This protocol details the reconstitution of light-harvesting complexes in vitro. These integral membrane proteins coordinate chlorophylls and carotenoids and are responsible for harvesting light in higher plants and green algae.
在植物和绿藻,光被光捕获复合物(LHCs),一个家庭的整合膜蛋白的坐标叶绿素和类胡萝卜素的捕获。 在体内 ,这些蛋白质折叠和颜料以形成插入到类囊体膜复合物叶绿体。高的相似性,在家庭成员的化学和物理性质,与事实,他们可以隔离期间容易失去色素在一起,使他们在原生状态的净化有挑战性。一种替代的方法来获得LHCs的均质制剂是由Plumley和施密特于1987年1发达,谁表明,它能够重构这些配合物在体外从纯化的颜料和非折叠脱辅基蛋白启动,从而导致配合性质非常类似于天然复合物。这开辟了道路使用细菌表达的重组蛋白在体外 </eM>重建。该重建方法是有力各种原因:(1)可以得到各个复合物的纯制剂,(2)颜料组合物可被控制,以评估其贡献的结构和功能,(3)的重组蛋白可以被突变,以研究该官能个别残基( 例如,颜料的结合位点)或蛋白质结构域( 例如,蛋白质-蛋白质相互作用,折叠)的作用。此方法已被优化在几个实验室,并应用于大多数的光捕获复合物。这里所描述的协议细节重构目前在我们的实验室中使用的体外光捕获复合物的方法, 并提供描述该方法的应用例子。
植物和藻类的光合作用装置,包括结合叶绿素 a( 叶绿素 a)整合膜蛋白,B(叶绿素b)和类胡萝卜素(CAR)。这些色素蛋白复合物活性在收获光能和传送该激发能量向反应中心,在那里它被用于促进电荷分离2。他们还参与了保护高光损伤3,4光合机构的监管反馈机制。捕光复合物(LHCs)是由植物和藻类5大家族相关的蛋白质的。
该家族的每个成员的均相提纯变得复杂化的复合物的高度相似的化学和物理性质。此外,纯化方法通常会导致颜料或其它潜在的辅因子如脂类的损失, 在体外重组代表中TS的有力的方法来克服这些问题。与光系统II(LHC-II)相关联的LHC首先在体外通过Plumley和施密特重构于1987 1。研究者分别萃取脱脂蛋白和颜料从植物叶绿体,然后结合颜料的热变性蛋白在锂的存在下十二烷基硫酸盐(LDS),其次是冷冻和解冻1的三个周期。它们表明,重新构成的LHC配合物的光谱特性非常相似,配合物从植物纯化。再造LHC色素蛋白复合物,可能是由于一些固有的自组装特性,以及从生物中分离纯化物的难度容易,导致了快速采用其他研究人员的方法。过量表达大肠杆菌 ( 大肠杆菌 ),光合蛋白的重建是由保尔森和他的同事在1990年6实现的。在大肠杆菌大肠杆菌,过度膜蛋白通常包含在包涵体,其设施的净化。重构是通过含有重组蛋白在LDS的存在下,包涵体,然后加入颜料,它启动了蛋白质折叠的热变性来实现。折叠LHCII复杂的是一个两步骤的过程:首先, 叶绿素a,势必在少于1分钟;第二, 叶绿素 b的约束,并稳定在几分钟内7。
除了 提供洞察折叠动力学, 在体外重组结合位点定向诱变已允许的特定氨基酸对稳定性很重要( 例如,8,9)或颜料协调的标识( 例如,10)。复性,通过调整参数,如颜料的组合物或清洁剂的条件的操作还确定元素critica升的适当折叠,如叶黄素为LHCII复杂的要求( 例如,1,11)。此外,结合到复合物个体的颜料的特性调查使用复合物重新溶解在体内有可能( 例如,10)。
这里所描述的方法开始的颜料从菠菜隔离(叶绿素和类胡萝卜素)和绿藻莱茵衣藻。从E来 LHC蛋白的表达和纯化大肠杆菌中包涵体的形式,然后详细描述的,其次是LHC的重构和随后的纯化用Ni亲和柱。在最后的步骤中,将重建的复合物是通过蔗糖梯度离心进一步纯化以除去游离的颜料和非折叠脱辅基蛋白。该协议代表了一个优化过程结合了若干修改已推出了不同的实验室对时间1,6,10,12 -14。
膜蛋白是不那么容易学习。天然膜蛋白的分离中所需要增溶脂质双层带洗涤剂,它可以破坏蛋白质和除去必要的辅因子复杂。这些蛋白质也可能含有低含量的生物膜,或与密切相关的蛋白质混合时,如在光捕获复合物的情况下,这使得单个复合物难以纯化。在大肠杆菌中的异源蛋白的表达大肠杆菌和体外重组 提供了避免这些问题的可能性。 在体外重组和折叠的蛋白纯化的结果在于,具备特征非常类似于天然复合物20,21,23,因而可用于研究,不能纯化至均质24复合物– 27。
此方法使用菠菜,这是很容易attainab乐全年,作为总色素和类胡萝卜素制剂的来源。蛋白质天然藻类的一些reconstitutions,使用颜料从藻类提纯的优选由于不同颜料的组合物。不管色素源的叶绿素 a / b比值,叶绿素/车比例保持不变。
