Biokemiska och strukturella analyser av glykosylerat proteiner kräver relativt stora mängder homogena prover. Här presenterar vi en effektiv kemisk metod för platsspecifika glycosylation av rekombinanta proteiner renas från bakterier genom att rikta reaktiva Cys tioler.
Stromaceller interaktion celladhesionsmolekyl-1 (STIM1) är en typ-jag transmembrane protein ligger på endoplasmatiska nätverket (ER) och plasma membran (PM). ER-resident STIM1 reglerar aktiviteten av PM Orai1 kanaler i en process som kallas lagra manövrerade kalcium (Ca2 +) inträde som är huvudsakliga Ca2 + signalering processen som driver immunsvaret. STIM1 genomgår posttranslationella N– glycosylation på två luminala Asn platser inom Ca2 + fjärranalys domänen av molekylen. Dock den biokemiska, biofysiska, och struktur biologiska effekter av N– glykosylerat STIM1 förstods dåligt tills nyligen på grund av en oförmåga att lätt få höga halter av homogena N– glykosylerat protein. Här, beskriver vi genomförandet av ett in vitro- kemiska tillvägagångssätt som tillmäter specifikt protein platser gäller att förstå underliggande inverkan på Proteiners struktur och mekanism av N– glycosylation glukosenheter. Med hjälp av lösning kärnmagnetisk resonansspektroskopi bedöma vi både effektiviteten av ändringen samt de strukturella konsekvenserna av glukos tillbehöret med ett enda prov. Detta tillvägagångssätt kan lätt anpassas för att studera de otaliga glykosylerat proteiner som finns i naturen.
Lagra manövrerade kalcium (Ca2 +) post (SOCE) är den huvudsakliga vägen som immunceller tar upp Ca2 + från extracellulära i cytosolen. I T-lymfocyter binder T-cellreceptorer ligger på plasmamembranet (PM) antigenerna som aktivera proteinet tyrosinkinas (ses i 1,2,3). En fosforylering kaskad leder till aktivering av fosfolipas-γ (PLCγ) som därefter förmedlade hydrolys av membran fosfatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) till diglyceridolja och inositol 1,4,5-trisphosphate (IP-3 ). IP3 är en liten diffusible budbärare som binder till IP-3 receptorer (IP3R) på det endoplasmatiska retiklet (ER) därmed öppna denna receptor kanal och tillåter Ca2 + att rinna ner koncentrationsgradient från akuten lumen till cytosolen (ses i 4). Receptorn signalering från G-protein kopplade och tyrosin Kinas receptorer i en mängd andra hetsiga och icke-retbara cell typer bly på samma produktion av IP3 och aktivering av IP3Rs.
På grund av ändliga Ca2 + lagringskapaciteten av ER, IP-3-medierad release och resulterande ökning cytosoliska Ca2 + är endast övergående; emellertid, denna utarmning av den ER luminala Ca2 + djupt effekter stromal interaktion celladhesionsmolekyl-1 (STIM1), en typ-jag transmembrana (TM) protein som mestadels finns på ER membran 5,6,7. STIM1 innehåller en lumen-orienterade Ca2 + fjärranalys domän består av en EF-hand par och sterila α-motiv (EFSAM). Tre cytosoliska-orienterade dubbeltvinnade domäner skiljs från EFSAM genom den enda TM domänen (över 8). Vid ER luminala Ca2 + utarmning genomgår EFSAM en destabilisering-kopplade oligomerisering 7,9 som orsakar strukturella rearrangements av TM och dubbeltvinnade domäner 10. Dessa strukturella förändringar kulminera i en svällning av STIM1 ER-PM korsningar 11,12,13,14 genom interaktioner med PM phosphoinositides 15, 16 och Orai1 subenheter 17,18. Orai1 proteiner är PM subunitsna som monterar till form Ca2 + kanaler 19,20,21,22. STIM1-Orai1 interaktioner i ER-PM korsningar underlätta en öppen Ca2 + release aktiveras Ca2 + (CRAC) kanal konformation som möjliggör förflyttning av Ca2 + till cytosolen från de höga koncentrationerna av den extracellulära. I immunceller, den ihållande cytosoliska Ca2 + förhöjt via CRAC kanaler inducera de Ca2 +– calmodulin/kalcineurin beroende Defosforylering av nuclear factor av aktiverade T-celler som därefter in i kärnan och börjar Transkriptionsreglering av gener att främja T-cells aktivering 1,3. Processen för CRAC kanal aktivering av STIM1 23,24 via agonist-inducerad ER luminala Ca2 + utarmning och den resulterande ihållande cytosoliska Ca2 + höjden kallas kollektivt SOCE 25. SOCE i T-cellerna vitala roll framgår av studier som visar att ärftliga mutationer i både STIM1 och Orai1 kan orsaka svår kombinerad immunbrist syndrom 3,19,26, 27. EFSAM initierar SOCE efter avkänning ER-luminala Ca2 + utarmning via förlust av Ca2 + samordning på den kanoniska EF-handen, vilket slutligen leder till destabilisering-kopplade själv association 7, 28,29.
