Hier presenteren we een protocol voor de productie en zuivering van eiwitten die zijn gemarkeerd met stabiele isotopen, en verdere karakterisering van eiwit-eiwitinteractie met behulp nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie en MicroScale Thermophoresis (MST) experimenten.
Filamenteuze eiwitten zoals vimentin bieden organisatie binnen cellen door een structurele steiger voorzien van sites die eiwitten met plakin te binden wordt herhaald. Een protocol voor het opsporen en het meten van dergelijke interacties wordt hier beschreven met behulp van het bolvormige plakin herhalen domein van envoplakin en de spiraalvormige spoel van vimentin. Dit vormt de basis voor het bepalen of een proteïne bindt vimentin (of soortgelijke filamenteuze eiwitten) en voor meting van de affiniteit van de interactie. De bolvormige proteïne van belang is gelabeld met 15N en getitreerd met vimentin eiwit in oplossing. Een tweedimensionale NMR-spectrum is verkregen te detecteren interacties door het observeren van veranderingen in de vorm van de piek of chemische shifts, en te verhelderen effecten van oplossing voorwaarden met inbegrip van zout niveaus, die van invloed zijn vimentin quaternaire structuur. Als de proteïne van belang de draadvormige ligand bindt, wordt de bindende interactie gekwantificeerd door MST met behulp van de gezuiverde eiwitten. De benadering is een eenvoudige manier om te bepalen of een proteïne van belang een gloeidraad bindt, en voor de beoordeling van de invloed van wijzigingen, zoals mutaties of oplossing omstandigheden, op de interactie.
Interacties tussen eiwitten toestaan de vorming van moleculaire machines die order binnen cellen maken. De afzonderlijke interacties zijn vaak zwak maar meestal bijdragen aan multivalent complexen die coöperatieve en dynamisch geregeld kunnen worden. Gevoelige testen waarmee atomaire resolutie en kwantitatieve informatie over dergelijke complexe interacties zijn nodig om afleiden van mechanismen en interventies zoals drugs-achtige moleculen ontwerpen. NMR-spectroscopie is een efficiënte methode voor het verkrijgen van dergelijke informatie over eiwitinteractie, en ook wordt gebruikt voor snelle screening voor liganden met inbegrip van degenen die zwak1binden. De NMR-methoden gebruikt kunnen worden onderverdeeld in die zijn eiwitten observeren of ligand observeren. Dit manuscript maakt gebruik van de voormalige aanpak waarin een spectrum van een testing-isotoop label eiwit dat is relatief klein (meestal onder 20 kDa) wordt verworven en de labelloze ligand wordt getitreerd. Hierdoor de gelabelde residuen betrokken bij de interactie worden toegewezen in gunstige gevallen. Eenmaal de complexe vormen, zijn er veranderingen in de chemische omgevingen van interagerende residuen die zich als veranderingen in de chemische verschuiving manifesteren en vorm van hun NMR-signalen. De omvang van dergelijke wijzigingen correleert met de mate van betrokkenheid van deze groepen in de interactie. Chemische verschuiving verstoringen (CSP’s) kunnen worden gemeten door het vergelijken van een reeks van NMR spectra van het eiwit verzameld in de afwezigheid en aanwezigheid van wisselende hoeveelheden van het ligand. Voor grotere liganden of complexe interacties, kan de verandering in de vorm van de piek of intensiteit worden gemeten om afleiden van interacties.
De meest voorkomende 2D experiment gebruikte voor het opsporen van ligand interacties is de 15N-heteronucleaire één quantum correlatie (HSQC) experiment2. Dit vereist dat een eiwit gelijkmatig worden gelabeld met 15N, die meestal wordt bereikt door het uiten van hen als affiniteit-tagged versies in E. coli bacteriele gegroeid in 15N verrijkte media. Bindende is duidelijk wanneer de spectra van de HSQC tijdens de titratie verzameld, zijn erover, piek wijzigingen voor een subset van residuen die betrokken zijn bij de complexvorming onthullen. De interactie kan optreden in het regime van de snelle uitwisseling waar de signalen van de vrije en ligand-verzadigd staat in een bevolking die gemiddeld piek samenvouwen. U kunt ook in het geval van langzame uitwisseling tussen de Staten, worden beide signalen waargenomen met integralen die hun relatieve bedragen vertegenwoordigen. Terwijl NMR lineshape analyse kan worden gebruikt om te schatten de bindende affiniteiten in sommige gevallen, zoals MST gebleken ook handige methodenen Kruis-validatie van echte interactie bieden.
