Questo manoscritto descrive come schermo per thermostabilizing mutazioni, purificare il trasportatore della serotonina umano, generare anticorpi ad alta affinità, e cristallizzare il complesso trasportatore della serotonina-anticorpo legato alla antidepressivo della droga S -citalopram. Questo protocollo può essere adattato allo studio di altri trasportatori di membrana impegnativi, recettori e canali.
Il trasportatore della serotonina è un trasportatore di sodio e cloruro-coupled che "pompe" serotonina extracellulare in cellule. S -citalopram è un farmaco usato per trattare la depressione e l'ansia legandosi al trasportatore della serotonina con alta affinità, il blocco della ricaptazione della serotonina. Qui riportiamo una procedura efficace e una serie di strumenti per stabilizzare, espresso, purificare, e cristallizzare serotonina complessi trasportatore-anticorpo legato a S -citalopram e altri antidepressivi. Le mutazioni che stabilizzano il trasportatore della serotonina sono stati identificati usando un saggio di legame -citalopram S. Trasportatore della serotonina espressa in baculovirus-trasdotte HEK293S GnTI – cellule, è stata ricostituita in proteoliposomi e utilizzato per aumentare gli anticorpi ad alta affinità. Abbiamo sviluppato una strategia per scoprire anticorpi che sono utili per studi strutturali. è stato anche istituito un approccio diretto per l'espressione di frammenti di anticorpi nelle cellule Sf9.Complessi Transporter-anticorpo purificato mediante questa procedura sono ben educati e facilmente cristallizzano, la produzione di complessi con S -citalopram che diffract raggi X per 3-4 risoluzione A. Le strategie sviluppate qui possono essere utilizzati per determinare la struttura di altre proteine di membrana impegnativi.
Il trasportatore della serotonina (SERT) è una proteina di membrana integrale che facilita il trasporto della serotonina attraverso le membrane cellulari 1. SERT appartiene ad una famiglia di neurotrasmettitori sodio Symporters (SSN), che comprende anche la dopamina e noradrenalina trasportatori 2. SERT è il bersaglio molecolare di antidepressivi e anti-ansia farmaci ampiamente prescritti che agiscono per inibire in modo competitivo il trasporto della serotonina 3. SERT sfrutta il cotrasporto energeticamente favorevole di sodio per rimuovere neurotrasmettitore dalla fessura sinaptica. Caratterizzazione estesa del sistema serotoninergico ha dimostrato che i cambiamenti nel metabolismo della serotonina sembrano influenzare praticamente tutti i processi neurologici, tra cui umore, il sonno, il dolore, la cognizione, e l'aggressione comportamenti 4. Funzione SERT può essere modificato attraverso l'uso di antidepressivi e selettivo della ricaptazione della serotonina (SSRI), come S -citalopram, nonché da psychostimulanti e farmaci di dipendenza come l'anfetamina e -methylamphetamine N 3,4-methylenedioxy- o "ecstasy" 1,2.
SSRI sono estremamente importanti per il trattamento di disturbi dell'umore, ma la base strutturale preciso per la loro azione non è ben compreso. WT SERT è instabile in micelle detergenti, impedendo in tal modo il progresso verso una (3D) struttura tridimensionale del SERT 5,6. Recentemente, abbiamo sviluppato varianti di SERT, che sono robusta stabile in una vasta gamma di detergenti e mantenere l'attività SSRI 6 vincolante. Queste varianti SERT termostabili sono stati selezionati usando un test stabilità termica a base di prossimità scintillazione. Qui si descrive un procedimento per la generazione di anticorpi ad alta affinità che possono legarsi SERT e la purificazione e cristallizzazione di SERT termostabile, in complesso con l'anticorpo e S -citalopram.
Questo protocollo presuppone che il SERT e 8B6 geni sono stati successoy clonato in vettori BacMam 7 e insetti di espressione, rispettivamente. Per generare anticorpi, cDNA codificante residui 73-616 di WT SERT è stato clonato in vettore BacMam con un Strep II tag C-terminale (SERT IC). Per la schermata termostabilità, residui SERT 73-616 con GFP C-terminale, Strep II, e 10-His tag (SERT TC) è stato utilizzato. Mutazioni puntiformi individuali sono stati generati in background SERT TC. Per il protocollo di cristallizzazione, la proteina di fusione SERT-GFP è stato utilizzato con TWIN-Strep [TrpSerHisProGlnPheGluLys (GlyGlyGlySer) 2 GlyGlySerAlaTrpSerHisProGlnPheGluLys] e 10-Le sue etichette, portando i mutanti termostabili, Y110A, I291A, e T439S e le mutazioni di cisteine superficie C554A, C580A e C622A (SERT CC). Sequenze trombina scissione (LVPRGS) sono stati anche inseriti nel SERT CC dopo Q76 e T618 per consentire la rimozione della N- e C-termini. Il plasmide codificante la 8B6 Fab è stato progettato per esprimere sia il pesante e leggeracatene dell'anticorpo con GP67 sequenze secrezione sotto il controllo di due promotori poliedrina separati. Il C-terminale della catena pesante dell'anticorpo 8B6 è stato etichettato con un 8-His tag e un sito di trombina scissione è stato inserito tra la catena pesante e il tag.
