כאן, אנו מציגים פרוטוקול על ההפקה ועל טיהור של חלבונים עם התווית עם איזוטופים יציבים, ואפיון עוקבות של אינטראקציות חלבון-חלבון באמצעות תהודה מגנטית גרעינית (NMR) ספקטרוסקופיה ו- MicroScale ניסויים Thermophoresis (MST).
Filamentous חלבונים כגון vimentin מספקים הארגון בתוך תאים על-ידי מתן לפיגום מבניים עם אתרים אשר קושרים חלבונים המכילים plakin חוזר. כאן, עבור גילוי ומדידת אינטראקציות כגון פרוטוקול המתואר באמצעות המחשבים אני חוזר plakin הכדוריים של envoplakin והגליל הסליל של vimentin. זה מספק בסיס לקביעה אם חלבון נקשר vimentin (או חלבונים filamentous דומה), למדידת בזיקה של האינטראקציה. החלבון הכדוריים עניין עם 15N תוויות, טיטרציה עם vimentin החלבון בתמיסה. ספקטרום NMR מימדי נרכש כדי לזהות אינטראקציות על ידי התבוננות שינויים שיא צורה או משמרות כימי, להסבר תופעות של תנאים פתרון כולל רמות מלח, אשר משפיעים על מבנה רבעוני vimentin. אם החלבון עניין נקשר ליגנד את filamentous, האינטראקציה איגוד לכמת מאת MST באמצעות החלבונים מטוהרים. הגישה היא דרך פשוטה לקביעת אם חלבון עניין מאגד את הלהט, להערכת כיצד שינויים, כגון מוטציות או פתרון תנאים, משפיע על האינטראקציה.
אינטראקציות בין חלבונים לאפשר היווצרות של מכונות מולקולריות ליצור סדר בתוך התאים. האינטראקציות בודדים הם לעתים קרובות חלשים, אך בדרך כלל לתרום מתחמים multivalent יכול להיות שיתופיות מוסדר באופן דינמי. מבחני רגישות המספקים ברזולוציה אטומית ומידע כמותי על אינטראקציות מורכבות כאלה יש צורך להסיק מנגנונים ועיצוב התערבויות כגון סמים כמו מולקולות. NMR ספקטרוסקופיה היא שיטה יעילה להשגת מידע כזה על אינטראקציות חלבון, והוא גם משמש לסינון מהיר עבור ליגנדים כולל אלה לאגד חלש1. בין השיטות NMR ניתן לסווג אלו הם להתבונן חלבון או להתבונן ליגנד. כתב יד זה משתמש הגישה בו קשת של איזוטופ יציב הנקרא חלבון זה הוא קטן יחסית (בדרך כלל תחת 20 kDa) נרכשת, היא, טיטרציה של ליגנד ללא תווית. זה לאפשר את שאריות שכותרתו מעורב האינטראקציה למפות במקרים חיוביים. פעם אחת הצורות מורכבים, ישנם שינויים את סביבות כימיות של שאריות שמעצבת המתבטאים עצמם לשינויים כימיים המשמרת וצורה של אותות NMR שלהם. היקף שינויים כאלה עולה בקנה אחד עם מידת מעורבותם של ארגונים אלה על האינטראקציה. Shift כימי לפליטת (Csp) נמדד על ידי השוואת סדרה של ספקטרום NMR של החלבון שליקט את היעדרות ונוכחות של כמויות משתנות של ליגנד. ליגנדים גדול יותר או אינטראקציות מורכבות, ניתן למדוד בשינוי צורה שיא או עוצמת להסיק אינטראקציות.
הניסוי 2D הנפוץ ביותר המשמש לגילוי ליגנד אינטראקציות הוא ניסוי2מתאם (HSQC) קוונטית בודדת 15N-heteronuclear. פעולה זו דורשת חלבון אחד להיקרא בצורה אחידה עם 15N, אשר מושגת בדרך כלל על ידי הבעת אותם כגירסאות מתויג זיקה בתרבויות חיידקי e. coli גדלו ב 15מועשרת N מדיה. איגוד בולטת כאשר ספקטרום HSQC שנאספו במהלך טיטרציה הן נקודות המגע המוצגים, חשיפת השינויים שיא של תת-קבוצות של שאריות מעורב היווצרות מורכבות. האינטראקציה יכול להתרחש המשטר exchange מהיר בו האותות המדינה בחינם, רווי-ליגנד לקרוס לתוך אוכלוסיה אחת בממוצע שיא. לחילופין, במקרה של המרת איטי בין המדינות, שני אותות הם נצפו עם אינטגרלים המייצגים את הסכומים היחסיים. בזמן ניתוח lineshape NMR ניתן להשתמש כדי להעריך את הזיקות מחייב במקרים מסוימים, שיטות כמו MST גם הוכיחו נוח ולספק קרוס-אימות של אינטראקציות מקורית.