Het voorbeeld is van twee eiwitten binnen desmosomes gevonden. Zij bemiddelen kruispunten tussen cel oppervlakken en het cytoskelet en bemiddelen multivalent interacties tussen cel adhesie machines en intermediaire filamenten te handhaven van de integriteit van de huid en hart weefsels en het weerstaan van schuintrekken krachten. Ziekten kunnen leiden tot wanneer desmosomal eiwitten zoals desmoplakin of vimentin zijn aangetast door mutaties of autoantilichamen, wat leidt tot destabilization van cel-cel kruispunten, en vandaar hun interacties van cruciaal belang3 zijn. De structurele basis van ligand binding door desmosomal eiwitten kan worden gekarakteriseerd door NMR spectroscopie, terwijl de interacties kunnen worden gekwantificeerd door MST. Hierin methoden werden gebruikt om het karakteriseren van de interacties tussen de plakin herhalen domeinen (PRDs), die vaak aanwezig als tandem verzamelingen die het aanbieden van fundamentele groeven en vimentin, een tussenliggende gloeidraad die via een zure oppervlak aangeboden door de spiraalvormige communiceert bundel4. Deze complexen worden gevormd op het celmembraan waar ze anker voor intermediaire filamenten van het cytoskelet van de cel te desmosomes die verbinding met de aangrenzende cellen maken, en vormt aldus een netwerk van zelfklevende obligaties die in een weefsel uitstraalt.
De 2D 15N-resolved NMR experiment is een van de meest gebruikte methoden om te laten zien hoe twee moleculen samenwerken. Het is de meest informatie-rijke methode waarmee signalen uit beide partners naar permanent te worden bewaakt door een titratie experiment in oplossing staat. Hoewel meestal kwalitatieve in het geval van grote complexen, de methode kan ook worden gebruikt in gunstige gevallen voor het meten van bindende affiniteiten waar NMR signalen kunnen worden getraceerd in hoge resolutie spectra. Indien toewijzingen kunnen gemakkelijk worden gedaan, kunnen zoals in het geval van veel eiwitten onder 20 kDa in grootte, de bandplaatsen ook worden toegewezen. Aanvullende tests zoals MST kwantitatieve informatie verschaffen over interacties in oplossing, en vereist minder eiwit in labelloze Staten. Vergelijking van mutant bindende gegevens is nuttig voor het verstrekken van de controles om ervoor te zorgen dat interacties blijkt door NMR lijn verbreding echte en niet artefacten van, bijvoorbeeld, aggregatie of viscositeit veranderingen.
Eiwit expressie
Stroomlijning van het proces van expressie, vermindert de hoeveelheid arbeid intensieve eiwitproductie. Onderdeel van deze optimalisatieproces omvat identificatie van een passende stam van E. coli om recombinant eiwit. Stam voorkeur hangt af van elementen met inbegrip van de aard van de vector in gebruik en, meer in het bijzonder, de ultieme stabiliteit van de recombinant eiwit wordt uitgedrukt7. Het risico van aantasting van het heterologe eiwit door endogene E. coli proteasen kunnen worden verminderd door gebruik van protease gebrekkig E. coli zoals de BL21-stam. Voor genen met zeldzame codonen, kan een stam zoals BL21-CodonPlus (DE3) RIPL zijn voorkeur. Deze spanning combineert de protease gebrekkige aard van de BL21-stam met extra endogene kopieën van zeldzame codon tRNAs voor arginine, isoleucine, leucine en proline. Anderzijds kunnen zeldzame codonen die overexpressie in gevaar kunnen brengen worden vermeden door het bestellen van een codon-geoptimaliseerde constructie van een commerciële bron. Veel stammen van E. coli zijn beschikbaar voor recombinante genexpressie, elk geoptimaliseerd voor omzeiling van een bepaald probleem tijdens expressie7. In het geval van deze studie, de standaard protease gebrekkig stam BL21(DE3) geproduceerd voldoende hoeveelheden van oplosbare eiwitten voor verdere zuivering en analyse.
