Здесь мы представляем собой протокол для производства и очистки белков, которые помечены с стабильных изотопов и последующая характеристика белок белковых взаимодействий с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) спектроскопии и микромасштабной Thermophoresis (MST) эксперименты.
Волокнистых белков, таких как виментин предоставляют Организации внутри клетки, обеспечивая структурный леску с сайтами, которые связывают белки, содержащие plakin повторяется. Здесь протокол для обнаружения и измерения такого взаимодействия описываются с помощью шаровых plakin повторить домен envoplakin и спирально катушка виментин. Это обеспечивает основу для определения ли протеин связывает виментин (или аналогичных волокнистых белков), а также для измерения соответствия взаимодействия. Глобулярных белков интерес помечены 15N и титруют с виментин белка в растворе. Двумерный спектр ЯМР приобретается для обнаружения взаимодействия путем наблюдения изменений в пик формы или химические сдвиги и для выяснения последствий решения условий, включая соли, которые влияют виментин четвертичной структуры. Если протеин интереса связывает нитчатые лиганд, привязки взаимодействия количественно по MST, с использованием очищенных белков. Этот подход является простым способом для определения ли протеин интереса связывает нити и оценки, как изменения, например мутации или условий урегулирования, влияют на взаимодействие.
Взаимодействие между белками позволяют создание молекулярных машин, которые создают порядок внутри клетки. Отдельные взаимодействия часто слабы, но обычно способствуют многовалентных комплексов, которые могут быть совместные и динамически регулируемых. Чувствительные анализы, которые обеспечивают атомной резолюции и количественной информации о таких сложных взаимодействий необходимо вывести механизмов и разработка мероприятий таких наркотиков, как молекулы. ЯМР-спектроскопия является эффективным методом для получения такой информации о взаимодействии белков, а также используется для быстрого скрининга для лигандов, включая те, которые связывают слабо1. NMR методах можно разделить на те, которые следует соблюдать белка или наблюдать лиганда. Эта рукопись использует первый подход, в котором приобретается спектр стабильный изотоп, помечены белок, который является сравнительно небольшой (обычно под 20 кДа) и титруют немеченого лиганда. Это позволило помечены остатков участвующих во взаимодействии сопоставляемых в благоприятных случаях. После сложных форм, есть изменения в химических сред взаимодействующих остатков, которые проявляются как изменения в химический сдвиг и форма их NMR сигналов. Степень таких изменений коррелирует со степенью участия этих групп в области взаимодействия. Химический сдвиг возмущений (CSP) может измеряться путем сравнения серии NMR спектров белка, собранных в отсутствие и наличие различную лиганд. Для более крупных лигандами или сложных взаимодействий изменения в пик формы или интенсивности может быть измерена вывести взаимодействий.
Наиболее распространенными 2D эксперимент, используется для обнаружения взаимодействия лигандов- 15N-гетероядерных одного квантовые корреляции (HSQC) эксперимент2. Это требует, чтобы один белок равномерно помечены 15N, который обычно достигается путем выражения их как сродство тегами версий в E. coli бактериальных культурах, выращиваемых в 15N-обогащенного СМИ. Привязка является очевидной, когда накладываются спектры HSQC, собранных в ходе титрования, показывая изменения пик для подмножества остатков, участвует в формировании комплекса. Взаимодействие может происходить в режиме быстрого обмена, где сигналы свободной и лиганд насыщенный состояния свернуть в одной популяции в среднем пик. Кроме того в случае медленного обмен между государствами, как сигналы наблюдаются с интегралов, которые представляют собой их относительной суммы. В то время как ЯМР lineshape анализ может использоваться для оценки привязки сходство в некоторых случаях, такие методы, как MST также оказались удобной и обеспечивают перекрестной проверки подлинного взаимодействия.
