Ce manuscrit décrit comment dépister les thermostabilizing mutations, purifier le transporteur de la sérotonine humaine, générer des anticorps de haute affinité, et cristalliser le complexe transporteur-anticorps sérotonine lié à l'antidépresseur drogue S -citalopram. Ce protocole peut être adapté à l'étude d'autres transporteurs membranaires complexes, des récepteurs et des canaux.
Le transporteur de la sérotonine est un transporteur de sodium et de chlorure couplés que "pompes" sérotonine extracellulaire dans les cellules. S -citalopram est un médicament utilisé pour traiter la dépression et l' anxiété en se liant au transporteur de la sérotonine à haute affinité, bloquant la recapture de la sérotonine. Nous rapportons ici une procédure efficace et un ensemble d'outils pour stabiliser, express, purifier et cristalliser les complexes de transporteur-anticorps liés à la sérotonine S -citalopram et d' autres antidépresseurs. Les mutations qui stabilisent le transporteur de la sérotonine ont été identifiés à l' aide d' un essai de liaison S -citalopram. Serotonin transporteur exprimé en baculovirus transduites HEK293S GnTI – cellules, a été reconstitué en protéoliposomes et utilisé pour produire des anticorps de haute affinité. Nous avons développé une stratégie pour découvrir des anticorps qui sont utiles pour les études structurelles. Une approche simple pour l'expression de fragments d'anticorps dans des cellules Sf9 a également été établi.Complexes Transporter-anticorps purifiés à l' aide de cette procédure sont bien comportés et facilement cristallisent, produisant des complexes avec S -citalopram qui diffractent les rayons X à 3-4 Å de résolution. Les stratégies développées ici peuvent être utilisées pour déterminer la structure des autres protéines membranaires difficiles.
Le transporteur de la serotonine (SERT) est une protéine membranaire intégrale qui facilite le transport de la sérotonine à travers les membranes cellulaires 1. SERT appartient à une famille de neurotransmetteur Sodium symporteurs (SSN) , qui comprend également la dopamine et la noradrénaline transporteurs 2. SERT est la cible moléculaire des antidépresseurs et anti-anxiété médicaments largement prescrits qui agissent pour inhiber de manière compétitive le transport de la sérotonine 3. SERT exploite le cotransport énergétiquement favorable de sodium pour éliminer neurotransmetteur de la fente synaptique. Une caractérisation exhaustive du système sérotoninergique a montré que les changements dans le métabolisme de la sérotonine semblent influencer pratiquement tous les processus neurologiques y compris l' humeur, le sommeil, la douleur, la cognition et l' agression comportements 4. Fonction SERT peut être modifiée par l'utilisation d'antidépresseurs et sélective recaptage de la sérotonine (ISRS) tels que S -citalopram, ainsi que par psychostimulants et les médicaments de dépendance tels que l' amphétamine et de 3,4-méthylènedioxy N -methylamphetamine ou "ecstasy" 1,2.
ISRS sont extrêmement importantes pour le traitement des troubles de l'humeur, mais la base structurelle précise pour leur action est pas bien comprise. WT SERT est instable dans des micelles de détergent, entravant ainsi les progrès vers un (3D) structure tridimensionnelle de 5,6 SERT. Récemment, nous avons développé des variantes de SERT qui sont solidement stable dans une large gamme de détergents et conservent l' activité 6 liaison ISRS. Ces variants ont été sélectionnés SERT thermostables utilisant un essai de stabilité thermique à base de proximité à scintillation. Nous décrivons ici un procédé pour la production d'anticorps à haute affinité qui peuvent se lier SERT et la purification et la cristallisation du SERT thermostable, dans un complexe avec l' anticorps et S -citalopram.
