Burada, nasıl küçük açı X-Ray saçılma (SAXS) düşük çözünürlüklü zarflar makromoleküllerin yapıları temsil eden hakkında bilgi edinmek için kullanılması gereken mevcut. X-ışını kristalografisi ve nükleer manyetik rezonans gibi yüksek çözünürlüklü yapısal teknikleri ile birlikte kullanıldığında, SAXS detaylı yorumlara çok etki alanlı proteinler ve makromoleküllerin kompleksleri çözüm sağlayabilir.
Protein-protein etkileşimleri proteinler birden çok küresel etki alanlarıyla ilgili nasıl böyle kompleksleri form ve nasıl etki alanlarında odaklı/konumlandırılmış belirlemek için teknik sorunlar mevcut. Burada, hangi belirli etki alanları aracılık etkileşimleri aracılığıyla ab initio modelleme uygulamasının sisteminde elucidating için potansiyel bir protokolle açıklanmıştır. Bu küçük açı X-ray saçılma (SAXS), kromatografi ve atomik çözünürlükte yapılar birlikte bir melez yaklaşım verilerden tümleştirme içerir çözüm yapıları oluştururlar ve kendi meclisleri hesaplamak için bir yöntem sağlanmıştır. Belirli bir örnek tam uzunlukta nidogen-1, hücre dışı matriks proteinleri birleştirir ve bir genişletilmiş, kavisli nanostructure formları karmaşık ilgilidir. Onun küresel etki alanlarından biri laminin γ-membran yapılar 1 için ekler. Bu esnek çok etki alanlı protein kompleksleri doğru yapılarının belirlenmesi için bir temel sağlar ve Otomasyon Robotik ve boyutu dışlama Kromatografi Sistemleri ile birleştiğinde sinkrotron kaynaklar tarafından etkinleştirilir. Bu kombinasyon birden fazla oligomeric durum sadece SAXS veri toplama önce ayrıldığı hızlı analiz sağlar. Analiz eylemsizlik, parçacık boyutu, moleküler şekli ve etki alanları arasında eşleştirme yarıçapı hakkında bilgi verir. Protokol bileşeni proteinlerin yüksek çözünürlüklü yapıları yaklaştırarak kompleksleri 3D modeller oluşturmak için de verilir.
Karmaşık ağları cascades sinyal ve yapısal bütünlüğünü korumak gibi hücresel işlevler yürütmek için Moleküler makineler olarak hareket proteinlerin hücre içeriyor. Bu farklı bileşenleri taşımak ve üç boyutlu uzayda etkileşim yolları açmaktadır oluştururlar belirli işlevleri için. Protein yapısı, dinamiği ve etkileşimleri işlevi belirlemede önemi bu özellikleri ölçmek sürekli gelişen, karmaşık teknikleri gerek sağlamıştır. Bunlar nükleer manyetik rezonans (NMR), x-ışını kristalografisi (XRC) ve daha yakın zamanda, Cryo-elektron mikroskobu (CEM) sağlamak yüksek çözünürlüklü yapısal bilgi. Ancak, XRC ve CEM birçok biyomoleküler durumlardan yapılarının verim ve 3D yapı belirlenmesi NMR tarafından daha küçük globüler proteinler için genellikle sınırlı olmakla birlikte protein yapısının mekanizmaları hakkında bilgi eksikliği. Bu sınırlamaları aşmak için bir yol küçük açı X-Ray saçılma (büyük, çoklu etki alanı veya complexed sistemlerinin moleküler zarf oluşturmak ve global aydınlatmak için yüksek çözünürlüklü katı makromoleküllerin yapılarının birleştirmek için SAXS) kullanmaktır yapısı ve dinamik özellikleri.
