Aquí, presentamos el procedimiento detallado de una plataforma de ensayo de proteasa recientemente desarrollado utilizando N-terminal hexahistidine/maltosa-proteína y sustratos recombinantes fusionado a la proteína fluorescentes Unidos a la superficie de níquel nitrilotriacético perlas de agarosa magnética ácido. Un posterior análisis en gel de las muestras de ensayo separados por electroforesis dodecyl del gel del sulfato-poliacrilamida del sodio también se presenta.
Las proteasas son enzimas estudiadas intensivamente debido a su papel esencial en varias vías biológicas de organismos vivos y en la patogenia; por lo tanto, son objetivos importantes de la droga. Hemos desarrollado una plataforma de ensayo magnético-agarosa-grano-basado para la investigación de la actividad proteolítica, que se basa en el uso de substratos de la proteína de fusión recombinante. Para demostrar el uso de este sistema de ensayo, un protocolo se presenta en el ejemplo de virus de inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1) proteasa. La plataforma de ensayo introducido puede ser utilizada eficientemente en la caracterización bioquímica de las proteasas, incluyendo mediciones de actividad enzimática en mutagénesis, cinética, inhibición o estudios de especificidad, y que puede ser conveniente para alto rendimiento cribado del sustrato o puede ser adaptado a otras enzimas proteolíticas.
En este sistema de ensayo, los sustratos aplicados contienen maltosa vinculante proteínas (MBP) etiquetas y N-terminal hexahistidine (sus6), sitios de la hendidura para el tabaco etch virus (TEV) y las proteasas del VIH-1 y una proteína fluorescente C-terminal. Los sustratos pueden producir eficientemente en células de Escherichia coli y purificaron fácilmente usando granos recubiertos – quelato – níquel (Ni). Durante el ensayo, el clivaje proteolítico de sustratos de grano Unido conduce a la liberación de fragmentos fluorescentes escote, que puede ser medida por fluorimetría. Además, las reacciones de la hendidura pueden ser analizadas por electroforesis del gel de la sulfato-poliacrilamida de sodio dodecyl (SDS-PAGE). También se describe un protocolo para la renaturalización en gel de los componentes del ensayo, como parcial renaturalización de proteínas fluorescentes permite su detección basado en peso molecular y de la fluorescencia.
Las enzimas proteolíticas pertenecen a los grupos más intensivamente investigados enzima debido a su importancia en las vías metabólicas y en aplicaciones industriales, así como. Su papel clave en enfermedades virales, la regulación de la coagulación, cáncer y cardiovasculares y enfermedades neurodegenerativas proteasas objetivos prominentes en el campo del descubrimiento de fármacos. Por lo tanto, la caracterización detallada de la especificidad de sustrato y perfiles de inhibidor de la proteasa (PR) de interés es fundamentales y se realizan preferiblemente por ensayos bioquímicos rápidos, costo-eficiente y robusto1,2, 3.
Hoy en día, la gran mayoría de proteasa in vitro ensayos en el campo del descubrimiento de fármacos para perfiles compuestos son homogéneo, fluorescente basados en péptidos y alto rendimiento screening (HTS)-plataformas compatibles4. Por otra parte, péptidos marcados no sólo son adecuados para la investigación de la biblioteca, pero también ofrecen excelentes herramientas para la determinación de la enzima parámetros cinéticos en los substratos seleccionados. En otros casos, donde no es posible etiquetado del sustrato, ensayos de separación pueden proporcionar una solución posible para evaluar las propiedades cinéticas de las reacciones proteolíticas3.
