Summary

Üretim, Kristalleşme ve Yapı Tayini ve<em> C. difficile</em> PPEP-1 mikro-tohumlama ve Çinko-SAD aracılığıyla

Published: December 30, 2016
doi:

Summary

Proline-proline endopeptidase-1 (PPEP-1) is a secreted metalloprotease and promising drug-target from the human pathogen Clostridium difficile. Here we describe all methods necessary for the production and structure determination of this protein.

Abstract

New therapies are needed to treat Clostridium difficile infections that are a major threat to human health. The C. difficile metalloprotease PPEP-1 is a target for future development of inhibitors to decrease the virulence of the pathogen. To perform biophysical and structural characterization as well as inhibitor screening, large amounts of pure and active protein will be needed. We have developed a protocol for efficient production and purification of PPEP-1 by the use of E. coli as the expression host yielding sufficient amounts and purity of protein for crystallization and structure determination. Additionally, using microseeding, highly intergrown crystals of PPEP-1 can be grown to well-ordered crystals suitable for X-ray diffraction analysis. The methods could also be used to produce other recombinant proteins and to study the structures of other proteins producing intergrown crystals.

Introduction

Clostridium difficile, hastane antibiyotik ilişkili ishal enfeksiyonlarının 1 en önemli nedenlerinden biridir. Bu Gram-pozitif anaerobik bakteri dışkı-ağız yolu ile kendi spor formu yoluyla bulaşır. Son on yılda, yeni '' salgın '' ya da '' hipervirülan 'suşları (/ 027 örneğin BI / NAP1) Kuzey Amerika ve Avrupa'da 2 yeni enfeksiyonların ve ölüm oranlarında ciddi bir artışa neden olmuştur. C. difficile -associated hastalığı (CDAD) yüksek ölüm oranları 3 ile hayatı tehdit eden kolon iltihabıdır. Belirtiler ishal 4'ten psödomembranöz kolit 5 ve genellikle ölümcül zehirli megakolon 6 arasında değişir.

Öldürücü suşlar Çok ilaca dirençli ve nüks oranı 7 yüksek olduğu gibi CDAD tedavisi zordur. anı tedavisi antibiyotikler metronidazol, fidaxomicin ya da vankomisin veya repetiti olarak içeren enf tekrarlayan olgular dışkı Mikrobiyota nakli. Yeni tedavi stratejileri acilen 8 ihtiyaç vardır. Bazı ilerlemeler C. difficile toksin B 9 hedefleyen terapötik monoklonal antikor Bezlotoxumab olarak kaydedilir, son zamanlarda başarılı bir faz III klinik çalışmalarda geçti ve FDA ve EMA ile onay için açılmıştı. Ek olarak, yeni antibiyotikler klinik çalışmalarda 10 farklı aşamalarında anda denenmektedir.

yeni tedavi hedefleri belirlenmelidir etkili bir tedavi geliştirmek. (; CD2830 / Zmp1; PPEP-1 EC 3.4.24.89), C. difficile proteaz prolin-prolin endopeptidaz-1 keşfedilen bir knock-out suşunda PPEP-1 eksikliği gibi umut verici bir hedef olduğunu, C hastalık oluşturma azalır ., in vivo 11 difficile. PPEP-1 de C-terminalinde iki tane C. difficile adezinleri yaran bir salgılanmış metaloproteaz 12,13 olan 13 ve böylece yapışık Bacter serbestİnsan bağırsak epitelinden ia. Bu nedenle, C. difficile sesil ve hareketli fenotip arasındaki dengeyi koruyarak yer almaktadır. PPEP-1'e karşı seçici inhibitörlerinin geliştirilmesi ve onun yüzeyler üç boyutlu yapının samimi bilgi vazgeçilmez olduğunu tanır anlamak. Bir alt-tabaka peptidi 14 PPEP-1 tek başına veya karmaşık ilk kristal yapışım çözdük. PPEP-1 ilk olarak bilinen proteaz, iki prolin kalıntıları 15 ila seçimli olarak böler peptid bağlar. Bu çift bükülmüş bir şekilde alt-tabakanın bağlanır ve proteaz aktif mevki 14 kapsar S döngüsünde yer alan tortuların uzun bir alifatik-aromatik ağ aracılığıyla stabilize eder. Bu alt-tabaka bağlanma modu PPEP-1'e özgü olan ve bugüne kadar, insan proteazlar bulunamadı. Bu umut verici bir ilaç hedef haline getirir ve çok olası inhibitörlerinin hedef dışı etkileri.

