Aqui, apresentamos o procedimento detalhado de uma plataforma de ensaio de protease recentemente desenvolvido utilizando o N-terminal hexahistidine/maltose-proteína e fluorescentes substratos recombinantes da proteína-fundido, anexados à superfície do níquel-nitrilotriacético grânulos de agarose magnético ácido. Também é apresentada uma análise subsequente em-gel das amostras de ensaio separados por eletroforese em gel polyacrylamide do sulfato dodecyl de sódio.
Proteases são enzimas intensivamente estudadas devido à suas funções essenciais em diversos caminhos biológicos dos organismos vivos e na patogênese; Portanto, eles são alvos de drogas importantes. Nós desenvolvemos uma plataforma de ensaio magnético-agarose-grânulo-baseado para a investigação da atividade proteolítica, que é baseada na utilização de substratos de proteínas recombinantes de fusão. Para demonstrar o uso deste sistema de ensaio, um protocolo é apresentado no exemplo do vírus da imunodeficiência humana tipo 1 (HIV-1) de protease. A plataforma de ensaio apresentado pode ser utilizada com eficiência na caracterização bioquímica de proteases, incluindo medições de atividade enzimática em mutagênese, cinética, inibição ou estudos de especificidade, e pode ser apropriado para alta produtividade rastreio de substrato ou pode ser adaptado a outras enzimas proteolíticas.
Neste sistema de ensaio, os substratos aplicados contém maltose-ligação proteína (MBP) marcas e hexahistidine N-terminal (a6), sítios de clivagem para tabaco etch vírus (TEV) e proteases HIV-1 e uma proteína fluorescente do C-terminal. Os substratos podem ser eficientemente produzidos em células de Escherichia coli e facilmente purificada usando – quelato – grânulos revestidos de níquel (Ni). Durante o ensaio, a clivagem proteolítica de substratos do grânulo-anexado leva à liberação de fragmentos de clivagem fluorescente, que pode ser medido por fluorimetria. Além disso, reações de clivagem podem ser analisadas por eletroforese em gel polyacrylamide do sulfato dodecyl de sódio (SDS-PAGE). Um protocolo para a renaturalização em-gel de componentes de ensaio também é descrito, como renaturalização parcial de proteínas fluorescentes permite sua detecção com base no peso molecular e fluorescência.
Enzimas proteolíticas pertencem aos grupos mais intensamente investigado enzima devido a sua importância em vias metabólicas e em aplicações industriais, bem como. Seu papel-chave nas doenças virais, a regulação da coagulação do sangue, câncer e cardiovascular e doenças neurodegenerativas faz proteases alvos proeminentes no campo da descoberta da droga. Portanto, a caracterização detalhada da especificidade de substrato e inibidor de perfilação da protease (PR), de interesse é cruciais e são realizados de preferência por ensaios bioquímicos rápida, eficiente e robusto1,2, 3.
Hoje em dia, a grande maioria dos ensaios in vitro protease aplicado no campo da descoberta de drogas para perfis compostos é homogêneo, fluorescente baseado em peptídeo e elevado-throughput screening (HTS)-plataformas compatíveis4. Além disso, peptídeos etiquetados não são somente apropriados para triagem de biblioteca, mas eles também oferecem ótimas ferramentas para a determinação da enzima parâmetros cinéticos sobre os substratos selecionados. Em outros casos, onde a rotulagem do substrato não é possível, ensaios baseados em separação podem fornecer uma solução possível para avaliar as propriedades cinéticas de reações proteolíticas3.
Geralmente, os ensaios in vitro protease baseiam-se na utilização de dois tipos de substrato: curto peptídeos ou proteínas inteira. Nesses casos, onde a clivagem de sequências peptídicas curtas refletem as propriedades de clivagem suficientemente, são aplicáveis as seguintes abordagens padrão: (i) análise de substratos de proteína padrão tais como insulina oxidado da cadeia B, (ii) teste comercialmente disponíveis substratos de outras proteases, (iii) bibliotecas de peptídeo sintético e fluorescente etiquetadas criadas por química combinatória, ou (iv) de rastreio usando métodos genéticos, por exemplo, biológico exibir tecnologias5, 6. A classificação convencional, além de outras plataformas de romance também estão disponíveis para geração de substrato (por exemplo, a formação do peptídeo derivado de proteome bibliotecas7 ou subtipos especiais de métodos genéticos, como a fusão recombinante substratos à base de proteínas8,9,10,11,.12).
