تتطلب الدراسات الهيكلية والكيميائية الحيوية لناقلات الأغشية البشرية كميات ملليغرام من البروتين المستقر والسليم والمتجانس. نصف هنا الطرق القابلة للتطوير لفحص ناقلات ناقلات المذاب البشري والتعبير عنها وتنقيتها باستخدام الجينات المحسنة للكودون.
ناقلات المذاب (SLCs) هي ناقلات غشائية تستورد وتصدر مجموعة من الركائز الداخلية والخارجية ، بما في ذلك الأيونات والمغذيات والمستقلبات والناقلات العصبية والمستحضرات الصيدلانية. على الرغم من ظهورها كأهداف علاجية جذابة وعلامات للمرض ، إلا أن هذه المجموعة من البروتينات لا تزال تعاني من نقص الأدوية نسبيا من قبل الأدوية الحالية. يتم إعاقة مشاريع اكتشاف الأدوية لهذه الناقلات بسبب المعرفة الهيكلية والوظيفية والفسيولوجية المحدودة ، ويرجع ذلك في النهاية إلى الصعوبات في التعبير عن هذه الفئة من البروتينات المضمنة في الغشاء وتنقيتها. نوضح هنا طرقا للحصول على كميات عالية النقاء وملليغرام من بروتينات ناقل SLC البشرية باستخدام تسلسلات جينية محسنة للكودون. بالاقتران مع الاستكشاف المنهجي لتصميم البناء والتعبير عالي الإنتاجية ، تضمن هذه البروتوكولات الحفاظ على السلامة الهيكلية والنشاط الكيميائي الحيوي للبروتينات المستهدفة. نسلط الضوء أيضا على الخطوات الحاسمة في تعبير الخلايا حقيقية النواة ، وتنقية التقارب ، وكروماتوغرافيا استبعاد الحجم لهذه البروتينات. في النهاية ، ينتج عن سير العمل هذا مستحضرات بروتينية نقية ونشطة وظيفيا ومستقرة مناسبة لتحديد البنية عالية الدقة ، ودراسات النقل ، ومقايسات مشاركة الجزيئات الصغيرة ، والفحص عالي الإنتاجية في المختبر .
لطالما كانت البروتينات الغشائية أهدافا للباحثين والصناعات الدوائية على حد سواء. من بين هؤلاء ، فإن ناقلات المذاب (SLCs) هي عائلة تضم أكثر من 400 جين ناقل ثانوي مشفر داخل الجينوم البشري1. تشارك هذه الناقلات في استيراد وتصدير العديد من الجزيئات ، بما في ذلك الأيونات2 ، والناقلات العصبية3 ، والدهون4،5،6،7 ، والأحماض الأمينية8 ، والمغذيات9،10،11 ، والمستحضرات الصيدلانية 12. مع هذا الاتساع في الركائز ، فإن هذه البروتينات متورطة أيضا في مجموعة من الفيزيولوجيا المرضية من خلال نقل السموم13 ، أو نقل وتثبيط تعاطي المخدرات 14،15 ، أو الطفرات الضارة16. كانت المتجانسات البكتيرية بمثابة نماذج أولية لآلية النقل الأساسية للعديد من عائلات SLC17،18،19،20،21،22،23،24،25. على عكس البروتينات البشرية ، غالبا ما يتم التعبير عن تقويم بدائيات النواة بشكل أفضل في نظام تعبير الإشريكية القولونية المفهوم جيدا 26,27 وتكون أكثر استقرارا في المنظفات الأصغر التي تنتج بلورات مرتبة جيدا لعلم البلورات بالأشعة السينية28. ومع ذلك ، فإن التسلسل والاختلافات الوظيفية تعقد استخدام هذه البروتينات ذات الصلة البعيدة لاكتشاف الأدوية29,30. وبالتالي ، غالبا ما تكون هناك حاجة إلى دراسة مباشرة للبروتين البشري لفك آلية عمل الأدوية التي تستهدف SLCs31،32،33،34،35. في حين أن التطورات الحديثة في الفحص المجهري الإلكتروني بالتبريد (Cryo-EM) قد مكنت من التوصيف الهيكلي ل SLCs في ظروف أكثر شبها بالسكانالأصليين 36،37 ، فإن صعوبة التعبير عن هذه البروتينات وتنقيتها لا تزال تمثل تحديا لتطوير العلاجات والتشخيصات المستهدفة.
