Здесь мы представляем надежные и оптимизированные протокол для производства количествах миллиграмм родной, тег бесплатные мономеров и фибриллами exon1 белок гентингтин (Httex1) на основе переходных слияние мелких убиквитин соответствующий модификатор (сумо).
Болезнь Гентингтона (HD) является унаследованным смертельным нейродегенеративных заболеваний, вызванных расширением CAG (≥36) в первом экзона гена HD, что приводит к экспрессии белка гентингтина (НТТ) или N-терминальный фрагменты их с расширенной Хантингтона ( участок polyQ).
Exon1 белок гентингтин (Httex1) — маленький фрагмент Htt, который повторяет многие из особенностей HD в сотовых и животных моделей и является одним из наиболее широко изучены фрагментов Htt. Маленький размер Httex1 делает его экспериментально более пригодным для биофизические характеристики с использованием стандартного и высокого разрешения методов по сравнению с больше фрагментов или полноразмерные Htt. Однако высокая агрегации склонность мутант Httex1 (mHttex1) с повышенной polyQ содержание (≥42) стало трудно развивать эффективное выражение и систем очистки для производства этих белков в достаточных количествах и сделать их доступными для Ученые из различных дисциплин без использования синтеза белков и других стратегий, которые изменяют родной последовательности белка. Мы представляем здесь надежную и оптимизированный метод для производства количество миллиграмм в родной, тег бесплатная Httex1 на основании переходных слияние мелких убиквитин соответствующий модификатор (сумо). Простота и эффективность стратегии позволит устранить необходимость использования неместных последовательности Httex1, таким образом делая этот белок более доступным для исследователей и улучшения воспроизводимость экспериментов в различных лабораториях. Мы считаем, что эти достижения будут также способствовать будущих исследований, направленных на разъяснение связи структура функция Htt, так развивающихся роман средств диагностики и терапии для лечения или замедлить прогрессирование HD.
HTT — 348 kDa белок и был вовлечен в несколько физиологических функций1. Когда Htt содержит расширенный polyQ региона более чем 36 остатков в его N-отель terminus, это вызывает HD2,3. HD патологии характеризуется клеточных включений в полосатом теле и коры головного мозга, что приводит к гибели нейронов и атрофией пораженных тканей4,5. Несколько фрагментов N-терминальный Htt, которые содержат повторить урочище polyQ были обнаружены в post-mortem мозги от HD пациентов и подуманы быть порождена протеолитических обработки белка гентингтина6. Последние исследования показывают, что Httex1 также может быть сформирован из-за ошибочной сплайсинга мРНК. Httex1 содержит патологических polyQ мутации и его гиперэкспрессия в животных можно резюмировать многие из ключевых особенностей HD7, таким образом подчеркнув возможной центральную роль этого фрагмента в HD патологии и болезнь прогрессии6, 8,9.
Из-за высокой агрегации склонность мутант Httex1 (mHttex1) с расширенной polyQ тракта, большинство существующих систем выражения основаны на переходных фьюжн Httex1 белков (например, глутатион S-трансферазы (GST), thioredoxin (TRX) или мальтоза привязки белка (MBP) и/или пептиды (поли гистидин), которые дифференцировано улучшить ее выражение, стабильность, очистки или растворимость10,11,12,,13,14 ,,1516,,1718,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28. Fusion партнером связан с Httex1 с короткой последовательность, содержащую сайт расщепления для протеаз например трипсина, табачные etch протеазы вируса (TEV) или PreScission для расщепления и выпуска Httex1 до начала агрегации или очистки. Недостатки этих методов включают возможность оставить дополнительные остатки из-за не бесследного расщепления и создание усеченного фрагментов из-за miscleavage в пределах последовательности Httex1, помимо неоднородности вследствие неполного расщепления) см Vieweg et al. для более углубленного обсуждения на преимущества и недостатки этого подхода)10. Чтобы устранить эти ограничения, мы недавно разработала стратегию выражение, позволяя Генерация тегов бесплатно родной Httex1 в первый раз, используя переходных N-терминальный слияние Synechocystis sp. (Ssp) DnaB intein Httex110. В то время как intein расщепление бесследного и конкретными и дает мг количество белков, он все еще страдает два недостатка, которые могут уменьшить урожайность: а именно, преждевременной расщепление intein, которые могут произойти во время выражения и тот факт, что раскол происходит через несколько часов, которые могут привести к потери белка благодаря агрегации, особенно для Httex1 с расширенной polyQ повторяется.