SAXS fikir değil sadece yapısı aynı zamanda karmaşık görüntüler dinamik özellikleri içine veren makromoleküllerin kompleksleri düşük çözünürlüklü zarflar yaklaşık 10-20 Å 1, çözünürlüğe sahip üretir. SAXS moleküler yapısı ortaya çıkarmak için röntgen kullanır, çözüm parçacıkları rasgele izotropik yönünü kırınım ama atomik çözünürlük verim cant saçılma oldukça yol değil bu XRC olsa da. Bunun yerine, bir elektron “zarf” makromolekül makromolekül görüntüler biçimler ortalama temsil eden oluşturulur. Bu bilgiler daha önce çözüldü atomik çözünürlük yapıların doğrudan uydurma bölgelerinde esneklik tek protein veya alt birimi kuruluş veya daha büyük, çok protein kompleksi dinamiklerini anlaması için kullanılabilir. SAXS veriler yüksek enerjili monokromatik x-ışınları kullanarak synchrotrons veya örnek çekim hızı (Şekil 1) saniye yerine saat gerektiren daha zayıf bir x-ışınları kaynak teklif şirket içi kaynaklardan toplanmıştır. SAXS veri kez toplanan bir tek deneysel tertibat ve arabellek, bir sistemde bir tur yararlı veri toplamak için uzun bir süre gerektiren çeşitli örnekleri. Örnekleri bu nedenle doğrulanabilir kalite kontrol yöntemleri dinamik ışık saçılma (DL) ve/veya yüksek kaliteli SAXS veri2 ‘ yi edinmek için analitik ultracentrifuge (AUC) analizi gibi temel alan en az bir kaç saat için istikrarlı ve sigara toplayarak olmalıdır , 3. burada SAXS, ilkeleri, kullanımı, yararları, sınırlamalar ve numune hazırlama ve odak ağır üzerinde veri toplama ve analizi, arkasında pratik bir açıklaması ile birlikte kullanarak modelleme kısaca üzerinde ab initio sağlamak hücre dışı matriks proteinleri nidogen-1 ve laminin γ-1 deneysel örnek olarak.
İlkeler, faydaları ve sınırlamaları SAXS:
SAXS arkasında yol gösterici principle(s) oldukça basittir: bir çözüm macromolecule(s) ilgi monodispersed hazırlanması bir kılcal içinde yerleştirilir ve yüksek enerji monokromatik röntgen ışını maruz kalmaktadır. Fotonlar elektronların atom kabuk salınan, başlamak için küresel bir dalga dalga boyu aynı enerji ve yayılan neden. Her elektron salınım beri sürekli bir arka plan elde ve makromolekül ortaya çıkan elektron yoğunluğu arka plana tezat. Elde edilen saçılım yoğunluğu saçılma açı, 2Θ bir fonksiyonu olarak toplanır (Şekil 1).
Diğer teknikleri XRC, NMR ve CEM atomik düzeyde yapısal bilgi sağlamak gibi diğer teknikleri sağlayamaz SAXS için birden çok faydası vardır. SAXS hemen hemen her arabellekte gerçekleştirilebilir ve herhangi bir özel numune hazırlama gerektirmez. Bu davranış ve yapısını oluştururlar varlığı ya da yokluğu mono – veya divalent katyonlar veya pH4,5değişimler gibi çeşitli koşullarda eğitim özellikle önemlidir. SAXS bir makromolekül6, listelenen diğer teknikleri ile mücadele bir şey esnek bölgeleri hakkında bilgi sağlama yeteneği vardır. Güçlü bir ücretsiz teknik bir makromolekül olmanın istikrarlı bölümleri XRC, NRM veya CEM ve tüm makromolekül okudu veya karmaşık SAXS ile düşük çözünürlüklü analiz ve çeşitli analiz araçları gibi kullanarak kombine olarak SAXS bu nedenle, kullanılabilir FoXSDock7 veya CRYSOL8. SAXS bir çözüm teknik olduğundan, genellikle statik yapının XRC elde edilen bu gibi çözüm6‘ tutarlı olup olmadığını onaylamak için kullanılır. SAXS da örnek yatırım (genellikle 50-100 µL) nispeten az miktarda ve deney süresi (30 dk – 1 h) nispeten az miktarda gerektirir bir teknik olmanın avantajı var.
