一个简化的协议, 以执行广泛的生物化学和结构表征的碳水化合物基质结合蛋白从肺炎链球菌。
为防止多重耐药性菌株的迅速增加, 必须研制新的抗菌素和疫苗, 以防止肺炎链球菌的。碳水化合物基质结合蛋白 (SBPs) 是发展蛋白质疫苗和新抗菌素的可行目标, 因为它们的胞外定位和对肺炎球菌代谢的碳水化合物进口的中心地位,分别.这里描述的是一个合理化的综合协议, 对 SP0092 进行全面的表征, 可以扩展到其他碳水化合物 SBPs 从肺炎球菌和其他细菌。这一过程可以帮助结构设计这类蛋白质的抑制剂。本文的第一部分介绍了热位移法、多角度光散射 (加工) 和尺寸排斥色谱 (SEC) 的生化分析协议, 该方法优化了样品的稳定性和均匀性, 以结晶试验, 从而提高了成功的几率。本程序的第二部分描述了使用可调谐波长的反常衍射同步光束, 以及可用于解析结晶蛋白的数据的数据收集协议。结构.
S. 肺炎球菌) 是一种 gram-positive 细菌, 居住在人类呼吸道上部的症状, 能够迁移到正常的无菌龛位, 导致中耳炎、肺炎、败血症、败血症和脑膜炎1,2。此外, 肺炎球菌感染是导致社区获得性肺炎的主要原因, 它在全球范围内造成了临床和经济负担3,4。抗生素耐药性菌株的S. 肺炎病毒已遍布全球, 虽然七价和十三价的肺炎球菌蛋白共轭疫苗有助于降低抗菌素耐药性率, 取代菌株疫苗的使用已经出现, 并导致对肺炎球菌病新治疗方法的研究的需求增加5,6,7,8。
肺炎球菌依赖于从主机输入的糖类作为碳源9,10;事实上, 它致力于30% 的进口机械的运输32种不同的碳水化合物11,12,13。这些进口商包括至少八 ABC 运输商13。在 ABC 转运器中, 胞外 SBPs 在确定配体特异性方面起着根本性的作用, 并将其呈递给细胞膜上的整体载体以供细胞吸收。SBPs 代表了新疫苗和抗菌素设计的有效目标, 因为它们是表面蛋白及其在细胞过程中的重要作用。
靶蛋白的表征和结构特征的详细描述, 如配体袋和域的灵活性, 为结构药物设计提供了一个有用的工具14,15。x-射线结晶学是选择的方法为蛋白质的结构描述在接近原子决议, 但结晶过程是不可预知的, 费时, 并且不总成功。系统的方法提高了成功率, 重要的因素是样品的质量和稳定性。结晶的成功率受蛋白质化学性质和样品制备方法的影响。它们的作用可以通过生物化学特性16,17进行评估和通知。
一个进一步复杂化为结构设计是晶体阶段问题, 必须解决。随着更多的蛋白质结构变得可用, 许多结构可以通过分子置换的方法来解决, 这需要一个同源结构18。由于 SBPs 提出了一个灵活的领域结构, 分子置换也可能证明挑战19。如果一个结构模型是足够相似的目标蛋白是不可用的, 一些技术可以用来获得实验阶段的20。其中, 单波长反常色散 (SAD) 方法已成为主要技术, 已被广泛用于解决21的相位问题。使用 SAD 方法进一步改进了硬件和软件, 以及数据收集策略, 以便能够检测和使用微弱的异常信号, 以便逐步进行22,23, 24. 此外, 直接解决大分子结构的方法的进展, 这在过去需要衍射数据的原子分辨率, 现在可以利用结合, 例如, 立体知识, 在程序中实施ARCIMOLDO25。泰勒26给出了在晶体学中解决相位问题的方法的一个有用的综述。
