Burada, üretim ve arıtma etiketlenir proteinlerin için bir protokol kararlı izotop ve protein-protein etkileşimleri nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi ve MicroScale kullanarak sonraki karakterizasyonu ile mevcut Thermophoresis (MST) deneyler.
Vimentin gibi ipliksi protein organizasyon proteinler plakin içeren siteleri ile yapısal bir iskele sağlayarak hücreleri içinde yinelenen denetim sağlar. Burada, tespit ve bu tür etkileşimler ölçüm için bir protokol envoplakin küresel plakin tekrar etki alanını ve vimentin sarmal bobin kullanılarak açıklanmıştır. Bu bir protein vimentin (veya benzer ipliksi protein) bağlar olup olmadığını belirlemek için ve etkileşim yakınlık ölçüm için bir temel sağlar. Faiz küresel protein 15ile N etiketli ve çözüm vimentin protein ile titre. Bir iki boyutlu NMR spektrumu tepe şekil veya kimyasal vardiya değişiklikleri gözlemleyerek etkileşimleri algılamak ve etkileri vimentin dördüncül yapı etkisi tuz düzeyleri de dahil olmak üzere çözüm koşullardan aydınlatmak için kazanılır. Faiz protein ipliksi ligand bağlar, bağlama etkileşim saf protein kullanarak MST tarafından sayılabilir. Bir protein ilgi bir filament bağlar olup olmadığını belirlemek için ve nasıl etkileşim değişikliği, mutasyonlar çözüm koşullar, gibi etkiler değerlendirmek için basit bir yol yaklaşımdır.
Proteinler arasındaki etkileşimler hücreleri içinde sipariş oluşturmak Moleküler makineler oluşumunu sağlar. Bireysel etkileşimler genellikle zayıf ama genellikle kooperatif ve dinamik olarak düzenlenmiş olabilir multivalent kompleksleri için katkıda bulunmak. Atomik çözünürlük ve böyle karmaşık etkileşimleri hakkında kantitatif bilgi sağlayan hassas deneyleri mekanizmaları anlamak ve uyuşturucu gibi moleküller gibi müdahaleler tasarlamak için ihtiyaç vardır. NMR spektroskopisi protein etkileşimleri hakkında böyle bilgi elde etmek için etkili bir yöntemdir ve zayıf1bağlamak da dahil olmak üzere ligandlar için hızlı tarama için de kullanılır. NMR yöntemleri kullanılan çoğu protein gözlemlemek veya ligand gözlemek o kategorize edilebilir. Bu el yazması kararlı izotop (genellikle altında 20 kDa) nispeten küçük protein etiketli bir spektrum kazanılır ve etiketsiz ligand titre eski yaklaşım kullanır. Bu izin etiketli artıkları olumlu durumlarda eşlenmesi için etkileşim dahil. Bir kez karmaşık formlar, kimyasal ortamlarda kendilerini kimyasal Shift değişiklikler olarak tezahür etkileşen kalıntılarının ve NMR sinyalleri şeklinde bulunan değişiklikler vardır. Ölçüde bu tür değişiklikleri bu grupların etkileşim katılımı derecesi ile karşılıklı olarak ilişkilendirir. Kimyasal shift tedirginlikler (CSP) NMR spectra devamsızlık ve ligand değişen miktarlarda varlığı toplanan protein bir dizi karşılaştırarak ölçülebilir. Daha büyük ligandlar veya karmaşık etkileşimler için en yüksek şekli veya yoğunluğunu değişikliği etkileşimleri anlamak için ölçülebilir.
Ligand etkileşimleri algılamak için kullanılan en yaygın 2D deneme 15N-heteronuclear tek kuantum korelasyon (HSQC) deney2‘ dir. Bunun bir protein hangi genellikle benzeşme öğesini sürümleri E. coli bakteriyel kültürlerde 15‘ te N zenginleştirilmiş medya yetiştirilen olarak ifade ederek elde edilir ile 15N, liflerin düzenli bir biçimde etiketlenmesi gerekir. Titrasyon sırasında toplanan HSQC spectra üst üste zaman bağlama tepe değişiklikleri kalıntılarının karmaşık oluşumunda yer alan bir alt için açığa belirgindir. Etkileşim nerede Daralt özgür ve ligand doymuş durumu sinyallerini bir popülasyon ortalaması en yüksek hızlı Döviz rejimi meydana gelebilir. Alternatif olarak, devletler arasında yavaş Satım söz konusu olduğunda, her iki sinyali göreli tutarlarını gösteren integraller ile gözlenir. NMR lineshape analiz bazı durumlarda bağlama benzeşim tahmin etmek için kullanılan, MST gibi yöntemleri de uygun kanıtlamıştır ve hakiki etkileşimlerin çapraz doğrulama sağlar.
