Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll für die Herstellung und Reinigung von Proteinen, die gekennzeichnet sind mit stabilen Isotopen und anschließende Charakterisierung von Protein-Protein-Wechselwirkungen mit Spektroskopie der Kernspinresonanz (NMR) und MicroScale Thermophorese (MST) Experimente.
Filamentöse Proteine wie Vimentin bieten Organisation innerhalb der Zellen durch die Bereitstellung einer strukturellen Gerüst mit Websites, die mit Plakin Proteine binden wiederholt. Hier ist ein Protokoll zur Erfassung und Messung solcher Wechselwirkungen beschrieben mit kugelförmigen Plakin Wiederholung Bereich der Envoplakin und die spiralförmige Spule Vimentin. Dies bietet eine Grundlage zur Feststellung, ob ein Protein Vimentin (oder ähnliche filamentöse Proteine) bindet und für die Messung der Affinität der Interaktion. Die kugelförmige Protein des Interesses ist beschriftet mit 15N und titriert mit Vimentin Protein in Lösung. Eine zweidimensionale NMR-Spektrum wird erworben, Interaktionen zu erkennen, durch die Beobachtung von Veränderungen der Peakform oder chemische Veränderungen und Auswirkungen der Lösungsbedingungen einschließlich Salzgehalte, die Vimentin quartäre Struktur beeinflussen zu erhellen. Wenn das Protein des Interesses den filamentösen Liganden bindet, wird die Bindung Interaktion durch MST mit der gereinigten Proteine quantifiziert. Der Ansatz ist eine einfache Möglichkeit zur Feststellung, ob ein Protein des Interesses ein Filament bindet und für die Beurteilung, wie Änderungen, wie Mutationen oder Lösungsbedingungen, beeinflussen die Interaktion.
Wechselwirkungen zwischen Proteinen ermöglichen die Bildung von molekularen Maschinen, die Ordnung in den Zellen zu schaffen. Die einzelnen Interaktionen sind oft schwach sondern in der Regel zur multivalente komplexe, die kooperative und dynamisch reguliert werden können. Sensible Assays, die atomarer Auflösung und quantitative Informationen über solche komplexen Interaktionen bieten genügen, um Mechanismen ableiten und Interventionen wie Drogen wie Moleküle zu entwerfen. NMR-Spektroskopie ist eine effiziente Methode zur Erlangung dieser Informationen über Protein-Interaktionen und auch für schnelle Screening für Liganden, einschließlich derer, die schwach1binden verwendet wird. Die NMR Methoden können kategorisiert werden, in denen, die sind Protein beobachten oder Liganden zu beobachten. Dieses Manuskript verwendet das erste Verfahren, in dem ein Spektrum an ein Protein, das vergleichsweise gering (in der Regel unter 20 kDa) ist mit der Bezeichnung Stall-Isotop wird erworben und die unbeschriftete Liganden titriert. Die beschrifteten Rückstände wird dadurch die Interaktion zugeordnet werden, in günstigen Fällen beteiligt. Einmal die komplexen Formen, gibt es Änderungen in der chemischen Umgebungen von interagierenden Rückstände, die sich als Änderungen in der chemischen Verschiebung manifestieren und Form ihrer NMR-Signale. Das Ausmaß dieser Veränderungen korreliert mit dem Grad der Einbeziehung dieser Gruppen in der Interaktion. Chemische Verschiebung Störungen (CSPs) können gemessen werden, durch den Vergleich einer Reihe von NMR-Spektren des Proteins in Abwesenheit und Anwesenheit von unterschiedlichen Mengen des Liganden gesammelt. Für größere Liganden oder komplexe Interaktionen kann die Änderung der Peak-Form oder Intensität gemessen werden Interaktionen ableiten.
Das am weitesten verbreitete 2D Experiment zur Erfassung Ligand Interaktionen ist die 15N-Heteronuclear einzelnen Quanten Korrelation (HSQC) Experiment2. Dies erfordert, dass ein Protein gleichmäßig mit 15N, bezeichnet werden, die in der Regel erzielt wird, indem zum Ausdruck zu bringen als Affinität-Tags Versionen in E. Coli Bakterienkulturen in 15N angereicherte Medien gewachsen. Bindung ist offensichtlich, wenn die HSQC-Spektren, gesammelt während der Titration überlagert werden, enthüllt Peak Änderungen für einen Teil der Rückstände in der Komplexbildung einbezogen. Die Interaktion kann im schnellen Austausch Regime auftreten, wo die freie und Liganden gesättigt Zustandssignalen in einer Bevölkerung im Durchschnitt Spitze zusammenbrechen. Alternativ sind bei langsamen Austausch zwischen den Staaten, beide Signale mit integrale beobachtet, die ihre relativen Mengen darstellen. Während NMR linienförmiges Analyse verwendet werden kann, um die verbindliche Affinitäten in einigen Fällen zu schätzen Methoden wie MST haben auch praktisch bewährt und bieten Kreuzvalidierung echte Interaktionen.