הדוגמה סיפק היא של שני חלבונים המצויים desmosomes. הם צמתי בין תא משטחים את שלד התא לתווך ולסיים multivalent אינטראקציות בין מכונות הדבקה תא חוטים ביניים כדי לשמור על שלמות העור, רקמות הלב, למרות של הטיית הכוחות. מחלות יכול לגרום כאשר desmosomal חלבונים כגון desmoplakin או vimentin הם בסכנה על ידי מוטציות או עצמיים, המוביל destabilization של צמתי תא-תא, ומכאן שהם של החשיבות הקריטית3. הבסיס המבני של ליגנד לכריכה על ידי חלבונים desmosomal יכול להיות מאופיין על ידי ספקטרוסקופיה NMR, בעוד ניתן לכמת את האינטראקציות מאת MST. שיטות בזאת שימשו כדי לאפיין את האינטראקציות בין קבוצות מחשבים אני חוזר plakin “(PRDs)”, אשר לעתים קרובות נמצאים כערכות טנדם המציעים חריצים בסיסיים, vimentin, פילמנט ביניים המקיימת אינטראקציה דרך השטח חומצי המוצעים על ידי שלה לוליינית צרור4. מכלולים אלה נוצרות על קרום התא שבו הם עוגן עבור חוטים ביניים של שלד התא התא כדי desmosomes המחברים תאים סמוכים, ובכך יוצרים רשת של קשרים דבק קורן טישו.
ה 2D 15הניסוי NMR נפתרה-N הוא אחד הנפוצה ביותר שיטות כדי להראות איך שתי מולקולות אינטראקציה. זוהי שיטת ביותר מידע עשיר המאפשר האותות של שני הצדדים להיות במעקב רציף לאורך כל ניסוי טיטור במצב פתרון. אמנם בדרך כלל איכותיים במקרה של מתחמים גדולים, השיטה יכול לשמש גם במקרים חיוביים כדי למדוד את הזיקות מחייב שבו ניתן לעקוב NMR אותות ב ספקטרה ברזולוציה גבוהה. איפה הקצאות בנוחות שניתן יהיה, כמו במקרה של חלבונים רבים תחת kDa 20 בגודל, האתרים מחייב יכול להיות ממופה גם. מבחני משלימים כגון MST מספקים מידע כמותי אודות אינטראקציות בתמיסה, דורשים פחות חלבון במדינות ללא תווית. השוואה של נתוני איגוד מוטציה הוא שימושי עבור מתן פקדים כדי להבטיח כי אינטראקציות שמעידים קו NMR הרחבת מקורי לא בחפצים שונים, לדוגמה, צבירת או צמיגות משתנה.
ביטוי חלבון
ייעול תהליך ביטוי מפחית את כמות ייצור החלבון אינטנסיביות העבודה. כחלק מתהליך אופטימיזציה זה כרוך זיהוי של זן המתאים של e. coli לביטוי חלבון רקומביננטי. זן ההעדפה תלויה רכיבי כולל מהות וקטור בשימוש והביע, ליתר דיוק, היציבות האולטימטיבי של הישות חלבון רקומביננטי7. הסיכון של השפלה של החלבון heterologous על ידי אנדוגני e. coli פרוטאזות יכול להיות מופחת על ידי שימוש פרוטאז לקוי e. coli כגון המתח BL21. עבור גנים המכילים codons נדירים, זן כגון RIPL BL21-CodonPlus (DE3) ייתכן המועדפת. זן זה משלב פרוטאז אופי לקוי המתח BL21 עם עותקים נוספים אנדוגני של codon נדיר tRNAs ארגינין, איזולאוצין, פרולין של לאוצין. לחלופין, ייתכן להימנע codons נדיר שעלולים לפגוע ביטוי על ידי הזמנת בונה אופטימיזציה codon ממקור מסחרי. זנים רבים של e. coli זמינים עבור ביטוי גנים רקומביננטי, אחד אופטימיזציה עבור circumvention של בעיה ספציפית במהלך ביטוי7. במקרה של מחקר זה, המתח לקוי פרוטאז סטנדרטי BL21(DE3) המיוצר נאותה כמויות חלבון מסיס טיהור עוקבות וניתוח.