Todos os tipos de substrato acima mencionados e ensaios têm suas próprias vantagens e limitações, e o desenvolvimento de formatos de ensaio combinando e/ou melhorar as vantagens das plataformas conhecidas ainda está em demanda. Aqui descrevemos um protocolo para um ensaio de separação-baseado protease fluorescente, que utiliza substratos recombinantes. Estas proteínas de fusão consistem em seus rótulos MBP fundidos a um local de clivagem de controle do PR do PEV, que é seguido pela sequência substrato de interesse que está directamente ligado a uma proteína fluorescente do C-terminal (FP) (figura 1A) e6 . A clonagem de uma sequência de DNA que codifica para um local de clivagem de interesse dentro da ‘ clonagem’ pode ser executada por uma reação de ligadura único para o plasmídeo de expressão, que tem sido linearizada anteriormente por endonucleases de restrição.
Figura 1: Princípio do ensaio fluorescente protease. Protease (A), a representação esquemática de um substrato fluorescente e sua clivagem pelo vírus da imunodeficiência humana tipo 1 (HIV-1) é mostrado. A seta indica a posição de clivagem dentro da sequência de sítio de clivagem de matriz/capsídeo de protease do HIV-1 (VSQNY * PIVQ). Substratos (B) o fluorescente podem ser usados para analisar reacções enzimáticas por ensaio baseado em grânulo magnético Ni-NTA e por eletroforese em gel de poliacrilamida, bem, como é mostrado no diagrama de fluxo de trabalho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Embora proteolíticas ensaios usando a proteína recombinante semelhante substratos contendo uma tag de afinidade, um local de clivagem proteolítica e um proteína fluorescente-ter já sido descrito8,9,10, o sistema apresentado aqui tem a intenção de integrar e melhorar as vantagens destes métodos. Uma diferença importante é que os substratos de proteína de fusão nesta plataforma de ensaio estão equipados com MBP para aumentar a solubilidade de proteínas13 e conter um local de clivagem de controle para TEV PRs. Além disso, os substratos contêm proteínas fluorescentes de nova geração, que são altamente estáveis e têm uma forma monomérica para prevenir a agregação de substrato. Além do aplicativo publicado anteriormente de mTurquoise2 e mApple-fundido formas14, aqui nós também mostramos resultados dada pelo uso de um substrato recombinante contendo um monomérico reforçada etiqueta fluorescente proteína fluorescente amarela (mEYFP). Pelo presente, podemos demonstrar a compatibilidade do sistema com outras proteínas fluorescentes e representam alguns tipos gerais de resultados que podem ser adquiridos por meio de ensaio o protease.
As proteínas recombinantes de fusão são expressos em células de Escherichia coli BL21(DE3) e são utilizadas como substratos para o ensaio em um ácido nitrilotriacético-níquel (Ni-NTA)-magnético-agarose-grânulo-Unido forma revestida. Os produtos de clivagem do C-terminal são liberados da superfície do grânulo no sobrenadante após clivagem pela protease de interesse. Após a separação do sobrenadante (contendo a enzima e os produtos de clivagem) das esferas magnéticas, a fluorescência pode ser medida para determinar as propriedades de clivagem da enzima. Em contraste com os métodos anteriormente descritos, no sistema apresentado aqui, a quantidade de substrato e produtos de clivagem do C-terminal é excepcionalmente quantificada com base em um procedimento de calibração de substrato detalhadas. O sistema de ensaio pode ser suportado por uma análise de SDS-PAGE das amostras de ensaio; uma visualização de em-gel fluorescente subsequente pode ser aplicada imediatamente após a electroforese ou após a renaturalização em-gel dos nondenatured e desnaturados componentes fluorescentes, respectivamente14.