Ce protocole suppose que le SERT et 8B6 gènes ont été successfully cloné dans les vecteurs BacMam 7 et expression d' insecte, respectivement. Pour générer des anticorps, ADNc codant pour les résidus 73-616 du WT SERT a été cloné dans le vecteur BacMam avec un Strep II tag C-terminal (SERT IC). Pour l'écran de thermostabilité, les résidus de 73-616 avec SERT C-terminal GFP, Strep II, et 10-His (SERT TC) a été utilisé. Mutations ponctuelles individuelles ont été générés en arrière – plan TC SERT. Pour le protocole de cristallisation, la protéine de fusion SERT-GFP a été utilisé avec deux lits Strep [TrpSerHisProGlnPheGluLys (GlyGlyGlySer) 2 GlyGlySerAlaTrpSerHisProGlnPheGluLys] et 10-His, portant les mutants thermostables, Y110A, I291A, et T439S et les mutations des cysteines de surface C554A, C580A et C622A (SERT CC). Des séquences de clivage par la thrombine (LVPRGS) ont également été insérés dans le CC SERT après Q76 et T618 pour permettre le retrait de l'extrémité N- et C-terminales. Le plasmide codant pour le 8B6 Fab a été conçu pour exprimer à la fois la lourde et légèrechaînes de l'anticorps avec gp67 sécrétion des séquences sous le contrôle de deux promoteurs de polyhédrine séparés. L'extrémité C-terminale de la chaîne lourde de l'anticorps 8B6 a été marqué avec un-His 8 tag et un site de clivage de thrombine a été inséré entre la chaîne lourde et la balise.
Détermination de la structure des protéines de la membrane par des techniques biophysiques reste un défi de taille pour de nombreux transporteurs médicalement significatifs, des récepteurs et des canaux 11. Ici , nous partageons l' expertise détaillée élaborée pour la détermination de la structure du transporteur de la sérotonine humaine lié à S -citalopram. Nous prévoyons que ces méthodes seront utiles pour déterminer les structures de SERT dans d'autres états conformationnels ainsi que des structures d'autres protéines membranaires difficiles. En outre, les techniques biochimiques décrites ici peuvent également être utilisés pour fonction de SERT purifiée dans un détergent et un environnement quasi-native lipidique étudier.
SERT cristallisation articulée sur le développement de plusieurs outils et techniques. Tout d' abord, l' amélioration de transporteur thermostabilité produites variantes SERT qui ont été bien comportés dans divers micelles de détergent après l' extraction du transporteur à partir de membranes 6. En second lieu, l'utilisationdu ligand S -citalopram haute affinité à travers la purification et la cristallisation améliorée davantage la stabilité et de l' hétérogénéité conformationnelle réduite. En troisième lieu , la mise au point du système d'expression de BacMam 7 a permis de produire de grandes quantités de SERT dans une courte période de 2 semaines, ce qui facilite à la fois l' immunisation et la cristallisation. Enfin, le développement de stratégies pour sélectionner des anticorps de haute affinité qui reconnaissent les épitopes 3D ont permis la découverte de l'anticorps 8B6 qui favorise l'emballage bien ordonnée de complexes anticorps-SERT en cristaux.