Для устранения этих недостатков и совершенствовать нашу стратегию для производства родной, тег свободный Httex1, мы разработали новую систему выражение на основе переходных фьюжн сумо, более точно гомолога дрожжи СМТ3 к Httex1. Применение системы сумо для производство рекомбинантных белков был впервые опубликован в 2004 году29, где было продемонстрировано повышенную ставку выражения и растворимость сумо синтез белка. СУМО тег может быть расщепляется помощью убиквитин как белка конкретных протеазы 1 (ULP1), который не требует признания сайт, но признает Третичная структура сумо и практически исключает возможность miscleavage30. Кроме того ULP1-опосредованной расщепления быстро и бесследное и не оставляют дополнительные остатки. Преждевременная расщепления фьюжн тега, как заметил с автокаталитических intein10, полностью избежать требование внешней протеазы. В то время как стратегия сумо в настоящее время широко используется для рекомбинантных белков производство31,,3233, мы демонстрируем в настоящем документе, что это особенно полезно для поколения неразрывно расстройствами, агрегирование подверженных, amyloidogenic белков, таких как Httex1. Мы считаем, что простота, эффективность и надежность нашего метода на основе сумо фьюжн сделает родной, тег бесплатные Httex1 более доступным для исследователей из различных дисциплин и устранить необходимость использования неместных последовательности Httex1 в пробирке . Это важный шаг вперед, что облегчит будущие исследования для прояснения связи структура функция Httex1.
Протокол описывает очистка Httex1 от 12 Л бактериальной культуры, но протокол могут быть легко адаптированы для меньшего или большего масштаба производства. Протокол описывает производства дикого типа Httex1 (wtHttex1) с polyQ повторить Длина ниже (23Q) и мутанта Httex1 (mHttex1) с polyQ повторить длина выше (43Q) патогенных порог (36Q).
В этом протоколе, мы наметили эффективной процедуры для получения количества миллиграмм родной, непомеченные Httex1 содержащий остатков глутаминовой 23 или 43. Это было достигнуто путем выражения Httex1 как C-терминал fusion его6-сумо тег, который используется для изоляции синтез белка от lysate клетки IMAC и расщепляется до ВЭЖХ очистки Httex1. В то время как стратегия сумо был использован в производстве ряда других белков, наш метод показывает, что уникальные свойства сумо также могут быть использованы для создания неразрывно расстройством, подверженных агрегации, amyloidogenic белок, который ранее оказались чрезвычайно трудно обрабатывать и производят4443,. Мы представляем протокол, простой, легкий в использовании и сопоставимых протокол для поколения «хорошо себя» белка. СУМО fusion solubilizes и стабилизирует Httex1 во время выражения и шаг очищение IMAC. Преждевременное расщепления тега, как заметил с intein стратегии10 и агрегации больше не были проблемой.
Неразрывно неупорядоченных белки являются особенно подвержены деградации. В то время как N-терминальный деградации в регионе N17 является не вопросом, используя этот протокол, усечения в ОД Httex1 может произойти. Как усеченный белки являются очень похож на Httex1, гидрофобность и размер, удаляя их газохроматографического средствами является сложной задачей, таким образом это лучше, чтобы предотвратить их образование в первую очередь. Отклонившись протокол, всегда работает на льду и с помощью достаточное количество ингибитора протеазы должны помочь сохранить уровень наблюдаемых усечения очень низкая. Применение тега сплавливание на C-конечная Httex1 может удалить усечения в ПДР легко как усеченный белка потеряет близости тег также. Однако если родной последовательности должна быть сохранена, что этот параметр не может применяться как Httex1 заканчивается пролина и в меру наших знаний есть теги Фьюжн не C-терминала, которые известны побудить бесследного и эффективного расщепления после пролина.
Наиболее важной частью протокола является обработка Httex1, освобожден после расщепления сумо тега ULP1. Протеин следует немедленно неразделимая RP-ВЭЖХ. К счастью это эффективной и быстрой реакции, которая завершается обычно в 10-20 мин при 4 ° C. В противоположность этому intein стратегия требуется несколько часов для полного расщепления intein, таким образом, требует компромисса между неполного расщепления и начало агрегации для того чтобы увеличить урожайность. Быстрой обработки требуется для мутантов Httex1, как он начнет агрегировать при сравнительно высокой концентрации в реакции расщепления, тогда как вариант 23Q стабильным в течение длительного времени. Во время очистки RP-ВЭЖХ, еще одно преимущество сумо становится очевидным: в то время как Ssp DnaB intein гидрофобных и сильно прилипает к столбцу, сумо более гидрофильных и полностью elutes в столбце обратная фаза C4. Хотя коммерческие ULP1 является довольно дорогостоящим, белок может выпускаться в высокодоходных после ранее опубликованные протоколы29легко.
Важное значение применения протокола дезагрегирования перед использованием Httex1 не может быть подчеркнуто достаточно. Лиофилизированные polyQ белков, таких как Httex1 являются стабильными и может быть хранимой длительных периодов, но не полностью растворим в воде и буферов. Наличие предварительно олигомеров или фибриллами может иметь значительное влияние на кинетику агрегации и биофизические свойства белка45. Протокол дезагрегирования, описанный здесь позволяет дезагрегирования белка, удаление предварительно агрегатов и поколения раствора мономерных Httex1 от лиофилизированные образца. Мы наблюдали аналогичные агрегации кинетики и фибриллярных морфологии для Httex1, полученные с сумо и intein стратегии.