A flexibilidade e a estrutura da fita’ clonagem’ permitir uma inserção e custo-eficiente tempo de uma grande variedade de sequências para a construção e, assim, promove a geração de bibliotecas de substrato. Uma vez que todas as etapas do ensaio são automação e HTS-compatível, o sistema pode ser especialmente atraente para, por exemplo, medições de especificidade de protease e de mutagénese ou também pode ser efetivamente utilizado para rastreio de inibidor de protease industrial e/ou desenvolvimento de drogas antivirais, também.
Parâmetros de cinética enzimática (kgato, Km) podem ser determinados pelo teste desenvolvido com base em separação; Portanto, pode ser apropriado realizar medições cinética enzimática individuais, tais como os estudos de tempo-curso, dependente do substrato e inibição. Isto prova que os substratos de proteínas recombinantes de fusão fornecem boas alternativas para os substratos de oligopeptídeos sintética frequentemente utilizada, e devido a sua alta similaridade com os substratos poliproteína, eles representam a ocorrência natural interações enzima-substrato com mais precisão.
Devido as investigações industriais e acadêmicas intensivas de enzimas proteolíticas e a constante procura de célere e acessíveis plataformas de ensaio de protease HTS-compatível nesse sentido, temos desenvolvido uma protease fluorescente magnético do grânulo-baseados do ensaio. O ensaio baseia-se na utilização de proteínas recombinantes de fusão que podem ser novas alternativas para os substratos de peptídeo sintético amplamente utilizada.
No formato de ensaio desenvolvidos, os substratos de proteína de fusão são imobilizados nas superfícies dos grânulos de agarose magnética Ni-quelato-revestido. O acessório de substrato é fornecido pelo N-terminal sua marca6 afinidade da proteína de fusão, que é fundida diretamente a um tag MBP para facilitar a dobradura e aumentar a solubilidade em água do substrato13. O MBP é seguido por sítios de clivagem de TEV PR e uma protease de interesse. O primeiro pode servir como um local de clivagem de controle no ensaio, enquanto o último pode ser processado pela protease a ser investigada. O local de clivagem é intercambiável; uma sequência curta dsDNA codificação para o local de clivagem de interesse pode ser inserida dentro do flexível’ clonagem’ do plasmídeo de expressão pela ligadura. As proteínas recombinantes de fusão contêm uma marca altamente estável, monomérica proteína fluorescente no C-terminal, que permite a detecção de ponto de extremidade de enzima-liberado, fluorescentes C-terminal clivagem produtos divulgada mediante clivagem proteolítica ( Figura 1A). Os substratos intactos fluorescentes purificados resolvidos nos buffers diferentes também são usados para calibração para avaliar as concentrações molares de substratos e produtos de clivagem. Além disso, após fluorimetria, os componentes do ensaio podem ser analisados por SDS-PAGE, também. Ambos os nativos (nondenatured) e proteínas desnaturadas fluorescentes podem ser visualizadas no gel, imediatamente após a electroforese ou após subsequente em-gel renaturalização, respectivamente. Este adicional procedimento-em combinação com um convencional azul de Coomassie brilhante coloração-maio ser usada eficientemente para a verificação dos resultados do ensaio (figura 1B).