Ekran seçici PPEP-1 inh geliştirmek veibitors gelecek saf ve tek dağılımlı PPEP-1 proteininin büyük bir miktarı gereklidir. Bundan başka, tespit edilmesi gerekir PPEP-1 ilk önleyicileri, ko-kristal yapıları bağlanmasının modunu belirler. Bizim ellerde PPEP-1 sürekli iç içe gelişmiş kristaller üretir. Böylece PPEP-1 tek sapması kalitede kristaller üretmek için bir optimizasyon yöntemi geliştirmişlerdir. Bu protokolde, ayrıntılı PPEP-1 14 üretimi, saflaştırma, kristalleştirme ve Yapı çözümü tarif etmektedir. Bu salgılama sinyal dizisi, saflaştırma işareti kaldırılması ile afinite kromatografisi ve boyut çıkarma kromatografisine eksik PPEP-1 varyantın Escherichia coli hücre içi ifade kullanmak, çinko tek dalga boyu anormal dağılma vasıtasıyla bir optimizasyon ekran ve yapı belirlenmesi halinde 16 mikro-tohumlama ardından (çinko-SAD) 17. Bu protokol, (diğer proteinlerin üretimi ve yapı tayini için uyarlanabilir, örneğin </ Em> metaloproteazlar) ile iç içe gelişmiş kristallerinin üretilmesi proteinler için, özellikle de. İstek üzerine, yapının DNA (pET28a-USES-rPPEP-1) ve difraksiyon verileri, eğitim amacıyla temin edilebilir.

Protocol

1. Klonlama ve Tasarım Construct Sinyal peptidi olmaksızın C. difficile PPEP-1 (E. coli için) kodon optimize edilmiş diziyi klonu [amino asitler 27-220, buradan sonra yeniden birleştirici PPEP-1 isimli (rPPEP-1) 11] Nde I ile pET28a vektöre ve Xho I kısıtlama sahaları, 3'-ucuna (elde edilen vektör pET28a-USES-rPPEP-1) bir durdurma kodonu ile (Şekil 1). Bu arıtma sırasında etiketi çıkarma sağlayan bir trombin ayrılma sitesin…

Representative Results

rPPEP-1, E. coli BL21 (DE3) Yıldız (Şekil 1C) en yüksek verimle çeşitli E.coli suşları aşırı eksprese edilir. İlk Ninta afinite kromatografi basamağından sonra, 6xHis-Tag başarılı protein çoğundan yanlabilir ve ikinci Ninta aşamada, düzenlenmemiş protein tam trombin sindirilmiş protein (Şekil 1D) ayrılabilir. Ara sıra muhtemelen dimerik türler (Şekil 2A) 'e uygun önü ile, monomer olarak…

Discussion

X-ışını kristalografisi hala proteinlerin 28 üç boyutlu yakın atomik çözünürlükte yapılarını belirlemek için hızlı ve en doğru yöntemdir. Bununla birlikte, iyi sıralı tek kristallerinin büyümesini gerektirir. Bunlar genellikle almak zordur ve kristal devlet yapaydır. Bununla birlikte, diğer yöntemler ile belirlenmiş olan X-ışını kristalografisi ile tespit edilmiş protein yapılarının karşılaştırılması, özellikle NMR genellikle çok iyi bir uyum göstermektedir. PPEP-1…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Biz sinkrotron veri toplama sırasında destek için İsviçre Işık Kaynağı, Paul-Scherrer-Enstitüsü, Villigen, İsviçre'de beamline X06DA personeli teşekkür ederiz. Biz mükemmel teknik destek için Monika Gompert minnettarız. Proje Köln Üniversitesi tarafından desteklenen ve Alman Araştırma Konseyi INST 216 / 682-1 FUGG hibe edildi. CP Kalkınma Sağlığı ve Hastalıkları Uluslararası Graduate School bir doktora bursu kabul edilmektedir. Bu sonuçlara yol açan bir araştırma hibe sözleşmesi No. 283570 (BioStruct-X) kapsamında Avrupa Topluluğu Yedinci Çerçeve Programı (FP7 / 2007-2013) fon aldı.