חלבון טיהור
פרוטוקול טיהור עבור חלבון נתון לעתים קרובות ייחודיים במובן כי כל חלבון נשאר מסיס בתנאים שונים כגון טמפרטורה, ריכוז מלח או pH ויציבה. היעילות הכוללת של טיהור באמצעות כרומטוגרפיית זיקה רגיש גם לריכוז eluting מינים כגון imidazole על השלבים השונים בתהליך טיהור. בעבודה זו, היו התנאים מאגר קריטי עבור IMAC pH E-ההקלטה ריכוז imidazole עבור VimRod. PH של 7.5 היה נדרש להימנע משקעים של E-ההקלטה בעקבות • תנאי ראשוני מן העמודה ה-IMAC. ולטיהור IMAC VimRod, הגדלת ריכוז imidazole בין 30 ל-50 מ מ במהלך השלב שטיפת העמודה נמצאה שיש שיפור ניכר בטוהר השברים • תנאי הסופי. עבור השלב • תנאי, הגדלת הריכוז של imidazole מ- 250 עד 350 מ”מ גם נמצאה כדי לשפר את התשואה של נייר • הסופי תנאי. ניסיונות הראשונית elute חלבון באמצעות 250 מ מ imidazole הובילו לא שלם • תנאי של VimRod כפי רצועה imidazole 1 מ’ סופית של העמודה (נתונים לא מוצג). הגדלת ריכוז imidazole עד 350 מ”מ עבור • תנאי היה מספיק כדי לשחזר את כל החלבון מאוגד לעמודה. S יכול לשרת מטרה כפולה, כי היא פועלת כמו צעד ליטוש לטיהור חלבון תוך כדי ביצוע בו זמנית מאגר exchange. מאגר exchange הוא שלב קריטי לניתוח איגוד עוקבות מאז שהיא מסירה את imidazole נהגה elute חלבון מתויג His6. הוא משמש גם כהזדמנות לשינוי תנאים כגון ריכוז מלח או pH, אשר עשוי להשפיע את היעילות של טכניקות במורד הזרם או מבחני מסוימים. חלבון shift תרמי (נק) יכול לשמש כדי לזהות מאגרים אופטימלית עבור מבחני במורד הזרם, במיוחד עבור אלה הזקוקים חלבון יציב עבור ממושכות של זמן בטמפרטורת החדר8,9.
מחייב ניתוח
חלבון זה הטרי הוא קריטי עבור מבחני הכריכה מדויק, למרות חלבונים קפואים יכול לשמש גם כל עוד התוצאות מושווים. Filamentous חלבונים כגון vimentin multimerize אופנה תלויים מלח ו- pH, ואת ומכאן הפתרון תנאי צריך להיות מותאם ובין המדינה oligomeric מוערך על ידי שיטה כגון שניה10,11, דינמי פיזור אור 12 או ultracentrifugation אנליטית13,14,15. NMR ספקטרוסקופיה מתאימה למדידת ליגנד אינטראקציות של חלבונים קטנים ברזולוציה אטומית. עם זאת, כאשר חלבון אינטראקציה עם מולקולה גדולה נופלת לאט מתפתח, התוצאה היא איבוד אותות, אשר יכול לאשר מחייב למרות שזה לא בהכרח מאפשר מיפוי של איגוד אתרים, אשר גם ידרוש לפחות הקצאה של עמוד השדרה מגנטיים. בתרחיש זה, ניסויים NMR אינן מאפשרות זיהוי של אתר אינטראקציה. ומכאן האתר ביים מוטגנזה מכוונת מוחל כדי לזהות את שאריות הקריטי הדרוש עבור האיגוד. מוטציות כאלה ולכן לא מציגים אובדן אות. פרוטוקול זה, טופס מוטציה עם החלפה במיקום 1914 שומרת על עוצמות שיא בנוכחות של VimRod, ולכן מאשרת שיבוש האינטראקציה של E-ההקלטה, VimRod. הקצאה של מגנטיים עמוד השדרה ואת sidechain יוסיף ערך לגישה זו, במיוחד כאשר המבנה E-ההקלטה חינם נפתרה על ידי קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן4. יישומים עתידיים של NMR כוללים אפיון של אינטראקציות מורכבות בין מולקולות גדולות יותר, יהנה אולטרה-גבוהה שדה מגנטים ושימוש של קבוצות הנצפה אחרות כגון 13התווית על-ידי C trifluoro קבוצות מתיל ככתבים.