O procedimento de ensaio consiste em passos simples, fácil-para-executar em um formato de baixo volume que pode ser totalmente adaptado a um ambiente de alta produtividade automático. No entanto, independentemente da realização do ensaio, manualmente ou com um sistema de automação, as seguintes partes do ensaio são consideradas ser crucial e precisam de atenção especial durante a realização do procedimento. i) homogeneidade da solução magnética do grânulo. Uma solução homogênea do grânulo magnético deve ser usada durante todo o ensaio, tanto na purificação e etapas de lavagem. Particularmente, a confiabilidade dos ensaios de protease depende fortemente corretamente alíquotas das soluções estoque conectado à carcaça magnética do grânulo (Claudecir). Para aumentar a eficácia da suspensão e dispersão, recomenda-se definir a concentração do grânulo entre 2% e 10% (v/v). Durante a preparação da amostra, o uso de buffers suplementados com detergente não iônico (tais como o Triton X-100 ou Tween 20) até 2% também pode diminuir a aderência dos grânulos magnéticos para superfícies de plástico. A aderência dos grânulos nas paredes dos frascos de amostra pode ser evitada se as suspensões do grânulo são aplicadas com cuidado para o fundo dos frascos em vez de nas paredes dos tubos de amostra. A homogeneidade dos grânulos magnéticos durante a reação enzimática é também crítica e pode ser assegurada agitando continuamente as amostras a 600 rpm durante a incubação. Grânulos são devidamente dispersos em utensílios de plástico arredondados ou achatados, enquanto não se recomenda o uso de frascos de V-fundo. Um resultado de qualidade inferior causado por homogeneização inadequada do grânulo é representado na Figura 4B. II) término de amostras de reação. Outra vantagem do método é que a reação enzimática pode ser encerrada sem a utilização de tratamento de calor desnaturação ou qualquer de agentes químicos potencialmente interferentes15. A rescisão pode ser realizada simplesmente separando as esferas magnéticas da mistura de reação, usando um concentrador de partícula magnética convencional. Enquanto o amortecedor da reação removido contém a enzima activa e os produtos de clivagem fluorescentes gerados C-terminal, os substratos uncleaved permanecem ligados aos talões. Devido à presença da enzima activa no buffer de reação, o procedimento de separação precisa ser realizada com cuidado para a deteção de confiança do ponto de extremidade. Antes de colocar os frascos de amostra para o concentrador, é aconselhável aplicar uma centrifugação de curta rotação. Depois de colocar os tubos para o concentrador, fornecer pelo menos 15 s para as contas a cobrar. Ligeiro movimento do separador e para trás pode facilitar a recolha dos grânulos. Por favor, considere que, durante uma separação realizada manualmente, a rescisão geralmente leva mais tempo do que o início das reações. Portanto, um atraso de cerca de 2 min registrado recomenda-se, entre as iniciações, se o mesmo tempo de incubação deve ser aplicado para todas as amostras.
O princípio do ensaio descrito proteolítica é relativamente simples; no entanto, a versatilidade do sistema é garantida pela estrutura de substrato flexível e estável. A otimização individual do ensaio pode ser limitada apenas pela compatibilidade dos grânulos afinidade com as condições aplicadas, reagentes e aditivos. De acordo com o protocolo do fabricante, nós também achamos que a ligação de afinidade de substratos para as superfícies de grânulo de Ni-NTA enfraquece substancialmente a pH ≤ 6,515. Portanto, é recomendável aplicar amostras em branco do substrato paralelas para as amostras de reação, e a taxa de dissociação espontânea do substrato precisa ser considerado durante a avaliação dos resultados.
Nesses casos, onde magnética do grânulo-ensaios baseados não podem ser executados devido ao uso de componentes incompatíveis do grânulo ou um baixo pH, em solução de digestão de substratos recombinantes purificados pode igualmente ser aplicado. Nestes casos, as misturas de reação podem ser analisadas por eletroforese, e as proteínas podem ser visualizadas no gel baseado no protocolo descrito. Para investigar a atividade proteolítica, digestão em solução e em gel detecção de proteínas também podem ser ferramentas alternativas de fluorimetria. Uma novidade do sistema projetado substrato é a aplicação de uma etapa de renaturalização de em-gel após desnaturação de SDS-PAGE. Enquanto o nativas proteínas fluorescentes (nondenatured) retêm sua fluorescência durante a electroforese, o Propriedade fluorescente é abolido após desnaturação (Figura 7B). No entanto, a fluorescência de proteínas desnaturadas pode ser parcialmente recuperada pela remoção do gel de SDS. Assim, uma separação dos componentes de reação utilizando condições desnaturação possibilita não só a base de fluorescência mas a identificação molecular baseados em peso. Outra vantagem da detecção fluorescente em-gel em comparação com a análise de um gel manchado de Coomassie é que as proteínas fluorescentes (nativo ou renatured) podem ser facilmente identificadas no gel com base em sua fluorescência (ver Figura 7). Isto pode ser importante se as reações de clivagem são realizadas em amostras contendo contaminantes nonfluorescent ou proteínas altamente, assemelhando-se os pesos moleculares do outro.