Das Beispiel ist von zwei Proteinen innerhalb Desmosomes gefunden. Sie vermitteln Kreuzungen zwischen Zelloberflächen und dem Zytoskelett und vermitteln multivalente Interaktionen zwischen Zelle Adhäsion Maschinen und fortgeschrittene Filamente, die Integrität der Haut und Herz Gewebe und widerstehen der Scherkräfte. Krankheiten können entstehen, wenn Desmosomal Proteine wie z. B. Desmoplakin oder Vimentin durch Mutationen oder Autoantikörper gefährdet sind, führt zu der Zell-Zell-Verbindungen, Destabilisierung und deren Wechselwirkungen daher von entscheidender Bedeutung3 sind. Die strukturelle Basis der Ligand-Bindung durch Desmosomal Proteine kann durch NMR-Spektroskopie charakterisiert werden, während die Wechselwirkungen von MST quantifiziert werden können. Hierin wurden Methoden charakterisieren die Wechselwirkungen zwischen Plakin repeat Domänen (PRDs) die oft als Tandem-Sets vorhanden sind, die grundlegenden Rillen anbieten und Vimentin, eine intermediate Filament, das durch eine saure Oberfläche angeboten durch die spiralförmige interagiert Bundle4. Diese komplexe bilden sich an der Zellmembran wo sie Anker für fortgeschrittene Filamente der Zelle Cytoskelett, Desmosomes, die eine Verbindung zu benachbarten Zellen bilden so ein Netzwerk von Klebeverbindungen, die durch ein Gewebe ausstrahlt.
2D 15N gelöst NMR-Experiment ist eines der am häufigsten verwendeten Methoden, um zu zeigen, wie zwei Molekülen interagieren. Es ist die am meisten informationsreichen-Methode, die beide Partner Signale, während eine Titration Experiment in Lösung Zustand kontinuierlich überwacht werden kann. Obwohl in der Regel bei großen komplexen qualitative, die Methode auch in günstigen Fällen einsetzbar, um verbindliche Affinitäten zu messen wo NMR-Signale in hochauflösende Spektren nachverfolgt werden können. Wo Aufgaben bequem erfolgen können wie bei vielen Proteinen unter 20 kDa groß, auch die Bindungsstellen zugeordnet werden können. Ergänzende Tests wie MST quantitative Informationen über Interaktionen in Lösung und erfordern weniger Protein in unbeschrifteten Staaten. Vergleich der mutierten binden von Daten ist nützlich für die Kontrollen, um sicherzustellen, dass Interaktionen durch NMR-Linie Erweiterung belegt echt sind und keine Artefakte, z. B. Aggregation oder Viskosität Änderungen.
Protein-Expression
Prozessoptimierung Ausdruck reduziert die Menge der Arbeit intensiv Proteinproduktion. Dieser Optimierungsprozess gehört die Identifizierung der eine entsprechende Belastung von E. Coli für die rekombinante Expression des Proteins. Sorte bevorzugt hängt von Faktoren einschließlich der Art des Vektors im Einsatz, und genauer gesagt, die ultimative Stabilität des rekombinanten Proteins Seins ausgedrückt7. Das Risiko der Verschlechterung des heterologen Proteins durch endogene E. Coli Proteasen reduziert werden, durch Verwendung von Protease mangelhaft E. Coli wie der Stamm BL21. Für Gene, die seltene Codons enthält kann eine Belastung wie BL21-CodonPlus (DE3) RIPL vorzuziehen. Diese Sorte kombiniert die Protease mangelhaft Natur der BL21 Belastung mit zusätzliche endogenen Exemplare des seltenen Codons tRNAs für Arginin, Prolin, Isoleucin und Leucin. Alternativ können seltene Codons die Überexpression gefährden können vermieden werden, durch die Bestellung ein Codon-optimierte Konstrukt aus kommerziellen Quellen. Viele Stämme von E. Coli sind für rekombinante Genexpression, jeweils für die Umgehung eines bestimmten Problems während Ausdruck7optimiert. Bei dieser Studie erstellt der standard Protease mangelhaft Stamm BL21(DE3) ausreichende Mengen an löslichen Proteinen für die anschliessende Reinigung und Analyse.
