ここでは、N 末端 hexahistidine/マルトース結合蛋白質とニッケル ニトリロ三の表面に付着した蛍光タンパク質融合組換え基板を利用した最近開発されたプロテアーゼ アッセイプラット フォームの詳細な手順を提案します。酸の磁気アガロース ビーズ。ナトリウム dodecyl 硫酸塩ポリアクリルアミド ゲル電気泳動で区切られた検体の後のゲルの分析について述べる。
プロテアーゼは生きている有機体のいくつかの生物学的経路と病態の本質的な役割により集中的に調査の酵素したがって、彼らは重要な創薬ターゲットであります。組換えの融合蛋白質の基質の使用に基づいているプロテアーゼ活性の調査のための磁気アガロース ビーズ-ベースのアッセイ プラットフォームを開発しました。このアッセイ システムの使用を示すために、プロトコルでは、1 (hiv-1) プロテアーゼをひと免疫不全ウイルスの種類の例に提示されます。プロテアーゼ、変異、キネティック、阻害、または特異性の研究、酵素活性測定などの生化学的解析の導入アッセイプラット フォームを効率的に利用できる、高スループットに適してことがあります。基板スクリーニングまたは他のタンパク質分解酵素に適応することがあります。
このアッセイ システムで応用基板は N 末端 hexahistidine (彼の6) マルトース結合タンパク質 (MBP) タグが含まれている、タバコの胸の谷間サイト エッチ (TEV) ウイルスおよび HIV 1 プロテアーゼと C 末端蛍光タンパク質。基板は、大腸菌細胞に効率的に生産できるし、ニッケル (Ni) – キレート – コーティングを施したビーズを使用して簡単に浄化します。アッセイ中ビーズ付属基板の蛋白質分解開裂は二測定できる蛍光胸の谷間フラグメントのリリースに します。さらに、胸の谷間の反応はナトリウム dodecyl 硫酸塩-ポリアクリルアミドゲル電気泳動 (SDS-PAGE) によって分析できます。蛍光タンパク質の部分画により分子量と蛍光の検出も、分析コンポーネントのゲルの下のプロトコルは記述されています。
蛋白分解酵素は、代謝経路と同様、産業用アプリケーションの重要性のため最も集中的に調査した酵素グループに属する。ウイルス性疾患で重要な役割、血液凝固、がんの規制と心血管および神経変性疾患の創薬の分野で著名なターゲット プロテアーゼになります。したがって、基質特異性の解析と興味のプロテアーゼ (PR) の阻害剤のプロファイリングは極めて重要です、迅速でコスト効率の高い、かつ堅牢な生化学的アッセイ1,2、実行できれば 3。
今日では、化合物プロファイリングの創薬の分野でも適用体外プロテアーゼの試金の大半が同質で、蛍光ペプチド ベースと高スループット スクリーニング (HTS)-互換性のあるプラットフォーム4。また、標識ペプチドのみライブラリ スクリーニングに適したが彼らはまた選択した基板上への速度論的パラメーターの酵素の定量のための素晴らしいツールを提供します。基板のラベリングが可能な他のケースで分離に基づく試金蛋白質分解反応3の動力学的特性を評価するために可能な解決策があります。
一般的には、in vitro におけるプロテアーゼの試金は基板の 2 つのタイプの使用に基づいています: 短いペプチドまたは蛋白質の全体。次の標準的な方法で短いペプチッド シーケンスの胸の谷間は十分に胸の谷間プロパティを反映、これらのケースで当てはまる: (i) 標準タンパク質基質酸化インスリン B 鎖、(ii) などテストを調べる市販の基板他のプロテアーゼ、(iii) のコンビナトリアル ・ ケミストリー、または (iv) によって作成された合成と蛍光標識ペプチド ライブラリーをスクリーニング遺伝的メソッドを使用して、例えば、生物学的表示技術5、 6。従来の分類のほかその他新規プラットフォームは、また基板生成のため (例えばの形成プロテオーム由来ペプチド ライブラリ7または遺伝的組換えの融合のような特別なサブタイプタンパク質ベース基板8,9,10、11,12)。
すべての上記基板タイプとの試金がある独自の利点と制限、およびアッセイ フォーマットを組み合わせることおよび/または知られているプラットフォームの利点の改善の開発はまだ需要。ここで、遺伝子組換えの基板を利用して分離に基づく蛍光プロテアーゼの試金のためのプロトコルについて述べる.これらの融合蛋白質は、彼の6と C 末端蛍光タンパク質 (FP) (図 1 a) に直接接続されている興味の基板シーケンスが続いている TEV PR のコントロール胸の谷間サイトへ融合 MBP タグで構成されます。クローン カセットに興味のある胸の谷間サイトのコーディング dna のクローニングは、制限酵素による切断以前線形補間されている発現プラスミドに単一の ligation の反作用によって実行できます。
