A reconstituição in vitro de proteínas citoesqueléticas é uma ferramenta vital para entender as propriedades funcionais básicas dessas proteínas. O presente trabalho descreve um protocolo para purificar e avaliar a qualidade de complexos de septina recombinante, que desempenham um papel central na divisão e migração celular.
As septinas são uma família de proteínas eucarióticas conservadas de ligação ao GTP que podem formar filamentos citoesqueléticos e estruturas de ordem superior a partir de complexos hetero-oligoméricos. Eles interagem com outros componentes citoesqueléticos e a membrana celular para participar de funções celulares importantes, como migração e divisão celular. Devido à complexidade das muitas interações das septinas, ao grande número de genes da septina (13 em humanos) e à capacidade das septinas de formar complexos heterooligoméricos com diferentes composições de subunidades, a reconstituição livre de células é uma estratégia vital para entender os fundamentos da biologia da septina. O presente trabalho descreve pela primeira vez um método para purificar septinas recombinantes em sua forma hetero-oligomérica usando uma abordagem de cromatografia de afinidade em duas etapas. Em seguida, o processo de controle de qualidade usado para verificar a pureza e a integridade dos complexos de septina é detalhado. Este processo combina eletroforese em gel nativa e desnaturante, microscopia eletrônica de coloração negativa e microscopia de espalhamento interferométrico. Finalmente, uma descrição do processo para verificar a capacidade de polimerização de complexos de septina usando microscopia eletrônica de coloração negativa e microscopia fluorescente é dada. Isso demonstra que é possível produzir hexâmeros e octameros de septina humana de alta qualidade contendo diferentes isoformas de septin_9, bem como hexâmeros de septina de Drosophila .
O citoesqueleto tem sido classicamente descrito como um sistema de três componentes constituído por filamentos de actina, microtúbulos e filamentos intermediários 1, mas recentemente, as septinas têm sido reconhecidas como um quarto componente do citoesqueleto1. As septinas são uma família de proteínas ligadoras de GTP que são conservadas em eucariotas2. As septinas estão envolvidas em muitas funções celulares, como a divisão celular3, a adesão célula-célula4, a motilidade celular5, a morfogênese6, a infecção celular7 e o estabelecimento e manutenção da polaridade celular8. Apesar de suas funções importantes, como as septinas estão envolvidas em tais processos é pouco compreendida.
A família de proteínas septinas é subdividida em vários subgrupos (quatro ou sete, dependendo da classificação) com base na similaridade da sequência proteica2. Membros de diferentes subfamílias podem formar complexos heterooligoméricos palindrômicos, que são os blocos de construção dos filamentos e que, por sua vez, se reúnem em estruturas de ordem superior, como feixes, anéis e malhas 1,9,10,11,12. Maior complexidade molecular surge da presença de diferentes variantes de emenda, sendo um exemplo o SEPT9 humano, onde há evidências de funções específicas de diferentes variantes de emenda13,14,15. Além disso, o comprimento dos heterooligômeros depende da espécie e do tipo de célula. Por exemplo, as septinas de Caenorhabditis elegans formam os tetrâmeros 16, as septinas de Drosophila melanogaster formam hexâmeros 17 (Figura 1A), as septinas de Saccharomyces cerevisiae formam octameros 18 e as septinas humanas formam hexâmeros e octameros19 (Figura 1A). A capacidade das isoformas de septina, variantes de emenda e septinas pós-translacionais modificadas de uma mesma subfamília de se substituírem mutuamente no complexo e a (co)existência de heterooligômeros de tamanhos diferentes têm dificultado o delineamento das funções celulares de diferentes complexos heterooligoméricos12.