Materials

Genes / Vectors / cell strains
pET28a vector Merck-Millipore 69864 Thrombin cleavable N-terminal His-tag
E. coli strain BL21 (DE3) Star ThermoFisher Scientific C601003 RNase H deficient
Codon-optimized gene (for E. coli) of PPEP-1 (CD630_28300) Geneart (Thermo Fisher Scientific) custom amino acids 27-220
Name Company Catalog Number Comments
Chemicals
Yeast extract any
Tryptone any
Antifoam B Sigma-Aldrich A5757 aqueous-silicone emulsion
Agar any
Kanamycin any
IPTG AppliChem A1008
Tris-HCl AppliChem A1087 Buffer grade
NaCl any Buffer grade
DNaseI AppliChem A3778
Imidazole AppliChem A1073 Buffer grade
Thrombin Sigma-Aldrich T4648
Ammonium phosphate dibasic Sigma-Aldrich 215996
Glycerol 100% any purest grade
Sucrose Sigma-Aldrich 84097
Liquid nitrogen any for storage and cryocooling of crystals
Name Company Catalog Number Comments
Equipment (general)
Shaking incubator any providing temperatures of 20 °C – 37 °C
Glassware any baffled Erlenmeyer flasks (50 ml – 2.8L)
Centrifuge for large culture volumes any centrifuge for processing volumes up to 12 L
Sonicator Vibra-Cell VCX500 Sonics SO-VCX500 or any other sonicator / cell disruptor
Ultracentrifuge any centrifuge providing speeds up to 150.000 x g
NiNTA Superflow resin Qiagen
Empty Glass Econo-Column Bio-Rad 7371007 or any other empty glass or plastic column
Size exclusion chromatography column HiLoad Superdex 200 16/600 GE Healthcare 28989335
Chromatography system Äkta Purifier GE Healthcare 28406264 or any other chromatography system
Dialysis tubing Spectra/Por 3 Spectrum Labs 132724
Dialysis tubing closures Spectrum Labs 132738
Ultrafiltration units (concentrators) 10.000 NWCO any
UV-Vis spectrophotometer any
Name Company Catalog Number Comments
Equipment (crystallography)
Low volume pipette 0.1-10 µl any
Positive displacement pipette Microman M10 Gilson F148501
Crystallization robot any
96-well crystallization plates TTP IQ with three protein wells TTP 4150-05810 or any other 96-well crystallization plate 
24-well CombiClover Junior Plate Jena Bioscience EB-CJR
Crystal Clear Sealing Tape Hampton Research HR3-511
Siliconized Glass Cover Slides Hampton Research HR3-225
Commercial crystallization screens: SaltRx, Index, PEG/Ion, Crystal Hampton Research diverse
Commercial crystallization screens: Wizard, PACT++, JCSG++ Jena Bioscience diverse
JBS Beads-for-Seeds Jena Bioscience CO-501
CrystalCap SPINE HT (nylon loops) Hampton Research diverse loop sizes 0.025 mm – 0.5 mm
CrystalCap Vial Hampton Research HR4-904
Cryogenic Foam Dewar 800 ml Hampton Research HR4-673
Cryogenic Foam Dewar 2L Hampton Research HR4-675
Vial Clamp, Straight Hampton Research HR4-670
CrystalWand Magnetic, Straight Hampton Research HR4-729
CryoCane 6 Vial Holder Hampton Research HR4-711
CryoSleeve Hampton Research HR4-708
CryoCane Color Coder – White Hampton Research HR4-713
Scalpel any
Straight microforcep any for manipulation of sealing tape. etc.
Acupuncture needle any e.g. from a pharmacy
Stereo microscope any for inspection of crystallization plates and crystal mounting, magnification up to 160X

