Nous présentons ici la procédure détaillée d’une plateforme de test de protéase récemment développés utilisant la protéine liant le maltose/protéine N-terminale et fusionné avec protéines recombinantes substrats fluorescents attachés à la surface de nickel-nitrilotriacétique acide magnétique agarose perles. Une analyse ultérieure de dans-gel de l’essai des échantillons séparés par électrophorèse sur gel sodium dodécyl sulfate polyacrylamide est également présentée.
Protéases sont des enzymes étudiés en raison de leur rôle essentiel dans plusieurs voies biologiques des organismes vivants et la pathogenèse ; Ils sont donc des cibles thérapeutiques importants. Nous avons développé une plateforme magnétique d’agarose-perle-test pour l’étude de l’activité protéolytique, qui repose sur l’utilisation des substrats protéiques fusion recombinantes. Afin de démontrer l’utilisation de ce système de dosage, un protocole est présenté sur l’exemple du virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) protéase. La plateforme de test introduits peut être utilisée efficacement dans la caractérisation biochimique des protéases, y compris les mesures de l’activité enzymatique dans la mutagenèse, cinétique, inhibition ou études de spécificité, et il peut être approprié pour le haut débit dépistage de substrat ou peut être adaptée à d’autres enzymes protéolytiques.
Dans ce système de dosage, les substrats appliquées contiennent la protéine N-terminale (ses6) et les balises de la protéine (PBM) liant le maltose, sites de clivage du tabac etch virus (TEV) et protéases du VIH-1 et une protéine fluorescente C-terminal. Les substrats peuvent être efficacement produites en cellules d’Escherichia coli et facilement purifié à l’aide de perles – chélate – revêtement de nickel (Ni). Au cours de l’essai, le clivage protéolytique des substrats rattaché au talon entraîne la libération de fragments de clivage fluorescent, qui peut être mesurée par fluorimétrie. En outre, les réactions de clivage peuvent être analysées par électrophorèse sur gel sodium dodecyl sulfate polyacrylamide (SDS-PAGE). Un protocole pour la renaturation de dans-gel des éléments d’analyse est également décrite, car la renaturation partielle des protéines fluorescentes permet leur détection basée sur la masse moléculaire et de la fluorescence.
Les enzymes protéolytiques appartiennent aux groupes enzyme plus intensivement étudiés en raison de leur importance dans les voies métaboliques et les applications industrielles, aussi bien. Leur rôle essentiel dans les maladies virales, la régulation de la coagulation sanguine, cancer et cardiovasculaires et les maladies neurodégénératives fait des protéases cibles éminents dans le domaine de découverte de médicaments. Par conséquent, la caractérisation détaillée de spécificité de substrat et inhibiteur de la protéase (PR) d’intérêt de profilage sont essentielle et s’effectués de préférence par des épreuves biochimiques rapides, rentables et robustes1,2, 3.
De nos jours, la grande majorité des tests in vitro protéase appliquée dans le domaine de découverte de médicaments pour le profilage de composés est homogène, fluorescent dépistage peptidique et haut débit (HTS)-plateformes compatibles4. En outre, peptides marqués ne conviennent pas uniquement pour le dépistage de la bibliothèque, mais ils offrent également d’excellents outils pour le dosage de l’enzyme des paramètres cinétiques sur les substrats sélectionnés. Dans d’autres cas, où l’étiquetage du substrat n’est pas possible, analyses séparation peuvent fournir une solution possible pour évaluer les propriétés cinétiques des réactions protéolytiques3.