Glycosylation är kovalent fastsättning och bearbetning av oligosackarid strukturer, även känd som glycans, genom olika biosyntetiska stegen i ER och Golgi (över 30,32,33). Det finns två dominerande typer av glycosylation i Eukaryoter: N-länkade och O-kopplad, beroende på specifik aminosyra och atom överbrygga kopplingen. I N– glycosylation, glycans är kopplade till den side chain amiden av Asn, och i de flesta fall uppstår det inledande steget i ER som polypeptiden kedjan flyttar in i lumen 34. Det första steget av N– glycosylation är överföring av en fjorton-socker kärna struktur består av glukos (Glc), mannos (Man) och N– acetylglukosamin (GlcNAc) (dvs Glc3Man9GlcNAc2) från en ER membran lipider av en oligosaccharyltransferase 35,36. Ytterligare steg, exempelvis klyvning eller överföring av glukos rester, är katalyseras i ER av specifika glycosidases och glykosyltransferaser. Vissa proteiner som lämnar ER och flytta in i Golgi kan finnas ytterligare bearbetade 37. O– glycosylation avser tillägg av glycans, oftast till side chain hydroxylgruppen Ser eller Thr resthalter, och denna ändring sker helt i den Golgi komplex 33,34. Det finns flera O– glycan strukturer som kan bestå av N– acetylglukosamin, fukos, galaktos och sialic acid med varje monosackarid lagt till sekventiellt 33.
Medan ingen specifik sekvens har identifierats som förutsättning för många typer av O– glycosylation, en gemensam samsyn sekvens har associerats med N-länkade modifiering: Asn-X-Ser/Thr/Cys, där X kan vara någon aminosyra Förutom Pro 33. STIM1 EFSAM innehåller två av dessa samförstånd N– glycosylation platser: Asn131-Trp132-Thr133 och Asn171-Thr172-Thr173. Tidigare studier har faktiskt visat att EFSAM kan vara N– glykosylerat i däggdjursceller vid Asn131 och Asn171 38,39,40,41. Men tidigare studier av konsekvenserna av N– glycosylation på SOCE har inkonsekvens, vilket tyder på undertryckt, betablockerare eller ingen effekt av denna posttranslationella modifieringen på SOCE aktiveringen 38,= ”xref” > 39,40,41. Forskning om underliggande biofysiska, biokemiska och strukturella konsekvenser av EFSAM N– glycosylation är således mycket viktigt att begripa de rättsliga effekterna av denna ändring. På grund av kravet på för höga nivåer av homogena proteiner i dessa in vitro- experiment tillämpades en webbplats-selektiv strategi att fästa kovalent glukosenheter EFSAM. Intressant, orsakade Asn131 och Asn171 glycosylation strukturella förändringar som konvergerar inom den EFSAM kärnan och öka biofysiska egenskaper som främjar STIM1-medierad SOCE 42.
