The expression of recombinant proteins by mammalian systems is becoming an attractive method for producing protein complexes for structural biology. Here we present a simple yet highly efficient expression system using suspension grown mammalian cells to purify protein complexes for structural studies.
The expression and purification of large amounts of recombinant protein complexes is an essential requirement for structural biology studies. For over two decades, prokaryotic expression systems such as E. coli have dominated the scientific literature over costly and less efficient eukaryotic cell lines. Despite the clear advantage in terms of yields and costs of expressing recombinant proteins in bacteria, the absence of specific co-factors, chaperones and post-translational modifications may cause loss of function, mis-folding and can disrupt protein-protein interactions of certain eukaryotic multi-subunit complexes, surface receptors and secreted proteins. The use of mammalian cell expression systems can address these drawbacks since they provide a eukaryotic expression environment. However, low protein yields and high costs of such methods have until recently limited their use for structural biology. Here we describe a simple and accessible method for expressing and purifying milligram quantities of protein by performing transient transfections of suspension grown HEK (Human Embryonic Kidney) 293F cells.
Den raske utviklingen av molekylær cellebiologi og konstant behov for bedre medisiner i medisin har skapt et behov for strukturelle biologer å se på stadig mer komplekse proteinstrukturer. Disse kan ofte kreve spesielle post-translasjonelle modifikasjoner, molekylære anstand og co-faktorer for å støtte sin utstrakte folding og enzymatisk aktivitet. Selv om de aller fleste strukturer er tilstede i Protein Data Bank er blitt oppnådd ved hjelp av bakterielle ekspresjonssystemer, prokaryote celler er ikke i stand til å utføre et stort antall av disse modifikasjonene og mangler mange essensielle eukaryote co-faktorer. Dette kan være et problem for studiet av store multi-subenheten komplekser som aktiveres av små signalmolekyler samt for kjernekraft, celleoverflaten og utskilte proteiner som krever forseggjort folding machineries. En rekke E. coli-stammer har blitt utviklet for å overvinne noen av disse begrensningene en. I de senere år har imidlertid bruken av mammalian ekspresjonssystemer har vært økende fordi de pålitelig produsere eukaryote proteiner som ellers er problematisk å uttrykke i andre systemer 2. I dag er det mulig å oppnå en stabil og transient ekspresjon pattedyrcellelinjer ved en rekke teknikker som spenner fra viral transduksjon til kjemisk-mediert transfeksjon, fysisk gen-overføring, for eksempel elektroporering og direkte injeksjon 3. Mens alle disse metodene har sine egne fordeler og ulemper, bare et fåtall av dem er egnet for strukturelle studier som enten for dyrt og / eller tidkrevende.
Her beskriver vi en veldig enkel, rask, billig, men likevel svært effektiv metode for å uttrykke protein komplekser for strukturbiologi i henge vokst pattedyrceller. Tilnærmingen bruker transient co-transfeksjon av en Human embryonale Kidney (HEK) cellelinje (f.eks Freestyle HEK 293F celler). Disse cellene har blitt avledet fra HEK 293 cell linje, er tilpasset til å vokse i suspensjonskulturer, og nådde høye tettheter ved hjelp av serum-fritt media (slik som FreeStyle 293 Expression medium). Celler blir så forbigående transfektert ved hjelp av en forgrenet versjon av polyetylenimin (PEI), en billig polymer reagens som er blitt rapportert til å fungere for et stort utvalg av pattedyrceller ved å danne fire DNA / PEI-komplekser som kommer inn i vertscellen ved endocytose 5. Denne fremgangsmåte er egnet for både liten skala (30 ml) og stor-skala (opp til 300 ml), og eksperimenter kan produsere høye nivåer av renset protein-komplekser. Det er spesielt nyttig for å studere proteiner som krever kompliserte foldemaskiner, ko-faktorer eller spesielle post-translasjonelle modifikasjoner som ikke kan utføres av bakterier, gjær-og insektceller.
I denne protokollen presenterer vi uttrykket og rensing av de tre-protein sentral stillaset fra Sin3A transcriptional undertrykkelse kompleks. Denne består av HistoneDeacetylase 1 (HDAC1), lyddemper av Defekt Silencing 3 (SDS3) og Switch uavhengig 3 (Sin3A). Det rensede kompleks brukes for high-throughput krystallisering forsøk.
