Descrevemos protocolos para a determinação da estrutura do domínio ikk-obrigatório da NEMO por cristalografia de raios-X. Os métodos incluem expressão de proteína, purificação e caracterização, bem como estratégias para otimização de cristal bem-sucedida e determinação da estrutura da proteína em sua forma desvinculada.
Nemo é uma proteína de andaimes que desempenha um papel essencial na via NF-κB através da montagem do complexo IKK com as kinases IKKα e IKKβ. Após a ativação, o complexo ikk fosforiatos as moléculas IκB levando a NF-κB translocação nuclear e ativação de genes-alvo. A inibição da interação NEMO/IKK é um paradigma terapêutico atraente para a modulação da atividade da via NF-κB, tornando a NEMO um alvo para o design e descoberta de inibidores. Para facilitar o processo de descoberta e otimização de inibidores nemo, projetamos uma construção melhorada do domínio ikk-binding da NEMO que permitiria a determinação da estrutura da proteína na forma de apo e, embora vinculado a pequenos inibidores de peso molecular. Aqui, apresentamos a estratégia utilizada para a concepção, expressão e caracterização estrutural do domínio ikk-binding da NEMO. A proteína é expressa em células De. coli, solubilizada em condições de desnajantes e purificada através de três etapas cromatográficas. Discutimos os protocolos de obtenção de cristais para determinação da estrutura e descrevemos estratégias de aquisição e análise de dados. Os protocolos encontrarão ampla aplicabilidade à determinação da estrutura de complexos de NEMO e inibidores de pequenas moléculas.
A via NF-κB é ativada em resposta a uma variedade de estímulos, incluindo citocinas, produtos microbianos e estresse, para regular a expressão de genes-alvo responsáveis pela resposta inflamatória e imune, morte celular ou sobrevivência e proliferação1. Patologias, incluindo doenças inflamatórias e autoimunes e câncer2,3,4,5 foramcorrelacionadas à hiperativação da via, o que tornou a modulação da atividade NF-κB um alvo principal para o desenvolvimento de novas terapias6,7.
A via canônica NF-κB, em particular, distingue-se da via não canônica, responsável pela linfogenênese e ativação de células B, pela dependência do primeiro da proteína de andaimes NEMO (modulador essencial NF-κB8)para a montagem do complexo IKK com as quinases IKKα e IKKβ. O complexo do IKK é responsável pela fosforilação de IκBα (inibidor da κB) que o visa para degradação, liberando os dimers NF-κB para translocar para o núcleo para transcrição gênica1 e, portanto, é um alvo atraente para o desenvolvimento de inibidores para modular a atividade NF-κB.
Nossa pesquisa se concentra na caracterização da interação proteína-proteína entre NEMO e IKKβ, visando NEMO para o desenvolvimento de inibidores de pequenas moléculas da formação complexa do IKK. O domínio de ligação mínimo do NEMO, necessário para ligar IKKβ, abrange resíduos 44-111, e sua estrutura foi determinada em complexo com um peptídeo correspondente à seqüência IKKβ 701-7459. NEMO e IKKβ formam um pacote de quatro hélices onde o dimer NEMO acomoda os dois helices de IKKβ (701-745) em um sulco aberto alongado com uma interface de interação estendida. IKKβ (734-742), também conhecido como domínio nemo-obrigatório (NBD), define o ponto quente mais importante para a ligação, onde os dois triptofanos essenciais (739.741) enterrar profundamente dentro do bolso NEMO. Os detalhes da estrutura complexa podem auxiliar no projeto e otimização baseados na estrutura de inibidores de pequenas moléculas visando nemo. Ao mesmo tempo, é difícil que a ligação de uma pequena molécula ou peptídeo recriaria em NEMO a mudança conformal completa (ou seja, a abertura extensiva do dimer de bobina enrolada nemo) causada pela ligação do longo IKKβ (701-745), como observado no cristal, e a estrutura de NEMO ou NEMO desvinculado saqueada pode representar um alvo melhor para o projeto e inibição de drogas baseados em estrutura.
