Este manuscrito descreve como para o rastreio de mutações thermostabilizing, purificar o transportador humano de serotonina, gerar anticorpos de elevada afinidade, e cristalizar o complexo transportador-anticorpo serotonina ligada ao -citalopram S droga antidepressiva. Este protocolo pode ser adaptado para o estudo de outros transportadores difíceis de membrana, receptores e canais.
O transportador da serotonina é um transportador de sódio e acoplado a cloreto de que "bombas" de serotonina extracelular em células. -citalopram S é um medicamento utilizado para tratar a depressão e ansiedade através da ligação ao transportador da serotonina com alta afinidade, bloqueando a recaptação de serotonina. Aqui nós relatamos um procedimento eficiente e um conjunto de ferramentas para estabilizar, expresso, purificar e cristalizar serotonina complexos transportadores de anticorpos ligados a S -citalopram e outros antidepressivos. Mutações que estabilizam o transportador da serotonina foram identificados utilizando um ensaio de ligação S -citalopram. Transportador de serotonina expressa em baculovírus transduzidas HEK293S GnTI – células, foi reconstituída em proteolipossomas e utilizados para produzir anticorpos de elevada afinidade. Nós desenvolvemos uma estratégia para descobrir anticorpos que são úteis para estudos estruturais. Uma abordagem simples para a expressão de fragmentos de anticorpo em células Sf9 também foi estabelecida.Complexos transportadores-anticorpo purificado usando este procedimento são bem-comportado e prontamente cristalizar, produzindo complexos com S -citalopram que difractam raios-X para 3-4 Å de resolução. As estratégias desenvolvidas aqui pode ser utilizado para determinar a estrutura de outras proteínas da membrana desafiantes.
O transportador de serotonina (SERT) é uma proteína da membrana integral, que facilita o transporte de serotonina através das membranas celulares 1. SERT pertence a uma família de Neurotransmissor SIMPORTADORES sódio (NSS), que também inclui a dopamina e norepinefrina transportadores 2. SERT é o alvo molecular de medicamentos antidepressivos e anti-ansiedade amplamente prescritos que agem para inibir competitivamente o transporte da serotonina 3. SERT explora o co-transporte energeticamente favorável de sódio para remover o neurotransmissor da fenda sináptica. Caracterização extensiva do sistema serotonérgico tem mostrado que mudanças no metabolismo da serotonina parecem influenciar praticamente todos os processos neurológicos, incluindo humor, sono, dor, cognição e agressão comportamentos 4. SERT função pode ser modificado através da utilização de antidepressivos e de recaptação da serotonina (SSRIs) -citalopram como S, bem como por psychostimulants e drogas de vício tais como anfetaminas e -methylamphetamine N 3,4-metilenodioxi ou "ecstasy" 1,2.
ISRSs são extremamente importante para o tratamento de transtornos de humor, no entanto, a base estrutural para a sua acção preciso não é bem compreendido. WT SERT é instável em micelas de detergentes, impedindo assim o progresso no sentido de uma estrutura tridimensional (3D) de SERT 5,6. Recentemente, desenvolvemos variantes de SERT que são robustamente estável em uma ampla gama de detergentes e reter SSRI actividade 6 vinculativo. Estas variantes SERT termoestáveis foram seleccionados usando um ensaio de estabilidade térmica à base de proximidade de cintilação. Aqui, descrevemos um procedimento para a geração de anticorpos de elevada afinidade que se podem ligar SERT, e a purificação e cristalização de SERT termoestável, em complexo com o anticorpo e S -citalopram.
Este protocolo assume que a SERT e 8B6 genes têm sido bem sucedidaY clonado nos vectores BacMam 7 e insectos de expressão, respectivamente. Para gerar anticorpos, de ADNc que codificam os resíduos 73-616 de WT SERT foi clonado no vector BacMam com um Strep II etiqueta C-terminal (SERT IC). Para a tela de estabilidade térmica, foi usado resíduos SERT 73-616 com GFP C-terminal, Strep II e 10-his (TC SERT). Mutações pontuais individuais foram gerados no fundo SERT TC. Para o protocolo de cristalização, a proteína de fusão SERT-GFP foi usado com Twin-Strep [TrpSerHisProGlnPheGluLys (GlyGlyGlySer) 2 GlyGlySerAlaTrpSerHisProGlnPheGluLys], e 10-his, transportando os mutantes termoestáveis, Y110A, I291A, e T439S e mutações de cisteínas superfície C554A, C580A , e C622A (CC SERT). Sequências de clivagem de trombina (LVPRGS) também foram inseridos no CC SERT após Q76 e T618 para permitir a remoção do N- e C-terminais. O plasmídeo que codifica para o Fab de 8B6 foi manipulada para expressar tanto o pesada e levecadeias do anticorpo com sequências de secreção de gp67 sob o controlo de dois promotores poliedrina separados. O C-terminal da cadeia pesada do anticorpo 8B6 foi marcado com um 8-His e um local de clivagem de trombina foi inserido entre a cadeia pesada e a etiqueta.
