予め形成されたナノディスクへの膜タンパク質の共翻訳挿入

膜タンパク質(MP)は、水性環境に不溶であるため、タンパク質生産研究において困難な標的です。従来のMP生産プラットフォームは、 大腸菌、酵母、真核細胞などの細胞ベースのシステムで構成されています。合成された組換えMPは、細胞膜から抽出されるか、封^入体1からリフォールディングされます。界面活性剤の可溶化後、MPは、確立されたin vitro再構成プロトコルによって適切な膜環境に移すことができます。小胞およびリポソームに加えて、MPはナノディスク² またはサリプロ³ 粒子の形態の平面膜に再構成され、最近では日常的な技術となっている。ただし、これらの戦略はすべて、MPとの界面活性剤の接触を意味し、不安定化、オリゴマーの解離、さらにはタンパク質の構造と活性の喪失を引き起こす可能性があります⁴。したがって、最適な洗剤の可溶化および再構成条件のスクリーニングは、面倒で時間がかかる場合があります⁵。

無細胞(CF)系の開放性により、発現反応は、定義された脂質組成を有する予め形成された膜で直接供給される。この脂質ベースの発現モード(L-CF)では、合成されたMPは、提供された二重層^6,7に共翻訳的に挿入する機会を有する(図1)。平面脂質二重層^{ディスク8}を取り囲む膜足場タンパク質(MSP)からなるナノディスクは、この戦略に特に適していると思われる^9、10。ナノディスクは、さまざまな脂質を使用してin vitroで日常的に組み立てることができ、非常に安定しており、ストックは最大1 mMまで濃縮できます。しかしながら、大腸菌におけるMSP発現およびその精製は必要である。代替戦略として、MSPは、リポソーム^11、12、13と共に供給されるCF反応において標的MPと共に共発現され得る。MSPとMPの両方のDNAテンプレートが反応に添加され、発現時にMP/ナノディスクが形成されます。MSP産生は回避されますが、共発現戦略では最終的なDNAテンプレート濃度の慎重な微調整が必要であり、サンプル産生効率のより高い変動が予想されます。

予め形成されたナノディスクの膜へのMPの共翻訳挿入は、トランスロコン機構およびシグナル配列から独立した非生理学的でまだほとんど知られていないメカニズムである^13,14,15,16。挿入効率の主な決定要因は、膜タンパク質の種類と提供された膜の脂質組成であり、負に帯電した脂質が頻繁に好まれます^15,17。ナノディスク膜はサイズが比較的限られているため、MP挿入時にかなりの量の脂質が放出されます¹⁸。ナノディスクサイズの変動は、より高いオリゴマーMP複合体の挿入および調整を可能にする^15,18。とりわけ、ホモオリゴマー複合体の正しい集合は、イオンチャネルKcsA、イオンポンププロテオロドプシン(PR)、および多剤トランスポーターEmrE^15,18について示されました。MPは、対称ナノディスク膜に両側から比較的等しい周波数で入る可能性があります。したがって、1つのナノディスクに挿入された異なるモノマーまたはオリゴマーは、反対の配向を有する可能性があることを考慮する必要があります。しかし、配向の偏りは、PR六量体およびKcsA四量体の形成について報告されているように、協同的な挿入機構によって引き起こされる可能性があります¹⁸。MP配向のさらなるバイアスは、おそらくナノディスク膜の縁に挿入されたMPの配向スイッチに起因する可能性があります。

大腸菌株からのCFライセートの製造は、信頼できるルーチン技術であり、ほぼすべての生化学実験室で実施することができる^19,20。ジスルフィド架橋形成に加えて、MPが大腸菌溶解物を用いて合成される場合、他のほとんどの翻訳後修飾は存在しないと考えられるべきである。これにより、構造研究のためにより均質なサンプルが生成される可能性がありますが、個々のMPターゲットの機能に対する潜在的な影響を排除する必要がある場合があります。しかし、大腸菌CFライセート中のGタンパク質共役受容体(GPCR)14,21,22、真核生物トランス^{ポーター23}、または大型ヘテロマーアセンブリ²⁴の高品質サンプルを効率的に生産することは、複雑な標的にも適していることを示しています。サンプルの分取スケール量(≈ 1 mg/mL)は、反応混合物(RM)と供給混合物(FM)コンパートメントで構成される2コンパートメント連続交換セルフリー(CECF)構成で得ることができます。FM体積はRM体積を15〜20倍超え、低分子量エネルギー化合物および前駆体¹⁹のリザーバを提供する。したがって、発現反応は数時間延長され、MPターゲットの最終収率が増加します。RMコンパートメントとFMコンパートメントは、10〜14 kDaのカットオフを備えた透析膜によって分離されています。2つのコンパートメントには、CECF反応容器の特別な設計が必要です(図1)。FMを保持するテーラードプレキシガラス容器と組み合わせたRM容器としての市販の透析カセットが好適な例である。MP収量は、RM:FM比を変更するか、一定期間のインキュベーション後にFMを交換することによってさらに操作できます。

MPの収率と品質には、反応パラメータの徹底的な最適化が求められることがよくあります。CF発現の重要な利点は、MPの個々の要件に応じてほぼすべての化合物を修正および微調整できることです。簡単な戦略は、最初に基本的な生産プロトコルを確立してMPの歩留まりを向上させることに焦点を当て、次に反応と折り畳み条件を微調整することによってMPの品質を最適化することです。CFライセートに生理学的プロセスがなく、複雑さが軽減されているため、^MP25の効率的な生産の成功率が高くなっています。DNAテンプレートの設計および^Mg2+イオン濃度の最適化に関する日常的な考慮事項は、ほとんどの場合、満足のいく収率を得るのに十分である²⁶。発現モードによっては、より多様なパラメータをスクリーニングする必要があるため、MP品質の最適化に時間がかかる場合があります¹⁴、^17、22。