Nemo de comprimento total e construções de truncação menores que abrangem o domínio ikk-binding provaram intratável para a determinação da estrutura na forma desvinculada através de cristalografia de raios-X e ressonância magnética nuclear (RMN) métodos10, o que nos levou a projetar uma versão melhorada do domínio ikk-binding de NEMO. De fato, nemo (44-111) na forma desvinculada é apenas parcialmente dobrado e sofre troca conformaçãol e, portanto, definido para estabilizar a sua estrutura dimérica, bobina enrolada e estabilidade, preservando a afinidade vinculativa para IKKβ. Ao anexar três heptads de sequências de bobina enroladas dimeric e11 ideais no N-and C-termini da proteína, e uma série de mutações de quatro pontos, geramos NEMO-EEAA, uma construção totalmente fraca e dobrada em uma bobina enrolada, que resgatou aafinidade de ligação iKK à faixa de namolanor, como observado para nemo12de comprimento completo . Como vantagem adicional, esperávamos que os adaptadores de bobina enroladas (com base na sequência GCN4) facilitassem a cristalização e, eventualmente, ajudassem na determinação da estrutura de raios-X através da substituição molecular. Adaptadores de bobina enrolada têm sido utilizados da mesma forma para aumentar a estabilidade, melhorar o comportamento da solução e facilitar a cristalização de bobinas enroladas e fragmentos de anticorpos13,14. Nemo-EEAA é facilmente expresso e purificado a partir de células Escherichia. coli com uma tag Histidine cleavable, é solúvel, dobrado em uma bobina enrolada dimérica e estável e é facilmente cristalizada, com difração de 1,9 Å. A presença das regiões ordenadas de bobina enrolada de GCN4 poderia, adicionalmente, ajudar na eliminação dos dados dos cristais da NEMO-EEAA por substituição molecular usando a estrutura conhecida do GCN415.
Dado os resultados obtidos com apo-NEMO-EEAA, acreditamos que os protocolos aqui descritos também podem ser aplicados à cristalização da NEMO-EEAA na presença de pequenos peptídeos (como o peptídeo NBD) ou inibidores de pequenas moléculas, com o objetivo de compreender os requisitos para a inibição nemo e otimização baseada em estrutura de inibidores de chumbo iniciais para alta afinidade. Dada a plasticidade e a natureza dinâmica de muitos domínios de bobina enrolada16,o uso dos adaptadores de bobina enrolada poderia encontrar aplicabilidade mais geral para ajudar a determinação estrutural.
As tentativas de cristalização do NEMO na forma desvinculada não tiveram sucesso, incluindo tentativas de utilização da proteína de corpo inteiro e várias construções de truncation que abrangem o domínio de ligação ao IKK. Nossa caracterização biofísica do domínio ikk-obrigatório de NEMO (resíduos 44-111) por dicroismo circular, espectroscopia NMR e anisotropia de fluorescência indicou que a construção, embora capaz de ligar IKKβ, existia em um estado de troca conformaçãoal, não é adequado para …
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos ao Prof. D. Madden por muitas discussões úteis ao longo deste projeto. Agradecemos ao Prof. D. Bolon pelo dom do plasmídeo contendo a bobina enrolada GCN4 otimizada. Agradecemos ao Dr. B. Guo por plasmids NEMO. Agradecemos christina R. Arnoldy, Tamar Basiashvili e Amy E. Kennedy para demonstrar o procedimento. Agradecemos ao BioMT Crystallography Core Facility e aos departamentos de Química e Biologia Celular em Dartmouth pelo uso do equipamento de cristalografia e do pessoal da BioMT por seu apoio. Esta pesquisa usou a linha de luz AMX do National Synchrotron Light Source II, um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility operado para o Escritório de Ciência do DOE pelo Laboratório Nacional de Brookhaven o Contrato Nº. DE-SC0012704. Agradecemos ao pessoal da NSLS II pelo seu apoio. Este trabalho foi financiado pelo NIH concede R03AR066130, R01GM133844, R35GM128663 e P20GM113132, e uma subvenção Munck-Pfefferkorn Novel and Interactive.