Proteinreinigung
Die Reinigung Protokoll für ein gegebenes Protein ist oft einzigartig in dem Sinne, dass jedes Protein stabil und unter verschiedenen Bedingungen wie Temperatur, Salzgehalt oder pH-Wert löslich bleibt. Die allgemeine Wirksamkeit der Reinigung durch Affinitätschromatographie ist auch empfindlich auf die Konzentration von Medikamentenfreisetzende Arten wie Imidazol in verschiedenen Schritten während des Reinigungsprozesses. In dieser Arbeit wurden kritische Pufferbedingungen für IMAC pH-Wert für die E-PRD und Imidazol-Konzentration für die VimRod. Ein pH-Wert von 7,5 bedurfte, um die Ausfällung von E-PRD nach anfänglichen Elution aus der Spalte “IMAC” zu vermeiden. Für die IMAC-Reinigung von VimRod Erhöhung der Konzentration von Imidazol von 30 bis 50 mM in der Spalte Waschschritt zeigte sich eine deutliche Verbesserung in der Reinheit der endgültigen Elution Fraktionen. Für die Elution Schritt Erhöhung der Konzentration von Imidazol von 250 bis 350 mM auch erwies sich um die Ausbeute an die endgültige Elution zu verbessern. Erste Versuche, mit 250 mM Imidazol Protein eluieren führte zu unvollständigen Elution von VimRod wie durch einen abschließenden 1 M Imidazol-Streifen der Spalte (Daten nicht gezeigt) offenbart. Erhöhung der Imidazol-Konzentration bis 350 mM für die Elution reichte aus, um all das Protein gebunden in die Spalte wiederherzustellen. S kann einen doppelten Zweck dienen, weil es als ein Polierstufe für Proteinreinigung während gleichzeitig ausführen Buffer Tausch wirkt. Buffer Tausch ist ein entscheidender Schritt für die anschließende Bindung Analyse, da sie die Imidazol verwendet, um His6-markierte Protein eluieren entfernt. Es dient auch als eine Gelegenheit zu ändern Bedingungen wie Salzkonzentration oder pH, die die Wirksamkeit bestimmter nachgeschaltete Techniken oder Assays auswirken können. Protein, das thermische Verschiebung (PTS) verwendet werden, kann um optimale Puffer für nachgeschaltete Assays, vor allem für diejenigen, die stabile Protein für identifizieren längere Zeit bei Zimmertemperatur8,9.
Analyse der Bindung
Protein, das frisch zubereitet wird ist entscheidend für genaue verbindliche Assays, obwohl gefrorenen Protein kann auch verwendet werden, solange die Ergebnisse verglichen werden. Filamentöse Proteine wie Vimentin Multimerize Salz und pH-Wert abhängige Weise, und somit die Lösung bedingen müssen optimiert werden und die Oligomere Zustand durch eine Methode wie SEC10,11, dynamisches Licht Streuung geschätzt 12 oder Analytische Ultrazentrifugation13,14,15. NMR-Spektroskopie ist gut geeignet zur Messung der Ligand Interaktionen der kleinen Proteine in atomarer Auflösung. Jedoch wenn ein Protein mit größeren Molekül interagiert, langsamer Tumbling folgt, und dies zu Verlust von Signalen, die verbindlich bestätigen kann führt, obwohl dies nicht unbedingt der Fall erlauben Zuordnung Bindungsstellen, die auch die Zuweisung von mindestens erfordern würde Rückgrat Resonanzen. In diesem Szenario lassen NMR-Experimente nicht Identifikation des Standortes Interaktion. Daher directed Website Mutagenesis angewendet wird, um die kritischen Rückstände für die Bindung benötigt zu identifizieren. Solche Mutanten aufweisen Signalverlust daher nicht. In diesem Protokoll eine mutierte Form mit einer Substitution an Position 1914 behält die Peak-Intensitäten in Anwesenheit von VimRod und Störung der Interaktion von E-PRD und VimRod bestätigt. Zuordnung der Rückgrat und Sidechain Resonanzen würde dieser Ansatz Wert hinzufügen, zumal die Struktur für das kostenlose E-PRD durch Röntgen-Kristallographie4gelöst worden ist. Zukünftige Anwendungen der NMR Charakterisierung der komplexen Wechselwirkungen zwischen größeren Molekülen gehören und profitieren von extrem hohen Bereich Magnete und die Verwendung von anderen beobachtbaren Gruppen wie z. B. 13C beschriftet und trifluor Methylgruppen als Reporter.