在这里, 我们提出了一个合理化的协议的表征碳水化合物运输收缩, SP0092 的S. 肺炎, 集成生化和结构技术 (图 1)。这一 step-by 的协议提供了一个有用的例子测试的策略, 以提高结构研究的成功率, SBPs 一般, 这是在所有王国生活中发现。特别是, 该协议强调了在快速有效的方法中确定蛋白质在溶液中最稳定的聚状态的重要性, 并允许对最佳品种进行结晶实验的鉴定。虽然在蛋白质数据库27中报告了超过500个结构化的收缩组织, 但是分子置换可能具有挑战性, 这是由于两个α/β域的固有弹性性质, 它们由铰链区域19连接。因此, 该协议的第二部分描述了使用 sad 的方法逐步从束缚金属离子, 这是常见的 SBPs, 以及纳入硒和使用硒 (Se) 在 SAD 分期。
在本文中, 我们描述和验证一个综合协议的生物化学和结构表征的碳水化合物 SBPs, 特别强调蛋白质从S. 肺炎链球菌。然而, 这可以作为一个标准的程序来分析其他 SBPs 从不同的有机体, 甚至其他无关的可溶性蛋白质。
该协议的第一部分着重于提供蛋白质稳定性和第四纪结构的生物化学信息, 可用于制备蛋白质样品进行结晶。在热转移分析部分, 我们只描述 pH 和氯化钠浓度的变化, 以保持这个过程的一般性质。尽管如此, 许多其他的缓冲条件可以用类似的方法进行测试, 例如, 包括任何用作稳定添加剂的化合物: 特别是与特定的收缩压结合的实际配体, 在增加 Tm数摄氏度31。在某些情况下, 由于低信号或高荧光背景而导致的变性曲线的定义很差, 这是由蛋白质聚集或部分展开引起的。为了避免这种变化, 一种蛋白质: 可以进行染料滴定来优化不清楚的变性曲线。如果没有得到改善, 筛选各种添加剂, 可以改善蛋白质的稳定性是建议, 和合适的屏幕已经被描述为54。
通常, 大多数 SBPs 是单体在他们的自然环境, 但如图所示, multimerization 可以发生在较高浓度使用的结晶实验, 从而由加工和 SEC 提供的齐聚行为表征重要的是要评估最有利稳定的单分散齐聚状态的结晶。然而, 很难预测在结晶条件中所含的不同化学物质对蛋白质齐聚行为的影响。如果 SEC 和加工检查显示了蛋白质样本的广泛聚集, 我们将建议以下的方法来减少发生这种情况的可能性: 使用新鲜的蛋白质样本 (不冻融) 和扩大热稳定性分析转移化验, 测试可能的添加剂和温和的洗涤剂作为最后的资源, 以尽量减少聚合。本文提出了利用高通量稀疏矩阵商业结晶筛选的基本准则, 以保持该协议的一般性质。然而, 获得高分辨率 X 射线衍射蛋白晶体可能需要迭代微调, 以优化结晶条件的沉淀浓度, pH 值, 添加化学添加剂, 不同的温度,其他影响晶体下落与储层平衡动力学的因素16,17。
该协议的第二部分描述了蛋白质晶体的表征, 以确定 X 射线衍射数据收集的最佳策略, 并特别着重于采集异常数据进行 SAD 分期。即使 SBPs 保持一个类似的一般架构 (有许多沉积的3D 结构可能是可用的作为启动模型), 这些蛋白质的分期的分子置换方法并不总是直接的, 因为变化的二级结构元素和这些蛋白质的内在灵活性。因此, 我们提出可悲的方法, 并强调, 这些蛋白质可能已经有内在的约束金属或事实上的非特异的结合金属从结晶缓冲条件, 这可以提供一系列反常的衍射元素作为我们的常规协议中的标准步骤。
最后, 本协议定义了一个标准的指导工作流程, 以便能够详细描述 SBPs 的生物化学和结构特征, 以提高结构确定成功率, 并加快一般 SBPs 的结构特征。
The authors have nothing to disclose.