En büyük SAXS örnek toplama ve/veya yanlış yapısal Öngörüler için yol açabilir bozulması güvenlik açığı kısıtlamasıdır. Bir toplama, hatta %5, düşük ışık maksimal Parçacık boyut (Dmax) ve eylemsizlik (Rg) yarıçapında bir tahmindi lider çok yüksek miktarlarda dağılım. Öte yandan, örnek bozulması moleküler özelliklerini bir hafife için yol açabilir. Bu güvenlik açığından örnek homojenliği güvenilir ve tekrarlanabilir sonuçlar elde edilmesi için kritik olduğu anlamına gelir bir ortalama tekniği olmak SAXS kaynaklanmaktadır. SAXS tarafından analiz edilecek olan herhangi bir örnek bu nedenle, arıtma ve homojenliği çek, denaturing ve yerel Jel Elektroforez, boyutu dışlama kromatografi, dinamik ışık saçılma, gibi birden çok yöntem geçmesi ve analitik ultrasantrifüj. Genellikle, SAXS beamlines örnekleri son kalite kontrol olarak yüksek performanslı sıvı kromatografi ile adım SAXS (S-SAXS)3,9önce çalışır. SAXS veri birden çok konsantrasyonları toplanmalıdır ve her veri kümesinin Rg interparticle etkileşim ve toplama, hangi bir tahmindi parçacık içinde sonuçları önlemek için yakın bir benzerlik sağlanması karşılaştırılması gereken Boyutlar, lider hatalı veri analizi ve modelleme. Saçılma konsantrasyon ve boyutu üzerinde bağlı olduğundan daha küçük oluştururlar konsantrasyon aralığı daha ayrıntılı bir optimizasyon gerektirebilir. Bu nerede küçük açılar ve küçük boyutlarda geniş açı doğru doğru büyük boyutlarda dağılım Karşılıklılık teoremi, kaynaklanmaktadır. Bu veri toplama, benO nerede R-6, orantılı R parçacık RADIUS nerede ortaya çıkar. Bir son SAXS örnek radyasyon zarar potansiyeli için verilerin bozulma yol açabilir pozlama sırasında kısıtlamasıdır. Önce ve sonra SAXS örnek maruz kalma bu değil oluştuğunu emin olmak için örnek kalite karşılaştırmak için iyi bir yöntemdir.
Bu kağıt ekle arabellek çıkarma, Guinier analiz, Kratky analiz, veri birleştirme ve P(r) dağıtım protokolü bölümünde özetlenen SAXS veri analizi kritik adımlar. Ab initio boncuk modelleme burada ayrıntılı olarak ele alınacak çok geniş ve bu nedenle yalnızca kısa bir süre kaplı olmasıdır.
(Örneğin Almanya’da DESY, elmas İngiltere’de ve Fransa’da ESRF) synchrotrons, çok küçük bir kısmı için SAXS veri toplamak mümkündür (~ kaç µL) kesirler olarak her örneğinin s sütundan eluted yani bağlı satır içi (bkz: resim 1 ). Melosun dağınık SAXS veri radyal arabellek çıkarma yer almadan önce araç üreticisi veya sinkrotron tarafından sağlanan paketleri kullanarak ortalama. Elde edilen 1D veri miktarını dağınık ışık ( ben(q)) Ytemsil-eksen ve saçılma açı (q= 4πsinθ/λ λ dalga boyu olay Xnerede,-ışınları) ve Şekil 1‘ de özetlenen. PRIMUS/qt12 program doğrudan arabellek nedeniyle herhangi bir arka plan çıkarmak için kullanılır ve 1.1 bölümünde anlatılan. Diğer programları gibi; ScÅtter43 (download www.bioisis.netelde edilebilir) bir eğitim elde edilebilir vasıl https://www.youtube.com/channel/UCvFatdC5HcZOLv6OSjblfeAve bioXtas ham44 (elde edilebilir vasıl https:// ile bioxtas-raw.readthedocs.io/en/Latest/index.html) ATSAS paketi alternatif olarak kullanılabilir.
Guinier analiz örnek toplama ve homojenliği olarak Eylemsizlik yarıçapı (Rg) düşük s bölge14SAXS verileri esas ilgi makromolekül için bilgi sağlar. Bir komplo PRIMUS/qt ile ilâ 1,30 q için azami menzili ile uygun eğrisi ve ardından her konsantrasyon, elde edilen SAXS veriler için inşa edilmiştir Rgx. Doğrusal olmayan bir Guinier toplama sonuçları15,16çizmek ise monodispersed numune hazırlama (Şekil 2B), bu bölgede bir doğrusal Guinier Arsa sağlamalıdır. Guinier analiz doğrusal ise, “unfoldedness” bir makromolekül ilgi derecesini katı vücut modelleme gerçekleştirmek veya düşük çözünürlüklü modellerin topluluklar oluşturmak karar verirken yararlı olan Kratky komplo ile görülebilmektedir. Küresel bir protein molekülleri genişletilmiş, ancak Çan şeklinde bir eğri arsa veya gelişeceğini peptidler Plato hatta daha büyük q aralığında artış ve bell-şekil (Şekil 2C) eksikliği görünür bir Kratky görünür.
Rg Guinier analizinden elde yalnızca 1 D dağılım çizim (Şekil 2B) düşük q bölgesinden veri noktaları dikkate alır, ancak, dolaylı bir Fourier dönüşümü gerçekleştirmek için neredeyse tüm veri kümesi kullanmak mümkündür Dmax ve Rg üzerinde bilgi sağlayan bir gerçek uzay mesafe dağılım fonksiyonu (P(r)) ln (ı (q)) vs (q) karşılıklı yer bilgileri dönüştürmek için (Şekil 2B) P(r) arsa şeklini faiz18,19makromolekül brüt çözüm biçimi temsil eder. karşılıklı-alan veri dönüştürme gerçek alanı veri kritik bir adımdır ancak ayrıntılı bir açıklama bu kağıt kapsamında değildir. Bu nedenle, her parametre anlamak için Svergun20 tarafından bir makaleye bakın.
