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Immunologia e infezioni

Un protocollo Facile generare proteine site-specifically acetilati in Escherichia Coli

Published: December 09, 2017
doi:
10.3791/57061
, , , ,
1Department of Chemistry and Biochemistry,University of Arkansas, 2Cell and Molecular Biology Program,University of Arkansas, 3Department of Biological Sciences,University of Arkansas, 4Fayetteville High School

Summary

Codice genetico espansione serve come un potente strumento per studiare una vasta gamma di processi biologici, compreso l’acetilazione della proteina. Qui dimostriamo che un protocollo facile sfruttare questa tecnica per la generazione in modo omogeneo acetilato proteine in siti specifici in cellule di Escherichia coli .

Abstract

Modificazioni post-traduzionali che si verificano alle posizioni specifiche delle proteine hanno dimostrati di svolgere un ruolo importante in una varietà di processi cellulari. Fra loro, acetilazione reversibile lisina è uno dei più ampiamente distribuita in tutti i domini della vita. Sebbene siano stati condotti numerosi studi basati sulla spettrometria di massa acetylome, ulteriore caratterizzazione di questi bersagli putativi acetilazione è stato limitato. Una possibile ragione è che è difficile generare proteine puramente acetilati alle posizioni desiderate dalla maggior parte degli approcci biochimica classica. Per superare questa sfida, la tecnica di espansione del codice genetico è stata applicata per utilizzare la coppia di una variante di derivati dal pyrrolysyl-tRNA sintetasi e sue cognate tRNA da specie Methanosarcinaceae , per dirigere l’incorporazione di cotranslational di acetyllysine presso il sito specifico della proteina di interesse. Dopo la prima applicazione nello studio di acetilazione dell’istone, questo approccio ha facilitato gli studi di acetilazione su una varietà di proteine. In questo lavoro, abbiamo dimostrato un protocollo facile per produrre proteine site-specifically acetilati utilizzando il batterio Escherichia coli di modello come host. La malato deidrogenasi è stata utilizzata come un esempio di dimostrazione in questo lavoro.

Introduction

Modificazioni post-traduzionali (PTM) delle proteine si verificano dopo il processo di traduzione e derivano da covalente aggiunta di gruppi funzionali ai residui dell’amminoacido, giocando ruoli importanti in quasi tutti i processi biologici, tra cui gene trascrizione, risposta allo stress, differenziazione cellulare e metabolismo1,2,3. Ad oggi, circa 400 distintivo PTMs sono state identificate4. La complessità del genoma e del proteoma è amplificata in grande misura dalla proteina PTMs, come essi regolano la localizzazione e l’attività della proteina e influenzare l’interazione con altre molecole come proteine, acidi nucleici, lipidi e cofattori5.

Acetilazione della proteina è stato all’avanguardia di PTMs studi nell’ultimo ventennio6,7,8,9,10,11,12. Acetilazione di lisina in primo luogo è stato scoperto in istoni più di 50 anni fa13,14, ha stato bene esaminato ed è conosciuta per esistere in più di 80 fattori di trascrizione, regolatori e varie proteine15, 16,17. Studi sull’acetilazione della proteina hanno non solo ci ha fornito una comprensione più profonda dei suoi meccanismi di regolamentazione, ma anche trattamenti per un certo numero di malattie causate da disfunzionale acetilazione18,19, guidati 20 , 21 , 22 , 23. si credeva che l’acetilazione lisina accade solo negli eucarioti, ma recenti studi hanno dimostrato che acetilazione di proteina svolge anche ruoli chiave in fisiologia batterica, tra cui chemiotassi, resistenza agli acido, attivazione e stabilizzazione di Isole di patogenicità e altri virulenza relative proteine24,25,26,27,28,29.