図 1:蛍光プロテアーゼ アッセイの原理。(A) 蛍光基板とそのひと免疫不全ウイルス 1 型による胸の谷間の略図 (HIV-1) プロテアーゼが表示されます。矢印は、hiv-1 プロテアーゼのマトリックス/キャプシド胸の谷間サイト シーケンス内で胸の谷間の位置を示します (VSQNY * PIVQ)。(B) 蛍光基板同様、ワークフロー ダイアグラムで示すように、Ni NTA 磁気ビーズによるアッセイし、ポリアクリルアミドゲル電気泳動による酵素反応を分析する使用できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
基板を含む関係タグ、蛋白質分解開裂サイト、および蛍光タンパク質-持っている既に同様の組換えタンパク質を用いたタンパク質アッセイされて説明が8,9,10, システム提示ここで統合し、これらの方法の利点を改善しようとします。重要な違いは、このアッセイのプラットフォームに融合蛋白基質がタンパク質溶解度13を強化し、TEV PRs の胸の谷間にある、コントロールのサイトを含む MBP 備わっているです。さらに、基板には、基板の凝集を予防する単量体のフォームを持っている、非常に安定した新世代蛍光タンパク質が含まれています。MTurquoise2 とマップル融合フォーム14の以前に発行されたアプリケーション、ほかも紹介、単量体を含む組換え基板の使用により得られる強化黄色蛍光タンパク質 (mEYFP) 蛍光タグ。ここ我々 は他の蛍光タンパク質を用いたシステムの互換性を示す、プロテアーゼ法によって得ることができる結果のいくつかの一般的な種類を表します。
組換えの融合蛋白質エシェリヒア属大腸菌BL21(DE3) セルで表されます、ニッケル ニトリロ三酢酸 (Ni 国税庁) の試金のため基板として使用されます-磁気-アガロース-ビーズ-添付フォームをコーティングします。C ターミナル開裂製品は、関心のプロテアーゼによる培養上清を胸の谷間にビード表面から解放され。磁気ビーズから上清 (酵素と開裂製品含む) の分離、酵素の胸の谷間のプロパティを決定する蛍光を測定できます。上記の方法とは対照的、ここで提示システム基板と C 末端開裂製品の量が一意に定量化詳細基板の校正手順に基づきます。検体; の SDS-PAGE 解析によるアッセイ システムをサポートできます。電気泳動後すぐにまたはそれぞれ14nondenatured と変性蛍光成分のゲルの下後その後蛍光ゲルの可視化を適用できます。
柔軟性とクローニング カセットの構造時間とコスト効率の高いさまざまなシーケンスを構造体に挿入を許可して、したがって、基板ライブラリの生成を促進します。以来、すべての試金のステップがオートメーションと互換高温超伝導、システムすることができます、特に魅力的な例えば、プロテアーゼ特異性測定や突然変異誘発の研究が効果的に活用も産業プロテアーゼ阻害剤スクリーニングや、抗ウイルス薬の開発。
開発の分離に基づくアッセイ; によって酵素の速度論的パラメーター (k猫、 Km) が指定します。したがって、それは時間コース ・基質依存的阻害研究などの各酵素キネティック測定を実行するが適さない場合があります。これは組換えの融合蛋白基質頻繁利用合成ペプチド基質の良い選択肢を提供するポリタンパク質基材への高い類似性による自然発生を表すを証明します。酵素-基質相互作用より正確に。
蛋白分解酵素の集中的な産業および学術調査と HTS 互換プロテアーゼ分析プラットフォームを迅速かつ手頃な価格の一定の需要のためにそれに応じて、我々 は、磁気ビーズによる蛍光プロテアーゼを開発しました。試金。アッセイは、組換えの融合蛋白質を用いた広く利用合成ペプチド基質に新しい選択肢をすることができますに基づいています。