MST hat eine Reihe von Vorteilen für das Studium bindende Wechselwirkungen16. Die Bindungspartner sind frei in Lösung und nicht immobilisiert. Analyse der Qualität der Proben ist die Software mit Qualitätskontrolle der Aggregation, die Adsorption an den Kapillaren oder unzureichende fluoreszierende Kennzeichnung des Zielmoleküls eingebaut. Kleine Mengen des Ziels dienen in der Regel, die Konzentration der das markierte Ziel ist in der Regel zwischen 20-50 nM in einer 10-20 μl Volumen/Reaktion. Dieses Protokoll verwendet sehr kleine Reaktion Volumen (10 μl), die Konzentration des Liganden zu maximieren, die in der Titrationen ermöglichen schwach bindender Wechselwirkungen gekennzeichnet werden erreicht werden kann. Dies erfordert genaues pipettieren und Sorgfalt zu vermeiden, Einführung von Luftblasen beim noch gründlich mischen. Ausreichende Vermischung ist entscheidend für präzise, konsistente Fluoreszenz-Messungen entlang der Satz von Verdünnungsreihen. Die Tween-20 in der MST-Experimenten wurde reduziert von einer Norm 0,05 bis 0,015 %, senken die Tendenz zu Bläschen zu schaffen und zu verbessern, mischen.
Der Farbstoff rot-Tris-NTA ermöglicht schnell, einfach und bequem Eindringmittel kennzeichnen jedes Protein, das eine seiner Tag. Die Kennzeichnung ist in nur 30 Minuten wirksam abgeschlossen und ist sehr eng, so dass kein Farbstoff Deinstallation erforderlich ist. An Aminosäurereste des Proteins, die die Liganden Bindungseigenschaften beeinflussen könnten, werden keine Änderungen vorgenommen. Ein Nachteil ist, dass nur das Protein zu etikettierenden einen His6 Tag haben sollte. Dies erforderte die Spaltung des Tags aus der Liganden-Protein, E-PRD und Entfernen von Tags und uncleaved E-PRD mit einem zweiten Schritt der IMAC-Spalte. Wenn möglich, die Liganden Protein sollten bereit sein, ohne den Einsatz eines seiner Tag. Alternativ können Proteine kovalent mit einem Fluorophor durch Amin Ankopplung an Lysin Rückstände oder Thiol Ankopplung an Cystein Rückstände beschriftet werden. Allerdings muss darauf geachtet werden, wenn mit solchen Systemen seit der kovalenten Befestigung ein Fluorophor elektrostatische oder polare Bindung Interaktionen unter Berufung auf Lysin oder Cystein Rückstände beeinträchtigen kann. Die Quantifizierung von verbindlichen Affinität zwischen dem VimRod und E-PRD von MST war ungewöhnlich Konzentration salzempfindlich. Dieses Problem wurde durch die dialyzing zunächst das Ziel und die Liganden in der gleichen Charge von Testpuffer gemindert. Sättigung der MST verbindliche Kurve konnte jedoch nicht erreicht werden, bei der Durchführung der MST-Assay im Beisein von 150 mM NaCl aufgrund des komplexen Verhaltens von VimRod. Zuverlässige und vollständige Daten wurden ermittelt, sobald die Konzentration von NaCl, 10 mM, so dass genaue Berechnung des K-Dgesenkt wurde. Daher sind sorgfältige Optimierung der Lösungsbedingungen und Vergleich mit ergänzenden Tests empfohlen, robuste Ergebnisse zu erzielen. Darüber hinaus kann MST verwendet werden, um das Salz Abhängigkeit für einen bestimmten Umgang zu quantifizieren, stöchiometrische Eigenschaften von Protein-Interaktionen, Monitor Proteinfaltung und Sonde in Enzym Kinetik17zu quantifizieren.
The authors have nothing to disclose.
Dieses Projekt wurde von NSERC RGPIN-2018-04994, Campus Alberta Innovationsprogramm (RCP-12-002 C) und Alberta Prion Research Institute unterstützt / Alberta innoviert Bio Solutions (201600018), verliehen an M.O und Genom-Kanada und Canada Foundation for Innovation-Finanzhilfen der Metabolomik Innovation Centre (TMIC) und 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 |