Kemisk fastsättning av glycosyl grupper till Cys tioler har varit väl etablerade av ett banbrytande arbete som först visat nyttan av detta enzym-fri sätt att förstå glycosylation platsspecifika effekter på protein funktion 43 , 44. mer nyligen och med avseende på STIM1, Asn131 och Asn171 rester var muterat till Cys och glucose-5-(methanethiosulfonate) [glucose-5-(MTS)] användes kovalent länka glukos till gratis tioler 42. Här, beskriver vi detta synsätt som inte bara använder mutagenes för att införliva specifika Cys restmängder för modifiering, men gäller även lösning kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi för att snabbt bedöma både modifiering effektivitet och struktur störningar till följd av glycosylation. Noterbart här allmän metod är lätt anpassningsbar för att studera effekterna av antingen O– eller N– glycosylation någon recombinantly produceras protein.
Protein glycosylation är en post-translationella ändring där socker är kovalent kopplade till polypeptider främst genom kopplingar till aminosyra sida kedjor. Så många som 50% av protein från däggdjur är glykosylerat 54, där glykosylerat proteinerna kan därefter ha ett varierat utbud av effekter från att ändra Biomolekylär affinitet, påverka protein vikning, att ändra kanal verksamhet, inriktning molekyler för nedbrytning och cellulära människohandel, för att nämna några (ö…
Denna forskning stöddes av de naturliga vetenskaperna och Engineering Research Council of Canada (05239 till PBS), kanadensiska Institutet för Innovation/Ontario forskningsfond (till PBS), prostata Cancer slåss Foundation – Telus Ride för pappa (till PBS) och Ontario Graduate stipendium (till Y.J.C. och N.S.).
Phusion DNA Polymerase | Thermo Fisher Scientific | F530S | Use in step 1.3. |
Generuler 1kb DNA Ladder | Thermo Fisher Scientific | FERSM1163 | Use in step 1.6. |
DpnI Restriction Enzyme | New England Biolabs, Inc. | R0176 | Use in step 1.8. |
Presto Mini Plasmid Kit | GeneAid, Inc. | PDH300 | Use in step 1.16. |
BL21 DE3 codon (+) E. coli | Agilent Technologies, Inc. | 230280 | Use in step 2.1. |
DH5a E. coli | Invitrogen, Inc. | 18265017 | Use in step 1.9. |
0.22 mm Syringe Filter | Millipore, Inc. | SLGV033RS | Use in step 2.3. |
HisPur Ni2+-NTA Agarose Resin | Thermo Fisher Scientific | 88221 | Use in step 3.3. |
3,500 Da MWCO Dialysis Tubing | BioDesign, Inc. | D306 | Use in step 3.8, 3.16, 4.2, 4.5 and 4.6. |
Bovine Thrombin | BioPharm Laboratories, Inc. | SKU91-055 | Use in step 3.9. |
5 mL HiTrap Q FF Anion Exchange Column | GE Healthcare, Inc. | 17-5156-01 | Use in step 3.11. |
Glucose-5-MTS | Toronto Research Chemicals, Inc. | G441000 | Use in step 4.1. |
Vivaspin 20 Ultrafiltration Centrifugal Concentrators | Sartorius, Inc. | VS2001 | Use in step 3.11, 4.2, 4.5 and 4.6. |
PageRuler Unstained Broad Protein Ladder | Thermo Fisher Scientific | 26630 | Use in step 3.7, 3.10 and 3.15 |
HiTrap Q FF Anion Exchange Column | GE Healthcare, Inc. | 17-5053-01 | Use in step 3.12. |
AKTA Pure Fast Protein Liquid Chromatrography System | GE Healthcare, Inc. | 29018224 | Use in step 3.14. |
600 MHz Varian Inova NMR Spectrometer | Agilent Technologies, Inc. | Use in step 5.2 and 5.5. |