재조합 고세균 프로 테아과 비 변성 페이지로 프로 테아 조립 검사 : 케이스를 결합 접근에 대한
Summary
이 프로토콜은 서브 유닛의 동시 발현 재조합 프로 테아 좀 어셈블리의보다 철저한 검사를 위해 혼합 postlysis 서브 유닛을 모두 사용합니다.
Abstract
프로 테아 좀은 삶의 모든 영역에서 발견된다. 자신의 어셈블리를 완전히 이해되지 않지만 그들은, 진핵 생물의 세포 내 단백질 분해의 주요 경로를 제공합니다. 모든 프로 테아 두 heptameric α 서브 유닛 반지 사이에 끼워 두 heptameric β 서브 유닛 반지를 포함, 구조적으로 보존 된 코어 입자 (CP), 또는 20S 프로 테아 좀 (proteasome)를 포함한다. 고세균 20S 프로 테아 좀은 진핵 생물의 대응에 비해 구조적으로 간단, 아직 그들은 모두 공통의 조립 메커니즘을 공유 할 수 있습니다. 따라서, 고세균 20S 프로 테아 좀은 진핵 세포 프로 테아 조립을위한 중요한 모델이 될 것을 계속한다. 특히, 비 변성 폴리 아크릴 아미드 겔 전기 영동 (PAGE)와 결합 고세균 (20S)의 프로 테아 좀의 재조합 발현는 프로 테아 좀의 생합성에 많은 중요한 통찰력을 산출했다. 여기, 우리는 고세균 프로 테아 α의 동시 발현의 일반적인 전략을 개선하는 방법을 논의하고 β 서브 유닛 전에 nondenaturi하기NG PAGE. 우리는 신속하고 효율적인 있지만, 혼자 동시 발현 방식이 키 어셈블리 중간체를 놓칠 수 있다는 것을 보여줍니다. 프로 테아 좀의 경우, 동시 발현은 반 프로 테아 좀의 감지, 중간 포함하는 하나의 완전한 α-링과 하나의 완전한 β-링을 허용하지 않을 수 있습니다. 그러나,이 중간 용이 해물 혼합을 통해 검출된다. 우리는 해물 혼합과 동시 발현을 결합하는 어셈블리를 분석에 더 철저 접근을 산출, 아직 노동 nonintensive 유지하는 것이 좋습니다. 이 접근은 다른 재조합 multiprotein 복합체의 연구에 유용 할 수있다.
Introduction
Multiprotein 단지는 수많은 중요한 세포 활동 1을 수행한다. 이 단지의 많은, 더 많은 그들의 조립 2,3에 대한보다 자신의 구조와 기능에 대한 알려져있다. 프로 테아는 하나의 복잡하고 삶의 모든 영역에서 발견된다. 진핵 생물에서이 분자 기계는 유비퀴틴 / 프로 테아 좀 시스템 (UPS)의 핵심이며, 세포 내 단백질 분해 (4)의 주요 경로를 제공합니다. 20S 프로 테아 솜을, 또는 코어 입자 (CP) (5), 즉, 19S 규제 입자 (RP) (6)에 의해 하나 또는 양 말단에서 캡핑 될 수합니다 (26S 프로 테아라고 함) 진핵 테아는 두 개의 주요 서브 어셈블리로 이루어진다.