Приведенный пример имеет двух белков, обнаруженных в пределах десмосом. Они посредником соединения между поверхностями клеток и цитоскелета и разносторонним взаимодействие между машинами адгезии клеток и промежуточные филаменты для поддержания целостности кожи и ткани сердца и выдерживать из перерезывающих сил. Заболевания может привести при desmosomal белков, таких как десмоплакином или виментин скомпрометированы мутации или аутоантител, привело к дестабилизации ячеек развязок, и поэтому их взаимодействия имеют решающее значение3. Структурной основой Связывание лиганда desmosomal белков может характеризоваться ЯМР спектроскопии, в то время как взаимодействия могут быть количественно в MST. Здесь методы были использованы для описания взаимодействия между plakin повторить домены (PRDs), которые часто присутствуют как тандемные наборы, которые предлагают основные канавки и виментин, промежуточного накаливания, который взаимодействует через мультикислотный поверхностный, предлагаемых его винтовой Комплект4. Эти комплексы формируются на клеточные мембраны, где они якорь для промежуточных филаментов цитоскелета клетки к десмосомы, которые подключаются к смежных ячеек, формируя таким образом сеть клей облигаций, которые излучает всей ткани.
2D 15N-решена NMR эксперимент является одним из наиболее широко используемых методов, чтобы показать, как две молекулы взаимодействуют. Это наиболее информационно насыщенное метод, который позволяет обоим партнерам сигналы постоянно контролироваться на протяжении эксперимента титрования в государстве решения. Хотя обычно качественные в случае крупных комплексов, метод может также использоваться в благоприятных случаях для определения привязки сходство где NMR сигналов могут быть отслежены в высоким разрешением спектры. Где можно удобно сделал назначения, такие как в случае многих белков под 20 кДа в размер, сайтов связывания могут также быть сопоставлены. Дополнительные анализы как MST обеспечить количественную информацию о взаимодействии в решении и требуют меньше белка в неподписанном государствах. Сравнение мутант привязки данных является полезным для предоставления элементов управления для обеспечения подлинного взаимодействия подтверждается ЯМР линии расширения и не артефакты, например, агрегации или вязкости изменений.
Выражение протеина
Упорядочение процесса выражение уменьшает объем производства труда интенсивного белка. Частью этого процесса оптимизации включает в себя выявление соответствующих штамма E. coli рекомбинантных выражения протеина. Штамм предпочтений зависит от элементов, включая характер вектора в использовании и, более конкретно, конечная стабильность рекомбинантных белков, выразил7. Риск деградации гетерологичных белка, эндогенного E. coli протеаз может быть уменьшено использование протеазы несовершенным E. coli например BL21 штамма. Для генов, содержащих редких кодонов штамм например BL21-CodonPlus (DE3) RIPL может быть предпочтительным. Этот штамм сочетает протеазы несовершенным характер деформации BL21 дополнительные эндогенного копии редких кодон tRNAs аргинин, изолейцин, пролина и лейцин. В качестве альтернативы редкие кодонов, которые могут подорвать гиперэкспрессия может избежаться путем заказа кодон оптимизированная конструкция из коммерческих источников. Многие штаммы кишечной палочки доступны для экспрессии рекомбинантных генов, каждый оптимизированный для обхода конкретной проблемы во время выражения7. В случае этого исследования Стандартный протеазы несовершенным штамм BL21(DE3) производства достаточного количества растворимого белка для последующей очистки и анализа.
