Summary

酵素特性評価からハイスループットスクリーニングまでのアポリポタンパク質N-アシルトランスフェラーゼのクリックケミストリーベースの蛍光アッセイ(英語)

Published: May 13, 2020
doi:

Summary

ここでは、ジアシルグリセリルペプチドとアルキンリン脂質を基質としてクリックケミストリーを用いて、アポリポタンパク質N-アシルトランスフェラーゼ活性をモニターするための高感度蛍光アッセイを紹介します。

Abstract

プロテオバクテリア由来のリポタンパク質は、3つの内在性膜酵素の作用により膜リン脂質由来の脂肪酸によって翻訳後修飾され、トリアシル化タンパク質が得られます。リポタンパク質修飾経路の最初のステップは、ホスファチジルグリセロールからプロリポタンパク質へのジアシルグリセリル基の転移を含み、ジアシルグリセリルプロリポタンパク質をもたらす。第2の工程では、プロリポタンパク質のシグナルペプチドが切断されてアポリポタンパク質を形成し、アポリポタンパク質はリン脂質に由来する第3の脂肪酸によって修飾される。この最後のステップは、アポリポタンパク質N-アシルトランスフェラーゼ(Lnt)によって触媒されます。リポタンパク質修飾経路は、ほとんどのγプロテオバクテリアに不可欠であり、新規抗菌剤の開発の潜在的な標的となっています。ここで説明するのは、低分子阻害分子のハイスループットスクリーニングに適合するLntの高感度アッセイです。酵素と基質は膜に埋め込まれた分子です。したがって、in vitroテストの開発は簡単ではありません。これには、界面活性剤の存在下での活性酵素の精製、アルキンリン脂質およびジアシルグリセリルペプチド基質の利用可能性、および混合ミセルでの反応条件が含まれます。さらに、ハイスループットスクリーニング(HTS)セットアップで活性試験を使用するためには、共役酵素反応よりも反応生成物の直接読み出しが好ましい。この蛍光酵素アッセイでは、アルキントリアシル化ペプチド生成物はクリックケミストリー反応によって蛍光を発現し、マルチウェルプレートフォーマットで検出されます。この方法は、リン脂質やアシルCoAなどの脂肪酸含有基質を使用する他のアシルトランスフェラーゼにも適用できます。

Introduction

細菌リポタンパク質は、それらのアミノ末端において共有結合した脂肪酸によって特徴付けられ、それを通してそれらは膜に固定される1,2。タンパク質の成熟部分は構造および機能において非常に多様であり、それによって細菌細胞エンベロープにおける様々な生物学的過程におけるリポタンパク質の役割を説明する。

リポタンパク質は、細胞質膜への挿入後にリン脂質由来の脂肪酸によって修飾される。プロリポタンパク質は、アシル化される不変のシステイン残基および成熟タンパク質の最初のアミノ酸を含むシグネチャーモチーフであるリポボックスを含む。この経路の最初のステップは、ジアシルグリセリルとシステインの間のチオエーテル結合を介してホスファチジルグリセロールからプロリポタンパク質にジアシルグリセリル基を転移するプロリポタンパク質ホスファチジルグリセロール::d iacylグリセリルトランスフェラーゼ(Lgt)によって触媒されます。シグナルペプチダーゼII(Lsp)は、ジアシルグリセリルプロリポタンパク質からシグナルペプチドを切断し、ジアシルグリセリル部分を介して膜に固定されたアポリポタンパク質を生成します。最後の3番目のステップは、アポリポタンパク質N-アシルトランスフェラーゼ(Lnt)によって触媒され、リン脂質の sn-1位から脂肪酸をアポリポタンパク質に付加し、トリアシル化された成熟リポタンパク質を生成します(図1)3。Lnt反応は、安定なチオエステルアシル酵素中間体が形成される2段階のピンポン反応です。リゾリン脂質副産物は、反応の第2段階においてアポリポタンパク質基質のアシル化の前に放出される。