Arabellek düşülen bir kez bireysel konsantrasyonları Guinier analizi ile istikrarlı bir değer ile Kratky analizi ile onların katlama desen inceleyerek takip Rg, işlenen veri, bu veriler birleştirilebilir. Birleştirilen verilerin nidogen-1, laminin γ-1 ve onların karmaşık yukarıda açıklandığı gibi işlenmiş olan ve elde edilen P(r) araziler için 2B şekilsunulmaktadır. İdeal olarak, bir de çift-mesafe dağılım fonksiyonu benzer Rg ve Dmax değerleri her konsantrasyon için toplanan SAXS veri sağlar olup olmadığını belirlemek için P(r) her yoğunlaşması hesaplamak. Rg ve Dmax benzer konsantrasyonları geniş bir aralığında kalırsanız, Kullanıcı devam etmek. Bu veri birleştirme önce sinyal bağlı olarak, veri kesilmiş unutulmamalıdır. Konsantrasyonları ve/veya soruşturma altında oluştururlar molekül ağırlığı düşük ise bu kez durum.
Düşük çözünürlüklü şekil analiz DAMMIN kullanarak çeşitli modlarda yapılabilir (Örneğin hızlı, yavaş, uzman modu, vb). Hızlı mod P(r) Arsa kaliteli modelleri sağlıyorsa değerlendirmek için ideal bir ilk adımdır. Tipik olarak, en az 10 modelleri tekrarlanabilir sonuçlar, düşük çözünürlüklü yapısı açısından, sığdır değiştirgesi χ (0,5-1,0 değeri bizim kapsamlı çalışmaları temel iyi olarak kabul edilir olarak adlandırılan düşük bir iyilik ile elde edilen Eğer kontrol etmek her P(r) arsa için elde ), deneysel olarak toplanan SAXS veriler ve model alınan verileri arasında bir anlaşma açıklar değeri. Yayın amaç, biz genellikle yavaş ya da uzman modu kullanın ve en az 15 modelleri hesaplamak. DAMMIN ek olarak, o, DAMMIF37, hem hem GASBOR38 daha hızlı bir versiyonu da alternatif vardır. Ayrıca, protein-protein veya protein nükleik asit kompleksleri çalışmaya, hem oluştururlar, hem de onların karmaşık için bireysel SAXS verilerin eşzamanlı uygun kolaylaştırır MONSA programı35, kullanmak mümkündür. RNA-protein etkileşim çalışmaları için de yüksek çözünürlüklü modeli hesaplamalar hakkında daha fazla bilgi için Patel ve ark3tarafından son bir makaleye bakın.
SAXS teorik olarak basit ama hiç şüphesiz çok tamamlayıcı bir yöntem diğer yapısal biyoloji araçları ve sonuçları kendi başına kullanılabilir düşük çözünürlüklü yapısal veri veya bilgi aydınlatmak için yüksek çözünürlüklü teknikleri ile birlikte makromoleküllerin yapısı ve dinamikleri hakkında. Monodispersed hazırlanması oluştururlar ve kendi kompleksleri elde edilebilir olduğu sürece, SAXS çözüm yapısı ve etkileşimleri biyolojik makromolekül herhangi bir tür eğitim için yararlı olabilir. Burada tartışılan karmaşık söz konusu olduğunda dikkat çekici o daha az ise her iki proteinlerin etki alanları kalan diğer etkileşim serbestçe erişilebilir azot-1 ve laminin genel olarak erişilebilir yüzey alanı yüzde 10’u bu karmaşık γ-1 gömülü proteinler hücre dışı matriks yapısal sertlik (Şekil 3) korumak için. İle birlikte için bu tür bilgileri almak ~ 240kDa x-ışını kristalografisi, NMR ve Cryo-EM mikroskobu gibi diğer yapısal biyoloji teknikleri kullanarak çok zor olurdu.