20 대 프로 테아 큰 구획 단백질 분해 효소이다. 그 급 구조가 절대적으로 삶의 모든 영역에 걸쳐 보존과 구조적으로 관련 서브 유닛의 두 가지 유형을 포함하는 4 ~ 7 원환의 스택으로 구성되며, α; 그리고 5,7,8을 β. 진핵 생물에있어서, 2 개의 외부 링은 각각 일곱 별개의 α 서브 유닛으로 구성되며, 두 개의 내부 링은 각각 일곱 별개 β 소단위로 구성된다; 단백질 분해 활성은 β 서브 유닛의 세 내에 존재한다. 대조적으로, 고세균 및 세균의 CP 링은 일반적으로 오직 하나의 α 형과 β 서브 유닛의 한 형태로 구성된다. 고세균 프로 테아 좀은 그들의 조성 단순성 및 그들의 대응 진핵 9-13과 공통 어셈블리기구 공유 모두 테아 조립체를 연구하는 것이 중요 모델 시스템을 제공했다. 요약하면, α 서브 유닛은 서브 유닛 조립 β있는에 발판 역할을하는 첫 번째 α 링으로 조립한다. 상승을주는 결과 반 프로 테아 좀 (α 7 β 7) 이량은 완전히 CP (α 7 β 7 β 7 α 7) 조립합니다. 이량 동안 propeptides은 β 서브 유닛에 존재자기 촉매 촉매 N 말단 트레오닌를 노출, 제거됩니다. 어셈블리를 모델링 고세균 프로 테아 좀의 사용은 빈번하게 대장균에서 재조합 고세균 테아 단백질의 생성을 이용한다. 이 다양한 조합으로 제조 될 수있는 서브 유닛 자체 프로 테아 좀을 생산하지 않는 숙주 유기체에서 WT 및 돌연변이 버전 모두 같은 수 있기 때문에 가치가있는 접근법이다.
다중 단백질 복합체의 조립을 모니터링 생화학 조립 중간체 및 전구체에서 완전히 조립 된 복합체를 분리하는 분류 방법의 일종이 필요합니다. 때문에 폴리 아크릴 아미드 젤 전기 영동 (PAGE) 비 변성 뛰어난 해결 능력, 다양한 큰 multiprotein 단지 14 ~ 17의 분류에서 특히 유용한 것으로 입증되었습니다. 재조합 고세균 테아 생산 및 비 변성 PAGE의 조합 dissectin에서 강력한 접근되었다g의 프로 테아 좀 어셈블리 9,11,12,18. 그러나,이 방법이 적용되는 (즉. α 및 β 서브 유닛의 동시 발현 재조합을 통해) 통상의 방법은 중요한 단점을 갖는다. 조립 협동 반응은 강하게 농도 의존적 3이다. 세포 내부의 단백질 농도로 인해 배제 체적 효과 (19)이 매우 높은 점을 감안, 조립 반응은 생체 내에서 급속하게 진행. 따라서 α와 β 서브 유닛이 동시 발현 될 때 중요한 조립 중간체를 그리워하는 것이 가능하다.
여기, 우리는 재조합 고세균 프로 테아 서브 유닛을 사용하여 프로 테아 좀 어셈블리의 연구에서 결합 된 접근 방식에 대한 주장한다. 이 방식에서, 두 동시 발현과 해물 혼합 방법이 이용된다. 동시 발현 덜 노동 집약적이기 때문에 전자는 어셈블리의 신속한 분석이 가능합니다. 후자는 혼합하여 α와 β 서브 유닛, 별도의 표현에 따라 달라집니다. 이 requi 비록동시 발현보다 고해상도 조금 더 많은 노력, 그것은 동시 발현 동안 놓친 중간체를 검출 할 수있는 능력에 의해 보상 이상이다. 함께, 이러한 방법은 두 테아 조립체의 더욱 완전한 그림을 제공 할 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 재조합 고세균 프로 테아 좀을 이용하여 비 변성 PAGE를 테아 조립체 분석에 결합 방법의 이점을 보여준다. 프로 테아 서브 유닛의 박테리아 동시 발현의 일반적인 방법 9,11 신속한 분석이 가능하지만 키 어셈블리 중간체를 공개하지 않을 수 있습니다. 우리 조립체 이벤트의 더 넓은 영상을 개발하는 혼합 용 해물과 동시 발현을 조합 한 제안.