Vi har utviklet en enkel og kostnadseffektiv metode (PEI koster mye mindre enn kommersielt tilgjengelige lipofile transfeksjon reagenser) for ekspresjon og rensing av store mengder av rekombinante proteiner og multi-subenheten komplekser fra pattedyrceller. Optimal transfeksjon og ekspresjon effektivitet kan oppnås hvis høyrent plasmid-DNA (260/280 mellom 1,8 og 2,0) er brukt i kombinasjon med PEI som beskrevet i protokollen delen. Cellene må dyrkes i serum-og antibiotika-fritt medium, derfor, steril teknikk er strengt nødvendig for aging og transfeksjon av celler for å unngå kostbare og tidkrevende infeksjoner. Celle levedyktighet bør være 90% eller høyere og kulturer bør ikke vokst til tettheter større enn 2,5 x 10 6 celler / ml umiddelbart før en transfeksjon, da dette vil redusere proteinmengde. For en vellykket transfeksjon, bør kulturer bare inneholde én eller dele celler. Klynger kan bli brutt opp av handlekraftous virvling 20 til 30 sek (figur 5). Forholdet mellom hvert plasmid brukt i ko-transfeksjon kan varieres av brukeren i henhold til støkiometrien av komplekset som blir studert. Expression effektivitet kan optimaliseres for protein av interesse, slik at en passende uttrykk tid kan etableres. Rensing bør utføres holde prøven kald protein til alle tider for å redusere risikoen for uønsket proteolytisk nedbrytning. Valget av koder og rensing buffere er kritisk, siden de kan interferere med strukturelle elementer eller aktive områder av visse proteiner, som ofte resulterer i redusert oppløselighet, og / eller tap av enzymatisk aktivitet. Småskala transfections er spesielt nyttig for å teste forskjellige konstruksjoner for rensing av store proteinkomplekser.
I dag er et stort utvalg av alternative metoder er tilgjengelige for ekspresjon av rekombinante eukaryotiske proteiner (tabell 2). For eksempel Baculovirus ekspresjon i insektceller er mye brukt på grunn av sin høye effektivitet transduksjon og dens mangel på cytotoksisitet i forhold til andre virale arter 6. Imidlertid er prosessen med å gjøre viruset tidkrevende og dens ustabilitet ikke tillater at viruset skal bli lagret i lange perioder. På den annen side, gjær-ekspresjonssystemer tilbyr muligheten for voksende celler til meget høye tettheter i fermenterings-kulturer, noe som resulterer i høye utbytter 7 protein. Men de mangler fortsatt full rekke post-translasjonelle modifikasjoner kreves for eukaryote proteiner for å kaste riktig og samhandle med sine protein partnere. HDAC3, for eksempel, er uttrykt, men ikke kaste i E. coli. Imidlertid, når det uttrykkes i 293F-celler, var vi i stand til å rense et aktivt enzym i kompleks med sitt ko-repressor (SMRT) og et molekyl av inositol tetra (IP4) 8, som ikke finnes i prokaryote celler. Denne metoden har også tillatt oss å rense og løse krystall structure av HDAC1 samspill med MTA1 i Nurd komplekset, som er tilsvarende aktiveres av IP4 ni. Ideelt sett ville vi alltid liker å uttrykke eukaryote proteiner i deres naturlige, fysiologiske miljø. Pattedyr ekspresjonssystemer som anvender HEK 293-celler EBNA1 i bioreaktorer 10-12 er blitt beskrevet og gi svært høye nivåer av protein, men disse kan være kompliserte å bruke.
Vår fremgangsmåte er en enkel og tilgjengelig alternativ til ekspresjon i bakterier, gjær og reaktorsystemer. Uttrykket metoden er hurtig og krever ikke bruk av kostbart utstyr, spesielt hvis valsen flaske eller kolbe atmosfæren erstattes med 5% CO2 og standard risting inkubatorer benyttes. Vi har brukt disse protokollene å co-transfektere flere plasmider og rense komplekser med opptil fem proteiner med avkastning av> 1 mg / L av kultur. Interessant, hjelper systemet identifikasjon av stabile vel-artet komplekser. For eksempel, expression av det binære kompleks av HDAC1 og Sin3A ga begrenset utbytte av protein, men tillegg av SDS3 resulterte i 5 ganger høyere mengder og dermed styrer strukturelle biolog i valg av egnede konstruksjoner og stabile komplekser for krystallisering.
The authors have nothing to disclose.
Vi ønsker å takke Dr. Xiaowen Yang (PROTEX kloning tjeneste) for å forberede ekspresjonskonstruksjoner brukes til dette arbeidet, og University of Leicester Kjerne Bioteknologi Services. Dette arbeidet ble støttet av en BBSRC studieplass, Wellcome Trust Program og Senior Investigator Grants WT085408 & WT100237 og BBSRC gi RM31G0224.
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
FreeStyle HEK 293F cells | LifeTechnologies | R790-07 | |
FreeStyle 293 Expression Medium | LifeTechnologies | 12338-018 | |
Anti-FLAG M2 Affinity Gel | SIGMA | A220 | |
250 ml Erlenmeyer Flask with Vented Cap | Corning | 431144 | |
Roller bottles with vented caps | Corning | 01836-02 | |
Polyethylinamine, 25 kDa, branched | Sigma-Aldrich | 408727 | Make 0.5 mg/ml stocks in H2O, adjust pH to 7.0 with dilute HCl and store at -20 – 4ºC |
Mammalian expression vector | – | – | |
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
0.22 µm Centrifugal Filter Units | Amicon | UFC30GV00 | |
15 ml Ultra centrifugal filters (10 kDa cut-off) | Amicon | UFC901008 | |
Superdex 10/300 GL | GE Healthcare Life Sciences | 17-5175-01 |