記載されたCF発現プラットフォームを確立するには、 大腸菌 CFライセート(i)、T7 RNAポリメラーゼ(ii)、ナノディスク(iii)、および塩基性CECF反応化合物(iv)の生産にプロトコルが必要です(図1)。 大腸菌 K12株A19²⁷ またはBL21誘導体は、効率的なS30(30,000 x gでの遠心分離)溶解物の調製に頻繁に使用されます。S30溶解物に加えて、他の g力で遠心分離された対応する溶解物(例えばS12)が使用され得る。ライセートは、発現効率とプロテオームの複雑さが異なります。記載されたプロトコルによって調製されたS30ライセートのプロテオームは、詳細に研究されている²⁸。S30プロテオームには、イオンチャネルの発現および分析時にバックグラウンドの問題を引き起こす可能性のある残留外膜タンパク質がまだ含まれています。このようなターゲットには、S80-S100ライセートの使用が推奨されます。ライセート調製中の貴重な変更は、細胞の対数増殖期半ばでの熱ショックとエタノール供給の組み合わせによるSOS応答の誘導です。得られたHS30ライセートはシャペロンに富んでおり、MPフォールディングを改善するためにS30ライセートとのブレンドで使用することができる²²。 大腸菌 ライセートにおけるCF発現は、T7 RNAポリメラーゼ(T7RNAP)によって制御されるプロモーターを含むDNAテンプレートとの共役転写/翻訳プロセスとして操作されます。この酵素は、pAR1219プラスミド²⁹を保有するBL21(DE3)スター細胞で効率的に生産することができます。

MSP1E3D1の2つのコピーは、直径10〜12nmの1つのナノディスクに集合するが、以下に説明するプロトコルは、他のMSP誘導体に対しても機能する可能性がある。ただし、MSP1E3D1で形成されたナノディスクよりも大きいナノディスクは安定性が低下する傾向があり、MSP1などのMSP誘導体で形成された小さなナノディスクは、より大きなMPまたはMP複合体に対応できない可能性があります。MSP1E3D1ナノディスクは、多種多様な異なる脂質または脂質混合物を用いてin vitroで組み立てることができます。予め形成されたナノディスクは通常、-80°Cで>1年間安定ですが、安定性は脂質成分によって異なる場合があります。MPの折り畳みと安定性に対する脂質効果のスクリーニングのためには、代表的な種類の脂質/脂質混合物で組み立てられたナノディスクの包括的なセットを準備する必要があります。1,2-ジミリストイル-sn-グリセロ-3-ホスホ-(1′-rac-グリセロール)(DMPG)、1,2-ジミリストイル-sn-グリセロ-3-ホスホコリン(DMPC)、1,2-ジオレオイル-sn-グリセロ-3-ホスホ-rac-(1-グリセロール)(DOPG)、1,2-ジオレオイル-sn-グリセロ-3-ホスホコリン(DOPC)、1-パルミトイル-2-オレオイル-sn-グリセロ-3-ホスホ-(1′-rac-グリセロール)(POPG)および1-パルミトイル-2-オレオイル-グリセロ-3-ホスホコリン(POPC)。

3 mL CECF反応を調製するためのプロトコルについて説明します。1:1の比率でさらに拡大または縮小することが可能です。2コンパートメントCECF構成の場合、すべての化合物を含むRMと低分子量化合物のみを含むFMを準備する必要があります。10〜14 kDa MWCOの市販の3 mL透析装置はRM容器として使用でき、RM容器はFMを保持するカスタムメイドのプレキシガラス容器に入れられます(図1D)³⁰。RM:FMの比率は1:20であるため、3 mL RMに対して60 mLのFMを準備する必要があります。 いくつかの成分の品質、濃度、または種類は、合成されたMPの最終的な収率および/または品質にとって重要な場合があります(表1)。DNAテンプレートは、公表されたガイドラインに従って調製されるべきであり、ターゲットのリーディングフレームのコドン最適化は、生成物収率をさらに有意に改善することができる²⁶。分取スケールCECF反応について、PRの産生のための確立されたプロトコルが記載されている。新しいMPの発現プロトコルを確立するには、通常、収率と品質を向上させるために、特定の化合物の最適化スクリーニングを実行する必要があります(表1)。^Mg2+ イオンについては、異なるDNAテンプレートに対して有意な変動を頻繁に示す、焦点を絞った最適な濃度が存在する。T7RNAPまたはS30ライセートの新しいバッチなどの他のCF反応化合物は、最適な^Mg2+ 濃度をさらにシフトさせる可能性があります。一例として、14〜24mMの濃度の範囲内でかつ2mMのステップで典型的な^Mg2+ スクリーンが説明される。各濃度は、二重および分析スケールのCECF反応でスクリーニングされます。CECF反応容器として、RMを保持するカスタムメイドのMini−CECFプレキシグラス容器³⁰ が、FMを保持する標準的な24ウェルマイクロプレートと組み合わせて使用される(図1B)。あるいは、96深さウェルマイクロプレートまたは他の市販の透析装置と組み合わせた市販の透析カートリッジを適切なセットアップで使用してもよい(図1C)。