開発試験形式で融合蛋白基質は Ni キレート コーティング磁気アガロース ビーズの表面に固定しました。基板添付ファイルは彼の6親和性タグ折りたたみを容易にするし、基板13の水への溶解度を高めるために MBP タグに直接融合融合蛋白質の N 末端によって提供されます。MBP には TEV PR の胸の谷間サイトや関心のプロテアーゼが続きます。前者として役立つかもしれない、アッセイのコントロール胸の谷間サイト一方、後者は調査するプロテアーゼで処理できます。胸の谷間のサイトは交換可能です。興味のある胸の谷間サイトの短い dsDNA 系列符号化は結紮の発現プラスミドの柔軟な ‘クローニング カセット’ に挿入することができます。組換えの融合蛋白質には C ターミナル蛋白質分解開裂 (にリリース酵素解放、蛍光灯、胸の谷間の C ターミナルの製品のエンドポイントの検出を可能にする非常に安定した、単量体の蛍光タンパク質タグが含まれて図 1 a)。精製された蛍光そのまま基板上の異なるバッファー解決は校正用基板と開裂製品のモル濃度を評価するためにも使用されます。さらに後/蛍光定量、分析コンポーネントごとに分析できます SDS-PAGE、同様。(Nondenatured) 両方のネイティブおよび変性の蛍光タンパク質で視覚化すること、ゲル電気泳動後すぐにまたはそれ以降のゲルの下後それぞれ。この追加手順との組み合わせ、従来 Coomassie ブリリアント ブルー染色-5 月は、アッセイ結果 (図 1 b) の検証を効率的に使用します。
試金プロシージャは、高スループットの自動環境に完全に適合させることができる低ボリューム形式の単純な簡単に実行の手順から成ります。しかし、独立して手動または自動化システムと分析の実行、アッセイの次の部分と考えられる重要であるし、しながら手順特別な注意が必要があります。i)磁気ビーズ ソリューションの均質性。均一磁気ビーズ ソリューションは、分析、浄化、洗浄の手順の両方で使用する必要があります。特に、プロテアーゼの試金の信頼性に依存正しく早かった基板に接続された磁気ビーズ (SAMB) 原液。懸濁液の分散効果を高めるためには、2% から 10% (v/v) ビーズ濃度を設定することをお勧めします。サンプル調製、使用時まで (トリトン X-100 トゥイーン 20 など) 非イオン性洗剤を添加したバッファーの 2% が磁気ビーズのプラスチック表面への付着を低下も。ビーズ懸濁液はサンプル チューブの壁の代わりにバイアルの底に慎重に適用される場合、ビーズのサンプル瓶の壁への付着を避けることが。酵素反応における磁気ビーズの均一性も重要であり継続的にサンプルを 600 rpm で潜伏中に揺することによって確保することができます。ビーズは正しく円形または平底プラスチック用品と同様の分散した V 底のバイアルの使用は推奨されません。不適切なビーズの均質化による最適な結果は、図 4 bで表されます。ii) 反作用のサンプルの終了。 メソッドのもう一つの利点は、酵素反応を熱変性治療または任意の潜在的干渉の化学薬品15を使用せず終了できること。終了は、反応混合物は、従来の磁気コンセントレーターを使用してから磁気ビーズを分離するだけで実施できます。削除された反応バッファーには、活性酵素と生成された C 末端蛍光開裂製品が含まれますが、分解されていない基板はビーズに接続されたまま。活性酵素反応バッファー内の存在のために分離のプロシージャは信頼性の高いエンドポイントの検出に対して慎重に実行する必要があります。コンセントレーターにサンプル瓶を置く前に、短いスピンの遠心分離を適用することをお勧めします。コンセントレーターにチューブを配置した後、少なくとも 15 を提供収集するビーズの s。区切り記号と前後のわずかな動きは、ビーズのコレクションを促進するかもしれない。手動で行っていた分離終了通常より時間かかります、反応の開始を検討してください。したがって、同じインキュベーション時間はすべてのサンプルに適用する必要がある場合、約 2 分登録遅延は、イニシエーションの間推奨します。
記載されているタンパク質アッセイの原理は比較的簡単です。ただし、システムの汎用性は、柔軟かつ安定した基板構造によって保証されます。アッセイの個々 の最適化は、適用条件、試薬、添加剤との親和性のビーズの互換性によってのみ制限される可能性があります。製造元のプロトコルに一致して、Ni NTA ビード表面に基板の親和性結合大幅に弱める pH ≦ で 6.515分かったしています。したがって、反応試料に平行基板の空白のサンプルに適用するお勧め、自発的な基板解離のレートが結果の評価時に考慮する必要があります。