リン脂質基質特異性は、高パーセンテージのトリス-トリシン尿素SDS-PAGE4上のN-アシルジアシルグリセリルペプチドの移動度シフトに基づくLntアッセイで決定されます。小さな極性ヘッド基を有するリン脂質、飽和[sn-1]および非飽和[sn-2]は、基質4に好適であった。ゲルシフトアッセイは、アポリポタンパク質N-アシルトランスフェラーゼの広範な速度論的研究や、HTSが阻害分子を同定するのには適していません。アルキン脂肪酸を用いたクリックケミストリーは、細菌5のリポタンパク質修飾および真核生物6の脂肪酸代謝の研究に成功しています。最近、Rasパルミトイル化のインビトロアッセイにより、阻害剤7を同定することが報告されました。

ここで説明する方法では、界面活性剤中の精製された活性Lntは、混合ミセル中の基質と共にインキュベートされてアルキントリアシル化ペプチドを形成し、続いて蛍光分析によって検出される。

Protocol

1.酵素および基質の調製 酵素の精製 前述のように洗剤可溶化膜からLnt酵素を生成および精製する4,8。簡単に説明すると、C末端連鎖球菌タグを持つLntをコードするlnt-strep遺伝子の発現を、無水テトラサイクリン(200 ng / mL)で37°Cで16時間、0.6のOD600で誘導します。 4,000 x g で10分間遠心分離して細…

Representative Results

Lnt反応では、リン脂質由来の sn-1脂肪酸がジアシルグリセリルペプチド上に転移し、成熟トリアシル化ペプチド8が得られる。ここで説明するin vitro Lntアッセイは、アルキン脂肪酸(アルキン-POPE)およびFSL-1-ビオチンを含むリン脂質を基質として使用するように設計されており、その結果、アルキン-FSL-1-ビオチンが形成されます。アジド-FAMとのクリックケミストリー反?…

Discussion

ここで説明するLntアッセイのプロトコルは、トリアシル化生成物の蛍光検出に基づいて、高感度で再現性があります。ビオチンとストレプトアビジンの特異的かつ効率的な結合は、アッセイの重要な要素です。Lnt反応の完了後に残ったAlkyne-POPE基質もFAMで蛍光標識されますが、複数の洗浄ステップによってストレプトアビジンプレートに結合した後に効率的に除去されます。さらに、DMSOの添?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我々は、プロトコルに関する有益な提案をしてくれたパリパスツール研究所の技術資源研究センター(C2RT)のケモゲノミクスおよび生物学的スクリーニングプラットフォームのFabrice AgouとAlix Boucharlat、サポートと科学的議論のためのBGPBユニットのすべてのメンバー、および原稿の批判的な読書のためのSimon Legoodに感謝します。この研究は、カルノー感染症研究所およびカルノー微生物と健康研究所のグローバルケアイニシアチブ(15 CARN 0017-01および16 CARN 0023-01)によって資金提供されました。

Materials

Äkta Purifier FPLC system GE Healthcare NA Purity: NA
Lnt purification
alkyne-POPE Avanti Polar Lipids 900414P Purity: >99%
Lnt substrate
Azido-FAM Lumiprobe A4130 Purity: 100% (pure)
Click reagent
BioPhotometer Plus Eppendorf N/A Purity: NA
OD 600 nm
BioTek ELX 405 Select plate washer BioTek N° serie 115800, n° materiel 405 Select Purity: NA
Wash steps
biotin-fluorescein Sigma 53608 Purity: ≥90%
Fluorescence control
Copper(II) sulfate pentahydrate Sigma C3036 Purity: ≥98%
Click reagent
DDM Anatrace D310A Purity: ≥ 99% β+α; < 15% α
Detergent for Lnt purification
Dimethylsulfoxide (DMSO) Invitrogen D12435 Purity: anhydrous
Solbilization Click reagent
Electronic pipet Voyager 8 channels 0.5-12.5 uL INTEGRA 4721 Purity: NA
Handling reagents
French Pressure Cell N/A N/A Purity: NA
Cell disruption
FSL-1-biotin EMC microcollections L7030 Purity: NA
Lnt substrate
Greiner Bio-One 384-well standard CELLSTAR polystyrene microplate Greiner 781091 Purity: NA
Black with transparent bottom (up or bottom reading)
Greiner Bio-One 96-well sterile polystyrene plate, high binding Greiner 655097 Purity: NA
Black with transparent bottom (up or bottom reading)
Microplate reader Infinite M1000 pro Tecan N/A Purity: NA
Fluorescence detection
MTSES (sodium (2-sulfonatoethyl)methanethiosulfonate) Anatrace S110MT Purity: ~100%
Thiol specific inhibitor
Optically Clear Adhesive Seal Sheets Thermo Scientific AB-1170 Purity: NA
Foil to seal multi-well plate
Sephacryl S400 HR 16/60 gel filtration column GE Healthcare GE28-9356-04 Purity: NA
Lnt purification
StrepTactin Sepharose 50 % IBA Biotechnology 2-1201-010 Purity: NA
Lnt purification
streptavidin Sigma S4762-1MG Purity: ≥13 units/mg protein
Biotin binding
TBTA (tris[(1-benzyl-1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl]amine Sigma 678937 Purity: 97%
Click reagent
TCEP (tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride Sigma 75259 Purity: ≥98%
Click reagent
TECAN Infinite F500 Tecan N/A Purity: NA
Fluorescence detection
TECAN Infinite M1000 pro Tecan N/A Purity: NA
Fluorescence detection
Thermomixer C Eppendorf 5382000015 Purity: NA
Heated lid
Triton X-100 Sigma 93443 Purity: 10% in H2O
Lnt reaction buffer
Ultra centrifuge Beckman LC N/A Purity: NA
Cell fractionation