Ensaios de protease similarmente usando substratos projetados já foram publicadas anteriormente8,9,10, e embora o local de clivagem de interesse nesses casos também estava localizado entre uma tag de afinidade e um proteína fluorescente, o sistema de ensaio apresentado aqui não apenas repete as ideias descritas mas combina as vantagens diferentes das plataformas anteriores e também conclui-los com novas melhorias: i) a utilização de um parceiro de fusão de MBP, ii) a presença de um local de clivagem do controle do PEV PR, iii) o uso de FPs monomérico recentemente projetado e iv) a aplicação de um procedimento de calibração do substrato original. O ensaio em si foi projetado especialmente para ser útil para a especificidade da enzima e estudos cinéticos de forma segura, tempo e custo-eficiente forma, sem a necessidade de instrumentação cara. O método é destinado a ser uma ferramenta acessível e adequada para ambos os fins de pesquisa acadêmica e industrial. Devido à flexibilidade da fita’ clonagem’ do plasmídeo de expressão, o sistema pode ser adequado para a geração rápida e barata de bibliotecas de substrato recombinante. O ensaio descrito neste documento é uma ferramenta viável para a implementação de especificidade de substrato, mutagênese de enzima, e inibição estudos e, também, fornecer uma ferramenta alternativa para executar cinética enzimática. A plataforma de ensaio (a partir de rompimento da pilha bacteriana para a determinação dos parâmetros cinéticos) pode ser adaptada a um ambiente de HTS e automação baseada e, potencialmente, pode ser aplicada em triagem de inibidor de protease industrial e/ou drogas antivirais desenvolvimento. Além disso, a adaptação do ensaio para proteólise competitiva também é no futuro escopo de nosso laboratório. Em um ensaio tão competitivo, dois diferentes substratos, cada contendo um sítio de clivagem diferente fundido a um diferente C-terminal fluorescente marca-são destinado a ser utilizados simultaneamente na mesma reação de clivagem para investigar a preferência dos estudados enzima para as sequências de determinado destino. Além disso, o uso de um formulário de ensaio adaptado de placa de 96 poços (Figura 8) também está sendo otimizado para rastreio de mutação usando uma série de substratos com sequências de sítio de clivagem modificada em caso de proteases de cisteína.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi parcialmente suportado pelo projeto “Unindo PHARMPROT” GINOP-2.3.2-15-2016-00044 e, também, financiado pelo programa de excelência institucional de ensino superior de Ministério das capacidades humanas na Hungria, no âmbito da Programa temático de biotecnologia da Universidade de Debrecen. Os autores são gratos por membros do laboratório de bioquímica Retroviral pela ajuda durante o desenvolvimento do ensaio científica e também pela sua paciência durante as filmagens do ensaio (especialmente para Norbert Kassay, Krisztina Joóné Matúz e Vanda Toldi, que estão aparecendo no fundo do vídeo). Os autores também queria dizer especial graças a Gedeon Richter Plc., especialmente ao Dr. Zoltán Urbányi para permitir que o trabalho de Beáta Bozóki no departamento de Bioquímica e Biologia Molecular, como pesquisador convidado. Os autores também gostaria de estender sua gratidão ao György Zsadányi, Balázs Tőgyi, Balázs Pöstényi e Zoltán Király do centro técnico de E-learning da Universidade de Debrecen e multimídia para a assistência profissional em áudio e vídeo produção.
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 |