Estudos estruturais e bioquímicos de transportadores de membrana humana requerem quantidades de miligramas de proteína estável, intacta e homogênea. Aqui descrevemos métodos escaláveis para selecionar, expressar e purificar transportadores de solutos humanos usando genes otimizados para códons.
Transportadores de solutos (SLCs) são transportadores de membrana que importam e exportam uma gama de substratos endógenos e exógenos, incluindo íons, nutrientes, metabólitos, neurotransmissores e produtos farmacêuticos. Apesar de ter emergido como alvos terapêuticos atraentes e marcadores de doença, esse grupo de proteínas ainda é relativamente subdrogado pelos fármacos atuais. Projetos de descoberta de fármacos para esses transportadores são impedidos por limitados conhecimentos estruturais, funcionais e fisiológicos, em última análise, devido às dificuldades na expressão e purificação dessa classe de proteínas embutidas em membrana. Aqui, demonstramos métodos para obter quantidades de miligramas de alta pureza de proteínas transportadoras de SLC humanas usando sequências gênicas otimizadas para códons. Em conjunto com uma exploração sistemática do projeto de construção e expressão de alto rendimento, esses protocolos garantem a preservação da integridade estrutural e da atividade bioquímica das proteínas-alvo. Também destacamos etapas críticas na expressão de células eucarióticas, purificação de afinidade e cromatografia de exclusão de tamanho dessas proteínas. Em última análise, esse fluxo de trabalho produz preparações proteicas puras, funcionalmente ativas e estáveis adequadas para determinação de estrutura de alta resolução, estudos de transporte, ensaios de engajamento de moléculas pequenas e triagem in vitro de alto rendimento.
As proteínas de membrana têm sido alvos de pesquisadores e indústrias farmacêuticas. Destes, os portadores de solutos (SLCs) são uma família de mais de 400 genes transportadores secundários codificados dentro do genoma humano1. Esses transportadores estão envolvidos na importação e exportação de inúmeras moléculas, incluindo íons2, neurotransmissores3, lipídios 4,5,6,7,aminoácidos8, nutrientes 9,10,11 e fármacos 12. Com tamanha amplitude de substratos, essas proteínas também estão implicadas em uma série de fisiopatologias através do transporte de toxinas13, transporte e inibição por drogas de abuso 14,15 ou mutações deletérias16. Homólogos bacterianos têm servido como protótipos para o mecanismo de transporte fundamental de várias famílias de SLC17,18,19,20,21,22,23,24,25. Em contraste com as proteínas humanas, os ortólogos procarióticos são frequentemente melhor expressos no bem compreendido sistema de expressão de Escherichia coli 26,27 e são mais estáveis nos detergentes menores, que produzem cristais bem ordenados para cristalografia de raios X 28. Entretanto, diferenças de sequência e funcionais dificultam o uso dessas proteínas distantes para a descoberta de fármacos29,30. Consequentemente, o estudo direto da proteína humana é frequentemente necessário para decifrar o mecanismo de ação de drogas direcionadas àsSLCs 31,32,33,34,35. Embora os recentes avanços na Microscopia Crioeletrônica (Cryo-EM) tenham permitido a caracterização estrutural de SLCs em condições mais nativas36,37, a dificuldade em expressar e purificar essas proteínas continua sendo um desafio para o desenvolvimento de terapêuticas e diagnósticos direcionados.
Para amenizar esse desafio, o consórcio RESOLUTE (re-solute.eu) desenvolveu recursos e protocolos para a expressão e purificação em larga escala de proteínas humanas da família SLC38. Começando com genes otimizados para códons, desenvolvemos métodos para clonagem de alto rendimento e triagem de construções SLC. Esses métodos foram sistematicamente aplicados a toda a família de SLCs, os genes foram clonados no sistema de expressão viral BacMam e a expressão da proteína foi testada em linhagens celulares humanas39 com base em métodos previamente descritos para clonagem de alto rendimento e testes de expressão40. Em resumo, o gene SLC é clonado do plasmídeo pDONR221 em um vetor pHTBV1.1. Este construto é posteriormente usado para transpor o gene de interesse para um vetor bacmid para transfecção de células de insetos, que inclui um promotor de citomegalovírus e elementos potencializadores para expressão em células de mamíferos. O baculovírus resultante pode ser usado para transduzir células de mamíferos para a expressão da proteína alvo SLC.
Desenvolvemos ainda métodos padronizados para expressão em larga escala e purificação estável de SLCs selecionadas (Figura 1). Esse protocolo inclui vários pontos de verificação para facilitar a solução de problemas eficaz e minimizar a variabilidade entre os experimentos. Notavelmente, o monitoramento rotineiro da expressão e localização de proteínas, bem como a otimização em pequena escala das condições de purificação para alvos individuais, foram auxiliados por etiquetas Strep e Green Fluorescent Protein (GFP)41,42.
Em última análise, essas amostras de proteínas quimicamente puras e estruturalmente homogêneas podem ser usadas para determinação estrutural por cristalografia de raios X ou microscopia crioeletrônica (Cryo-EM), ensaios bioquímicos de engajamento de alvos, imunização para geração de ligantes e estudos funcionais livres de células via reconstituição em lipossomas quimicamente definidos.
O desenvolvimento de terapias direcionadas para SLC tem permanecido dificultado devido à ausência de caracterização sistemática da função do transportador. Isso levou a um número desproporcionalmente menor de drogas direcionadas a essa classe de proteínas em relação aos GPCRs e canais iônicos63, apesar de seus inúmeros papéis em processos normais e fisiopatológicos. RESOLUTE é um consórcio internacional que visa desenvolver técnicas e ferramentas de pesquisa de ponta para acelera…
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi realizado dentro do projeto RESOLUTE. A RESOLUTE recebeu financiamento da Empresa Comum Iniciativa para os Medicamentos Inovadores 2 ao abrigo do acordo de subvenção n.º 777372. Esta Empresa Comum recebe apoio do programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia e da EFPIA. Este artigo reflecte apenas a opinião dos autores e nem o IMI, nem a União Europeia e a EFPIA são responsáveis por qualquer utilização que possa ser feita da informação nele contida. O plasmídeo pHTBV foi gentilmente cedido pelo Prof. Frederick Boyce (Harvard).
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 |