Generalmente, los ensayos in vitro de la proteasa se basan en el uso de dos tipos de sustrato: corta péptidos o proteínas enteras. En esos casos, donde la ruptura de secuencias peptídicas cortas reflejan las propiedades de escote suficientemente, son aplicables los métodos estándar siguientes: (i) examen de sustratos estándar de proteína como la insulina oxidada cadena B, (ii) pruebas sustratos disponibles en el mercado de otras proteasas, (iii) bibliotecas de péptidos sintéticos y fluorescencia etiquetada creadas por química combinatoria, o (iv) de detección mediante métodos genéticos, por ejemplo, biológico Mostrar tecnologías5, 6. Además de la clasificación convencional, otras novedosas plataformas están también disponibles para la generación de sustrato (por ejemplo, la formación de péptidos derivados del proteoma bibliotecas7 o subtipos especiales de métodos genéticos, como la fusión recombinante sustratos a base de proteína8,9,10,11,12).
Todos los análisis y tipos de sustrato antes mencionados tienen sus propias ventajas y limitaciones, y el desarrollo de formatos de ensayo combina y mejora las ventajas de las plataformas conocidas todavía está en demanda. Aquí se describe un protocolo para un ensayo fluorescente basado en la separación de la proteasa, que utiliza sustratos recombinantes. Estas proteínas de fusión consisten en su6 y etiquetas MBP fusionados a un sitio de la hendidura del control de la TEV, que es seguido por la secuencia de sustrato de interés que está conectado directamente a una proteína fluorescente C-terminal (FP) (figura 1A). La clonación de una secuencia de ADN que codifica para un sitio de la hendidura de interés dentro del cartucho de’ clonación’ puede ser realizada por una reacción de la ligadura sola en el plásmido de expresión, que ha sido linealizado previamente por endonucleasas de restricción.
Figura 1: Principio de la prueba de la proteasa fluorescente. Proteasa (A) la representación esquemática de un sustrato fluorescente y su escote por el virus de inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1) se muestra. La flecha indica la posición de la hendidura dentro de la secuencia de sitio de clivaje de matriz/cápside de proteasa VIH-1 (VSQNY * PIVQ). (B) los fluorescentes substratos pueden utilizarse para analizar reacciones enzimáticas por el ensayo basado en grano magnético de Ni-NTA y por electroforesis en gel de poliacrilamida, así, como se muestra en el diagrama de flujo de trabajo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Aunque proteolíticos ensayos utilizando la proteína recombinante similar sustratos que contienen una etiqueta de afinidad, un sitio de clivaje proteolítico y un proteína fluorescente-tener ya se han descrito8,9,10, el sistema presentado aquí tiene la intención de integrar y mejorar las ventajas de estos métodos. Una diferencia importante es que los sustratos de la proteína de fusión en esta plataforma de análisis están equipados con MBP para mejorar la solubilidad de proteína13 y contienen un sitio de la hendidura de control para TEV PRs. Por otra parte, los sustratos contienen proteínas fluorescentes de nueva generación, que son muy estables y tienen una forma monomérica para prevenir la agregación de sustrato. Además de la aplicación previamente publicada de formas mTurquoise2 y arce-fusionados con14, aquí también mostramos resultados obtenidos con el uso de un sustrato recombinante que contiene un monómero mejorado etiqueta fluorescente de la proteína amarilla fluorescente (mEYFP). Por este medio nos demuestran la compatibilidad del sistema con otras proteínas fluorescentes y representan algunos tipos generales de resultados que pueden ser adquiridos por el ensayo de la proteasa.
Las proteínas de fusión recombinantes se expresan en células de e. coli BL21(DE3) y se utilizan como substratos para el ensayo en un ácido nitrilotriacético níquel (Ni-NTA)-cubierto de forma magnética agarosa-grano-conexión. Los productos de hendidura terminal C se liberan de la superficie del grano en el sobrenadante con escote por la proteasa de interés. Después de la separación del sobrenadante (que contiene la enzima y los productos de la hendidura) de las bolas magnéticas, la fluorescencia puede ser medida para determinar las propiedades de la hendidura de la enzima. En contraste con los métodos anteriormente descritos, en el sistema presentado aquí, las cantidades de sustrato y productos de hendidura terminal C son únicamente cuantificó basado en un procedimiento de calibración detallada del sustrato. El sistema de ensayo puede ser apoyado por un análisis de SDS-PAGE de las muestras de ensayo; una posterior visualización fluorescente de en gel puede ser aplicada inmediatamente después de la electroforesis o después de la renaturalización en gel de los componentes fluorescentes nondenatured y desnaturalizados, respectivamente14.