Outra habilidade interessante das septinas é a sua capacidade de interagir com muitos parceiros de ligação na célula. As septinas ligam-se à membrana plasmática e às organelas membranosas durante a interfase e a divisão celular20,21,22. Na divisão celular, as septinas cooperam com a anilina 23,24,25 e com a actina e miosina durante a citocinese 26,27. Nos estágios finais da citocinese, as septinas parecem regular os complexos de triagem endossômica necessários para o sistema de transporte (ESCRT) para abscisão do corpo médio28. Além disso, há também evidências de septina localizada no córtex de actina e fibras de estresse de actina de células em células interfásicas 29,30,31. Em tipos celulares específicos, as septinas também se ligam e regulam o citoesqueleto dos microtúbulos32,33.
Todas essas características tornam as septinas um sistema proteico muito interessante para estudar, mas também um desafio. A combinação do grande número de subunidades de septina (13 genes em humanos sem contar variantes de emenda 2) com o potencial de subunidades de septina da mesma subfamília para substituir umas às outras e formar hetero-oligômerosde tamanhos diferentes torna difícil tirar uma conclusão sobre a função celular de uma septina específica por manipulação genética. Além disso, as múltiplas interações das septinas tornam difícil interpretar os efeitos de ferramentas de pesquisa comuns, como drogas34 direcionadas a componentes citoesqueléticos ou de membrana.
Uma forma de superar essa situação é complementar a pesquisa em células com reconstituição in vitro (livre de células) de septinas. A reconstituição in vitro permite o isolamento de um único tipo de heterooligômeros de septina com uma composição e comprimento de subunidades específicas 18,35,36,37. Este complexo pode então ser estudado em um ambiente controlado, seja sozinho para descobrir as propriedades estruturais e físico-químicas básicas das septinas 38,39,40, ou em combinação com parceiros desejados, como biomembranas modelo 11,41,42, filamentos de actina 10,27 ou microtúbulos 32,36 para decifrar a natureza de seus Interações.
Portanto, um método confiável para purificar diferentes complexos de septina de forma eficiente é vital para a pesquisa de septina. No entanto, mesmo usando o mesmo protocolo, diferentes purificações podem dar proteínas com diferentes atividades/funcionalidades ou mesmo integridade. Para proteínas comercialmente disponíveis, como enzimas, a funcionalidade e a atividade enzimática são cuidadosamente validadas43. A implementação de um controle de qualidade cuidadoso para proteínas citoesqueléticas ou estruturais, como as septinas, pode ser um desafio, mas é essencial tornar os experimentos em laboratórios comparáveis.
Este trabalho descreve um método robusto para purificar septinas recombinantes de alta qualidade em sua forma hetero-oligomérica baseado na expressão simultânea de dois vetores contendo construtos mono ou bi-cistrônicos (Tabela 1) em células de Escherichia coli. O método consiste em uma abordagem de cromatografia de afinidade em duas etapas para capturar heterooligômeros de septina contendo uma septina marcada com6 e uma septina marcada com Strep-II (Figura 1B,C). Esse protocolo, descrito pela primeira vez em Iv et al.10, tem sido utilizado para purificar hexâmeros de Drosophila septina 11,27,35, hexâmeros de septina humana 10 e vários octameros de septina humana contendo diferentes isoformas nativas (isoforma 1, 3 e 5)10,32 ou mutantes de SEPT9 32 . Além disso, é dada uma descrição de um conjunto de técnicas para avaliar a qualidade das septinas purificadas. Primeiro, a integridade e a estequiometria correta das subunidades de septina são verificadas usando eletroforese desnaturante e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Em seguida, a presença de heterooligômeros da massa molecular correta e a presença de monômeros ou oligômeros menores indicativos de instabilidade complexa são examinadas por eletroforese nativa e fotometria de massa via microscopia de espalhamento interferométrico (iSCAT). Por fim, a última etapa consiste na avaliação da atividade polimerizante das septinas utilizando microscopia de fluorescência e MET.
