מחקרים מבניים וביוכימיים של מובילי ממברנות אנושיים דורשים כמויות מיליגרם של חלבון יציב, שלם והומוגני. כאן אנו מתארים שיטות ניתנות להרחבה לסינון, ביטוי וטיהור מובילי מומסים אנושיים באמצעות גנים ממוטבים לקודון.
נשאי מומסים (SLC) הם מובילי ממברנות המייבאים ומייצאים מגוון מצעים אנדוגניים ואקסוגניים, כולל יונים, חומרים מזינים, מטבוליטים, מוליכים עצביים ותרופות. למרות שהתגלו כמטרות טיפוליות אטרקטיביות וסמנים של מחלות, קבוצה זו של חלבונים עדיין מסוממת יחסית על ידי התרופות הנוכחיות. פרויקטים של גילוי תרופות עבור טרנספורטרים אלה מעוכבים על ידי ידע מבני, פונקציונלי ופיזיולוגי מוגבל, בסופו של דבר בשל הקשיים בביטוי וטיהור של סוג זה של חלבונים משובצים בקרום. כאן, אנו מדגימים שיטות להשגת כמויות מיליגרם טהורות במיוחד של חלבוני טרנספורטר SLC אנושיים באמצעות רצפי גנים ממוטבים לקודון. בשילוב עם חקירה שיטתית של תכנון מבנים וביטוי תפוקה גבוהה, פרוטוקולים אלה מבטיחים את שימור השלמות המבנית והפעילות הביוכימית של חלבוני המטרה. אנו גם מדגישים שלבים קריטיים בביטוי תאים אאוקריוטיים, טיהור זיקה וכרומטוגרפיה של אי-הכללת גודל של חלבונים אלה. בסופו של דבר, תהליך עבודה זה מניב תכשירי חלבון טהורים, פעילים פונקציונלית ויציבים המתאימים לקביעת מבנה ברזולוציה גבוהה, מחקרי הובלה, מבחני מעורבות מולקולות קטנות וסינון במבחנה בתפוקה גבוהה.
חלבוני ממברנה הם כבר זמן רב מטרות לחוקרים ולתעשיות התרופות כאחד. מתוכם, נשאי המומסים (SLCs) הם משפחה של למעלה מ-400 גנים טרנספורטרים משניים המקודדים בתוך הגנום האנושי1. מובילים אלה מעורבים ביבוא וייצוא של מולקולות רבות, כולל יונים2, מוליכים עצביים3, שומנים 4,5,6,7, חומצות אמינו 8, חומרים מזינים 9,10,11, ותרופות 12. עם רוחב כזה של מצעים, חלבונים אלה מעורבים גם במגוון של פתופיזיולוגיות באמצעות הובלת רעלים13, הובלה ועיכוב על ידי סמים של התעללות 14,15, או מוטציות מזיקות16. הומולוגים חיידקיים שימשו כאבות-טיפוס למנגנון ההובלה הבסיסי של מספר משפחות SLC 17,18,19,20,21,22,23,24,25. בניגוד לחלבונים אנושיים, אורתולוגים פרוקריוטים לרוב באים לידי ביטוי טוב יותר במערכת הביטוי Escherichia coli 26,27 המובנת היטב והם יציבים יותר בדטרגנטים הקטנים יותר המניבים גבישים מסודרים היטב לקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן 28. עם זאת, רצף והבדלים פונקציונליים מסבכים את השימוש בחלבונים מרוחקים אלה לגילוי תרופות29,30. כתוצאה מכך, מחקר ישיר של החלבון האנושי נדרש לעתים קרובות כדי לפענח את מנגנון הפעולה של תרופות המכוונות SLCs 31,32,33,34,35. בעוד שההתקדמות האחרונה במיקרוסקופ אלקטרונים קריו-אלקטרונים (Cryo-EM) אפשרה אפיון מבני של SLCs בתנאים דומים יותר לילידים36,37, קושי לבטא ולטהר חלבונים אלה נותר אתגר לפיתוח טיפולים ואבחון ממוקדים.
כדי להקל על אתגר זה, קונסורציום RESOLUTE (re-solute.eu) פיתח משאבים ופרוטוקולים לביטוי וטיהור בקנה מידה גדול של חלבונים אנושיים ממשפחת SLC38. החל מגנים המותאמים לקודון, פיתחנו שיטות לשיבוט וסינון בעלי תפוקה גבוהה של מבני SLC. שיטות אלה יושמו באופן שיטתי על כל משפחת SLCs, הגנים שובטו למערכת הביטוי הנגיפי BacMam, וביטוי החלבונים נבדק בקווי תאים אנושיים39 בהתבסס על שיטות שתוארו קודם לכן לשיבוט בתפוקה גבוהה ובדיקת ביטוי40. לסיכום, הגן SLC משובט מפלסמיד pDONR221 לווקטור pHTBV1.1. מבנה זה משמש לאחר מכן לטרנספורמציה של הגן המעניין לווקטור bacmid להעברת תאי חרקים, הכולל מקדם ציטומגלווירוס ואלמנטים משפרים לביטוי בתאי יונקים. הבקולווירוס המתקבל יכול לשמש להתמרה של תאי יונקים לביטוי של חלבון SLC המטרה.
בהמשך פיתחנו שיטות סטנדרטיות לביטוי בקנה מידה גדול וטיהור יציב של SLCs נבחרים (איור 1). פרוטוקול זה כולל נקודות ביקורת מרובות כדי להקל על פתרון בעיות יעיל ולמזער את השונות בין ניסויים. יש לציין כי ניטור שגרתי של ביטוי ולוקליזציה של חלבונים, כמו גם אופטימיזציה בקנה מידה קטן של תנאי טיהור עבור מטרות בודדות, נעזרו בתגי Strep וחלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP)41,42.
בסופו של דבר, דגימות חלבון טהורות כימית והומוגניות מבחינה מבנית אלה יכולות לשמש לקביעה מבנית על ידי קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן או מיקרוסקופ אלקטרונים Cryo-Electron (Cryo-EM), בדיקות ביוכימיות של מעורבות מטרות, חיסון ליצירת קלסרים, ומחקרים פונקציונליים ללא תאים באמצעות בנייה מחדש לליפוזומים מוגדרים כימית.
הפיתוח של טיפולים ממוקדי SLC נותר מעוכב בשל היעדר אפיון שיטתי של תפקוד הטרנספורטר. זה הוביל לפחות תרופות באופן לא פרופורציונלי המכוונות לקבוצת חלבונים זו ביחס ל- GPCRs ותעלות יונים63, למרות תפקידיהן הרבים בתהליכים נורמליים ופתופיזיולוגיים. RESOLUTE הוא קונסורציום בינלאומי שמטרתו לפ?…
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו בוצעה במסגרת פרויקט RESOLUTE. RESOLUTE קיבלה מימון מההתחייבות המשותפת Innovative Medicines Initiative 2 במסגרת הסכם מענק מספר 777372. התחייבות משותפת זו מקבלת תמיכה מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי ומ- EFPIA. מאמר זה משקף רק את עמדות המחברים ולא תעש ולא האיחוד האירופי ו-EFPIA אחראים לכל שימוש שעשוי להיעשות במידע הכלול בו. פלסמיד pHTBV סופק באדיבות על ידי פרופ’ פרדריק בויס (הרווארד).
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 |