Determinazione della struttura delle proteine di membrana con tecniche biofisiche rimane un'impresa scoraggiante per molti trasportatori clinicamente significativi, recettori e canali 11. Qui condividiamo esperienza dettagliata sviluppato per la determinazione della struttura del trasportatore della serotonina umano legato a S -citalopram. Prevediamo che questi metodi saranno utili per determinare strutture di SERT in altri stati conformazionale, nonché strutture di altre proteine di membrana difficili. Inoltre, le tecniche biochimiche descritte qui possono essere utilizzati anche per la funzione di SERT purificata detersivo e un ambiente lipidico quasi native studiare.
SERT cristallizzazione incernierato sullo sviluppo di diversi strumenti e tecniche. In primo luogo, i miglioramenti nel trasportatore stabilità termica prodotte varianti SERT che sono stati ben educati in varie micelle detergenti Dopo l'estrazione del trasportatore dalle membrane 6. In secondo luogo, l'usodel -citalopram ad alta affinità ligando S in tutta la purificazione e cristallizzazione ulteriormente migliorato la stabilità e ridurre l'eterogeneità conformazionale. In terzo luogo, lo sviluppo del sistema di espressione BacMam 7 consentito per la produzione di grandi quantità di SERT in un breve periodo di 2 settimane, facilitando sia l'immunizzazione e cristallizzazione. Infine, lo sviluppo di strategie per selezionare gli anticorpi ad alta affinità che riconoscono epitopi 3D consentiti per la scoperta di anticorpi 8B6 che promuove imballaggio ben ordinata di complessi SERT-anticorpo in cristalli.
Ci sono un certo numero di passaggi critici e reagenti nonché problemi comuni che spesso si verificano durante il protocollo. In primo luogo, la generazione di alta titolo virale SERT P2 può essere problematico. Aggiunta di basse concentrazioni di virus P1 per generare virus P2 come descritto in questo protocollo solito attenua questo problema, e nei casi in cui il titolo del virus P2 è bassa, virus P3 può essere fatta usinvirus g ad una MOI di 0,0001. I virus con un titolo inferiore a 1 x 10 8 particelle virali / ml non devono essere utilizzati e quasi sempre luogo a basse rese di proteine. Per l'espressione, HEK293S GnTI – le cellule sono stati scelti in quanto mancano N -acetylglucosaminyltransferase I attività e, quindi, non può sintetizzare complessi -glycans N, invece produrre solo alta mannosio N -glycans. Unirà Endoh N linked glicosilazione di alte glicani mannosio in due siti a ciclo extracellulare 2 (EL2), lasciando un -acetylglucosamine N attaccato al asparagina. Digestione di N -linked zuccheri riduce l'entropia superficie EL2 che rischia importante per la cristallizzazione. Per la generazione di anticorpi, il SERT IC deve essere utilizzato per l'immunizzazione. GFP è altamente immunogenica 12 e non deve essere utilizzato come tag di fusione per generare anticorpi poiché è difficile da rimuovere completamente SEC. La N- flessibile e C-terminale di SERT anche non eranoincluso nel costrutto per evitare anticorpi contro queste regioni. I topi possono essere immunizzati con 30 mcg di proteine ricostituita; continuare topi immunizzanti fino elevate concentrazioni sieriche di anticorpi possono essere rilevati e produrre cellule ibridomi come descritto 13. Un costrutto termostabilizzato è di solito la scelta migliore per l'immunizzazione; se il trasportatore è ben educati e mantiene l'attività biologica dopo la purificazione, questo è spesso sufficiente a sollevare gli anticorpi. L'anticorpo 8B6 è stata sollevata contro WT SERT. Per cristallizzazione, solo le frazioni di picco da SEC contenenti complesso monodisperse come giudicato da FSEC dovrebbero essere combinati e concentrati. cristalli SERT-8B6 crescono in una ristretta gamma di condizioni e ci sono una serie di passaggi che dovrebbero essere adottate per risolvere i problemi specificamente legati alla crescita dei cristalli SERT. Tris base regolato con HCl non deve essere usato nella soluzione serbatoio, poiché questo buffer non supporta la crescita di cristalli; è quindi critico utilizzare al posto di Tris regolato con NaOH. cristalli SERT crescere in un intervallo di concentrazione ristretta di PEG 400, quindi se i cristalli non crescono o in presenza di tanti piccoli cristalli, sarebbe consigliato anche un piccolo aumento o una diminuzione della concentrazione di PEG 400. Inoltre, l'acido additivo 6-amminoesanoico è stato utilizzato anche nella schermata ottimizzata per migliorare nucleazione. Il rapporto goccia di proteine: soluzione bene è anche un fattore determinante per la crescita dei cristalli. Goccia rapporti di 1,5 – 2: 1 sono raccomandati, con rapporti goccia più vicino a 2: 1 tipicamente sostenere la crescita di cristalli più grandi 3-dimensionale. Infine, l'uso di basso profilo piastre da 24 pozzetti è anche fondamentale verso la crescita dei cristalli, presumibilmente a causa di modifiche del tasso di diffusione del vapore.