Determinação de estrutura de proteína de membrana por técnicas biofísicas permanece uma tarefa difícil para muitos transportadores clinicamente significativos, receptores e canais 11. Aqui temos conhecimentos partilhar detalhada desenvolvido para a determinação da estrutura do transportador de serotonina humano ligado a S -citalopram. Prevemos que estes métodos irão ser úteis para determinar estruturas de SERT em outros estados conformacionais, bem como estruturas de outras proteínas de membrana difíceis. Além disso, as técnicas bioquímicas descritos aqui também podem ser usadas para estudar a função de SERT purificada em detergente e um ambiente quase nativo lípido.
SERT cristalização articulada sobre o desenvolvimento de várias técnicas e ferramentas. Em primeiro lugar, as melhorias na estabilidade térmica transportador produzidos variantes SERT que foram bem-comportado em várias micelas de detergentes seguintes extração do transportador a partir de membranas 6. Em segundo lugar, o uso-citalopram do ligando de afinidade elevada ao longo S purificação e cristalização adicional estabilidade melhorada e reduzida heterogeneidade conformacional. Em terceiro lugar, o desenvolvimento do sistema de expressão BacMam 7 permitido para a produção de grandes quantidades de SERT em um curto período de 2 semanas, o que facilita tanto a imunização e cristalização. Finalmente, o desenvolvimento de estratégias para seleccionar anticorpos de afinidade elevada que reconhecem epitopos 3D permitiu a descoberta de que o anticorpo 8B6 que promove a embalagem bem ordenada de complexos anticorpo-SERT em cristais.
Há uma série de passos e reagentes críticos, bem como problemas comuns que ocorrem frequentemente ao longo do protocolo. Em primeiro lugar, a geração de elevado título de vírus SERT P2 pode ser problemático. A adição de concentrações baixas de vírus P1 para gerar vírus P2, como descrito neste protocolo normalmente mitiga este problema, e nos casos em que o título do vírus P2 é baixo, vírus P3 podem ser feitos Utilizang vírus a uma MOI de 0,0001. Os vírus com um título inferior a 1 x 10 8 partículas de vírus / ml não devem ser utilizados e quase sempre resultar em rendimentos baixos da proteína. Para a expressão, HEK293S GnTI – células foram escolhidos uma vez que falta N -acetylglucosaminyltransferase eu actividade e, assim, não pode sintetizar-glicanos complexos n, em vez produzindo apenas N-glicanos de manose elevada. Cliva EndoH N -ligada glicosilação de altas glicanos de manose em dois locais na alça extracelular 2 (EL2), deixando uma acetilglicosamina N ligado a asparagina. A digestão de N -linked açúcares reduz entropia superfície de EL2 que é provável importante para a cristalização. Para a geração de anticorpos, o SERT IC deve ser utilizada para a imunização. GFP é altamente imunogénica e 12 não deve ser usada como uma etiqueta de fusão para gerar anticorpos uma vez que é difícil de remover completamente por SEC. A N- flexível e C-terminal da SERT também não eramincluída na construção, a fim de evitar os anticorpos contra estas regiões. Os ratos podem ser imunizados com 30 ug de proteína reconstituída; continuar ratinhos imunizantes até concentrações elevadas no soro de anticorpos pode ser detectada e produzir células de hibridoma, tal como descrito 13. Uma construção thermostabilized é geralmente a melhor escolha para a imunização; se o transportador é bem comportado e mantém a actividade biológica após purificação, esta é muitas vezes suficiente para produzir anticorpos. O anticorpo 8B6 foi levantada contra WT SERT. Para a cristalização, apenas as fracções de pico contendo de Sec complexo monodisperso como julgado por FSEC devem ser combinadas e concentradas. cristais SERT-8B6 crescer em uma estreita faixa de condições e há uma série de passos que devem ser tomadas para solucionar problemas especificamente relacionados ao crescimento SERT cristal. Tris base ajustado com HCl, não deve ser usado na solução de reservatório, uma vez que este tampão não suporta o crescimento de cristais; é, assim, CRIticos em vez disso, use Tris ajustado com NaOH. cristais SERT crescer numa estreita faixa de concentrações de PEG 400, de modo que se cristais não crescem ou se se observarem cristais muitos pequenos, mesmo um pequeno aumento ou diminuição da concentração de PEG 400 seria aconselhável. Além disso, o aditivo de ácido 6-amino-hexanóico também foi utilizado no ecrã optimizado para melhorar a nucleação. A proporção gota de proteína: solução bem é também uma chave determinante para o crescimento de cristais. Gota rácios de 1,5-2: 1 são recomendados, com proporções mais estreitas gota a 2: 1, tipicamente de suporte do crescimento de cristais de 3-dimensionais maiores. Finalmente, o uso de baixo perfil placas de 24 poços também é crucial para o crescimento de cristais, presumivelmente devido à alteração da taxa de difusão de vapor.
