cereus 1'in ilgili homologları kullanılarak incelenebilir.

B. anthracis'in ba1554ba1558 gen kümesi, bc1531bc1535 kümesi ile oldukça korunmuştur B. cereus'un yanı sıra Bacillus thuringiensis'in bt1364-bt1368 kümesiyle , gen organizasyonu ve sekansı açısından. Dahası, ilgili kümelerin ilk genleri ( ba1554 , bc1531 ve bt1364 ) tamamen korunmuştur ( yani, % 100 nükleotid sekansı özdeşliği)Bacillus türündeki gen ürününün kritik bir rolü. Bu gen kümelerindeki konumu nedeniyle ba1554 , varsayılan bir transkripsiyon regülatörü 3 olarak yanlış tanımlandı. Bununla birlikte, ba1554 ürününün amino asit sekansı analizi, nükleotid pirofosfohidrolaz aktivitesine sahip olan ve transkripsiyon faktörü aktivitesi 4 , 5 ile ilişkili olmayan MazG ailesine ait olduğunu gösterir. MazG ailesine ait proteinler genel dizi ve uzunluk bakımından çeşitlilik göstermesine rağmen, bir EXXE 12-28 EXXD motifiyle ("X" herhangi bir amino asit artığı anlamına gelir) karakterize edilen yaygın bir ~ 100 kalıntı MazG alanını paylaşırlar ve sayı X kalıntılarının sayısını belirtir).

MazG alanı belli bir katalitik etkinliği her zaman doğrudan doğruya açıklamaz. Escherichia coli'den bir MazG üyesi (EcMazG), iki MazG alanına sahiptir, ancakC-terminal MazG alanı enzimatik olarak aktif 6 . Dahası, MazG enzimlerinin substrat özgüllüğü spesifik olmayan nükleozid trifosfatlardan (EcMazG için) belirli dCTP / dATP'ye (integrin ile ilişkili MazG için) ve dUTP'ye (dUTPazlar için) 6 , 7 , 8 , 9 arasında değişir. Bu nedenle, BA1554 proteininin biyofizyokimyasal analizleri, NTPaz etkinliğini teyit etmek ve substrat özgüllüğünü deşifre etmek için gereklidir.

Burada, B. anthracis ba1554'ün bir ortologu olan B. cereus bc1531 geninin protein ürününü moleküler düzeyde karakterize etmek için bir BSL-3 tesisi olmayan çoğu laboratuvarın izleyebileceği adım adım bir protokol sunuyoruz. Kısaca, rekombinant BC1531 (rBC1531), E. coli'de eksprese edildi ve bir afınite etiketi kullanılarak arıtıldı. X-ışını kristalografik deneyleri için, kristalRBC1531 proteininin zation koşulları tarandı ve optimize edildi. RBC1531'in enzimatik aktivitesini değerlendirmek için, geleneksel olarak kullanılan radyoaktif olarak işaretlenmiş nükleotidlerden kaçınmak için NTPaz etkinliği kolorimetrik olarak izlenmiştir. Son olarak, elde edilen biyofizikokimyasal verilerin analizi, rBC1531'in oligomerleşme durumunu ve katalitik parametrelerini belirlememize ve rBC1531 kristalinden X-ışını kırınım verilerini elde etmemize olanak sağladı.

Protocol

1.RBC1531'in Rekombinant Protein Üretimi ve Saflaştırılması Bir rekombinant BC1531 proteini (rBC1531) ekspresyon plazmidinin hazırlanması B. cereus'un genomik DNA'sını hazırlayın 10 . Sırasıyla Bam HI ve Sal I kısıtlama enzimi siteleri oluşturmak için ileri ve geri primerler (Bkz. Malzeme Listesi) kullanılarak polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) ile B. cereus genomik DN…

Representative Results

Bu çalışmada ilgilenilen proteinin karakterizasyonu, tercihen birkaç miligramdan daha fazla rekombinant B. cereus bc1531 (rBC1531) proteininin yeterli bir miktarının hazırlanmasıyla başlamıştır. BC1531 proteinini kodlayan DNA parçası, ba1554'e özdeş ortolog genler içerdiği için B. cereus'un genomik DNA'sını şablon olarak kullanarak PCR ile hazırlandı . RBC1531, E. coli hücrelerinde çözünür bir protein olarak aş…

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

X-ışını kırınımı veri setleri, Pohang Hızlandırıcı Laboratuvarının (Kore) kiriş çizgisi 7A'da toplandı. Bu çalışma, Bilim Bakanlığı, BİT ve Gelecek Planlama (2015R1A1A01057574 – MH) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) aracılığıyla uygulanan Temel Bilim Araştırma Programı tarafından desteklenmiştir.

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

  1. Ivanova, N., et al. Genome sequence of Bacillus cereus and comparative analysis with Bacillus anthracis. Nature. 423, 87-91 (2003).
  2. Spencer, R. C. Bacillus anthracis. J Clin Pathol. 56, 182-187 (2003).
  3. Deli, A., et al. LmbE proteins from Bacillus cereus are de-N-acetylases with broad substrate specificity and are highly similar to proteins in Bacillus anthracis. FEBS J. 277, 2740-2753 (2010).
  4. Gross, M., Marianovsky, I., Glaser, G. MazG — a regulator of programmed cell death in Escherichia coli. Mol Microbiol. 59, 590-601 (2006).
  5. Galperin, M. Y., Moroz, O. V., Wilson, K. S., Murzin, A. G. House cleaning, a part of good housekeeping. Mol Microbiol. 59, 5-19 (2006).
  6. Lee, S., et al. Crystal structure of Escherichia coli MazG, the regulator of nutritional stress response. J Biol Chem. 283, 15232-15240 (2008).
  7. Moroz, O. V., et al. Dimeric dUTPases, HisE, and MazG belong to a new superfamily of all-alpha NTP pyrophosphohydrolases with potential "house-cleaning" functions. J Mol Biol. 347, 243-255 (2005).
  8. Robinson, A., et al. A putative house-cleaning enzyme encoded within an integron array: 1.8 A crystal structure defines a new MazG subtype. Mol Microbiol. 66, 610-621 (2007).
  9. Moroz, O. V., et al. The crystal structure of a complex of Campylobacter jejuni dUTPase with substrate analogue sheds light on the mechanism and suggests the "basic module" for dimeric d(C/U)TPases. J Mol Biol. 342, 1583-1597 (2004).
  10. Green, M., Sambrook, J. . Molecular cloning: A laboratory Manual. 1, (2012).
  11. Brown, T. A. . Gene cloning an introduction. , (1986).
  12. Kim, M. I., Hong, M. Crystal structure of the Bacillus-conserved MazG protein, a nucleotide pyrophosphohydrolase. Biochem Biophys Res Commun. 472, 237-242 (2016).
  13. Sheehan, D. . Physical biochemistry: Principles and applications. , (2009).
  14. Lesley, S. A., Wilson, I. A. Protein production and crystallization at the joint center for structural genomics. J Struct Funct Genomics. 6, 71-79 (2005).
  15. Jeon, Y. J., et al. Structural and biochemical characterization of bacterial YpgQ protein reveals a metal-dependent nucleotide pyrophosphohydrolase. J Struct Biol. 195, 113-122 (2016).
check_url/55576?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Kim, M. I., Lee, C., Hong, M. Recombinant Protein Expression, Crystallization, and Biophysical Studies of a Bacillus-conserved Nucleotide Pyrophosphorylase, BcMazG. J. Vis. Exp. (123), e55576, doi:10.3791/55576 (2017).

View Video