Figura 1: Estratégia de purificação. (A) Esquemas dos heterooligômeros de septina que existem em células humanas (esquerda) e Drosophila (direita). Os números denotam subunidades de septina dos grupos indicados, e P denota amendoim. O SEPT9 humano pode ser qualquer uma de suas isoformas. As subunidades de septina têm uma forma assimétrica e estão longitudinalmente associadas a duas interfaces distintas, a NC:NC e a interface G:G, como denotado por NC e G, respectivamente, no topo do hexâmero humano. (B,C) Ilustração esquemática da estratégia de cromatografia em duas etapas, mostrada para (B) hexâmeros de septina humana e (C) otâmeros. H indica as tags his, enquanto S indica as tags Strep-II. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O método aqui descrito permite a purificação robusta e o controle de qualidade de heterooligômeros de septina pré-formados. Algumas das principais questões a serem consideradas para a aplicação correta do método são as seguintes. Durante as etapas de eluição nas separações cromatográficas, é importante usar a taxa de fluxo recomendada (ou menor) para minimizar a diluição dos complexos de septina. Além disso, para maximizar a recuperação da proteína durante a etapa de concentração final, a coluna do concentrador é orientada de tal forma que a solução não é empurrada contra o filtro (quando há apenas um filtro de um lado). Se a solução for diretamente para o filtro, a proteína adere muito mais a ele, diminuindo substancialmente o rendimento final. Também é importante considerar que o passo de concentração nem sempre é necessário. A colheita de frações apenas de uma faixa estreita em torno do pico no cromatograma geralmente fornece uma concentração de estoque alta o suficiente (>3.000 nM) para muitas aplicações de reconstituição (que geralmente operam entre 10-300 nM). Finalmente, para o controle de qualidade da funcionalidade dos complexos de septina por microscopia de fluorescência, é importante passivar corretamente a superfície das lâminas de microscopia, uma vez que os complexos de septina aderem avidamente ao vidro. A passivação das lâminas de vidro pode ser feita tanto via funcionalização PLL-PEG quanto pela formação de bicamadas lipídicas neutras (100% DOPC) suportadas 11,32.
Em comparação com o protocolo de purificação original descrito pela primeira vez em Iv et al.10, há uma mudança nas composições do tampão (Tabela 2). A concentração de MgCl 2 foi reduzida de 5 mM para2 mM, e a concentração e o pH de Tris-HCl foram reduzidos de 50 mM para 20 mM e de 8,0 para 7,4, respectivamente. Essas alterações foram feitas para tornar as condições tampão compatíveis com estudos das interações de septinas humanas com bicamadas lipídicas, filamentos de actina e microtúbulos10,11,32. Isso porque os autores formaram bicamadas lipídicas suportadas e actina polimerizada no tampão F, cuja composição é idêntica à do darkSPB, além da presença de ATP no tampão F. A mudança do tampão não produziu nenhuma alteração na qualidade ou na vida útil das septinas purificadas em comparação com os tampões originais.
Este método de purificação ainda tem várias limitações. Primeiro, diferentes tentativas de purificação podem variar em rendimento (0,5-1 mL de complexos de septina 2-5 μM) e qualidade funcional, conforme verificado pela capacidade de formação de feixes dos complexos de septina purificados. É por isso que é muito importante realizar consistentemente as verificações de qualidade descritas neste artigo. Controlar muito bem os tempos de expressão e a densidade óptica da cultura bacteriana pode ajudar a mitigar a diferença no rendimento. Em segundo lugar, esta conduta de purificação não consegue distinguir entre trímeros e hexâmeros ou entre tetrâmeros e octameros (Figura 1B). No entanto, os experimentos de controle de qualidade podem ser usados para provar que a maioria dos complexos de septina está em sua forma de oligômero longo. No caso de ser necessária uma distribuição de tamanho de oligômero ainda mais estreita, a cromatografia de exclusão de tamanho pode ser inserida entre a etapa 1.6. e passo 1.7. do protocolo de purificação. Esta etapa opcional, no entanto, diminui drasticamente o rendimento, e não é recomendada, a menos que seja estritamente necessária. Uma última limitação, mais fundamental, vem do uso de E. coli como um sistema de expressão para complexos de septina recombinantes. Naturalmente, esse sistema não permite modificações pós-traducionais (PTMs), que têm sido relatadas em células animais, como fosforilação, acetilação e sumoilação 6,51,52,53. Essas modificações pós-traducionais podem ser adicionadas através da implementação de uma estratégia de purificação semelhante em células de insetos ou humanos. Além disso, este artigo apenas discutiu a reconstituição de septinas por si só, mas estudos em células indicam que proteínas reguladoras como proteínas da família Borg54,55 e anilina 24,25,56 podem ter efeitos substanciais, mas pouco compreendidos, sobre a montagem e as funções das septinas e, portanto, são importantes para eventualmente incorporá-las in vitro. Estudos. Protocolos para a purificação de proteínas Borg e anilina têm sido relatados54,57.