Généralement, les dosages in vitro protéase reposent sur l’utilisation de deux types de substrat : courts peptides ou protéines entières. Dans ces cas, où le clivage des séquences peptidiques court reflètent les propriétés de clivage suffisamment, les approches standards suivantes sont applicables : (i) examiner les substrats de la protéine standard telles que l’insuline oxydé chaîne B, (ii) test substrats disponibles dans le commerce des autres protéases, (iii) bibliothèques de peptides synthétiques et fluorescent étiquetés créés par la chimie combinatoire, ou (iv) de dépistage à l’aide des méthodes génétiques, par exemple, biologique afficher technologies5, 6. Outre la classification conventionnelle, autres nouvelles plates-formes sont également disponibles pour la production du substrat (par exemple, la formation de peptides dérivés du protéome bibliothèques7 ou sous-types spéciales des méthodes génétiques, comme la fusion recombinante substrats à base de protéines8,9,10,11,12).
Tous les types de substrats susmentionnées et les dosages ont leurs propres avantages et limites, et le développement des formats de dosage combinant et/ou d’améliorer les avantages des plates-formes connues est toujours en demande. Nous décrivons ici un protocole pour un dosage de protéase fluorescent axée sur la séparation, qui utilise des substrats recombinants. Ces protéines de fusion se composent de ses balises MBP fusionnés à un site de clivage de contrôle de TEV PR, qui est suivie de la séquence de substrat d’intérêt qui est directement relié à une protéine fluorescente C-terminal (FP) (Figure 1 a) et6 . Le clonage d’une séquence d’ADN codant pour un site de clivage de l’intérêt dans la cassette « clonage » peut être effectué par une réaction de ligature unique dans le plasmide d’expression, qui a été linéarisé précédemment par endonucléases de restriction.
Figure 1 : Principe de l’analyse de la protéase fluorescent. Protéase (A) la représentation schématique d’un substrat fluorescent et son clivage par le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) est montré. La flèche indique la position de clivage au sein de la séquence de site de clivage de matrice/capside de protéase du VIH-1 (VSQNY * PIVQ). Substrats (B), la fluorescence peuvent être utilisés pour analyser les réactions enzymatiques lors du test de billes magnétiques dotés de Ni-NTA et électrophorèse sur gel de polyacrylamide, ainsi, comme le montre le diagramme de flux de travail. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Protéolytiques essais en utilisant une protéine recombinante similaire des substrats contenant une balise d’affinité, un site de clivage protéolytique et un protéine fluorescent-ont déjà été décrits8,9,10, le système présenté ici a l’intention d’intégrer et d’améliorer les avantages de ces méthodes. Une différence importante est que les substrats de protéine de fusion dans cette plateforme d’essai sont équipés de MBP pour améliorer les protéines solubilité13 et contiennent un site de clivage de contrôle vét SPE. En outre, les substrats contiennent des protéines fluorescentes de nouvelle génération, qui sont très stables et ont une forme monomérique pour empêcher l’agrégation de substrat. Outre la demande précédemment publiée de mTurquoise2 et érable ondé-fusionné avec formes14, ici nous montrons aussi résultats donnés par l’utilisation d’un substrat recombinant contenant un monomère amélioré tag fluorescent protéine fluorescente jaune (mEYFP). Par les présentes, nous démontrer la compatibilité du système avec d’autres protéines fluorescentes et représentent certains types généraux de résultats qui peuvent être acquis par le dosage de la protéase.
Les protéines de fusion recombinantes sont exprimés dans les cellules d’e. coli BL21 (de3) et sont utilisés comme substrats pour l’essai dans un acide nitrilotriacétique-nickel (Ni-NTA)-enduit magnétique d’agarose-perle-rattaché au formulaire. Les produits de clivage C-terminal soient libérés de la surface de la perle dans le surnageant par clivage de la protéase d’intérêt. Après la séparation du liquide surnageant (contenant l’enzyme et les produits de clivage) de billes magnétiques, la fluorescence peut être mesurée pour déterminer les propriétés de clivage de l’enzyme. Par contraste avec les méthodes décrites précédemment, dans le système présenté ici, la quantité de substrat et produits de clivage C-terminal est unique quantifiée basé sur une procédure de calibrage de substrat détaillée. Le système de dosage peut être soutenu par une analyse en SDS-PAGE de l’essai des échantillons ; une visualisation de dans-gel fluorescente subséquente peut-être être appliquée immédiatement après l’électrophorèse ou la renaturation de dans-gel des composants fluorescents nondenatured et dénaturés, respectivement le14.