Uma abordagem alternativa para o método SPA foi desenvolvido para o rastreio de mutantes que estabilizam o transportador de serotonina rato numa conformação ligado a cocaína utilizando um filtro de ensaio de ligação 5. Em contrapartida, o ba SPAensaio sed permite passos de aquecimento sequenciais seguintes por determinação da fração de SERT, que permanece ligada ao ligando. Assim, isto permite a determinação rápida da temperatura de fusão a partir de um pequeno número de amostras. O método SPA baseia-se na disponibilidade de um ligando de alta afinidade marcado radioactivamente e, se não se conhecem os ligandos que se ligam com afinidade submicromolar, em seguida, uma abordagem alternativa será necessário. Muitos outros métodos são geralmente usados para medir a estabilidade da proteína tais como a ligação de corantes fluorescentes e de calorimetria 14 mas são de baixo rendimento e são incapazes de medir directamente a função ou requerem grandes quantidades de proteína. Se o método SPA não pode ser utilizado, uma abordagem alternativa de elevado rendimento é uma termoestabilidade Ensaio Baseado em FSEC 15 (FSEC-TS), em que a amostra é aquecida seguido pela separação da fracção de permanecer transportador. FSEC-TS é uma abordagem útil para aceder comportamento cromatográfica e estado oligomérico e é apferramenta complementar owerful que pode ser usado juntamente com o método SPA.
Uma comparação de vários sistemas de expressão de proteína comum, também foi encontrada para favorecer a utilização de células de mamífero para expressão e sem surpresa SERT 16 esta é provavelmente o caso para muitas proteínas de origem mamífera. Os métodos que usamos para a expressão foram adaptados para SERT, mas é provável facilmente adaptável. As condições que favorecem elevados níveis de expressão deve ser cuidadosamente identificados através da variação do tempo de expressão, temperatura, concentração de vírus, e a presença de inibidores de histona-desacetilase, tais como o butirato de sódio.
Em geral, favorecem a purificação por afinidade de um detergente de cadeia longa, tais como C12M leve juntamente com CHS antes da reconstituição para manter o ligando de alta afinidade de ligação. Reconstituição utilizando absorção hidrofóbica é uma técnica suave que se descobriram ser eficaz para vários outros transportadores e receptores. Se estenão é bem sucedida, a remoção de detergentes com altas concentrações de micelas críticas por diálise, de diluição, ou SEC pode ser empregue 17, desde que o antigénio seja suficientemente estável em tais detergentes. Nos casos em que não há anticorpos adequados são encontrados, nós quase sempre encontrar o problema é devido à perda de função ou desnaturação do antígeno e, nesses casos, foi realizada com sucesso novas imunizações prestando especial atenção à bioquímica de proteínas. Finalmente, os ligandos e anticorpos que se ligam com afinidade elevada deve formar a base para um experimento de cristalização racionalmente planeada, e tirando partido de uma variante termoestável, pode-se o despiste de uma gama mais ampla de condições, fazendo variar as propriedades de diferentes detergentes. Além disso, a cristalização de uma mesofase lipídica 18 ou usando bicelles 19 deve ser sempre considerada como uma alternativa à cristalização em micelas.
Estes princípios e métodos podem ser usados com algum modificação para muitas outras proteínas transmembranares que são difíceis de expressar e purificar a partir de outros hospedeiros de expressão, e será particularmente útil para a determinação da estrutura de alvos de drogas de alta afinidade.
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 |