Il existe un certain nombre d'étapes critiques et des réactifs ainsi que les problèmes courants qui se produisent souvent à travers le protocole. Tout d'abord, la génération de virus à titre élevé SERT P2 peut être problématique. Ajout de faibles concentrations de virus P1 pour générer le virus de la P2 comme décrit dans ce protocole atténue généralement ce problème, et dans les cas où le titre du virus de la P2 est faible, le virus P3 peut être using virus à une MOI de 0,0001. Les virus ayant un titre inférieur à 1 x 10 8 particules virales / ml ne doivent pas être utilisés et seront presque toujours à des rendements faibles en protéines. Pour l' expression, HEK293S GnTI – cellules ont été choisis car ils manquent N -acetylglucosaminyltransferase I activité et ne peuvent donc pas synthétiser N -glycans complexes, au lieu produisant seulement N -glycans haute mannose. Clive EndoH N glycosylation lié en des glycanes riches en mannose sur deux sites en boucle extracellulaire 2 (EL2), laissant une N – acétylglucosamine attaché à asparagine. La digestion des sucres N lié en entropie réduit EL2 de surface qui est probablement important pour la cristallisation. Pour la production d'anticorps, le SERT circuit intégré doit être utilisé pour l' immunisation. GFP est hautement immunogène 12 et ne doit pas être utilisé comme une balise de fusion pour générer des anticorps car il est difficile de supprimer complètement par SEC. N- flexible et C-terminale du SERT sont pas non plusinclus dans le produit d'assemblage afin d'éviter des anticorps contre ces régions. Les souris peuvent être immunisées avec 30 ug de protéine reconstituée; continuer à immuniser des souris jusqu'à ce que les concentrations sériques élevés d'anticorps peuvent être détectés et produire des cellules d'hybridome 13 comme décrit. Une construction thermostabilisés est habituellement le meilleur choix pour la vaccination; si le transporteur est bien élevé et conserve une activité biologique après purification, ce qui est souvent suffisante pour produire des anticorps. L'anticorps 8B6 a été soulevée contre WT SERT. Pour la cristallisation, seules les fractions de pic provenant de la SEC contenant un complexe monodispersé comme jugé par FSEC doivent être combinées et concentrées. cristaux SERT-8B6 poussent dans une gamme étroite de conditions et il y a un certain nombre de mesures qui devraient être prises pour résoudre les problèmes spécifiquement liés à la croissance des cristaux de SERT. base Tris ajusté avec HCl ne doit pas être utilisé dans la solution réservoir, étant donné que ce tampon ne supporte pas la croissance cristalline; il est donc critical à utiliser au lieu Tris ajusté avec NaOH. cristaux de SERT se développent dans une gamme étroite de concentrations de PEG 400, donc si les cristaux ne se développent pas ou si de nombreux petits cristaux sont observés, même une petite augmentation ou une diminution de la concentration du PEG 400 seraient avisés. En outre, l'acide 6-aminohexanoïque additif a également été utilisé dans l'écran optimisé pour améliorer la nucléation. Le ratio de la chute de la protéine: La solution de puits est aussi un facteur déterminant pour la croissance cristalline. Baisse des ratios de 1,5 à 2: 1 sont recommandées, avec des rapports plus proches de 2 drop: 1 supportant généralement la croissance des cristaux plus gros 3 dimensions. Enfin, l'utilisation d'une faible profil des plaques 24 puits est également cruciale pour la croissance cristalline, vraisemblablement en raison de la modification de la vitesse de diffusion de vapeur.
Une approche alternative à la méthode de SPA a été développé à l' écran pour les mutants qui stabilisent le transporteur de la sérotonine de rat dans une conformation de cocaïne liée à l' aide d' un dosage 5 de liaison filtre. En revanche, les ba SPAsed dosage permet d'étapes de chauffage successives suivantes par la détermination de la fraction du SERT qui reste lié au ligand. Ainsi, cela permet la détermination rapide de la température de fusion à partir d'un petit nombre d'échantillons. La méthode SPA repose sur la disponibilité d'un ligand de haute affinité et radiomarqués si aucun ligand sont connus qui se lient avec une affinité sous-micromolaire alors une approche alternative sera nécessaire. De nombreuses autres méthodes sont couramment utilisées pour mesurer la stabilité des protéines telles que la liaison de colorants fluorescents et calorimétrie 14 , mais sont à faible débit et sont incapables de mesurer directement la fonction ou nécessitent de grandes quantités de protéines. Si la méthode de SPA ne peut pas être utilisé, une approche à haut débit alternative est un Thermostabilité dosage à base de FSEC 15 (FSEC-TS), où l'échantillon est chauffé suivie d' une séparation de la fraction du transporteur restant. FSEC-TS est une approche utile pour accéder à un comportement chromatographique et de l'état oligomérique et est apoutil complémentaire uissance qui peut être utilisé aux côtés de la méthode SPA.
Une comparaison des différents systèmes d'expression de protéines commune a également été trouvé pour favoriser l'utilisation de cellules de mammifères pour l' expression de 16 et sans surprise SERT cela est probablement le cas pour de nombreuses protéines d'origine mammifère. Les méthodes que nous avons utilisées pour l'expression ont été adaptés pour le SERT, mais sont susceptibles facilement adaptables. Des conditions qui favorisent des niveaux élevés d'expression doivent être soigneusement identifiés en faisant varier le temps de l'expression, la température, la concentration virale et la présence d'inhibiteurs d'histone désacétylase tels que le butyrate de sodium.