Un approccio alternativo al metodo SPA è stato sviluppato per schermo per i mutanti che stabilizzano il trasportatore della serotonina topo in una conformazione di cocaina-bound utilizzando un filtro saggio di 5 vincolante. Per contro, il ba SPAsaggio SED consente di passi sequenziali di riscaldamento seguito da determinazione della frazione di SERT, che rimane legato al ligando. Così, questo consente la rapida determinazione della temperatura di fusione da un piccolo numero di campioni. Il metodo SPA si basa sulla disponibilità di un radiomarcato ligando ad alta affinità e se non sono noti ligandi che legano con affinità submicromolari allora sarà necessario un approccio alternativo. Molti altri metodi sono comunemente usati per misurare la stabilità della proteina come legame di coloranti fluorescenti e calorimetria 14, ma sono a basso throughput e sono sia in grado di misurare direttamente la funzione o richiedono grandi quantità di proteine. Se non è possibile utilizzare il metodo SPA, un approccio alternativo ad alta produttività è un FSEC basato termostabilità Assay 15 (FSEC-TS), dove il campione viene riscaldato seguita dalla separazione della frazione del trasportatore rimanente. FSEC-TS è un approccio utile per accedere comportamento cromatografico e lo stato oligomerico ed è apstrumento complementare owerful che può essere utilizzato insieme al metodo di SPA.
Un confronto tra i vari sistemi di espressione della proteina comune è stato anche trovato per favorire l'uso di cellule di mammifero per l'espressione del SERT 16 e non sorprende questo è probabile che il caso di molte proteine di origine mammifera. I metodi che abbiamo usato per l'espressione sono stati adattati per il SERT, ma è probabile facilmente adattabile. Condizioni che favoriscono alti livelli di espressione devono essere attentamente identificati variando il tempo di espressione, temperatura, concentrazione di virus, e la presenza di inibitori delle istone deacetilasi quali butirrato di sodio.
In genere privilegiamo purificazione di affinità in un detergente a catena lunga come C12M insieme con CHS prima della ricostituzione di mantenere alta affinità di legame ligando. Ricostituzione mediante assorbimento idrofoba è una tecnica mite che abbiamo trovato per essere efficace per molti altri trasportatori e recettori. Se questonon ha esito positivo, la rimozione di detergenti con elevate concentrazioni micellari critiche per dialisi, diluizione o SEC può essere impiegato 17 purché l'antigene è sufficientemente stabile in tali detergenti. Nei casi in cui non vengono rilevati anticorpi adeguati, abbiamo quasi sempre il problema è dovuto alla perdita di funzione o denaturazione dell'antigene e in tali casi ci eseguita con successo nuove vaccinazioni con particolare attenzione alla biochimica delle proteine. Infine, leganti e anticorpi che si legano con alta affinità dovrebbero costituire la base per un esperimento di cristallizzazione razionalmente pianificata e sfruttando una variante termostabile, si può programmare una più ampia gamma di condizioni variando le proprietà dei diversi detergenti. Inoltre, la cristallizzazione in un mesofase lipidico 18 o utilizzando bicelle 19 dovrebbero sempre essere considerati come alternativa alla cristallizzazione in micelle.
Questi principi e metodi possono essere utilizzati con una certa modificationi per molte altre proteine transmembrana che sono difficili da esprimere e purificare da altri host di espressione, e sarà particolarmente utile per la determinazione della struttura dei bersagli di farmaci ad alta affinità.
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 |