La flexibilité et la structure de la cassette de « clonage » permettent une insertion de temps et coût-efficace d’une grande variété de séquences dans la construction et, par conséquent, favorise la génération de bibliothèques de substrat. Étant donné que toutes les étapes de test sont compatible automation et HTS, le système peut être particulièrement attrayant pour, par exemple, protéase spécificité des mesures et études de mutagenèse ou il peut également être utilisé efficacement pour le dépistage d’inhibiteur de la protéase industrielle et/ou le développement de médicaments antiviraux, aussi bien.
Paramètres cinétiques de l’enzyme (kchat, Km) peuvent être déterminées par l’essai reposant sur la séparation développé ; par conséquent, il peut être adapté pour effectuer des mesures cinétiques enzymatiques individuels, tels que les études d’évolution temporelle, axées sur le substrat et l’inhibition. Cela prouve que les substrats de protéine recombinante fusion constituerait un bon pour les substrats d’oligopeptide synthétique fréquemment utilisés, et en raison de leur similitude élevée aux substrats polyprotéine, ils représentent la naturellement les interactions enzyme / substrate avec plus de précision.
En raison des enquêtes intensives industriels et universitaires des enzymes protéolytiques et la demande constante pour plates-formes HTS-compatible rapides et abordables de dosage de protéase en conséquence, nous avons développé une protéase fluorescente magnétique base-perle dosage. L’analyse est basée sur l’utilisation de protéines recombinantes fusion qui peut être de nouvelles solutions de rechange aux substrats peptide synthétique largement utilisées.
Dans le format de test avancés, les substrats protéiques de fusion sont immobilisés sur les surfaces de Ni-chélate-enduit magnétique d’agarose perles. La fixation du substrat est assurée par le N-terminal sa balise6 d’affinité de la protéine de fusion, qui est directement fusionnée à une balise MBP afin de faciliter le pliage et la solubilité dans l’eau du substrat13. Le MBP est suivi par des sites de clivage du TEV PR et une protéase d’intérêt. Le premier peut servir un site de clivage de contrôle dans le dosage, tandis que ces derniers puissent être traitées par la protéase à investiguer. Le site de clivage est interchangeable ; un dsDNA courte séquence codant pour le site de clivage d’intérêt peut être inséré dans la cassette souple « clonage » du plasmide expression par la ligature. Les protéines recombinantes fusion contiennent une balise très stable, monomère de protéine fluorescente au C-terminal, qui permet la détection de point de terminaison des produits de clivage C-terminal fluorescents, enzyme-libéré, libéré par clivage protéolytique ( Figure 1 a). Les substrats fluorescents intacts purifiées, résolus dans différents tampons sont également utilisés pour l’étalonnage d’évaluer les concentrations molaires des substrats et des produits de clivage. En outre, après la fluorimétrie, les éléments d’analyse peuvent être analysés par SDS-PAGE, aussi bien. Les deux indigènes (nondenatured) et des protéines fluorescentes dénaturés peuvent être visualisées dans le gel, immédiatement après l’électrophorèse ou ultérieures en gel renaturation, respectivement. Cette supplémentaire procédure-en combinaison avec un classique bleu de Coomassie brillant bleu coloration-mai être utilisé efficacement pour vérifier les résultats de titrage (Figure 1 b).