Eiwitreiniging
Het protocol van de reiniging voor een bepaald eiwit is vaak uniek in die zin dat elke proteïne stabiel en oplosbare onder verschillende omstandigheden zoals zoute concentratie, temperatuur en pH blijft. De algehele effectiviteit van de zuivering door affiniteitchromatografie is ook gevoelig voor de concentratie van eluerende soorten zoals imidazool op verschillende stappen tijdens het zuiveringsproces. In dit werk waren kritisch buffer voorwaarden voor IMAC pH voor de E-PRD en imidazol concentratie voor de VimRod. Een pH van 7.5 was nodig om te voorkomen dat neerslag van de E-PRD na eerste elutie van de IMAC-kolom. Voor de IMAC zuivering van VimRod, verhoging van de concentratie van imidazool van 30 tot 50 mM tijdens de kolom wassen stap bleek te hebben een substantiële verbetering in de zuiverheid van de definitieve elutie breuken. Voor de elutie stap, verhoging van de concentratie van imidazool van 250 tot 350 mM ook bleek te verbeteren van het rendement van de uiteindelijke elutie. Eerste pogingen om het eiwit met behulp van 250 mM imidazool Elueer geleid tot onvolledige elutie van VimRod zoals onthuld door een definitieve 1 M imidazool strook van de kolom (gegevens niet worden weergegeven). Verhoging van de concentratie van de imidazool tot 350 mM voor de elutie was voldoende om te herstellen van alle van het eiwit gebonden aan de kolom. S kan dienen een tweeledig doel omdat het fungeert als een polijst stap voor eiwitreiniging tijdens het gelijktijdig uitvoeren van buffer uitwisseling. Buffer uitwisseling is een cruciale stap voor latere bindende analyse, aangezien het verwijdert de imidazool gewend Elueer His6-gelabeld eiwit. Het dient ook als een kans om te veranderen van aandoeningen zoals zoutconcentratie of pH, die mogelijk van invloed op de werkzaamheid van bepaalde downstream technieken of testen. Eiwit thermische shift (PTS) kan worden gebruikt voor het identificeren van de optimale buffers voor downstream testen, vooral voor diegenen die van stabiele eiwitten voor langdurige perioden bij kamertemperatuur8,9.
Bindende analyse
Eiwit dat is vers bereid is essentieel voor nauwkeurige bindende analyses, hoewel bevroren eiwit kan ook worden gebruikt, zolang de resultaten worden vergeleken. Filamenteuze eiwitten zoals vimentin multimerize in een zout en pH afhankelijke mode, en dus de oplossing moet worden geoptimaliseerd en de oligomere staat geschat door een methode zoals SEC10,11, dynamisch licht verstrooiing conditie 12 of analytische ultracentrifugatie13,14,15. NMR-spectroscopie is geschikt voor het meten van de ligand interacties van kleine eiwitten met atomaire resolutie. Echter, wanneer een eiwit met grotere molecuul interageert, langzamer tumbling ontstaat en dit in verlies van signalen, die bindende bevestigen resulteert, kan hoewel het niet noodzakelijkerwijs toestaan toewijzing van bindende sites, waarbij ook toewijzing van ten minste ruggengraat resonanties. In dit scenario staan NMR experimenten geen identificatie van de interactie-site. Dus geleide plaats mutagenese wordt toegepast ter identificatie van de kritische residuen die nodig zijn voor de binding. Dergelijke mutanten daarom vertonen geen signaalverlies. In dit protocol, een gemuteerde vorm met een substitutie op positie 1914 behoudt de piek-intensiteiten in aanwezigheid van VimRod en bevestigt derhalve verstoring van de interactie van E-PRD en VimRod. Toewijzing van de ruggengraat en sidechain resonanties zou een toegevoegde waarde aan deze aanpak, vooral omdat de structuur voor de gratis E-PRD is opgelost door middel van röntgendiffractie4. Toekomstige toepassingen van de NMR omvatten karakterisatie van complexe interacties tussen grotere moleculen en zullen profiteren van ultra hoge veld magneten en het gebruik van andere waarneembare groepen zoals 13C-gelabeld en trifluor methylgroepen als verslaggevers.
MST heeft een aantal voordelen voor de studie van bindende interacties16. De bindende-partners zijn vrij in de oplossing en niet geïmmobiliseerdet. Analyse van de kwaliteit van de monsters is ingebouwd in de software met kwaliteitscontrole rapportage van aggregatie, adsorptie aan de haarvaten of onvoldoende fluorescerende labeling van de doelmolecule. Kleine hoeveelheden van het doel worden doorgaans gebruikt, de concentratie van de gelabelde doel is meestal tussen 20-50 nM in een 10-20 μL volume/reactie. Dit protocol maakt gebruik van zeer kleine reactie volumes (10 μL) te maximaliseren van de concentratie van ligand die kan worden bereikt in de titraties waardoor zwak bindend interacties te worden gekarakteriseerd. Dit vereist nauwkeurige pipetteren en zorg worden genomen om te voorkomen dat de invoering van bellen terwijl nog grondig mengen. Voldoende mengen is essentieel voor accurate, consistente fluorescentie metingen langs de seriële verdunningen. De hoeveelheid van de Tween-20 in de MST experimenten werd teruggebracht van een standaard 0,05 tot 0,015% te verlagen van de neiging om te maken bellen en verbeteren mengen.
