Native Cell Membran Nanopartikler System for membran Protein-Protein Interaksjon Analyse

Protein-protein interaksjoner (PPI) spille avgjørende roller i hele biologi, fra vedlikehold av strukturen og funksjonen av proteiner til regulering av hele systemer. PPIer kommer i mange forskjellige former og kan kategoriseres basert på hvilke typer samhandlinger de danner. En slik kategorisering er homooligomerisk eller heterooligomerisk, basert på om interaksjonene er mellom identiske underenheter eller forskjellige proteiner som fungerer som underenheter. En annen kategorisering er basert på styrken av samspillet hvis interaksjonene fører til dannelse av stabile komplekser eller forbigående komplekse tilstander. Strukturell informasjon om PPIer mellom proteiner er avgjørende for å forstå mekanismen som proteiner utfører sin funksjon. Det har blitt anslått at over 80% av proteinene er avhengige av kompleks dannelse for å utføre sine funksjonelle roller¹. Gitt prosentandelen av proteiner observert å være avhengig av PPI for riktig medfødt funksjon deres betydning i biologi er lett tydelig, men å kunne undersøke proteinene som engasjerer seg i disse interaksjonene har vært utfordrende på grunn av begrensninger i teknikkene som er tilgjengelige for å eksperimentelt observere når proteiner danner PPIer.

Det er en høy grad av uenighet mellom resultatene for mange eksperimentelt bestemte PPIer på grunn av den høye mengden støy, falske positiver og falske negativer som er avledet fra mange av de tilgjengelige PPI-bestemmeteknikkene. Dette er spesielt så for gjær to-hybrid (Y2H) system, tandem affinitet rensing-masse spektrometri (TAP-MS), og fluorescens resonans energioverføring (FRET), som representerer tre av de mest brukte metodene for PPI bestemmelse^2,3,4,5,6,7. Til sammenligning kan proteinstrukturelle biologiteknikker, som kjernemagnetisk resonans (NMR), røntgenkrystallografi og elektronmikroskopi (EM), brukes til å få høyoppløsnings strukturell informasjon om proteinproteininteraksjoner ned til atomnivået og tillate direkte visuell bekreftelse av interaksjonene som oppstår for et målprotein av interesse. Alle tilgjengelige ikke-strukturbaserte PPI-bestemmende forskningsteknikker (f.eks. Y2H, TAP-MS og FRET) mangler denne evnen og lider i tillegg av problemer med å identifisere svake og forbigående interaksjoner mellom proteiner⁵. Disse manglene forsterkes ytterligere når man studerer membranproteiner på grunn av den ekstra kompleksiteten forårsaket av den ekstra variabelen av lipidmiljøet som påvirker dannelsen av riktig kvartær struktur og heteromerisk kompleks montering.

Membranproteiner utgjør en stor del av proteomet og er kjent for å spille mange avgjørende roller i riktig cellefunksjon i alle levende organismer. Til tross for at membranproteiner anslås å utgjøre 27% av det menneskelige genomet og utgjør ~ 60% av alle nåværende legemiddelmål, er det en stor anomali i antall løste modeller for membranproteiner som bare utgjør ~ 2,2% av alle publiserte proteinstrukturer^8,9,10. Den primære årsaken til avviket i tilgjengeligheten av strukturell informasjon ligger i de indre egenskapene til membranproteiner selv. På grunn av deres dårlige løselighet, avhengighet av interaksjoner med et lipidmiljø for å opprettholde innfødt struktur og funksjon, og ulike fysikalske egenskaper av lipidmembranen selv, fortsetter membranproteiner å representere et betydelig problem når de implementerer strukturelle biologiteknikker for å studere dem. Av disse iboende egenskapene er det viktigste for å oppnå nøyaktig strukturell informasjon kravet om å ha interaksjoner med deres naturlige lipidmiljø for dem å opprettholde sin opprinnelige struktur og funksjon. Lipidmiljøet er en så integrert del av strukturen og funksjonen til membranproteiner at begrepet memtein (en kombinasjon av ordene membran og protein) har blitt foreslått som den grunnleggende enheten av membran-proteinstruktur og^{funksjon 11}. Til tross for viktigheten av lipid-protein interaksjoner den tilgjengelige strukturbaserte PPI bestemmelse teknikker krever ofte at proteiner som studeres være løselig eller løses med vaskemidler. Eksponering for harde vaskemidler kan fornedre proteinene eller forårsake falske positiver og negativer på grunn av delipidering, noe som kan indusere aggregering, denning av protein, dissosiasjon av ikke-kovalente interaksjoner og dannelse av kunstige oligomeriske tilstander. På grunn av nødvendigheten av å opprettholde et naturlig lipidmiljø for nøyaktig bestemmelse av den opprinnelige oligomeriske tilstanden til membranproteiner har vi utviklet et native cell membran nanopartikler system (NCMNs)¹² basert på tidligere rapporterte Styrene Maleic Acid Lipid Particles (SMALP)¹³ metode.