Le mode opératoire se compose des étapes simples et faciles à exécuter dans un format de faible volume qui peut être entièrement adapté à un environnement automatique de haut débit. Toutefois, indépendamment de la réalisation de l’essai soit manuellement, soit avec un système d’automatisation, les pièces suivantes du test sont considérés comme être crucial et requièrent une attention particulière lors de l’exécution de la procédure. i) homogénéité de la solution de billes magnétiques. Une solution homogène de billes magnétiques doit être utilisée tout au long de l’essai, en purification et étapes de lavage. En particulier, la fiabilité des tests de protéase dépend fortement correctement toutes les solutions mères de billes magnétiques rattaché au substrat (SAMB). Afin d’accroître l’efficacité de la suspension et la dispersion, il est recommandé de définir la concentration en billes entre 2 % et 10 % (v/v). Au cours de la préparation de l’échantillon, l’utilisation de tampons additionnés de détergent non ionique (tels que Triton X-100 ou Tween 20) jusqu’à 2 % peut également diminuer l’adhérence des billes magnétiques pour les surfaces en plastique. L’adhésion des perles aux murs des flacons à échantillon peut être évitée si les suspensions de perle sont appliquées soigneusement le fond des flacons au lieu de sur les parois des tubes d’échantillons. L’homogénéité des billes magnétiques au cours de la réaction enzymatique est également essentielle et peut être assurée en agitant continuellement les échantillons à 600 tr/min pendant l’incubation. Perles sont correctement dispersées dans les produits de plastique rondes ou à fond plat, tandis que l’utilisation de flacons de fond V n’est pas recommandée. Un résultat sous-optimal causé par homogénéisation perle incorrecte est représenté dans la Figure 4 b. II) résiliation des échantillons de la réaction. Un autre avantage de la méthode est que la réaction enzymatique peut être résiliée sans l’utilisation du traitement de dénaturation thermique ou n’importe quel d’agents chimiques possiblement interférentes15. La résiliation peut être effectuée simplement en séparant les billes magnétiques du mélange réactionnel, à l’aide d’un concentrateur de particules magnétiques classiques. Tandis que le tampon de réaction supprimé contient l’enzyme active et les produits de clivage fluorescent C-terminal générés, les substrats clivés restent attachées aux talons. En raison de la présence de l’enzyme active dans le tampon de réaction, la procédure de séparation doit être effectuée avec soin pour la détection fiable de point de terminaison. Avant de placer les flacons d’échantillon dans le concentrateur, il est recommandé d’appliquer une centrifugation essorage court. Après avoir placé les tubes dans le concentrateur, fournir au moins 15 s pour les perles à collecter. Léger mouvement du séparateur arrière-et-vient peut faciliter la collecte des perles. Veuillez considérer que, au cours d’une séparation réalisée manuellement, la résiliation prend généralement plus de temps que l’initiation des réactions. Par conséquent, un retard min enregistré environ 2 est recommandé entre les initiations si le même temps d’incubation doit être appliqué à tous les échantillons.
Le principe de l’analyse décrite protéolytique est relativement simple ; Cependant, la polyvalence du système est garantie par la structure du substrat flexible et stable. L’optimisation individuelle du test peut être limitée que par la compatibilité des perles d’affinité avec les conditions stipulées, réactifs et d’additifs. En accord avec protocole du fabricant, nous avons également constaté que l’affinité de substrats pour les surfaces de perle de Ni-NTA affaiblit considérablement à pH ≤ 6,515. Par conséquent, il est recommandé d’appliquer les échantillons blancs substrat parallèles aux échantillons de réaction et la vitesse de dissociation spontanée de substrat doit être examinée au cours de l’évaluation des résultats.