Nous privilégions généralement la purification d'affinité dans un détergent à longue chaîne légère, comme C12M ensemble avec le SHC avant la reconstitution de conserver la liaison du ligand à haute affinité. La reconstitution à l'aide d'absorption hydrophobe est une technique douce que nous avons trouvé être efficace pour d'autres transporteurs et récepteurs. Si cen'a pas été couronnée de succès, l' élimination des détergents à des concentrations micellaires critiques élevées par dialyse, la dilution, ou SEC peut être utilisé 17 pourvu de l'antigène est suffisamment stable dans les détergents. Dans les cas où aucun anticorps appropriés sont trouvés, on trouve presque toujours la question est due à la perte de fonction ou de dénaturation de l'antigène et dans de tels cas, nous avons réalisé avec succès de nouveaux vaccins en accordant une attention particulière à la biochimie des protéines. Enfin, les ligands et les anticorps qui se lient avec de haute affinité devraient constituer la base d'une expérience de cristallisation rationnellement planifiée et en tirant profit d'une variante thermostable, on peut cribler une plus large gamme de conditions en faisant varier les propriétés des différents détergents. En outre, la cristallisation dans une mésophase lipidique 18 ou en utilisant bicelles 19 doivent toujours être considérés comme une alternative à la cristallisation dans les micelles.
Ces principes et méthodes peuvent être utilisées avec certains modification pour de nombreuses autres protéines transmembranaires qui sont difficiles à exprimer et purifier les autres hôtes d'expression, et sera particulièrement utile pour la détermination de la structure des cibles de médicaments de haute affinité.
The authors have nothing to disclose.
We thank D. Cawley for generating monoclonal antibodies. We thank A. Penmatsa and K. Wang for sharing ideas and expertise developed from the dopamine transporter. L. Vaskalis for assistance with figures, H. Owen for help with manuscript preparation and other Gouaux laboratory members for helpful discussions. J.A.C. has support from a Banting postdoctoral fellowship from the Canadian Institutes of Health Research. E.M.G. is supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship. We are particularly grateful to Bernie and Jennifer LaCroute for their generous support, as well as for funding from the NIH (5R37MH070039). E.G. is an investigator of the Howard Hughes Medical Institute.
DH10Bac | Invitrogen | 10361-012 | |
Kanamycin | Fisher | BP906-5 | |
Gentamicin | Fisher | BP918-1 | |
Tetracycline | Sigma | T-7660 | |
Bluo-gal | Invitrogen | 15519-028 | 5-Bromo-3-indolyl β-D-galactopyranoside |
IPTG | Anatrace | I1003 | |
Miniprep kit | Qiagen | 27106 | |
Cellfectin II | Invitrogen | 10362-100 | Sf9 transfection reagent |
SF9 | ATCC | CRL-1711 | |
Sf-900 III SFM media | Life Technologies | 12658-027 | |
HEK-293S GnTI- | ATCC | CRL-3022 | |
Freestyle 293 media | Life Technologies | 12338-018 | 293 expression media |
Fetal bovine serum | Life Technologies | 0984018DJ | |
Sodium butyrate | Sigma | 303410 | |
S-citalopram | Sigma | E4786 | Anagrade |
n-Dodecyl-?-D-Maltopyranoside | Anatrace | D310 | |
Cholesteryl hemmisuccinate | Sigma | C6013 | |
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti Polar Lipids | 850457P | |
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine | Avanti Polar Lipids | 850757P | |