要认识到,重组的效率通常为约35%,28是很重要的。因此,有必要从重构后的溶液中除去未结合的色素和展开的脱辅基蛋白。两步纯化方案,提出在此协议(也见结果)。然而,应该指出的是,蔗糖梯度步骤不允许载脂蛋白和全息蛋白的完全分离。对于大多数分析,这是没有问题的,因为脱辅基蛋白不含有颜料,因而不与功能性的测量产生干扰。然而,如果有必要从FR完全去除脱辅基蛋白含有该重组复合物(例如,为了计算颜料与蛋白质的化学计量)的动作,阴离子交换柱可以使用(参见Passarini 等 ,2009 29详细说明)。
的能力,以重折叠的重组捕光蛋白与分离的颜料在体外提供一个机会通过修改重建“环境”以不同的方式,从而改变所得到的复合体的特征为“操纵”的复合物。例如,重组过程中改变了色素成分可能会导致与改变色素成分复杂。此功能可以用于研究影响各种颜料对配合物的结构和稳定性。通常是从菠菜中获得的颜料制剂有3 叶绿素 a / b比值:1和2.9 CHL /汽车之比为2:1。该比率通常会产生改组后的蛋白质具有相同属性的第native之一。然而,调整的叶绿素a / b比值,加入纯化的叶绿素a或 b的可能影响因不同的结合位点30的选择性不同颜料的结合– 33。这是可能的,因为大多数的颜料结合位点也不是完全选择性的叶绿素a或叶绿素 b,而是可以容纳两个,虽然以不同的亲和力10,30,34。以类似的方式,将类胡萝卜素的结合位点也被示出,以便能够容纳一个以上的叶黄素物种8,35 – 38。 CP26,高等植物,使用各种颜料的组合物的另一种颜料-蛋白质复合物的不同reconstitutions示于表2 39。这些reconstitutions被用来评估的结合位点的特定颜料39的亲和力。有趣的是要注意,为了得到具有相同的色素c进行复杂omposition为原生的,颜料混合的叶绿素 a / b值必须是3:1。这似乎是高等植物20,40的所有LHC配合物的情况下。
分子生物学的重组技术的组合允许在更详细地研究了叶绿素结合复合物的性质。 44 –上的配合物,或它们中的蛋白-蛋白相互作用参与的稳定性和折叠的不同蛋白质结构域的重要性,已通过截断的脱辅基蛋白或进行随机诱变8,41决定。 52 –单个氨基酸残基的不同颜料的协调重要可以通过位点定向诱变,以分析个别颜料的性质或评估其对复杂10,28,29,45的功能和稳定性的贡献被改变。 图6示出重构Lhcb4(CP29)与组氨酸的突变位216 53野生型和突变体复合物的颜料组合物的比较表明,该突变导致1叶绿素损失的分子,表明该目标部位容纳有叶绿素a在WT复杂。 WT和突变体的吸收光谱的差异,根据归一化的颜料含量,还示出了丢失的色素的吸收特性。在这种情况下,差可以看出,在680nm处的主峰,表明叶绿素a通过His216协调吸收这个波长(关于该突变体更多细节和光谱性质看莫佐等 ,2008 53)。突变分析也可用于确定环境对颜料54的光谱特性的影响。
总之,捕光蛋白可容易地在体外重建导致颜料的proteiÑ配合非常相似的性质天然复合物。以这种方式,分离的天然蛋白的困难被消除,同时还提供蛋白质制剂具有高产率和高纯度的进一步研究。一3的重要性:1 叶绿素 a / b比值在制造复杂的地道强调,并提供了被重组野生型和突变型LHCs的例子来说明该技术的应用。
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the European research council by a ERC starting/consolidator grant to RC and by the Dutch Foundation for research on matter (FOM) via a FOM program (10TM01).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
HisTrap HP | GE Healthcare | 17-5247-01 | |
Nylon cloth | 20 μm pores | ||
Soft artists paint brush | |||
NONIDET P-40 | Sigma | 74385 | |
Beta-DM | Sigma | D4641 | |
DNAase | ThermoScientific | EN0525 | |
Milk Powders | |||
RNAase | ThermoScientific | EN0531 | |
Sonicator | |||
Octyl β-D-glucopyranoside | Sigma | O8001 | |
Ultracentrifuge XL | Beckman-Coulter | ||
TAP medium | see reference 17 | ||
LB medium | see reference 19 |