Dans ces cas, où magnétique perle-analyses ne peuvent être effectuées en raison de l’utilisation de composants incompatibles avec perle ou un pH bas, digestion en solution des substrats recombinants purifiés peut être également appliquée. Dans ces cas, les mélanges de réaction peuvent être analysés par électrophorèse, et les protéines peuvent être visualisées dans le gel basé sur le protocole décrit. Pour étudier l’activité protéolytique, digestion en solution et en gel-détection des protéines peuvent aussi être des outils alternatifs de fluorimétrie. Une nouveauté introduite par le système de substrat conçu est l’application d’une étape en gel renaturation après dénaturation SDS-PAGE. Tandis que natives protéines fluorescentes (nondenatured) conservent leur fluorescence pendant l’électrophorèse, la propriété fluorescente est supprimée à compter de la dénaturation (Figure 7 b). Cependant, la fluorescence des protéines dénaturées peut être partiellement récupérée par l’élimination du SDS dans le gel. Ainsi, une séparation des composants de réaction à l’aide de conditions de dénaturation permet non seulement la basés sur la fluorescence, mais l’identification moléculaire-basées sur le poids. Un autre avantage de la détection par fluorescence en gel par rapport à l’analyse d’un gel teinté bleu de Coomassie, c’est que les protéines fluorescentes (natif ou renaturé) peuvent être facilement identifiées dans le gel issu de leur fluorescence (voir Figure 7). Cela peut être important si les réactions sont effectuées dans les échantillons contenant des contaminants non fluorescentes ou protéines ressemblant fortement à poids moléculaires des uns des autres.
Tests de protéase à l’aide de substrats conçus de la même façon ont déjà été publiés précédemment8,9,10, et bien que le site de clivage d’intérêt dans ces cas était également situé entre une balise d’affinité et une protéine fluorescente, le système de test présenté ici non seulement reprend les idées décrites mais combine les différents avantages des plateformes précédentes et leur complète aussi avec d’autres améliorations : i) l’utilisation d’un partenaire de fusion MBP, ii) les présence d’un site de clivage de la commande PR TEV, iii) l’utilisation du FPs monomère nouvellement machiné, iv) l’application d’une procédure d’étalonnage de substrat unique. Le test lui-même a été particulièrement conçu pour être utiles à la spécificité de l’enzyme et des études cinétiques dans un coffre-fort, temps et coût-efficace manière, sans la nécessité pour l’instrumentation coûteuse. La méthode est destinée à être un outil convenable et abordable à ces deux fins de la recherche universitaire et industrielle. En raison de la flexibilité de la cassette « clonage » du plasmide expression, le système peut être adapté pour la génération rapide et peu coûteuse de bibliothèques de substrat recombinant. Le test décrit ci-après est un outil possible pour la mise en œuvre de la spécificité de substrat, mutagénèse d’enzyme, et l’inhibition des études et, également, fournir un outil de rechange pour effectuer la cinétique enzymatique. La plateforme de test (à partir de la perturbation des cellules bactériennes à la détermination des paramètres cinétiques) peut être adaptée à un environnement de base de HTS et automatisation et, potentiellement, peut-être être appliquée au dépistage d’inhibiteur de la protéase industrielle et/ou médicament antiviral développement. En outre, l’adaptation du test de protéolyse concurrentiel est également dans le futur champ d’application de notre laboratoire. Dans un test de concurrence, deux différents substrats, chacun contenant un site de clivage différentes fondues à a différents C-terminal fluorescent tag-sont destiné à être utilisés simultanément dans la même réaction de clivage d’enquêter sur la préférence de l’étudiée enzyme pour les séquences cible donnée. En outre, l’utilisation d’un formulaire de test adaptés plaque de 96 puits (Figure 8) est également optimisée pour le dépistage de la mutation en utilisant une série de substrats avec des séquences de site mis à jour le clivage dans le cas de protéases de cystéine.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu en partie par le projet de « Équipe PHARMPROT » GINOP-2.3.2-15-2016-00044 et, également, financé par le Programme de l’Excellence institutionnelle l’enseignement supérieur de la ministère des capacités humaines en Hongrie, dans le cadre de la Programme thématique de la biotechnologie de l’Université de Debrecen. Les auteurs sont reconnaissants pour les membres du laboratoire de biochimie rétroviral pour leur aide scientifique lors de l’élaboration de test ainsi que pour leur patience pendant le tournage de l’essai (en particulier à Norbert Kassay, Krisztina Joóné Matúz et Vanda Toldi, qui font leur apparition dans l’arrière-plan de la vidéo). Les auteurs tiens également à dire extraordinaire grâce à Gedeon Richter Plc., en particulier au Dr Zoltán Urbányi pour permettre des travaux de Beáta Bozóki dans le département de biochimie et de biologie moléculaire en tant que chercheur invité. Les auteurs aimeraient également exprimer leur gratitude à György Zsadányi, Balázs Tőgyi, Balázs Pöstényi et Zoltán Király, du multimédia et E-learning Technical Center de l’Université de Debrecen, pour l’assistance professionnelle en audio et vidéo production.