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol | Avanti Polar Lipids | 840457P | |
Leupeptin | Sigma | L2884 | |
Pepstatin A | Sigma | P5318 | |
Aprotinin | Sigma | A1153 | |
PMSF | Sigma | P7626 | |
Desthiobiotin | Iba Life Sciences | 2-1000-05 | |
Asolectin | Sigma | 11145 | |
Cholesterol | Sigma | C-8667 | |
Lipid A | Sigma | L5399 | |
Brain polar lipid | Avanti Polar Lipids | 141101C | |
Biobeads | Biorad | 152-3920 | Hydrophobic absorption resin |
Goat anti-mouse IRDye 680RD | Odyssey | 926-68070 | Used as secondary for western blotting |
Lauryl maltose neopentyl glycol | Anatrace | NG310 | Anagrade |
Serotonin | Sigma | H9523 | |
pFastBac 8B6 | Available from authors | ||
pEG Bacmam SERT Strep II | SERTIC, Available from authors | ||
pEG Bacmam SERT GFP twin Strep His | SERTTC, Available from authors | ||
pEG Bacmam SERT ts3 GFP twin Strep His | SERTCC, Available from authors | ||
Imidazole | Sigma | 56749 | |
n-Octyl β-D-maltoside | Anatrace | O310 | Anagrade |
Thrombin | Haematologic Technologies | HCT-0020 | |
EndoH | New England Biolabs | P0702 | |
Trizma-HCl | Sigma | T5941 | Tris used for preparation of crystallization reservoirs |
PEG 400 | Sigma | 91893 | |
6-aminohexanoic acid | Sigma | 7260 | |
Trypsin-EDTA | Fisher | MT25052CV | |
Isoplate-96 TC | PerkinElmer | 6005070 | |
PolyJet | SignaGen | SL100688 | Polymer transfection reagent for mamalian cells |
Copper HIS-Tag YSI SPA Beads | PerkinElmer | RPNQ0096 | His-tag affinity SPA beads |
Citalopram, [N-Methyl-3H] | PerkinElmer | NET1039250UC | |
ThermoMixer C | Eppendorf | 5382000023 | heating block for thermostability assay |
ThermoTop | Eppendorf | 5308000003 | |
SmartBlock PCR 96, thermoblock for PCR plates | Eppendorf | 5306000006 | |
0.2 µm syringe filter | Olympus Plastics | 25-243 | |
1 L filter system | Corning | 430517 | |
2 L flat bottom tissue culture flask | Genemate | F-5909-2000 | |
2 L baffled tissue culture flask | Genemate | F-5909-2000B | |
CO2 incubator | Thermo Scientific | 3950 | |
Forma Orbital Shaker | Thermo Scientific | 416 | |
Strep-Tactin resin | Iba Life Sciences | 2-1208-025 | Strep affinity resin |
Extruder | Northern Lipids | ||
Li-Cor imaging system | Odyssey | western blot imaging system | |
XK16 column | GE Healthcare | 28-9889-37 | column used for Strep-Tactin and Talon purificaiton |
100 kDa MWCO protein concentrator | Millipore | UFC910096 | |
30 kDa MWCO protein concentrator | Millipore | UFC903024 | |
Äkta FPLC | GE Healthcare | UPC-900 | |
HPLC | Shimadzu | 51476 | |
Superose 6 (10/300) column | GE Healthcare | 17-5172-01 | Used for FSEC |
Tangential flow apparatus | Pall Filtron | ||
0.2 µm filter tangential flow cell | Pall Filtron | PSM20C11 | |
30 kDa MWCO tangential flow concentrator | Pall Filtron | OS030T12 | |
Talon resin | Clonetech | 635504 | His-tag affinity resin used for Fab purification |
1 ml HiTrap SP column | GE Healthcare | 17115101 | Cation exchanger used for Fab purification |
Superdex 200 10/300 GL column | GE Healthcare | 17-5175-01 | Used for SEC separation of SERT-8B6 |
24-well VDXm plate | Hampton Research | HR3-306 | |
18 mm coverslips | Hampton Research | HR3-239 | |
Virocyt virus counter | Virocyt | 2100 | |
MicroBeta Trilux | PerkinElmer | 1450 | 96-well scintillation counter |
HiTrap SP column | GE Healthcare | 17115101 | |
Sertraline | Sigma | S6319 |