По сравнению с предыдущими методами для производства Httex1, сумо стратегии, описанные здесь предлагает несколько преимуществ и расширяет спектр возможных исследований для изучения структуры и функциональных свойств этого белка в здоровье и болезни. СУМО-Httex1 синтез белка прост в обращении, может быть заморожен и хранится или хранится в решение для 24 ч при комнатной температуре, в то время как свободный mHttex1 бы агрегировать быстро. Стабильность и высокая растворимость белков фьюжн сумо-Httex1 обеспечивают большую гибкость для манипуляции белка и/или ферментативные и химические изменения в mHttex1, что в противном случае не будет возможно после расщепления. Это включает в себя введение столб-поступательные изменения, флуорофоров, спина этикетки, биотин Теги и т.д. авансы, представленные здесь должно 1) облегчить будущие исследования для выяснения отношений структура функция Httex1; 2) генерировать новые инструменты для расследования Htt агрегации и распространения патологии; 3) содействовать развитию новых анализов для выявления молекулы, которые стабилизируют мутант Httex1 и предотвратить его агрегирования; и 4) поощрять ученых из других областей довести работу на этот белок и присоединиться к нашей поиски, чтобы найти лекарства от болезни Гентингтона.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа финансировалась главным образом за счет субсидий Фонд CHDI и Швейцарский Национальный научный фонд. Мы благодарим д-ра Софи Vieweg для полезных обсуждений при разработке этой новой системы выражения и другие члены группы Lashuel для обмена их опытом с этой системой выражение и для их ввода и ценную обратную связь. Мы также благодарим профессор Оливер моделях за предоставление ULP1 плазмиды. Авторы благодарят д-р Джон Уорнер и доктор Сентил K. Thangaraj для критического обзора манускрипта
Uranyl formate (UO2(CHO2)2) | EMS | 22450 | |
Formvar/carbon 200 mesh, Cu 50 grids | EMS | FCF200-Cu-50 | |
High Precision Cell made of Quartz SUPRASIL 1 mm light path from Hellma Analytics | HellmaAnalytics | 110-1-40 | |
Buffer Substance Dulbecco's (PBS w/o Ca and Mg) ancinne ref 47302 (RT) SERVA | Witech | SVA4730203 | |
Ampicillin | AxonLab | A0839.0100 | |
Luria Broth (Miller's LB Broth) | Chemie Brunschwig | 1551.05 | |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | AxonLab | A1008.0025 | |
E. coli B ER2566 | NEB | NEB# E4130 | |
Imidazole | Sigma | 56750-500G | |
cOmplete Protease Inhibitor Cocktail | Roche | 4693116001 | |
Anti-Huntingtin Antibody, a.a. 1-82 | Merck Millipore Corporation | MAB5492 | |
IRDye 680RD Goat anti-Mouse IgG (H + L) | Licor | 925-68070 | |
PMSF | AxonLab | A0999.0005 | |
HisPrep 16/10 column | GE Healthcare | 28936551 | |
C4 HPLC column | Phenomenex | 00G-4168.P0 | 10 µm C4 300 Å, LC Column 250 x 21.2 mm, Phenomenex, 19×10 mm guard column, not temperature jacketed |
Acetonitrile HPLC | MachereyNagel | C2502 | |
Filtre seringue Filtropur S 0,45 ul sans prefiltre sterile | Sarstedt AG | 83.1826 | |
Spectrophotometer semi-micro cuvette | Reactolab S.A. | 2534 | |
Superloop, 1/16" fittings (ÄKTAdesign), 50 ml | GE Healthcare | 18111382 | |
Trifluoroacetic acid | Sigma | 302031 | |
GREINER Tubes fo FPLC 16 x 100 mm, cap. 12.0 ml | Greiner Bio-One | 7.160 102 | |
100 kD Microcon fast flow filters | Merck Millipore Corporation | MRCF0R100 | |
Vibra-cell VCX130 ultrasonic liquid processor | Sonics | ||
Äkta 900 equipped with a fraction collector | GE Healthcare | ||
Jasco J-815 Circular Dichroism | Jasco | ||
Waters UPLC system | Waters | C8 BEH acquity 2.1×100 mm 1.7 micron column , preheated column (40 °C), flow rate of 0.6 mL/min, injection volume of 4 μL | |
waters HPLC system | Waters | 2489 UV detector and 2535 quaternary gradient module, 20 mL loop in a FlexInject housing | |
ESI-MS: Finnigan LTQ | Thermo Fisher Scientific | ||
lyophylizer instrument | FreeZone 2.5 Plus | ||
Tecnai Spirit BioTWIN | FEI | electron microscope equipped with a LaB6 gun and a 4K x 4K FEI Eagle CCD camera (FEI) and operated at 80 kV | |
37 °C shaking incubator | Infors HT multitron Standard | ||
Biophotometer plus | Eppendorf |