References

  1. Bouza, E. Consequences of Clostridium difficile infection: understanding the healthcare burden. Clin Microbiol Infect. 18 (Suppl 6), 5-12 (2012).
  2. O’Connor, J. R., Johnson, S., Gerding, D. N. Clostridium difficile infection caused by the epidemic BI/NAP1/027 strain. Gastroenterology. 136 (6), 1913-1924 (2009).
  3. Mitchell, B. G., Gardner, A. Mortality and Clostridium difficile infection: a review. Antimicrob Resist Infect Control. 1 (1), (2012).
  4. George, W. L., Sutter, V. L., Finegold, S. M. Antimicrobial agent-induced diarrhea–a bacterial disease. J Infect Dis. 136 (6), 822-828 (1977).
  5. George, R. H., et al. Identification of Clostridium difficile as a cause of pseudomembranous colitis. Br Med J. 1 (6114), 695 (1978).
  6. Bartlett, J. G. Narrative review: the new epidemic of Clostridium difficile-associated enteric disease. Ann Intern Med. 145 (10), 758-764 (2006).
  7. Kelly, C. P., LaMont, J. T. Clostridium difficile–more difficult than ever. N Engl J Med. 359 (18), 1932-1940 (2008).
  8. Ünal, C. M., Steinert, M. Novel therapeutic strategies for Clostridium difficile infections. Expert Opin Ther Targets. 20 (3), 269-285 (2016).
  9. Kelly, C. P., et al. The Monoclonal Antibody, Bezlotoxumab Targeting C. difficile Toxin B Shows Efficacy in Preventing Recurrent C. difficile Infection (CDI) in Patients at High Risk of Recurrence or of CDI-Related Adverse Outcomes. Gastroenterology. 150 (4), S122 (2016).
  10. Tsutsumi, L. S., Owusu, Y. B., Hurdle, J. G., Sun, D. Progress in the discovery of treatments for C. difficile infection: A clinical and medicinal chemistry review. Curr Top Med Chem. 14 (1), 152-175 (2014).
  11. Hensbergen, P. J., et al. Clostridium difficile secreted Pro-Pro endopeptidase PPEP-1 (ZMP1/CD2830) modulates adhesion through cleavage of the collagen binding protein CD2831. FEBS Lett. 589 (24), 3952-3958 (2015).
  12. Cafardi, V., et al. Identification of a novel zinc metalloprotease through a global analysis of Clostridium difficile extracellular proteins. PLoS One. 8 (11), e81306 (2013).
  13. Hensbergen, P. J., et al. A novel secreted metalloprotease (CD2830) from Clostridium difficile cleaves specific proline sequences in LPXTG cell surface proteins. Mol Cell Proteomics. 13 (5), 1231-1244 (2014).
  14. Schacherl, M., Pichlo, C., Neundorf, I., Baumann, U. Structural Basis of Proline-Proline Peptide Bond Specificity of the Metalloprotease Zmp1 Implicated in Motility of Clostridium difficile. Structure. 23 (9), 1632-1642 (2015).
  15. Rawlings, N. D., Waller, M., Barrett, A. J., Bateman, A. MEROPS: the database of proteolytic enzymes, their substrates and inhibitors. Nucleic Acids Res. 42 (Release 10.0), D503-D509 (2014).
  16. Bergfors, T. Seeds to crystals. J Struct Biol. 142 (1), 66-76 (2003).
  17. Dauter, Z., Dauter, M., Dodson, E. Jolly SAD. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 58 (Pt 3), 494-506 (2002).
  18. Laemmli, U. K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 227 (5259), 680-685 (1970).
  19. Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem. 72, 248-254 (1976).
  20. Kabsch, W. XDS. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 66 (Pt 2), 125-132 (2010).
  21. Adams, P. D., et al. PHENIX: a comprehensive Python-based system for macromolecular structure solution. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 66, 213-221 (2010).
  22. Emsley, P., Lohkamp, B., Scott, W. G., Cowtan, K. Features and development of Coot. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 66 (Pt 4), 486-501 (2010).
  23. . . The PyMOL Molecular Graphics System. , (2002).
  24. Pettersen, E. F., et al. UCSF Chimera–a visualization system for exploratory research and analysis. J Comput Chem. 25 (13), 1605-1612 (2004).
  25. Wang, B. C. Resolution of phase ambiguity in macromolecular crystallography. Methods Enzymol. 115, 90-112 (1985).
  26. McCoy, A. J., Grosse-Kunstleve, R. W., Adams, P. D., Winn, M. D., Storoni, L. C., Read, R. J. Phaser crystallographic software. J Appl Crystallogr. 40 (Pt 4), 658-674 (2007).
  27. Zwart, P. H., et al. Automated structure solution with the PHENIX suite. Methods Mol Biol. 426, 419-435 (2008).
  28. Zheng, H., Handing, K. B., Zimmerman, M. D., Shabalin, I. G., Almo, S. C., Minor, W. X-ray crystallography over the past decade for novel drug discovery – where are we heading next?. Expert Opin Drug Discov. 10 (9), 975-989 (2015).
  29. Rubino, J. T., et al. Structural characterization of zinc-bound Zmp1, a zinc-dependent metalloprotease secreted by Clostridium difficile. J Biol Inorg Chem. 21 (2), 185-196 (2016).
  30. Carson, M., Johnson, D. H., McDonald, H., Brouillette, C., Delucas, L. J. His-tag impact on structure. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 63 (Pt 3), 295-301 (2007).
  31. Gasteiger, E., Walker, J. M., et al. Protein Identification and Analysis Tools on the ExPASy Server. The Proteomics Protocols Handbook. , 571-607 (2005).
  32. Dummler, A., Lawrence, A. M., de Marco, A. Simplified screening for the detection of soluble fusion constructs expressed in E. coli using a modular set of vectors. Microb Cell Fact. 4, 34 (2005).
  33. Stura, E. A., Wilson, I. A. Applications of the streak seeding technique in protein crystallization. J Crys Growth. 110 (1), 270-282 (1991).
check_url/kr/55022?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Pichlo, C., Montada, A. A., Schacherl, M., Baumann, U. Production, Crystallization and Structure Determination of C. difficile PPEP-1 via Microseeding and Zinc-SAD. J. Vis. Exp. (118), e55022, doi:10.3791/55022 (2016).

View Video