20% w/v γ-PGA (Na+ form, LM) | Molecular Dimensions | MD2-100-150 | For fine screen crystallization of NEMO-EEAA |
3.5 kDa MWCO Dialysis Membrane | Spectra/Por | 132724 | For dialysis removal of imidazole |
Amicon Stirred Cell | Millipose Sigma | UFSC 05001 | For protein concentration |
Ammonium Chloride | Millipore Sigma | G8270 | For minimal media labeling |
Benzonase Nuclease | Millipore Sigma | 9025-65-4 | For digestion of nucleic acid |
BL21-CodonPlus (DE3)-RIL Competent Cells | Agilent Technologies | Model: 230245 | TEV expression |
CryoPro | Hampton Research | HR2-073 | Cryo-protectants kit |
D-Glucose (Dextrose) | Millipore Sigma | A9434 | For minimal media labeling |
Difco Terrific Broth | ThermoFisher | DF043817 | For culture growth |
Dithiothreitol > 99% | Goldbio | DTT25 | For reduction of disulfides |
E. coli: Rosetta 2 (DE3) | Novagen | 71400-3 | Expression of unlabeled NEMO-EEAA |
FORMULATOR | Formulatrix | Liquid handler/ screen builder | |
HCl – 1.0 M Solution | Hampton Research | HR2-581 | For fine screen crystallization of NEMO-EEAA |
HiLoad 16/600 Superdex 75 pg | GE Healthcare | 28989333 | For size exclusion purification |
HisTrap HP 5 mL column | GE Healthcare | 17524802 | For purification of His-tagged NEMO-EEAA |
HT 96 MIDAS | Molecular Dimensions | MD1-59 | For sparse matrix screening of NEMO-EEAA |
HT 96 Morpheous | Molecular Dimensions | MD1-46 | For sparse matrix screening of NEMO-EEAA |
Imidazole | ThermoFisher | 288-32-4 | For elution from His-trap column |
Isopropyl-beta-D-thiogalactoside | Goldbio | I2481C5 | For induction of cultures |
MRC2 crystallization plate | Hampton Research | HR3-083 | Crystallization plate |
NT8 – Drop Setter | Formulatrix | Crystallization | |
pET-16b | Millipore Sigma | 69662 | For cloning of NEMO-EEAA |
pET-45b | Millipore Sigma | 71327 | For cloning of NEMO-EEAA |
Phenylmethylsulfonyl fluoride | ThermoFisher | 36978 | For inhibition of proteases |
Polycarbonate Bottle for use in Ultracentrifuge Rotor Type 45 Ti | Beckmann Coulter | 339160 | Ultracentrifuge bottle |
Polyethylene Glycol 20,000 | Hampton Research | HR2-609 | For fine screen crystallization of NEMO-EEAA |
pRK793 (TEV) | Addgene | Plasmid 8827 | For TEV production |
QuikChange XL II | Agilent Technologies | 200522 | Site directed mutagenesis |
Required Cap Assembly: | Beckmann Coulter | 355623 | Ultracenttrifuge bottle cap |
ROCK IMAGER | Formulatrix | Crystallization Imager | |
Seed Bead Kit | Hampton Research | HR2-320 | Seed generation |
Sodium Chloride ≥ 99% | Millipore Sigma | S9888 | For buffering of purification solutions |
TCEP (Tris (2-Carboxyethyl) phosphine Hydrochloride) | Goldbio | TCEP1 | Reducing agent |
The Berkeley Screen | Rigaku | MD15-Berekely | For sparse matrix screening of NEMO-EEAA |
The PGA Screen | Molecular Dimensions | MD1-50 | For fine screen crystallization of NEMO-EEAA |
Tris – 1.0 M Solution | Hampton Research | HR2-589 | For fine screen crystallization of NEMO-EEAA |
Ultrapure Tris Buffer (powder format) | Thermofisher | 15504020 | For buffering of purification solutions |
Urea | ThermoFisher | 29700 | For denaturation of NEMO-EEAA |