Gli studi strutturali e biochimici dei trasportatori di membrana umani richiedono quantità di milligrammi di proteine stabili, intatte e omogenee. Qui descriviamo metodi scalabili per lo screening, l’espressione e la purificazione di trasportatori di soluti umani utilizzando geni ottimizzati per i codoni.
I trasportatori di soluti (SLC) sono trasportatori di membrana che importano ed esportano una serie di substrati endogeni ed esogeni, tra cui ioni, nutrienti, metaboliti, neurotrasmettitori e prodotti farmaceutici. Nonostante sia emerso come interessanti bersagli terapeutici e marcatori di malattia, questo gruppo di proteine è ancora relativamente poco drogato dai farmaci attuali. I progetti di scoperta di farmaci per questi trasportatori sono ostacolati da limitate conoscenze strutturali, funzionali e fisiologiche, in ultima analisi a causa delle difficoltà nell’espressione e nella purificazione di questa classe di proteine incorporate nella membrana. Qui, dimostriamo i metodi per ottenere quantità di milligrammi ad alta purezza di proteine trasportatrici SLC umane utilizzando sequenze geniche ottimizzate per il codone. In combinazione con un’esplorazione sistematica della progettazione dei costrutti e dell’espressione ad alto rendimento, questi protocolli garantiscono la conservazione dell’integrità strutturale e dell’attività biochimica delle proteine bersaglio. Evidenziamo anche i passaggi critici nell’espressione delle cellule eucariotiche, nella purificazione dell’affinità e nella cromatografia ad esclusione dimensionale di queste proteine. In definitiva, questo flusso di lavoro produce preparazioni proteiche pure, funzionalmente attive e stabili adatte per la determinazione della struttura ad alta risoluzione, studi di trasporto, saggi di coinvolgimento di piccole molecole e screening in vitro ad alto rendimento.
Le proteine di membrana sono state a lungo bersagli sia per i ricercatori che per le industrie farmaceutiche. Di questi, i trasportatori di soluti (SLC) sono una famiglia di oltre 400 geni trasportatori secondari codificati all’interno del genoma umano1. Questi trasportatori sono coinvolti nell’importazione e nell’esportazione di numerose molecole, tra cui ioni2, neurotrasmettitori3, lipidi 4,5,6,7, amminoacidi 8, nutrienti 9,10,11 e prodotti farmaceutici 12. Con una tale ampiezza di substrati, queste proteine sono anche implicate in una serie di fisiopatologie attraverso il trasporto di tossine13, il trasporto e l’inibizione da parte di droghe d’abuso 14,15 o mutazioni deleterie16. Gli omologhi batterici sono serviti come prototipi per il meccanismo di trasporto fondamentale di diverse famiglie di SLC 17,18,19,20,21,22,23,24,25. A differenza delle proteine umane, gli ortologhi procariotici sono spesso meglio espressi nel ben noto sistema di espressione di Escherichia coli 26,27 e sono più stabili nei detergenti più piccoli che producono cristalli ben ordinati per la cristallografia a raggi X28. Tuttavia, le differenze di sequenza e funzionali complicano l’uso di queste proteine lontanamente correlate per la scoperta di farmaci29,30. Di conseguenza, lo studio diretto della proteina umana è spesso necessario per decifrare il meccanismo d’azione dei farmaci che hanno come bersaglio le SLC 31,32,33,34,35. Mentre i recenti progressi nella microscopia crioelettronica (Cryo-EM) hanno permesso la caratterizzazione strutturale delle SLC in condizioni più simili a quelle native36,37, la difficoltà nell’esprimere e purificare queste proteine rimane una sfida per lo sviluppo di terapie e diagnostica mirate.
Per alleviare questa sfida, il consorzio RESOLUTE (re-solute.eu) ha sviluppato risorse e protocolli per l’espressione e la purificazione su larga scala delle proteine umane della famiglia SLC38. Partendo da geni ottimizzati per i codoni, abbiamo sviluppato metodi per il clonaggio e lo screening ad alto rendimento di costrutti SLC. Questi metodi sono stati sistematicamente applicati all’intera famiglia di SLC, i geni sono stati clonati nel sistema di espressione virale BacMam e l’espressione proteica è stata testata in linee cellulari umane39 sulla base di metodi precedentemente descritti per il clonaggio ad alto rendimento e il test di espressione40. In sintesi, il gene SLC viene clonato dal plasmide pDONR221 in un vettore pHTBV1.1. Questo costrutto viene successivamente utilizzato per trasporre il gene di interesse in un vettore bacmide per la trasfezione di cellule di insetto, che include un promotore del citomegalovirus e un elemento enhancer per l’espressione nelle cellule di mammifero. Il baculovirus risultante può essere utilizzato per trasdurre cellule di mammifero per l’espressione della proteina SLC bersaglio.
Abbiamo inoltre sviluppato metodi standardizzati per l’espressione su larga scala e la purificazione stabile di SLC selezionati (Figura 1). Questo protocollo include più punti di controllo per facilitare la risoluzione dei problemi e ridurre al minimo la variabilità tra gli esperimenti. In particolare, il monitoraggio di routine dell’espressione e della localizzazione delle proteine, nonché l’ottimizzazione su piccola scala delle condizioni di purificazione per i singoli bersagli, sono stati aiutati dai tag Strep e Green Fluorescent Protein (GFP)41,42.
In definitiva, questi campioni proteici chimicamente puri e strutturalmente omogenei possono essere utilizzati per la determinazione strutturale mediante cristallografia a raggi X o microscopia crioelettronica (Cryo-EM), saggi biochimici di coinvolgimento del bersaglio, immunizzazione per la generazione di leganti e studi funzionali privi di cellule tramite ricostituzione in liposomi chimicamente definiti.
Lo sviluppo di terapie mirate a SLC è rimasto ostacolato a causa dell’assenza di una caratterizzazione sistematica della funzione del trasportatore. Ciò ha portato a un numero sproporzionato di farmaci che hanno come bersaglio questa classe proteica rispetto ai GPCR e ai canali ionici63, nonostante i loro numerosi ruoli nei processi normali e fisiopatologici. RESOLUTE è un consorzio internazionale che mira a sviluppare tecniche e strumenti di ricerca all’avanguardia per accelerare e migliorare …
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato svolto nell’ambito del progetto RESOLUTE. RESOLUTE ha ricevuto finanziamenti dall’impresa comune Iniziativa in materia di medicinali innovativi 2 nell’ambito dell’accordo di sovvenzione n. 777372. L’impresa comune riceve il sostegno del programma di ricerca e innovazione Orizzonte 2020 dell’Unione europea e dell’EFPIA. Questo articolo riflette solo il punto di vista degli autori e né l’IMI né l’Unione europea e l’EFPIA sono responsabili per qualsiasi uso che possa essere fatto delle informazioni in esso contenute. Il plasmide pHTBV è stato gentilmente fornito dal 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 |