La flexibilidad y la estructura de la cinta’ clonación’ permite una inserción y costo-eficiente de una gran variedad de secuencias en la construcción y, por lo tanto, promueve la generación de bibliotecas de sustrato. Puesto que todos los pasos de análisis son automatización y HTS-compatible, el sistema puede ser especialmente atractivo para, por ejemplo, proteasa especificidad mediciones y estudios de mutagénesis o se puede también utilizar eficazmente para la detección de inhibidor de la proteasa industrial o desarrollo de drogas antivirales.
Parámetros cinéticos de la enzima (kcat, Km) pueden ser determinados por el análisis desarrollado basado en la separación; por lo tanto, puede ser conveniente llevar a cabo medidas cinéticas de la enzima individuales, tales como los estudios del curso del tiempo, dependiente del sustrato y la inhibición. Esto demuestra que los substratos de la proteína de fusión recombinante ofrecen buenas alternativas para los sustratos de oligopéptido sintético utilizado con frecuencia, y debido a su alta similitud a los sustratos de la poliproteína, que representan la natural las interacciones enzima-sustrato con mayor precisión.
Debido a las investigaciones industriales y académicas intensivas de enzimas proteolíticas y la constante demanda de plataformas de ensayo de proteasa de HTS-compatible de rápida y asequible en consecuencia, hemos desarrollado una proteasa fluorescente basado en grano magnético ensayo. El ensayo se basa en el uso de proteínas de fusión recombinantes que pueden ser nuevas alternativas a los sustratos ampliamente utilizado péptidos sintéticos.
En el formato de ensayo desarrollado, los substratos de la proteína de fusión se inmovilizan a las superficies de agarosa magnético recubierto de quelato Ni granos. La fijación del sustrato es proporcionada por la N-terminal su etiqueta de afinidad6 de la proteína de fusión, que está unida directamente a una etiqueta MBP para facilitar el plegado y mejorar la solubilidad en agua del sustrato13. La MBP es seguido por el escote de TEV PR y una proteasa de interés. El primero puede servir como un sitio de la hendidura de control en el ensayo, mientras que estos últimos pueden ser procesados por la proteasa para ser investigado. El sitio de la hendidura es intercambiable; una codificación de secuencia corta dsDNA en el sitio de clivaje de interés puede insertarse en el ‘clonación casete flexible’ del plásmido de expresión por la ligadura. Las proteínas de fusión recombinantes contienen una etiqueta altamente estable, monomérico proteína fluorescente en la terminal C, que permite la detección del punto final de las enzima liberada, fluorescentes C-terminal escote productos lanzados sobre clivaje proteolítico ( Figura 1A). Los sustratos intactos fluorescentes purificados en buffers diferentes también se utilizan para la calibración para evaluar las concentraciones molares de sustratos y productos de escote. Además, después de la fluorimetría, los componentes del ensayo pueden ser analizados por SDS-PAGE, también. Ambos nativos (nondenatured) y desnaturalizadas proteínas fluorescentes se pueden visualizar en el gel, inmediatamente después de la electroforesis o posterior renaturalización en gel, respectivamente. Este adicional procedimiento en combinación con un convencional azul brillante de Coomassie de tinción puede ser utilizado eficientemente para la verificación de los resultados del ensayo (figura 1B).