10K Amicon tubes | Merck-Millipore | UFC501096 | |
2-Mercaptoethanol (β-ME) | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | M6250 | |
40% Acrylamide/Bis solution 37.5:1 | Bio-Rad | 1610148 | |
Acetic acid | Merck | 100063 | |
Agarose | SERVA | 11404.04 | |
Alpha Imager HP gel documentation system | ProteinSimple | ||
Ammonium persulfate (APS) | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | A3678 | |
Ampicillin sodium salt | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | A9518 | |
Beckman Coulter Allegra X-22 centrifuge | Beckman Coulter | 392185 | |
Black half-area plates | Greiner bio-One | 675086 | |
Bromophenol blue | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | B0126 | |
CutSmart buffer (10x) | New England Biolabs | B7204S | For plasmid linearization (step 1.1.1) |
Dark Reader transilluminator | Clare Chemical Research | DR-45M | |
DNase I | New England Biolabs | M0303L | |
Dynamag-2 magnetic particle concentrator | Thermo Fischer Scientific | 12321D | |
Escherichia coli BL21(DE3) competent cells | Thermo Fischer Scientific (Invitrogen) | C600003 | |
Ethanol | Merc-Millipore | 100983 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | 798681 | |
Gel Loading Dye, Purple (6X) | New England Biolabs | B7024S | |
Glycerol | Merck | 356350 | |
Glycine | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | G7126 | |
High-Speed Plasmid Mini Kit | GeneAid | PD300 | |
Imidazole | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | 56750 | |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Thermo Fischer Scientific (Invitrogen) | AM9464 | |
Jouan CR 412 centrifuge | Jouan | CR412 | |
Labinco LD-76 Rotator | Labinco | 7600 | |
Luria-Bertani (LB) broth | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | L3022 | |
Lysozyme | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | L6876 | |
Magnesium chloride | Scharlau | MA0036 | |
MERCK eurolab ultrasonic bath | MERCK | USR54H | |
Millifuge Eppendorf spin centrifuge | Millipore | CT10 | |
Mini-PROTEAN 3 Electrophoresis Cell | Bio-Rad | ||
N,N,N′,N′-Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | T9281 | |
NanoDrop 2000 | Thermo Fischer Scientific | ||
NheI-HF restriction endonuclease | New England Biolabs | R3131L | |
Nickel(II) sulfate (NiSO4) | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | 656895 | |
Ni-NTA magnetic agarose beads | Qiagen | 36113 | |
Orbital shaker | Biosan | OS-20 | |
PacI restriction endonuclease | New England Biolabs | R0547L | |
PageBlue Protein Staining Solution | Thermo Fischer Scientific | 24620 | |
Phenylmethanesulfonyl-fluoride (PMSF) | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | P7626 | |
Protein Lobind Micro-centrifuge tubes | Eppendorf | 22431102 | |
QIAquick Gel Extraction Kit | QIAGEN | 28704 | |
Snijders Press-to-Mix shaker | Gemini | 34524 | |
Sodium-acetate trihydrate | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | S7670 | |
Sodium-chloride | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | S9888 | |
Sodium-hydroxide | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | S5881 | |
SYBR Green I Nucleic Acid Gel Stain | Thermo Fischer Scientific | S7563 | |
T4 DNA ligase | Promega | M180A | |
Thermo shaker | Biosan | TS-100 | with SC-24 accessory block |
Tris | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | T1503 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) | P2287 | |
WALLAC VICTOR2 1420 multilabel counter | Wallac Oy, Turku, Finland |