Desmosomes içinde bulunan iki proteinlerin sağlanan örnek verilebilir. Kavşak hücre yüzeyleri ve sitoiskeleti arasında aracılık ve hücre adezyon makineleri ve deri bütünlüğünü korumak için ara filamentler multivalent Hofstede aracılık ve kalp doku ve, dayanıklı kuvvetleri kesme. Hastalıkları desmosomal proteinler kardiomyopati veya vimentin gibi mutasyonlar ve otoantikorlar, hücre-hücre kavşaklar destabilization lider tarafından tehlikeye ve dolayısıyla onların etkileşim kritik öneme sahip3olduğunda neden olabilir. Etkileşimleri MST tarafından sayısal iken ligand bağlayıcı desmosomal proteinler tarafından yapısal temeli NMR spektroskopisi ile karakterize edilebilir. Burada yöntemleri genellikle temel oluklar teklif tandem kümeleri olarak var olmayan plakin tekrar etki alanları (PRDs) ve vimentin, helisel tarafından sunulan bir asidik yüzeyi ile etkileşim bir ara filaman arasındaki etkileşimler karakterize etmek için kullanılması paket4. Bu komplekslerin nerede böylece yapışkanlı tahvil bir doku yayılan bir ağ oluşturan bitişik hücrelere bağlamak desmosomes için hücre sitoiskeleti ara filamentler için çapa hücre zarı oluşur.
2D 15N çözüldü NMR deney en çok kullanılan biridir yöntemleri nasıl iki molekül göstermek için etkileşim. Çözüm devlet titrasyon deneyde boyunca sürekli olarak izlenmesi için her iki ortaklarına sinyalleri sağlar en bilgi zengini yöntemidir. Genellikle nitel rağmen büyük kompleksler söz konusu olduğunda, yöntem da olumlu durumlarda bağlama benzeşim ölçmek için nerede NMR sinyalleri-ebilmek var olmak izci yüksek çözünürlüklü spectra kullanılabilir. Boyutu 20 kDa altında birçok protein durumunda bağlayıcı siteleri da eşlenebilir gibi nerede atamaları elverişli bir konuma sahip, yapılabilir. MST gibi tamamlayıcı deneyleri çözüm etkileşimleri hakkında kantitatif bilgi sağlar ve daha az protein etiketlenmemiş Birleşik Devletleri gerektirir. Mutant bağlama veri karşılaştırma genişletmektedir NMR satırı ile kanıtlanan etkileşimleri orijinal olduğundan emin olmak için denetim ve değil eserleri, örneğin, toplama veya viskozite değişiklikleri sağlamak için kullanışlıdır.
Protein ifade
İfade işleminin verimliğini emek yoğun protein üretim miktarını azaltır. Bu en iyi duruma getirme işlemi kimlik E. coli uygun bir baskı protein rekombinant ifade içerir. Strain tercih öğeleri vektör doğa kullanımda dahil bağlıdır ve daha ayrıntılı olarak, Rekombinant protein olmanın son istikrar7dile getirdi. Risk endojen E. coli tarafından Contegra protein bozulması proteaz proteaz kullanımıyla azaltılabilir eksik E. coli BL21 zorlanma gibi. Nadir kodon içeren genler için bir yük gibi BL21-CodonPlus (DE3) RIPL tercih edilebilir. Bu zorlanma proteaz eksik doğa BL21 baskı nadir kodon tRNA arginin, isoleucine, prolin ve lösin için ek endojen kopyaları ile birleştirir. Alternatif olarak, overexpression olumsuz etkileyebilir nadir kodon kodon optimize edilmiş bir yapı ticari bir kaynaktan gelen sipariş ederek kalmayabilir. Birçok E. coli suşları rekombinant gen ekspresyonu için kullanılabilir, her bir problem tuzağa sırasında ifade7için optimize edilmiş. Bu çalışmada söz konusu olduğunda, standart proteaz eksik soy BL21(DE3) çözünür protein sonraki ve analiz için yeterli miktarda üretilen.