我们承认 OPPF-英国在克隆技术方面的帮助, 哈里斯为 SEC 购物中心和光束 I03 和 I04 在钻石光源的科学家。
SelenoMethionine Medium Complete | Molecular Dimensions | MD12-500 | Based on a synthetic M9 minimal media supplemented with glucose, vitamins and amino acids with the exception of L-methionine. Other equivalent products are commercially available by other companies. |
MicroAmp Optical 96-Well plate | Applied Biosystems | 4306737 | The Applied Biosystems MicroAmp Optical 96-Well Reaction Plate with Barcode is optimized to provide unmatched temperature accuracy and uniformity for fast, efficient PCR amplification. This plate, constructed from a single rigid piece of polypropylene in a 96-well format, is compatible with Applied Biosystems® 96-Well Real-Time PCR systems and thermal cyclers. |
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MicroAmp Optical Adhesive film | Applied Biosystems | 4311971 | The Applied Biosystems MicroAmp Optical Adhesive Film reduces the chance of well-to-well contamination and sample evaporation when applied to a microplate. It is ideal for optical measurement, because it gives low background. |
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Superdex 200 increase 10/300 GL column | GE Healthcare | 28990944 | Superdex 200 Increase 10/300 GL is a versatile, prepacked column for size exclusion chromatography in small-scale (mg) preparative purification as well as for characterization and analysis of proteins with molecular weights between 10 000 and 600 000, such as antibodies. Optimal separation ideal for high resolution biophysical techniques. |
DAWN HELEOS II | Wyatt | DAWN HELEOS II is the premier Multi-Angle static Light Scattering (MALS) detector for absolute characterization of the molar mass and size of macromolecules and nanoparticles in solution. The DAWN offers the highest sensitivity, the widest range of molecular weight, size and concentration, and the largest selection of configurations and optional modules for enhanced capabiliites. Other MALS detecting systems from other companies apart from Wyatt have not been tested, so no additional feedback can be provided. | |
Superdex 200 5/150 GL | GE Healthcare | 28906561 | Superdex 200 are prepacked size exclusion chromatography columns for high-resolution small-scale preparative and analytical separations of biomolecules. Superdex 200 has a separation range for molecules with molecular weights between 10 000 and 600 000. The peak separation is not as optimal as for the "increase" version but this model is ideal for the standard day by day use. |
HiLoad 16/600 Superdex 200 pg | GE Healthcare | 28989335 | HiLoad 16/600 Superdex 200 prep grade are prepacked XK columns designed for high-resolution preparative gel filtration chromatography. |
24 Well "Big" Sitting Drop Crystallization Plate | MiTeGen | XQ-P-24S-A | The 24 well "big" crystallization plate is used mainly for protein crystal screening by sitting drop vapor diffusion techniques, and for crystallization condition optimization. It has quite large reservoir well and sample container, which favor manual handling and big sized protein crystal growth. In addition, its flat surfaces are easily to be sealed by transparent tape or cover slips. |
PCT Pre-Crystallization Test | Hampton | HR2-140 | The PCT Pre-Crystallization Test is used to determine the appropriate protein concentration for crystallization screening. |
96 Well CrystalQuick | Greiner bio-one | 6098xx | Square-well plates have three crystallization wells per reservoir, making it possible to test 288 samples per plate. Generally used only for the inital screening because their squared edge make crystals fishing difficult. |
Uni-Puck | Molecular Dimensions | MD7-601 | The Universal V1-Puck (Uni-puck) is a sample pin storage and shipping container for use with the majority of automated sample mounting systems worldwide – includes the ACTOR, SAM and CATS systems amongst others (Diamond, Soleil, SPring-8, Photon Factory, CLSI and across the USA) |
Standard Foam Dewar | Molecular Dimensions | MD7-35 | 5.7" diameter by 2.8" deep. 800mL capacity. |
Mounted CryoLoop – 20 micron | Hampton | HR4-955 | Mounted CryoLoops with 20 micron diameter nylon. These nylon loops are bonded to hollow, stainless steel MicroTubes™ that are used to mount, freeze, and secure the crystal during cryocrystallographic procedures and X-ray data collection. Different sizes exist and they can be adapted in lenght. They are quite versatile tools. |
CryoWand | Molecular Dimensions | MD7-411 | |
Puck dewar loading tool | Molecular Dimensions | MD7-607 | This tool is used to separate uni-pucks to load them into the robot dewar. It consists of two pieces: a Teflon tube part and a metal rod part. |