El procedimiento del ensayo consiste en pasos simples y fáciles de ejecutar en un formato de bajo volumen que puede ser totalmente adaptado a un entorno automático de alto rendimiento. Sin embargo, independientemente de la realización del análisis ya sea manualmente o con un sistema de automatización, las siguientes partes del ensayo se consideran crucial y necesitan una atención especial al realizar el procedimiento. i) homogeneidad de la solución grano magnético. Una solución homogénea de grano magnético debe utilizarse durante todo el ensayo, tanto en la purificación y pasos de lavado. Particularmente, la fiabilidad de los ensayos de proteasa depende en tomar correctamente las soluciones stock de grano magnético sustrato Unido (SAMB). Con el fin de aumentar la eficacia de la suspensión y dispersión, se recomienda establecer la concentración de grano entre 2% y 10% (v/v). Durante la preparación de la muestra, el uso de buffers complementados con detergente no iónico (como Tritón X-100 o Tween 20) hasta el 2% también puede disminuir la adherencia de las bolas magnéticas a las superficies de plástico. La adherencia de los granos a las paredes de las cubetas puede evitarse si las suspensiones de grano se aplican cuidadosamente a la parte inferior de los frascos en lugar de en las paredes de los tubos de muestra. La homogeneidad de las bolas magnéticas durante la reacción enzimática también es crítica y puede garantizarse agitando continuamente las muestras a 600 rpm durante la incubación. Granos correctamente se dispersan en mercancías plásticas redondeadas o fondo plano, aunque no se recomienda el uso de viales V-fondo. Un resultado subóptimo causado por la homogeneización inadecuada del grano está representado en la Figura 4B. II) terminación de las muestras de la reacción. Otra ventaja del método es que la reacción enzimática puede ser terminada sin el uso de tratamiento de la desnaturalización de calor o cualquier potencialmente interferentes químicos15. La terminación puede realizarse simplemente separando las bolas magnéticas de la mezcla de reacción, utilizando un concentrador de partículas magnéticas convencionales. Mientras que el buffer de reacción quitado contiene la enzima activa y los productos generados de escote fluorescente C-terminal, los sustratos uncleaved permanecen adheridos a los granos. Debido a la presencia de la enzima activa en el buffer de reacción, el procedimiento de separación debe realizarse cuidadosamente para la detección del punto final confiable. Antes de colocar los frascos de muestra en el concentrador, se recomienda aplicar un centrifugado Centrifugado corto. Después de colocar los tubos en el concentrador, proporcionar por lo menos 15 s para los granos a recogerse. Leve movimiento de atrás y el separador puede facilitar la recolección de los granos. Por favor tener en cuenta que, durante una separación realizada manualmente, la terminación generalmente toma más tiempo que la iniciación de las reacciones. Por lo tanto, un retraso de minutos registrados aproximadamente 2 se recomienda entre las iniciaciones si al mismo tiempo de incubación debe ser aplicado a todas las muestras.
El principio del ensayo descrito proteolítico es relativamente simple; sin embargo, la versatilidad del sistema está garantizada por la estructura del sustrato flexible y estable. La optimización individual del ensayo puede ser limitada sólo por la compatibilidad de los granos de afinidad con las condiciones aplicadas, reactivos y aditivos. De acuerdo con el protocolo del fabricante, también se encontró que la afinidad de unión de los sustratos a las superficies de grano Ni-NTA sustancialmente debilita a pH ≤ 6.515. Por lo tanto, se recomienda aplicar las muestras en blanco de sustrato paralelas a las muestras de reacción y la tasa de disociación espontánea sustrato debe considerarse durante la evaluación de resultados.
En esos casos, donde no se puede realizar ensayos magnéticos del grano debido a la utilización de componentes de grano-incompatible o un pH bajo, puede aplicarse también en la solución digestión de los sustratos recombinantes purificadas. En estos casos, las mezclas de reacción pueden ser analizadas por electroforesis y se pueden visualizar las proteínas en el gel basado en el protocolo descrito. Para investigar actividad proteolítica, digestión en solución y en gel-detección de las proteínas también pueden ser herramientas alternativas de fluorimetría. Como novedad, el sistema de sustrato diseñado es la aplicación de un paso de renaturalización en gel después de desnaturalizantes SDS-PAGE. Mientras que las proteínas nativas de fluorescentes (nondenatured) su fluorescencia durante la electroforesis, se suprime la propiedad fluorescente sobre desnaturalización (figura 7B). Sin embargo, la fluorescencia de proteínas desnaturalizadas puede recuperarse parcialmente por la eliminación de la SDS del gel. Así, una separación de componentes de la reacción usando condiciones de desnaturalización permite no sólo basada en la fluorescencia pero la identificación molecular basada en el peso. Otra ventaja de la detección en gel fluorescente en comparación con el análisis de un gel teñido de Coomassie es que las proteínas fluorescentes (nativo o renatured) pueden ser fácilmente identificadas en el gel basado en su fluorescencia (ver figura 7). Esto puede ser importante si se realizan reacciones de escote en las muestras que contienen contaminantes nonfluorescent o proteínas muy parecidas a los pesos moleculares de cada uno.