Protein Saflaştırma
Belirli bir protein için arıtma Protokolü kez her protein istikrarlı ve çözünür sıcaklık, tuz konsantrasyonu veya pH gibi farklı koşullar altında kalır anlamda eşsizdir. Benzeşme kromatografi ile arınma genel etkinliği de konsantrasyon eluting imidazole çeşitli adımlar gibi arıtma işlemi sırasında duyarlıdır. Bu çalışmada, kritik arabellek koşullar IMAC için E-PRD için pH ve VimRod imidazole konsantrasyona vardı. 7,5 pH yağış IMAC sütundan ilk elüsyon takip E-PRD önlemek için gerekli oldu. VimRod IMAC arıtma için 50 mM için 30 imidazole konsantrasyon sütun yıkama adım sırasında artan önemli bir gelişme son elüsyon kesirler saflık için bulundu. Elüsyon adım için 350 mm 250 imidazole konsantrasyonu artan da son elüsyon verimini artırmak için bulundu. 250 mM imidazole kullanarak protein elute ilk girişimleri bir son 1 M imidazole şerit sütun (veri gösterilmez) tarafından ortaya VimRod eksik elüsyon için yol açtı. İmidazole konsantrasyon elüsyon için 350 mm artan tüm sütuna bağlı protein kurtarmak için yeterli idi. Aynı anda arabellek Satım gerçekleştirirken protein arıtma parlatma bir adım olarak görür çünkü S çift bir amaca hizmet edebilir. Beri protein His6 öğesini elute eskiden imidazole kaldırır arabellek Satım sonraki bağlama analiz için kritik bir adımdır. Ayrıca tuz konsantrasyonu veya belirli aşağı akım teknikleri veya deneyleri etkinliğini etkileyebilir pH gibi koşulları değiştirmek için bir fırsat olarak hizmet vermektedir. Protein termal kayması (puan) için kararlı protein arayanlar için özellikle aşağı akım deneyleri, en uygun arabelleklerini tanımlamak için kullanılan oda sıcaklığında8,9bir süre uzun.
Bağlama Analizi
Taze hazırlanmış protein doğru bağlama deneyleri için kritik olsa da sonuçları karşılaştırılır sürece donmuş protein de kullanılabilir. Vimentin multimerize tuz ve pH bağımlı bir şekilde, örneğin ipliksi protein ve dolayısıyla çözüm en iyi duruma getirilmiş gerek ve sn10,11, ışık saçılma dinamik gibi bir yöntem tarafından tahmini oligomeric durumu durumu 12 ya da analitik ultrasantrifüj13,14,15. NMR spektroskopisi ligand etkileşimleri atomik çözünürlükte küçük proteinlerin ölçmek için uygundur. Ancak, bir protein daha büyük molekül ile etkileşim, yavaş tumbling ensues ve bu sinyallerin ille öyle olmasına rağmen hangi bağlama doğrulayabilirim kaybolmasına neden eşleme de atama, en az gerektirecektir siteleri Binding izin omurga rezonanslar. Bu senaryoda, NMR deneyler etkileşim site tanımlaması izin vermez. Bu nedenle site mutagenesis bağlama için gerekli kritik artıkları tanımlamak için uygulanan yönetti. Bu tür mutantlar bu nedenle sinyal kaybı gösteren değil. Bu iletişim kuralı, bir ikame pozisyonda 1914 mutant bir formla en yüksek yoğunluklarda VimRod huzurunda korur ve bu nedenle E-PRD ve VimRod arasındaki etkileşimin bozulma onaylar. Özellikle ücretsiz E-PRD yapısını x-ışını kristalografisi4tarafından çözüldü gibi omurga ve sidechain rezonanslar tayini bu yaklaşım, değer ekleyebilirsiniz. NMR gelecekteki uygulamalar büyük moleküllerin arasındaki karmaşık etkileşimler karakterizasyonu içerir ve ultra yüksek alan mıknatıslar ve gözlemlenebilir diğer grup 13gibi kullanılması yararlanacaktır C harfiyle ve trifluoro metil grubu olarak gazetecilere.