Un metodo comunemente usato per caratterizzare biochimicamente acetilazione di lisina è mediante mutagenesi sito-diretta. Glutamina è usata come un mimo di acetyllysine a causa delle sue dimensioni simili e la polarità. Arginina è utilizzata come un mimo di lisina non-acetilati, poiché esso conserva la sua carica positiva in condizioni fisiologiche, ma non può essere acetilato. Tuttavia, entrambi imita non è veri isosteri e non sempre danno i risultati attesi30. L’approccio più rigoroso è quello di generare in modo omogeneo acetilati proteine ai residui di lisina specifico, che è difficile o impossibile per i più classici metodi a causa della bassa stechiometria di acetilazione di lisina in natura7,11. Questa sfida ha stata svelata dalla strategia di espansione di codice genetico, che impiega una derivati dal pyrrolysyl-tRNA-sintetasi variante da Methanosarcinaceae specie di addebitare tRNAPyl con acetyllysine, utilizza l’host traslazionale macchinari per sopprimere l’UAG codone nel mRNA di arresto e dirige l’incorporazione di acetyllysine in posizione progettata della proteina bersaglio31. Recentemente, abbiamo ottimizzato questo sistema con una migliore EF-Tu-associazione tRNA32 e un aggiornato acetyllysyl-tRNA sintetasi33. Inoltre, abbiamo applicato questo sistema avanzato incorporazione negli studi di acetilazione di malato deidrogenasi34 e tyrosyl-tRNA sintetasi35. Qui, dimostriamo il protocollo per la generazione di proteine puramente acetilati dalla clonazione molecolare per l’identificazione biochimica utilizzando la malato deidrogenasi (MDH), che abbiamo studiato estesamente come esempio dimostrativo.

Protocol

1. mutagenesi del Gene Target Nota: MDH è espresso sotto promotore T7 nel vettore pCDF-1 con l’origine di CloDF13 e un numero di copia di 20 a 4034. Introdurre il codone di stop ambra nella posizione 140 nel gene di primer (forward primer: GGTGTTTATGACTAGAACAAACTGTTCGGCG e reverse primer: GGCTTTTTTCAGCACTTCAGCAGCAATTGC), seguendo le istruzioni del kit di mutagenesi sito-diretta. Amplificare il plasmide di modello c…

Representative Results

La resa di proteina acetilata di MDH era 15 mg al cultura L 1, mentre quello di selvaggio-tipo MDH era 31 mg / cultura 1 L. Le proteine purificate sono state analizzate da SDS-PAGE, come illustrato nella Figura 1. Il selvaggio-tipo MDH è stato usato come un controllo positivo34. La proteina purificata dalle cellule che harboring il sistema di incorporazione di acetyllysine (AcK) e il gene mutante mdh , ma senza AcK in mezzi d…

Discussion

La costituzione genetica degli aminoacidi noncanonical (ncAAs) si basa sulla soppressione di un codone assegnato, per lo più la fermata ambra codone UAG36,37,38,39, dal tRNA ncAA-pagano contenente l’anticodone corrispondente. Come è noto, il codone UAG viene riconosciuto dalla release factor-1 (RF1) nei batteri, e può anche essere soppressa da vicino cognate tRNAs da host praticati da aminoa…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato dal NIH (AI119813), lo start-up presso la University of Arkansas e il premio dall’Arkansas Biosciences Institute.

Materials

Bradford protein assay Bio-Rad 5000006 Protein concentration
4x Laemmli Sample Buffer Bio-Rad 1610747 SDS sample buffer
Coomassie G-250 Stain Bio-Rad 1610786 SDS-PAGE gel staining
4-20% SDS-PAGE ready gel Bio-Rad 4561093 Protein determination
Ac-K-100 (HRP Conjugate) Cell Signaling 6952 Antibody
IPTG CHEM-IMPEX 194 Expression inducer
Nε-Acetyl-L-lysine CHEM-IMPEX 5364 Noncanonical amino acid
PD-10 desalting column GE Healthcare 17085101 Desalting
Q5 Site-Directed Mutagenesis Kit NEB E0554 Introducing the stop codon
BL21 (DE3) cells NEB C2527 Expressing strain
QIAprep Spin Miniprep Kit QIAGEN 27106 Extracting plasmids
Ni-NTA resin QIAGEN 30210 Affinity purification resin
nicotinamide Sigma-Aldrich N3376 Deacetylase inhibitor
β-Mercaptoethanol Sigma-Aldrich M6250 Reducing agent
BugBuster Protein Extraction Reagent Sigma-Aldrich 70584 Breaking cells
Benzonase nuclease Sigma-Aldrich E1014 DNase
ECL Western Blotting Substrate ThermoFisher 32106 Chemiluminescence
Premixed LB Broth VWR 97064 Cell growth medium
Bovine serum albumin VWR 97061-416 western blots blocking
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Site-specific AcetylationProtein AcetylationGenetic Code ExpansionPyrrolysyl-tRNA SynthetaseAmber Stop CodonE. Coli ExpressionSite-directed MutagenesisAcetyllysine Incorporation

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Venkat, S., Gregory, C., Meng, K., Gan, Q., Fan, C. A Facile Protocol to Generate Site-Specifically Acetylated Proteins in Escherichia Coli. J. Vis. Exp. (130), e57061, doi:10.3791/57061 (2017).
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