References

  1. Buddelmeijer, N. The molecular mechanism of bacterial lipoprotein modification–how, when and why. FEMS Microbiology Reviews. 39 (2), 246-261 (2015).
  2. Kovacs-Simon, A., Titball, R. W., Michell, S. L. Lipoproteins of bacterial pathogens. Infections and Immunity. 79 (2), 548-561 (2010).
  3. Jackowski, S., Rock, C. O. Transfer of fatty acids from the 1-position of phosphatidylethanolamine to the major outer membrane lipoprotein of Escherichia coli. Journal of Biological Chemistry. 261, 11328-11333 (1986).
  4. Hillmann, F., Argentini, M., Buddelmeijer, N. Kinetics and phospholipid specificity of apolipoprotein N-acyltransferase. Journal of Biological Chemistry. 286 (32), 27936-27946 (2011).
  5. Rangan, K. J., Yang, Y. Y., Charron, G., Hang, H. C. Rapid Visualization and Large-Scale Profiling of Bacterial Lipoproteins with Chemical Reporters. Journal of American Chemical Society. 132 (31), 10628-10629 (2010).
  6. Thiele, C., et al. Tracing fatty acid metabolism by click-chemistry. ACS Chemical Biology. 7 (12), 2004-2011 (2012).
  7. Ganesan, L., Shieh, P., Bertozzi, C. R., Levental, I. Click-Chemistry Based High Throughput Screening Platform for Modulators of Ras Palmitoylation. Science Reports. 7, 41147 (2017).
  8. Nozeret, K., Boucharlat, A., Agou, F., Buddelmeijer, N. A sensitive fluorescence-based assay to monitor enzymatic activity of the essential integral membrane protein Apolipoprotein N-acyltransferase (Lnt). Science Reports. 9 (1), 15978 (2019).
  9. Zhang, J. H., Chung, T. D., Oldenburg, K. R. A Simple Statistical Parameter for Use in Evaluation and Validation of High Throughput Screening Assays. Journal of Biomolecules Screening. 4 (2), 67-73 (1999).
  10. Mao, G., et al. Crystal structure of E. coli lipoprotein diacylglyceryl transferase. Nature Communication. 7, 10198 (2016).
  11. Vogeley, L., et al. Structural basis of lipoprotein signal peptidase II action and inhibition by the antibiotic globomycin. Science. 351 (6275), 876-880 (2016).
  12. Wiktor, M., et al. Structural insights into the mechanism of the membrane integral N-acyltransferase step in bacterial lipoprotein synthesis. Nature Communication. 8, 15952 (2017).
  13. Noland, C. L., et al. Structural insights into lipoprotein N-acylation by Escherichia coli apolipoprotein N-acyltransferase. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 114 (30), 6044-6053 (2017).
  14. Lu, G., et al. Crystal structure of E. coli apolipoprotein N-acyl transferase. Nature Communication. 8, 15948 (2017).
check_url/61146?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Nozeret, K., Pernin, A., Buddelmeijer, N. Click-Chemistry Based Fluorometric Assay for Apolipoprotein N-acyltransferase from Enzyme Characterization to High-Throughput Screening. J. Vis. Exp. (159), e61146, doi:10.3791/61146 (2020).

View Video