MST bağlama etkileşimleri16eğitim için avantajları vardır. Bağlama ortağız çözümde serbest ve immobilize değil. Analiz örnekleri kalite kalite kontrol toplama raporlama, adsorpsiyon kılcal veya yetersiz floresan hedef molekülünün etiketleme yazılımıyla içine inşa edilmiştir. Hedef az miktarda genellikle kullanılan, etiketli hedef konsantrasyonu genellikle 10-20 μL birim/tepki olarak 20-50 nM arasında. Zayıf bağlama etkileşimleri karakterize edilebilir izin titrations elde edilebilir ligand konsantrasyonu en üst düzeye çıkarmak için çok küçük tepki birimleri (10 μL) bu protokolünü kullanır. Bu doğru pipetting ve hala iyice karıştırma sırasında kabarcıklar tanıtımı önlemek için alınan bakım gerektirir. Yeterli karıştırma seri dilutions kümesi boyunca doğru tutarlı floresans ölçümler için önemlidir. Ara-20 tutar MST deneylerde bir standart 0,05 0,015 kabarcıklar oluşturmak ve geliştirmek karıştırma eğilimi düşük % düşürüldü.
Kırmızı-Tris-NTA boya fluorescently bir His vardır herhangi bir protein etiketlemek için hızlı, kolay ve kullanışlı bir yol sağlar etiket. Etiketleme sadece 30 dakika içinde etkili bir şekilde tamamlandı ve hiçbir boya kaldırma yordamını gerekli olması çok sıkı. Hiçbir değişiklik ligand bağlayıcı özellikleri değiştirebilir protein amino asit kalıntılarında için yapılır. Bir ihtar etiketlenir sadece protein His6 etiketi olması gereken olmasıdır. Bu ligand protein, E-PRD ve etiket ve uncleaved E-PRD ile ikinci bir IMAC sütun adım etiketinden bölünme gerekli. Mümkünse, bir onun kullanımı olmadan ligand protein hazırlanmalıdır etiket. Alternatif olarak, proteinler kovalent lizin tortular veya sistein kalıntıları kaplin thiol için kaplin amin aracılığıyla bir fluorophore ile etiketlenmiş. Ne zaman bir fluorophore kovalent eki beri gibi sistemleri kullanarak lizin veya sistein kalıntıları üzerinde güvenerek elektrostatik veya polar bağlama etkileşimleri etkileyebilir ancak, özen göstermelidir. VimRod ve E-PRD MST tarafından arasındaki affinity bağlama miktar tuz konsantrasyonu çok hassastı. Bu sorunu başlangıçta hedef ve ligand tahlil arabellek aynı toplu işe dialyzing hafifletilmiş. Yine de, doygunluk MST bağlama eğrinin MST tahlil VimRod karmaşık davranış nedeniyle 150 mM NaCl varlığında işlemi sırasında elde edilebilir değil. NaCl konsantrasyonu 10 KDdoğru hesaplama sağlayan mM den indirdi bir kez güvenilir, tam veri elde edildi. Dolayısıyla, çözüm koşulları ve tamamlayıcı deneyleri ile karşılaştırma dikkatli optimizasyon sağlam sonuçlar elde etmek için önerilir. Ayrıca, MST verilen etkileşimi için tuz bağımlılığı ölçmek, enzim kinetiği17protein etkileşimleri, monitör protein katlanması ve sonda stokiometrik özelliklerini ölçmek için kullanılabilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu proje NSERC RGPIN-2018-04994, kampüs Alberta yenilik programı (RCP-12-002 C) ve Alberta Prion Araştırma Enstitüsü tarafından desteklenen / Alberta yeniliklerin Bio çözümleri (201600018), layık M.O ve genom Kanada ve Kanada Vakfı Metabolomics yenilik Merkezi (TMIC) ve NANUC layık yenilik hibe.
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 |