O protocolo de purificação de septina relatado aqui oferece uma maneira padronizada de purificar as septinas em sua forma de oligômero com a estequiometria de subunidade correta, oferecendo um avanço importante em relação a muitos estudos in vitro anteriores baseados em subunidades de septina única. Embora algumas septinas em contextos específicos possam atuar como uma única subunidade2, o corpo atual da literatura sugere fortemente que, em células animais, as septinas funcionam principalmente em complexos 9,58. Portanto, o uso de heterooligômeros pré-formados, como os descritos neste trabalho e outros 10,11,18,32,35,36,37, é de grande importância para o estudo das propriedades estruturais e biofísicas das septinas via in vitro reconstituição para dissecar suas funções na célula. Além disso, as septinas são proteínas automontáveis com muitos parceiros de interação, incluindo a membrana e o citoesqueleto, o que as torna de grande interesse para a biologia sintética de baixo para cima 59,60,61 e estudos de alterações induzidas por proteínas nas propriedades biofísicas da membrana, como a curvatura42,62,63.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Cecilia de Agrela Pinto, Tomás de Garay e Katharina Häußermann por sua assistência com experimentos de fotometria de massa (iSCAT); Arjen Jakobi e Wiel Evers por sua ajuda com TEM; Lucia Baldauf por sua assistência com o TIRF; Pascal Verdier-Pinard por seu conselho sobre eletroforese nativa; Agata Szuba e Marjolein Vinkenoog por sua ajuda na criação dos esforços de purificação de septina de Drosophila, e o Cell and Tissue Imaging (PICT-IBiSA), Institut Curie, membro da Infraestrutura Nacional de Pesquisa Francesa France-BioImaging (ANR10-INBS-04). Esta investigação recebeu financiamento da Organização Neerlandesa de Investigação Científica (NWO/OCW) através da bolsa de Gravitação ‘BaSyC-Building a Synthetic Cell’ (024.003.019) e da Agence Nationale pour la Recherche (ANR grants ANR-17-CE13-0014: “SEPTIMORF”; ANR-13-JSV8-0002-01: “SEPTIME”; e ANR-20-CE11-0014-01: “SEPTSCORT”).