Очистка белков
Протокол очистки для данного белка часто является уникальным в том смысле, что каждый белок остается стабильной и растворимые в различных условиях, таких как температура, концентрация соли или рН. Общая эффективность очистки посредством Хромотография сродства также чувствительны к концентрации элюирующие видов, таких как имидазол на различные шаги во время процесса очистки. В этой работе условия критические буфера для IMAC были pH для E-PRD и концентрация имидазола для VimRod. PH 7.5 был обязан избегать осадков E-PRD, после первоначального элюции в столбце IMAC. Для очистки IMAC VimRod повышение концентрации имидазола от 30 до 50 мм на этапе стирки столбца было установлено значительное улучшение в чистоте окончательного элюции фракций. Для элюции шага повышение концентрации имидазола от 250 до 350 мм также было установлено улучшить доходность окончательного элюции. Первоначальные попытки элюировать протеина используя имидазол 250 мм привели к неполной элюции VimRod как показали окончательного 1 M имидазола полоса столбце (данные не показаны). Повышение концентрации имидазола до 350 мм для элюции было достаточно, чтобы восстановить все белка, привязанное к столбцу. S может служить двойной цели, потому что она действует как полировки шаг для очистки белков одновременно выполняя буфера обмена. Буфер обмена является важным шагом для анализа последующих привязки, так как она удаляет имидазола, используемый для элюировать белка His6-тегами. Он также служит возможность изменить условия, такие как концентрация соли или рН, которые могут повлиять на эффективность некоторых течению методы или анализов. Белки теплового сдвига (PTS) могут быть использованы для выявления оптимального буферы для вниз по течению анализов, особенно для тех, которые требуют стабильного белка для длительных периодов времени на комнатной температуре8,9.
Анализ привязки
Белок, подается свежеприготовленный имеет решающее значение для точной привязки анализов, хотя замороженных белка также может быть использован до тех пор, как сравниваются результаты. Волокнистых белков, таких как виментин multimerize в соли и рН зависит от моды, и поэтому решение состояние нужно быть оптимизированы и олигомерные состояние оценивается с помощью метода, например SEC10,11, Динамическое рассеяние света 12 или аналитических ultracentrifugation13,14,15. ЯМР-спектроскопия хорошо подходит для измерения взаимодействия лигандов малых белков в атомной резолюции. Однако, когда белок взаимодействует с большие молекулы, наступает медленнее упасть, и это приводит к потере сигналов, которые могут подтвердить привязки, хотя это не обязательно позволяет отображение привязки сайтов, которые также потребует уступки по крайней мере позвоночника резонансов. В этом случае ЯМР эксперименты не позволяют идентифицировать сайта взаимодействия. Поэтому сайт направлен мутагенеза применяется для выявления критических остатков, необходимые для привязки. Поэтому такие мутанты не проявляют потери сигнала. В этом протоколе мутант форме с заменой в позиции 1914 сохраняет пика интенсивности в присутствии VimRod и поэтому подтверждает нарушение взаимодействия E-PRD и VimRod. Уступка позвоночника и sidechain резонансов бы добавить значение в этот подход, особенно как структура для бесплатный E-PRD была решена путем рентгеноструктурного4. Будущие приложения ЯМР включают характеристика сложных взаимодействий между больших молекул и выиграют от ультра высокой поля магнитов и использование других наблюдаемых групп например, 13C-меченых и трифтор метильных групп как журналисты.
MST имеет ряд преимуществ для изучения привязки взаимодействия16. Привязки партнерами являются бесплатными в растворе и не иммобилизованные. Анализ качества образцов встроен в программное обеспечение с контроля качества отчетности агрегации, адсорбции капилляров или недостаточно люминесцентные маркировки целевой молекулы. Обычно используется небольшое количество целевого, концентрация обозначенные цели, как правило, между 20-50 Нм в 10-20 мкл объем/реакции. Этот протокол использует очень маленькие реакции томов (10 мкл) увеличить концентрацию лиганд, которое может быть достигнуто в титрования, позволяя слабое связывание взаимодействия, чтобы охарактеризовать. Это требует точное дозирование и тщательность во избежание введения пузыри пока еще тщательно смешивания. Надлежащее смешивание имеет решающее значение для точной, последовательной флуоресценции измерений вдоль набор серийных разведений. Количество Tween-20 в MST экспериментов было сокращено с стандартной 0,05% до 0,015% снизить тенденцию создавать пузыри и улучшить смешивание.