للتخفيف من هذا التحدي ، طور اتحاد RESOLUTE (re-solute.eu) موارد وبروتوكولات للتعبير على نطاق واسع وتنقية البروتينات البشريةمن عائلة SLC 38. بدءا من الجينات المحسنة للكودون ، قمنا بتطوير طرق للاستنساخ عالي الإنتاجية وفحص تركيبات SLC. تم تطبيق هذه الطرق بشكل منهجي على عائلة SLCs بأكملها ، وتم استنساخ الجينات في نظام التعبير الفيروسي BacMam ، وتم اختبار تعبير البروتين في خطوط الخلايا البشرية39 بناء على الطرق الموصوفة سابقا للاستنساخ عالي الإنتاجية واختبار التعبير40. باختصار ، يتم استنساخ جين SLC من بلازميد pDONR221 إلى ناقل pHTBV1.1. يستخدم هذا البناء لاحقا لنقل الجين محل الاهتمام إلى ناقل bacmid لنقل خلايا الحشرات ، والذي يتضمن محفزا للفيروس المضخم للخلايا وعناصر محسن للتعبير في خلايا الثدييات. يمكن استخدام الفيروس البقعي الناتج لتحويل خلايا الثدييات للتعبير عن بروتين SLC المستهدف.
كما طورنا طرقا موحدة للتعبير على نطاق واسع والتنقية المستقرة ل SLCs المختارة (الشكل 1). يتضمن هذا البروتوكول نقاط تفتيش متعددة لتسهيل استكشاف الأخطاء وإصلاحها بشكل فعال وتقليل التباين بين التجارب. والجدير بالذكر أن المراقبة الروتينية لتعبير البروتين وتوطينه ، بالإضافة إلى تحسين ظروف التنقية على نطاق صغير للأهداف الفردية ، قد ساعدتها علامات Strep و Green Fluorescent Protein (GFP)41,42.
في نهاية المطاف ، يمكن استخدام عينات البروتين النقية كيميائيا والمتجانسة هيكليا للتحديد الهيكلي عن طريق علم البلورات بالأشعة السينية أو المجهر الإلكتروني بالتبريد (Cryo-EM) ، ومقايسات المشاركة في الهدف البيوكيميائية ، والتحصين لتوليد المواد الرابطة ، والدراسات الوظيفية الخالية من الخلايا عن طريق إعادة التكوين إلى الجسيمات الشحمية المحددة كيميائيا.
وظل تطوير العلاجات التي تستهدف SLC معوقا بسبب عدم وجود توصيف منهجي لوظيفة الناقل. وقد أدى ذلك إلى انخفاض عدد الأدوية التي تستهدف هذه الفئة من البروتين بشكل غير متناسب بالنسبة إلى GPCRs والقنوات الأيونية63 ، على الرغم من أدوارها العديدة في العمليات الطبيعية والفيزيولوجية المرضية. …
The authors have nothing to disclose.
تم تنفيذ هذا العمل في إطار مشروع RESOLUTE. تلقت RESOLUTE تمويلا من التعهد المشترك لمبادرة الأدوية المبتكرة 2 بموجب اتفاقية المنحة رقم 777372. يتلقى هذا المشروع المشترك دعما من برنامج البحث والابتكار Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي و EFPIA. تعكس هذه المقالة آراء المؤلفين فقط ولا تتحمل IMI ولا الاتحاد الأوروبي و EFPIA المسؤولية عن أي استخدام قد يتم للمعلومات الواردة فيها. تم توفير بلازميد pHTBV من قبل البروفيسور فريدريك بويس (هارفارد).