488nm laser combiner iLAS2 | Gataca | TIRF microscope | |
488nm Sapphire laser lines | Coherent | Confocal microscope | |
4k X 4k F416 CMOS camera | TVIPS | For JEM-1400plus | |
4x sample buffer nativePAGE | Thermo Fisher scientific | BN2003 | |
6-Hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchromane-2-carboxylic acid (TROLOX) | Sigma-Aldrich | 238813 | To prevent blinking |
AKTA pure 25 M1 | GE healthcare | 1680311 | |
Ampicillin | Sigma-Aldrich | A9518-25G | |
Carbon Type-B, 300 mesh EM grid | Ted pella | 01813-F | |
Carbon Type-B, 300 mesh EM grid | Electron micoscopy sciences | CF300-Cu | |
Cover glass #1.5H | Thorslabs | CG15KH | |
CSU-X1-M1 confocal unit | Yokogawa | Confocal microscope | |
Desthiobiotin | Sigma-Aldrich | D1411-1G | |
Dithiothreitol (DTT) | Sigma-Aldrich | D9779 | |
DNAse | Sigma-Aldrich | 10104159001 | |
DOPC | Avanti Polar Lipids | 850375C | |
Eclipse Ti2-E | Nikon instruments | Confocal microscope | |
EDTA-free protease inhibtor cocktail | Roche | 481761 | |
HisTrap HP, 5 mL | GE healthcare | 29-0588-3 | |
iLAS2 azimuthal TIRF illumination system | Gataca | TIRF microscope | |
Imidazole | Sigma-Aldrich | 1202-1KG | |
InstantBlue Protein Gel Stain | Westburg Life Sciences | EP ab119211 | |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Thermo Fisher scientific | 10849040 | |
iXon Ultra 888 EMCCD camera | Andor | Confocal microscope | |
iXon Ultra 897 EM-CCD | Andor | TIRF microscope | |
JEM-1400plus | JOEL | TEM microscope TUDelft | |
kappa-cassein | Sigma-Aldrich | C0406 | |
LB broth | Sigma-Aldrich | L3022-6X1KG | |
Lyzozyme | Sigma-Aldrich | 62971-10G-F | |
Magnesium Chloride | Sigma-Aldrich | M8266-100G | |
Magnesium sulfate | Sigma-Aldrich | 746452-1KG | |
Methylecllulose | Sigma-Aldrich | 8074844 | |
MilliQ system (Integral 10) | Merck-Millipore | I-water dispenser | |
Mini protean TGX gels | BIORAD | 4561086 | |
NativeMark unstained protein standard | Invitrogen | LC0725 | For iSCAT and Native gels |
NativePAGE 4-16% GELS | Thermo Fisher scientific | BN1002BOX | |
NativePAGE Running Buffer kit | Thermo Fisher scientific | BN2007 | |
Nikon Ti2-E | Nikon instruments | TIRF microscope | |
Nr. 1 Menzel coverslips | Thermo Fisher scientific | 11961988 | |
parafilm | Sigma-Aldrich | P7668 | |
Plan Apo ×100/1.45 NA oil immersion objective | Nikon instruments | Confocal microscope | |
PMSF | Sigma-Aldrich | 10837091001 | |
Poly(L-lysine)-graft-biotinylated PEG (PLL-PEG) | SuSoS | CHF560.00 | |
Poly-L-lysine solution 0.01% | Sigma-Aldrich | P4832 | For iSCAT glass slides |
Pottassium Chloride | Sigma-Aldrich | P9541-1KG | |
Power supply for native gels | CONSORT | S/N 71638 | |
POWERPAC UNIVERSAL | BIORAD | 042BR31206 | |
Protocatechuate 3,4-Dioxygenase (PCD) | Sigma-Aldrich | P8279-25UN | oxygen scavenger – enzyme |
Protocatechuic acid (PCA) | Sigma-Aldrich | 03930590-50MG | oxygen scavenger – reagent |
Q500 Sonicator | Qsonica | Q500-110 | |
Quemesa camera | Olympus | For Tecnai Spirit | |
Refeyn OneMP | Refeyn | ||
Sample buffer, laemmli 2x concentrate | Sigma-Aldrich | S3401-10vl | |
Silicon gaskets | Sigma-Aldrich | GBL103250-10EA | |
Slide-A-Lyzer Dialysis cassettes 30k MWCO 3mL | Thermo Fisher scientific | 66381 | |
Spectinomycin | Sigma-Aldrich | PHR1441-1G | |
StrepTrap HP, 1 mL | GE healthcare | 28-9075-46 | |
Tecnai Spirit microscope | Thermo Scientific, FEI | TEM microscope Institute Curie | |
Terrific broth | Sigma-Aldrich | T0918-1KG | |
Tris/Glyine/SDS buffer | BIORAD | 1610772 | |
Tris-HCl | Sigma-Aldrich | T5941-1KG | |
Ultrasonic cleaner | Branson | CPX2800H-E | |
Vivaspin 6, 30,000 MWCO PES | Sartorius | VS0622 |