Proteasa ensayos utilizando semejantemente diseñados sustratos ya han sido publicados con anterioridad8,9,10, y aunque el sitio de la hendidura de interés en esos casos también se encuentra entre una etiqueta de afinidad y un proteína fluorescente, el sistema de análisis presentado aquí no sólo repite las ideas descritas pero combina las distintas ventajas de las plataformas anteriores y también se completa con otras mejoras: i) la utilización de un socio de fusión MBP, ii) el presencia de un sitio de la hendidura de TEV PR control, iii) el uso de la nueva ingeniería FPs monomérica y iv) la aplicación de un procedimiento de calibración de sustrato único. El ensayo sí mismo fue diseñado especialmente para ser útil para la especificidad de la enzima y estudios cinéticos en un lugar seguro, forma y costo-eficiente, sin necesidad de instrumental costoso. El método pretende ser una herramienta conveniente y asequible para ambos propósitos de investigación académica e industrial. Debido a la flexibilidad de la cassette de clonación del plásmido de expresión, el sistema puede ser adecuado para la generación rápida y barata de bibliotecas sustrato recombinante. El ensayo descrito en el presente documento es una herramienta factible para la aplicación de la especificidad de sustrato, mutagénesis de la enzima, y la inhibición de estudios y, también, proporcionar una herramienta alternativa para realizar la cinética de la enzima. La plataforma de ensayo (de la interrupción de la célula bacteriana a la determinación de los parámetros cinéticos) puede ser adaptada a un entorno basado en HTS y automatización y, potencialmente, puede aplicarse en la detección de inhibidor de la proteasa industrial o antivirales desarrollo. Además, la adaptación del ensayo de proteólisis competitivo es también en el futuro alcance de nuestro laboratorio. En un ensayo competitivo dos diferentes sustratos, cada uno que contiene un sitio de la hendidura diferentes fundido a un diferente terminal C fluorescente etiqueta-están destinado a ser utilizados simultáneamente en la misma reacción de hendidura para investigar la preferencia de los estudiados enzima para las secuencias de dada. Además, el uso de una forma de análisis adaptado de placa de 96 pocillos (figura 8) también está siendo optimizado para investigación de la mutación usando una serie de sustratos con secuencias del sitio de escote modificado en el caso de las proteasas de cisteína.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado en parte por el proyecto de “Equipo PHARMPROT” GINOP-2.3.2-15-2016-00044 y, también, financiado por el programa de excelencia institucional de educación superior del Ministerio de capacidades humanas en Hungría, en el marco de la Programa temático de biotecnología de la Universidad de Debrecen. Los autores agradecemos a los miembros del laboratorio de bioquímica Retroviral por su ayuda científica durante el desarrollo del ensayo y también por su paciencia durante el ensayo (especialmente a Norbert Kassay, Krisztina Joóné Matúz y Vanda Toldi, la película que aparecen en el fondo del vídeo). Los autores también desean decir especial gracias a Gedeon Richter Plc., especialmente al Dr. Zoltán Urbányi para permitir el trabajo de Beáta Bozóki en el Departamento de Bioquímica y Biología Molecular como investigador invitado. Los autores también desean extender su agradecimiento a György Zsadányi, Balázs Tőgyi, Balázs Pöstényi y Zoltán Király de la Multimedia y el centro técnico de E-learning de la Universidad de Debrecen la asistencia profesional en audio y video producción.
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 |