De RED-Tris-NTA kleurstof biedt een snelle, gemakkelijke en handige manier om fluorescently label een eiwit dat een heeft label. De etikettering is effectief voltooid in slechts 30 minuten en is zeer strak, zodat de procedure voor het verwijderen van geen kleurstof nodig is. Geen wijzigingen zijn aangebracht in aminozuurresidu’s in het eiwit dat de ligand bindende eigenschappen kunnen wijzigen. Een valkuil is dat alleen het eiwit worden gelabeld een tag His6 moet hebben. Dit vereist het splijten van de tag van het ligand-eiwit, E-PRD en de verwijdering van de tag en de uncleaved E-PRD met een tweede stap van de kolom in de IMAC. Indien mogelijk, moet de ligand-eiwit bereid zijn zonder het gebruik van een zijn label. U kunt ook kunnen eiwitten covalent worden aangeduid met een fluorophore door middel van amine koppelen aan lysine residuen of thiol koppelen aan cysteïne residuen. Echter wees voorzichtig bij het gebruik van dergelijke systemen sinds de covalente bevestiging van een fluorophore invloed kan zijn op elektrostatische of polar bindende interacties afhankelijk van lysine of cysteïne residuen. De kwantificering van bindende affiniteit tussen de VimRod en de E-PRD door MST was ongewoon gevoelig voor de concentratie zout. Dit probleem werd verzacht door in eerste instantie zowel de doelgroep als ligand in dezelfde batch van assay buffer dialyzing. Niettemin, verzadiging van de MST bindende curve niet kon worden bereikt bij het uitvoeren van de bepaling van de MST in aanwezigheid van 150 mM NaCl als gevolg van de complexe gedrag van VimRod. Betrouwbare, volledige gegevens is verworven zodra de concentratie van NaCl werd verlaagd tot 10 mM, waardoor nauwkeurige berekening van de K-D. Vandaar, zorgvuldige optimalisatie van oplossing voorwaarden en vergelijking met aanvullende tests worden aanbevolen om robuuste resultaten te bereiken. MST kan bovendien worden gebruikt om kwantificeren van de zout afhankelijkheid voor een gegeven interactie, kwantificeren stoichiometrische eigenschappen van eiwit interacties, vouwing van de eiwitten van de monitor en sonde in enzyme kinetics17.
The authors have nothing to disclose.
Dit project werd ondersteund door NSERC RGPIN-2018-04994, Campus Alberta innovatie programma (RCP-12-002 C) en Alberta Prion Research Institute / Alberta innoveert Bio oplossingen (201600018), toegekend aan M.O en genoom Canada en Canada Stichting voor Innovatie subsidies toegekend aan The metabolomica innovatie centrum (TMIC) en NANUC.
Monolith NT.115, includes control and analysis software | NanoTemper Technologies | MO-G008 | Instrument for microscal thermophoresis |
His-Tag Labeling Kit RED-Tris-NTA | NanoTemper Technologies | MO-L008 | RED-tris-NTA dye for MST |
Standard capillaries | NanoTemper Technologies | MO-K022 | capillaries for MST |
HisTrap HP, 5 mL | GE Healthcare | 17524801 | IMAC column |
HisPur Ni-NTA resin, 100 mL | Thermo Fisher Scientific | 88222 | IMAC resin |
HiLoad 16/600 Superdex 75 pg | GE Healthcare | 28989333 | SEC column |
TEV protease | Sigma Aldrich | T4455 | cleavage of his tag from E-PRD |
BL21(DE3) Competent E. coli | New England Biolabs | C2527H | cells for protein expression |
cOmplete Protease Inhibitor Cocktail Tablets EDTA-Free | Sigma Aldrich | 11873580001 | protease inhibitors for protein purification by IMAC |
TCEP, Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride | Sigma Aldrich | C4706 | reducing agent for protein purification |
Reagents (HEPES, NaCl, etc) | Sigma Aldrich | various | Preparation of media and buffers |
Ammonium chloride (15N, 99%) | Cambridge Isotope Laboratories | NLM-467 | isotope labelling for NMR |
D2O, Deuterium Oxide (D, 99.8%) | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-2259 | NMR sample preparation |
DSS, Sodium 2,2-dimethyl-2-silapentane-5-sulfonate-D6 (D,98%) | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-8206 | reference for NMR |
Precision 5 mm NMR Tubes, 7” long | SJM/Deuterotubes | BOROECO-5-7 | NMR tubes |
NMR spectrometer (14.1 Tesla) | Bruker | acquisition of NMR data | |
TCI 5mm z-PFG cryogenic probe | Bruker | acquisition of NMR data | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Software | |||
Bruker TopSpin 4.0.1 | Bruker | processing of NMR data | |
MO.Control | NanoTemper Technologies | included with Monlith NT.115 | |
MO.Affinity Analysis | NanoTemper Technologies | included with Monlith NT.115 |