3C protease | Produced in-house | ||
50 or 100 kDa cut-off centrifugal concentrators | Sartorius | VS0242 | |
5-Cyclohexyl-1-Pentyl-β-D-Maltoside | Anatrace | C325 | CYMAL-5 |
96-well bacmid purification kit | Millipore | LSKP09604 | Montage Plasmid Miniprep |
96-well block (2 mL) | Greiner Bio-One | 780271 | |
Adhesive plastic seals | Qiagen | 19570 | Tape Pads |
Agarose size exclusion chromatography column | Cytiva | 29091596 | Superose 6 Increase 10/300 GL |
Benzonase DNAse | Produced in-house | ||
BisTris | Sigma Aldrich | B9754 | |
Cholesteryl Hemisuccinate Tris salt | Anatrace | CH210 | CHS |
Cobalt metal affinity resin | Takara Bio | 635653 | TALON Metal Affinity Resin |
D(+)-Biotin | Sigma Aldrich | 851209 | |
Dextran-agarose size exclusion chromatography column | Cytiva | 28990944 | Superdex 200 Increase 10/300 GL |
Digitonin | Apollo Scientific | BID3301 | |
Dounce tissue grinder (40 mL) | DWK Life Sciences | 357546 | |
EDTA-free protease inhibitor cocktail | Sigma Aldrich | 4693132001 | cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail |
Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher | 10500064 | |
Fos-Choline-12 | Anatrace | F308S | FS-12 |
Glycerol | Sigma Aldrich | G5516 | |
Glyco-diosgenin | Anatrace | GDN101 | GDN |
Gravity flow columns | Cole-Parmer | WZ-06479-25 | |
HEK293 medium | Thermo Fisher | 12338018 | FreeStyle 293 medium |
HEPES | Apollo Scientific | BI8181 | |
Hydrophilic, neutral silica UHPLC column | Sepax | 231300-4615 | Unix-C SEC-300 4.6 x 150 |
Imidazole | Sigma Aldrich | 56750 | |
Insect transfection reagent | Sigma Aldrich | 71259 | Reagent |
Lauryl Maltose Neopentyl Glycol | Anatrace | NG310 | LMNG |
Magnesium Chloride Hexahydrate | Sigma Aldrich | M2670 | |
Micro-expression shaker | Glas-Col | 107A DPMINC24CE | |
NaCl | Sigma Aldrich | S9888 | |
n-Decyl-β-D-Maltoside | Anatrace | D322 | DM |
n-Dodecyl-b-D-Maltopyranoside | Anatrace | D310 | DDM |
n-Dodecyl-N,N-Dimethylamine-N-Oxide | Anatrace | D360 | LDAO |
n-Nonyl-β-D-Glucopyranoside | Anatrace | N324S | NG |
n-Octyl-d17-β-D-Glucopyranoside | Anatrace | O311D | OGNG |
Octaethylene Glycol Monododecyl Ether |
Anatrace | O330 | C12E8 |
Octyl Glucose Neopentyl Glycol | Anatrace | NG311 | OGNG |
Phosphate Buffered Saline | Sigma Aldrich | D8537 | DPBS |
Polyoxyethylene(10)dodecyl Ether | Anatrace | AP1210 | C12E10 |
Polyoxyethylene(9)dodecyl Ether | Anatrace | APO129 | C12E9 |
Porous seal for tissue culture plates | VWR | 60941-084 | Rayon Films for Biological Cultures |
Proteinase K | New England Biolabs | P8107S | |
Recombination enzyme mix | Thermo Fisher | 11791020 | Gateway LR Clonase II |
Serum-free insect media | Gibco | 10902088 | Sf-900 II serum-free media |
Sodium Butyrate | Sigma Aldrich | 303410 | |
Sonicator 24-head probe | Sonics | 630-0579 | |
Sonicator power unit | Sonics | VCX 750 | |
Strep-Tactin resin | IBA Life Sciences | 2-5030-025 | Strep-TactinXT 4Flow high- capacity resin |
Sucrose | Sigma Aldrich | S7903 | |
Sucrose Monododecanoate | Anatrace | S350 | DDS |
Suspension-adapted HEK293 cells | Thermo Fisher | A14527 | Expi293F |
Transfection reagent | Sigma Aldrich | 70967 | GeneJuice Transfection Reagent |