Краситель красный-трис-НТА обеспечивает быстрый, простой и удобный способ дневно обозначить любой белок, который имеет свой тег. Маркировки фактически завершена только 30 минут и является очень жесткой, так что не процедура удаления красителя необходимых. Изменения не вносятся аминокислотных остатков в белок, который может изменять свойства привязки лиганда. Предостережение, что только белок, чтобы быть помечены должны иметь тег His6. Это потребовало расщепления тега из белков лиганд, E-PRD и удаление тега и uncleaved E-PRD с второй шаг столбец IMAC. Если возможно, следует подготовить лигандом белок без использования его тег. Кроме того белки могут быть ковалентно помечены с Флюорофор через Амин, муфты для остатков лизина или тиоловых муфты для остатков цистеина. Однако необходимо позаботиться при использование таких систем с ковалентной вложение Флюорофор может повлиять на электростатических или полярной привязки взаимодействия, опираясь на остатков лизина или цистеина. Количественное определение привязки сходства между VimRod и E-PRD, MST был необычайно чувствительны к концентрации соли. Эта проблема несколько смягчается первоначально dialyzing как целевых, так и лиганд в той же партии аналитического буфера. Тем не менее насыщенность MST привязки кривой будет невозможно при выполнении MST assay присутствии 150 мм NaCl из-за сложного поведения VimRod. Надежный, полный данные были получены после того, как концентрация NaCl был снижен до 10 мм, позволяя точный расчет KD. Следовательно тщательной оптимизации условий решения и сравнение с дополнительных анализов рекомендуется для достижения надежных результатов. Кроме того MST может использоваться для количественного определения соль зависимость для данного взаимодействия, количественно стехиометрическим свойства взаимодействия протеина, монитор сворачивание белков и зонд в Кинетика энзима17.
The authors have nothing to disclose.
Этот проект был поддержан Сенти-RGPIN-2018-04994, кампус Альберта инновационной программы (RCP-12-002 C) и Альберта прионных научно-исследовательский институт / Альберта инновационную био решения (201600018), награжден МО и геном Канады и Канадский фонд для Инновации, гранты для метаболомики инновационный центр (TMIC) и NANUC.
Monolith NT.115, includes control and analysis software | NanoTemper Technologies | MO-G008 | Instrument for microscal thermophoresis |
His-Tag Labeling Kit RED-Tris-NTA | NanoTemper Technologies | MO-L008 | RED-tris-NTA dye for MST |
Standard capillaries | NanoTemper Technologies | MO-K022 | capillaries for MST |
HisTrap HP, 5 mL | GE Healthcare | 17524801 | IMAC column |
HisPur Ni-NTA resin, 100 mL | Thermo Fisher Scientific | 88222 | IMAC resin |
HiLoad 16/600 Superdex 75 pg | GE Healthcare | 28989333 | SEC column |
TEV protease | Sigma Aldrich | T4455 | cleavage of his tag from E-PRD |
BL21(DE3) Competent E. coli | New England Biolabs | C2527H | cells for protein expression |
cOmplete Protease Inhibitor Cocktail Tablets EDTA-Free | Sigma Aldrich | 11873580001 | protease inhibitors for protein purification by IMAC |
TCEP, Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride | Sigma Aldrich | C4706 | reducing agent for protein purification |
Reagents (HEPES, NaCl, etc) | Sigma Aldrich | various | Preparation of media and buffers |
Ammonium chloride (15N, 99%) | Cambridge Isotope Laboratories | NLM-467 | isotope labelling for NMR |
D2O, Deuterium Oxide (D, 99.8%) | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-2259 | NMR sample preparation |
DSS, Sodium 2,2-dimethyl-2-silapentane-5-sulfonate-D6 (D,98%) | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-8206 | reference for NMR |
Precision 5 mm NMR Tubes, 7” long | SJM/Deuterotubes | BOROECO-5-7 | NMR tubes |
NMR spectrometer (14.1 Tesla) | Bruker | acquisition of NMR data | |
TCI 5mm z-PFG cryogenic probe | Bruker | acquisition of NMR data | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Software | |||
Bruker TopSpin 4.0.1 | Bruker | processing of NMR data | |
MO.Control | NanoTemper Technologies | included with Monlith NT.115 | |
MO.Affinity Analysis | NanoTemper Technologies | included with Monlith NT.115 |