X-ışını kristalografisi veya NMR ile ortaya çıkarılması protein yapısı doğal olarak zaman alıcı bir süreçtir. Bu darboğaz yapı belirlenmesi SAXS gücünü yapısal bir teknik olarak gösterir nerede bir alandır; veri toplama bir tek SAXS deneyi için bir saat alabilir ve aerodinamik analiz yazılımı sayesinde, hızlı ve verimli bir şekilde Analizi yapılabilir. SAXS yüksek çözünürlüklü veri kullanılabilir olmadan önce makromoleküllerin yapısı düşük çözünürlüklü bir model sunuyor çünkü tek başına bir teknik olarak yapısal çalışmalar-den geçerek büyük artış potansiyeline sahiptir. Uzun bir süre boyunca yüksek düzeyde protein ifade ve istikrar gerektiren veri toplama son derece saf, konsantre örnek gereksinimini diğer yapısal teknikleri bir engeldir. SAXS da saf ve konsantre olmaya gerek örnekleri, örnek birimleri kabaca 100 iken SAXS analiz için yapısal diğer tekniklerle karşılaştırıldığında nispeten ucuz bir yöntem yapım µL. Ayrıca, bir ek kalite kontrol adım sağlayan boyut dışlama kromatografi ile birleştiğinde SAXS giderek yaygın hale geliyor. Son zamanlarda esnek sistemleri aydınlatmak için Ensemble optimizasyonu yöntemi (EOM)45,46 kullanarak verileri NMR ve SAXS birlikte güçlü gelişmeler oldu. Mertens ve Svergun47tarafından son bir yazıda, yazarlar NMR, birlikte birçok diğer örnekler NMR ile birlikte kullanılan SAXS veri ile birlikte EOM SAXS birden çok son örnekleri açıklar. Gelişmeler sürekli SAXS alanında yapılmaktadır ve yeni teknikleri ile birlikte kullanılmak üzere SAXS için gelişmiş, değil sadece ücretsiz için yapısal diğer teknikleri. Sonuç olarak, biz SAXS talebi sadece zaman, özellikle içinde dinamik sistemleri işlevleri esneklik tarafından tanımlandığı karakterize NMR ile birlikte artacak inanıyoruz.
The authors have nothing to disclose.
Bu proje NSERC RGPIN-2018-04994, kampüs Alberta yenilik programı (RCP-12-002 C) ve Alberta Prion Araştırma Enstitüsü tarafından desteklenen / Alberta yeniliklerin Bio çözümleri (201600018) hibe tarzı TRP için layık bir Kanada araştırma sandalyede RNA & Protein Biyofizik (201704) ve NSERC bulma grant (RGPIN-2017-04003) kabul eder. TM finanse edilen NSERC keşif hibe için trp
HEK 293 EBNA Cell Line | In-Lab availability | – | Cell line used to overexpress protein(s) |
Ni Sepharose High Performance histidine-tagged protein purification resin | GE Healthcare | 17524801 | Affinity protein purification resin |
Superdex 200 Increase 10/300 | GE Healthcare | 28990944 | SEC Column |
ÄKTA Pure FPLC | GE Healthcare | – | FPLC System |
Nanodrop | Nanodrop | – | Spectrophotometer |
Basic Reagents (NaCl, Tris-HCl etc.) | |||
S-MAX3000 | Rigaku | – | SAXS Pinhole Camera System |
Zetasizer Nano-S | Malvern Instruments Ltd | – | Dynamic Light Scattering instrument |
0.1µm Filter | Millipore | JVWP04700 | Used to Concentrate Sample Prior to DLS |
Thrombin cleavage kit | abcam | ab207000 | Thrombin cleavage to remove His tag |
Strep-Tactin Sepharose Column | IBA | 2-1201-010 | Strep-Tag Affinity Purification |
D-desthiobiotin | Sigma-Aldrich | 533-48-2 | Elution of Strep Tag Protein |
Software | |||
SAXGUI | Rigaku | – | Data Collection for SAXS and data reduction |
ATSAS Suit | Franke et al., 2017 | – | SAXS Data Analysis Software program suite |
PRIMUS | Konarev et al., 2003 | – | Buffer Subtraction |
GNOM | Svergun, 1992 | – | Rg, Dmax and p(r) Calculation |
DAMMIF | Franke and Svergun, 2009 | – | Ab initio model calculation |
DAMAVER | Volkov and Svergun, 2003 | – | Averaged Solution Conformation calculations |
MONSA | Svergun, 1999 | – | Simultaneous model fitting for the complex |
GASBOR | Svergun et al., 2001 | – | Alternative Ab initio model calculations |
DTS Software V6.20 | Malvern Instruments Ltd | – | DLS supplied instrument software |
PyMOL | Schrodinger, LLC. | – | The PyMOL Molecular Graphics System V2.0 |
The Protein Data Bank | Berman et al., 2000 | – | PDB ID: 1NPE |