이러한 결합 접근…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 ARK로, 미국 심장 협회 14GRNT20390154에서 수상에 의해 부분적으로 인디애나 대학교 – 퍼듀 대학교 인디애나 폴리스에서 연구 지원 기금 그랜트 (RSFG)에 의해 부분적으로 지원
Materials
| Acrylamide (40%) solution | Biorad | 1610104 | Unpolymerized acrylamide is a neurotoxin. Wear proper protective equipment |
| Amicon ultra 0.5ml centrifugal filters | EMDMillipore | UFC501024 | |
| Ammonium persulfate | Sigma | A3678 | |
| ATP | Sigma | A7699 | |
| BCA assay kit | Pierce | 23225 | |
| Bisacrylamide (2%) solution | Biorad | 1610142 | |
| Bromophenol blue | Sigma | B8026 | |
| DNaseI | Sigma | DN25 | |
| Dithiothreitol (DTT) | Thermo Fisher | BP172 | |
| E.coli BL21 competent cells | EMD Millipore | 69450 | |
| GelCode Blue | Thermo Fisher | 24592 | Colloidal coomassie stain reagent for gels |
| Gel doc EZ system | Biorad | 1708270 | Gel documentation system |
| Gel releasers | Biorad | 1653320 | Wedge shaped plastic used to separate gel plates; useful for spreading liquid. |
| Glass rod | Thermo Fisher | 11-380B | |
| Glycerol | Sigma | 49767 | |
| Glycine | Thermo Fisher | BP3865 | |
| Hamilton syringe | Thermo Fisher | 14-813-38 | Glass syringe for loading gels |
| HEPES | US Biologicals | H2010 | |
| HMW Native calibration kit | GE Healthcare | 170445-01 | High molecular weight protein standards |
| Hoefer SG30 | Thermo Fisher | 03-500-277 | Gradient maker |
| Imidazole | US Biologicals | 280671 | |
| IPTG | US Biologicals | I8500 | For induction of protein expression |
| Isopropanol | Thermo Fisher | BP26181 | |
| Kanamycin sulfate | US Biologicals | K0010 | |
| Lysozyme | Sigma | L6876 | |
| MgCl2 | Fluka analytical | 630680 | |
| Mini Protean Tetra Cell | Biorad | 1658002EDU | Gel electrophoresis apparatus |
| NaCl | Thermo Fisher | S640-3 | |
| NaOH | Thermo Fisher | S318-1 | |
| Pefabloc SC | Roche | 11429876001 | Protease inhibitor |
| pET42 | EMD Millipore | 70562 | Expression plasmid |
| Precision plus all blue standard | Biorad | 1610373 | Molecular protein standard for SDS-PAGE |
| Quickchange mutagenesis kit | Agilent technologies | 200521 | |
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Thermo Fisher | BP166 | |
| Suc-LLVY-AMC | Enzo lifesciences | BML P802-0005 | Fluorogenic substrate |
| Talon Metal Affinity Resin | Clontech | 635502 | Immobilized-cobalt affinity resin |
| TEMED | Sigma | T7024 | |
| Tris | US Biologicals | T8600 | |
| Triton-X100 | Sigma | 93426 | |
| Tryptone | Bacto BD | 211699 | |
| UV sample tray | Biorad | 1708271 | For UV imaging of gels |
| Yeast extract | Bacto BD | 212720 |
References
- Wan, C., et al. Panorama of ancient metazoan macromolecular complexes. Nature. 525, 339-344 (2015).
- Marsh, J. A., Teichmann, S. A. Structure, dynamics, assembly, and evolution of protein complexes. Annu Rev Biochem. 84, 551-575 (2015).
- Williamson, J. R. Cooperativity in macromolecular assembly. Nat Chem Biol. 4, 458-465 (2008).
- Finley, D., Ulrich, H. D., Sommer, T., Kaiser, P. The ubiquitin-proteasome system of Saccharomyces cerevisiae. Genetics. 192, 319-360 (2012).
- Groll, M., et al. Structure of 20S proteasome from yeast at 2.4 A resolution. Nature. 386, 463-471 (1997).
- Lander, G. C., et al. Complete subunit architecture of the proteasome regulatory particle. Nature. 482, 186-191 (2012).