MST יש מספר יתרונות לימוד מחייב אינטראקציות16. השותפים האיגוד הינם חינם בפתרון לא קיבוע. ניתוח של האיכות של הדגימות בנוי לתוך התוכנה עם בקרת איכות דיווח של מצבור, ספיחה נימים או תיוג פלורסנט לא מספיקות של מולקולת המטרה. כמויות קטנות של היעד משמשים בדרך כלל, הריכוז של המטרה שכותרתו היא בדרך כלל בין 20-50 ננומטר ב 10-20 μL נפח/תגובה. פרוטוקול זה משתמש אחסון קטן מאוד התגובה (10 μL) על מנת למקסם את הריכוז של ליגנד זה ניתן להשיג את titrations המאפשר אינטראקציות איגוד חלש לאפיין. זה מצריך מדויק pipetting וטיפול הננקטים על-מנת להימנע מהחדרה בועות ומתמזגים עדיין ביסודיות. ערבוב נאותה היא קריטית עבור מדידות קרינה פלואורסצנטית מדויק, עקבית לאורך סדרת דילולים טורי. כמות Tween-20 בניסויים MST צומצם מ תקן 0.05-0.015% כדי להוריד את הנטייה ליצור בועות ולשפר את ערבוב.
הצבע האדום-טריס-נ מספק דרך מהירה, קלה ונוחה fluorescently תווית כל חלבון יש את התג. תיוג יושלם ביעילות בתוך 30 דקות בלבד, והוא מאוד הדוקה כך הליך ההסרה אין צבע הוא הכרחי. אין לערוך שינויים שמתבצעים שאריות חומצה אמינית החלבון עלולה לשנות את מאפייני האיגוד ליגנד. אזהרה היא שיש רק החלבון להיות מתויגת תג His6. זה דרש את המחשוף של התג החלבון ליגנד, E-ההקלטה, הסרת התג ואת uncleaved E-ההקלטה עם שלב שני של העמודה ה-IMAC. במידת האפשר, החלבון ליגנד צריך להיות מוכן ללא שימוש שלו תג. לחלופין, חלבונים עשוי להיות covalently מסומן באמצעות fluorophore דרך amine צימוד ליזין שאריות או תיול צימוד על שאריות ציסטאין. עם זאת, יש לנקוט בעת שימוש במערכות כאלה מאז קוולנטיות החזקה של fluorophore עשוי להשפיע על אינטראקציות אלקטרוסטטית או קוטבי מחייב הסתמכות על שאריות ליזין או ציסטאין. כימות של איגוד הזיקה בין VimRod לבין E-ההקלטה מאת MST היה רגיש מהרגיל מלח בריכוז. בעיה זו הייתה חמאני בתחילה dialyzing היעד והן ליגנד אצווה באותו מאגר וזמינותו. בכל זאת, לא יכולה להיות מושגת הרוויה של העקומה איגוד MST בעת ביצוע וזמינותו MST בנוכחותו של 150 מ מ NaCl בשל מורכבות ההתנהגות של VimRod. נתונים אמין, מלאה הושג לאחר הריכוז של NaCl הונמך 10 מ”מ המאפשר חישוב מדויק של KD. לפיכך, אופטימיזציה זהירה של פתרון ותנאים השוואה עם מבחני משלימים מומלצים להשגת תוצאות חזקות. יתר על כן, MST עשוי לשמש כדי לכמת את התלות מלח לאינטראקציה נתון, לכמת את המאפיינים stoichiometric של אינטראקציות חלבון, קיפול חלבונים צג המכשיר לתוך קינטיקה של האנזים17.
The authors have nothing to disclose.
פרויקט זה בתמיכתם NSERC RGPIN-2018-04994, חדשנות תוכנית הקמפוס אלברטה (RCP-12-002 C), מכון מחקר פריון אלברטה / פתרונות ביו מחדשת של אלברטה (201600018), זכה להיות המפתח להפיל, הגנום קנדה, קנדה הרישמי חדשנות מענקים מרכז חדשנות מטבולומיקס ה (TMIC), 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 |