どこビーズ-互換性のないコンポーネントまたは低 pH の使用による磁気ビーズ アッセイを実行できません、これらのケースでは、精製組換え基板のソリューションで消化も適用できます。これらの場合、反応混合物を電気泳動によって分析できるし、タンパク質は、記述されているプロトコルに基づいてゲルで視覚化することができます。プロテアーゼ活性を調べるためには、ソリューションの消化と蛋白質のゲルの検出もあります/蛍光定量の代替ツール。設計された基板システムの目新しさは、SDS ページの変化後ゲルの下のステップのアプリケーションです。ネイティブ (nondenatured) 蛍光タンパク質の電気泳動の間に彼らの蛍光を保持、蛍光プロパティを変性 (図 7 b) 時に廃止します。ただし、変性タンパク質の蛍光は SDS のゲルからの除去によって部分的に回復しました。したがって、変化の条件を用いた反応成分の分離が可能だけでなく蛍光ベース、重量ベースでは分子識別。Coomassie 染色ゲルの分析と比較して蛍光ゲルの検出のもう一つの利点は、蛍光値によるゲル内 (ネイティブまたは renatured) の蛍光タンパク質を簡単に識別できます (図 7参照)。これは、胸の谷間の反応は無蛍光の汚染物質を含む試料で実行されて場合または高分子量互いに似た蛋白質重要かもしれません。
同様に設計された基板を用いたプロテアーゼの試金はすでに8,9,10は、以前公開と胸の谷間サイトこれらのケースで興味のあった親和性タグの間にも、蛍光タンパク質アッセイ システムを提示ここで記述されているアイデアを繰り返すだけでなく、以前のプラットフォームの別の利点を組み合わせた、また更にそれらを完了: i) で MBP の融合パートナーの利用 ii)TEV PR コントロール胸の谷間サイト iii の存在)、新設計の単量体 FPs と iv の使用) ユニークな基板校正手順のアプリケーション。自体アッセイは、酵素特異性と安全で高価な機器を必要とせず、時間とコスト効率の高い方法論に有用特に設計されました。メソッドは両方の産業と学術研究目的のため適切かつ手頃なツールであること目指しています。発現プラスミドの複製カセットの柔軟性のためシステムが高速かつ安価な世代の組換え基板・ ライブラリの適さない場合があります。ここに記述されたアッセイは基質特異性、酵素の突然変異誘発の実施のための実行可能なツール、抑制研究し、また、酵素反応速度論を実行する代替ツールを提供します。(から速度論的パラメーターの決定に細菌セル中断) アッセイプラット フォーム HTS およびオートメーション ベースの環境に適応することができ、潜在的に、産業プロテアーゼ阻害剤のスクリーニングおよび/または抗ウイルス薬に適用される可能性があります。開発。さらに、競争力の分解のためのアッセイの適応は、将来的に当研究室の範囲ではまたです。このような競争力のある分析では、異なる C 末端蛍光タグ-が同じの開裂反応の研究優先順位を調査するため同時に使用するために融合 2 つ異なる基板各サイトを含む異なる胸の谷間指定されたターゲット シーケンスの酵素。さらに、96 ウェル プレート適応アッセイ フォーム (図 8) の使用も最適化されている変異のスクリーニングのシステインのプロテアーゼの場合変更された胸の谷間サイト シーケンスによる基板のシリーズ。
The authors have nothing to disclose.
この作品は GINOP-2.3.2-15-2016-00044「PHARMPROT チーミング」プロジェクトによって一部にはサポート、またが融資し、高等教育制度の卓越性プログラム人間容量省ハンガリー、の枠組みの中で、デブレツェン大学のバイオ テクノロジーのテーマ別プログラム。著者らは、研究所のレトロ ウイルス生化学アッセイ開発の間に彼らの科学的な助け、(特に、ノルベルト Kassay、Krisztina Joóné Matúz、バンダ トルディ アッセイを撮影中に彼らの忍耐のメンバーに感謝して、します。人に登場しているビデオの背景)。著者は博士トート Urbányi Beáta Bozóki の生化学および分子生物学客員研究員としての仕事をできるようにするために特に特別なのおかげでジェデオン リヒター Plc 等を言うにも思います。作者がマルチ メディアとデブレツェン大学の E ラーニング テクニカル センターからオーディオとビデオの専門家の支援をトート Király、軸 Pöstényi 軸 Tőgyi ダグラスフィッチ Zsadányi に感謝の意を拡張したいも生産。
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 |