- Lowe, J., et al. Crystal structure of the 20S proteasome from the archaeon T. acidophilum at 3.4 A resolution. Science. 268, 533-539 (1995).
- Hu, G., et al. Structure of the Mycobacterium tuberculosis proteasome and mechanism of inhibition by a peptidyl boronate. Mol Microbiol. 59, 1417-1428 (2006).
- Zwickl, P., Kleinz, J., Baumeister, W. Critical elements in proteasome assembly. Nat Struct Biol. 1, 765-770 (1994).
- Groll, M., Brandstetter, H., Bartunik, H., Bourenkow, G., Huber, R. Investigations on the maturation and regulation of archaebacterial proteasomes. J Mol Biol. 327, 75-83 (2003).
- Frankenberg, R. J., Hsu, T. S., Yakota, H., Kim, R., Clark, D. S. Chemical denaturation and elevated folding temperatures are required for wild-type activity and stability of recombinant Methanococcus jannaschii 20S proteasome. Protein Sci. 10, 1887-1896 (2001).
- Maupin-Furlow, J. A., Aldrich, H. C., Ferry, J. G. Biochemical characterization of the 20S proteasome from the methanoarchaeon Methanosarcina thermophila. J Bacteriol. 180, 1480-1487 (1998).
- Maupin-Furlow, J. A., Ferry, J. G. A proteasome from the methanogenic archaeon Methanosarcina thermophila. J Biol Chem. 270, 28617-28622 (1995).
- Wittig, I., Braun, H. P., Schagger, H. Blue native PAGE. Nat Protoc. 1, 418-428 (2006).
- Langer, T., Pfeifer, G., Martin, J., Baumeister, W., Hartl, F. U. Chaperonin-mediated protein folding: GroES binds to one end of the GroEL cylinder, which accommodates the protein substrate within its central cavity. EMBO J. 11, 4757-4765 (1992).
- McKenzie, M., Lazarou, M., Thorburn, D. R., Ryan, M. T. Analysis of mitochondrial subunit assembly into respiratory chain complexes using Blue Native polyacrylamide gel electrophoresis. Anal Biochem. 364, 128-137 (2007).
- Tomko, R. J., Hochstrasser, M. Incorporation of the Rpn12 subunit couples completion of proteasome regulatory particle lid assembly to lid-base joining. Mol Cell. 44, 907-917 (2011).
- Panfair, D., Ramamurthy, A., Kusmierczyk, A. R. Alpha-ring Independent Assembly of the 20S Proteasome. Sci Rep. 5, 13130 (2015).
- Zimmerman, S. B., Trach, S. O. Estimation of macromolecule concentrations and excluded volume effects for the cytoplasm of Escherichia coli. J Mol Biol. 222, 599-620 (1991).
- Kusmierczyk, A. R., Kunjappu, M. J., Kim, R. Y., Hochstrasser, M. A conserved 20S proteasome assembly factor requires a C-terminal HbYX motif for proteasomal precursor binding. Nat Struct Mol Biol. 18, 622-629 (2011).
- Smith, P. K., et al. Measurement of protein using bicinchoninic acid. Anal Biochem. 150, 76-85 (1985).
- Laemmli, U. K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 227, 680-685 (1970).
- Chen, P., Hochstrasser, M. Autocatalytic subunit processing couples active site formation in the 20S proteasome to completion of assembly. Cell. 86, 961-972 (1996).
- Li, X., Kusmierczyk, A. R., Wong, P., Emili, A., Hochstrasser, M. beta-Subunit appendages promote 20S proteasome assembly by overcoming an Ump1-dependent checkpoint. EMBO J. 26, 2339-2349 (2007).
- Kusmierczyk, A. R., Kunjappu, M. J., Funakoshi, M., Hochstrasser, M. A multimeric assembly factor controls the formation of alternative 20S proteasomes. Nat Struct Mol Biol. 15, 237-244 (2008).