SMALP bruker styrenmalsyrekopolymer som en membranaktiv polymer for å trekke ut og løse membranproteiner. Poly(Styrene-co-Maleic Acid) (SMA) er en unik amfifil polymer på grunn av sin hydrofobe styrenmoety og diametralt motstridende hydrofile malesyremoaety. Det danner nanopartikler ved å adsorbere til, destabilisere og forstyrre cellemembranen i en pH-avhengig^{mekanisme 14}. Denne funksjonelle aktiviteten til SMA er det som gjør at den kan brukes som et vaskemiddelfritt system for membranproteinutvinning og solubilisering. NCMN-systemet skiller seg fra SMALP-systemet i flere aspekter. Det mest unike ved NCMN-systemet er at det har et membran aktivt polymerbibliotek med en rekke polymerer som har unike egenskaper som gjør dem egnet for isolering av mange forskjellige membranproteiner som krever forskjellige forhold for stabilitet og innfødt funksjon. NCMN-systemet har også forskjellige protokoller sammenlignet med SMALP-metoden når det gjelder å forberede nanopartiklene. Et slikt eksempel er at NCMNer bruker en etttrinns nikkel affinitet kolonne rensing for høyoppløselig struktur bestemmelse; effekten av disse forskjellige protokollene kan observeres når man sammenligner NCMNs-protokollen, som genererte 3.2 og 3.0 Å cryo-EM AcrB strukturer, med en lignende studie ved hjelp av SMALP-metoden, som resulterte i en cryo-EM AcrB struktur på en 8,8 Å oppløsning^12,15. Disse unike egenskapene til NCMN-systemet er forbedringene som er gjort på den tidligere etablerte SMALP-metoden og gjør den til en ideell kandidat for studiet av PPIer.

Multidrug efflux transporter AcrB eksisterer som funksjonell homotrimer i E. coli¹². En mutagent analyse antydet at en enkelt P223G-punktmutasjon, som ligger på en løkke som er ansvarlig for stabiliteten til AcrB-trimeren, destabiliserer trimertilstanden og gir en AcrB-monomer når den er tilberedt med vaskemiddelet DDM, som kan oppdages med innfødt blå gelelektroforese¹⁶. Imidlertid foreslo FRET-analysen av AcrB-P223G mutert at når de var i det innfødte cellemembranen lipid bilayer-miljøet, eksisterte flertallet av mutert AcrB-P223G fortsatt som en trimer, og at uttrykksnivåene for både villtype AcrB og AcrB-P223G er like. Men til tross for FRET-analyseresultatene viste en aktivitetsanalyse for mutanttransportøren at aktiviteten gikk dramatisk ned sammenlignet med villtype¹⁶. Selv om FRET-teknologi har blitt populært brukt til analyse av protein-protein interaksjoner, forskning har vist at det ofte kan gi falske^{positiver 17,18,19,20}.

Nylig ble høyoppløselige cryo-EM strukturer av AcrB trimer bestemt som viste samspillet mellom AcrB med sin tilknyttede innfødte cellemembran lipid bilayer gjennom bruk av NCMNs¹². I prinsippet kan NCMNer lett benyttes til analyse av protein-protein interaksjoner som finnes på den innfødte cellemembranen. I en test av dette systemet ble eksperimenter utført for å observere den oligomeriske tilstanden acrB-P223G ved bruk av innfødte cellemembrannanopartikler og negativ farging elektronmikroskopi. For å sammenligne med den ville typen AcrB nanopartikler, brukte vi den samme membranaktiv polymer (SMA2000 laget i vårt laboratorium, som er indeksert som NCMNP1-1 i NCMN-biblioteket) som brukes til høyoppløselig kryo-EM strukturbestemmelse av AcrB og alternative polymerer som finnes i NCMNs bibliotek¹². Basert på tidligere rapporterte resultater, var det forventet at flertallet av AcrB-P223G mutant ville eksistere i form av trimeric innfødte celle membran nanopartikler²¹. Imidlertid ble ingen AcrB trimere funnet til stede i prøven, for eksempel de som ble observert med den ville typen AcrB. Dette tyder på at flertallet av AcrB-P223G ikke danner trimere på den innfødte cellemembranen som tidligere antydet.

Her rapporterer vi en detaljert analyse av mutant E. coli AcrB-P223G i en sammenligning med villtypen E. coli AcrB ved hjelp av NCMNs. Denne case-studien av AcrB antyder at NCMNer er et godt system for protein-proteininteraksjonsanalyse.