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Biochemistry

Expression et purification à haut débit de vecteurs de solutés humains pour des études structurales et biochimiques

Published: September 29, 2023
doi:
10.3791/65878
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
1Centre for Medicines Discovery, Nuffield Department of Medicine,University of Oxford, 2Nuvisan ICB GmbH, 3CeMM Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences

Summary

Les études structurales et biochimiques des transporteurs membranaires humains nécessitent des quantités de quelques milligrammes de protéines stables, intactes et homogènes. Nous décrivons ici des méthodes évolutives pour cribler, exprimer et purifier les transporteurs de solutés humains à l’aide de gènes optimisés pour les codons.

Abstract

Les transporteurs de solutés (SLC) sont des transporteurs membranaires qui importent et exportent une gamme de substrats endogènes et exogènes, notamment des ions, des nutriments, des métabolites, des neurotransmetteurs et des produits pharmaceutiques. Bien qu’il soit apparu comme des cibles thérapeutiques et des marqueurs de maladie attrayants, ce groupe de protéines est encore relativement sous-médicamenté par les produits pharmaceutiques actuels. Les projets de découverte de médicaments pour ces transporteurs sont entravés par des connaissances structurelles, fonctionnelles et physiologiques limitées, en raison des difficultés d’expression et de purification de cette classe de protéines membranaires. Ici, nous démontrons des méthodes permettant d’obtenir des quantités de l’ordre du milligramme de protéines transporteuses SLC humaines de haute pureté à l’aide de séquences de gènes optimisées pour les codons. En conjonction avec une exploration systématique de la conception de la construction et de l’expression à haut débit, ces protocoles assurent la préservation de l’intégrité structurelle et de l’activité biochimique des protéines cibles. Nous mettons également en évidence les étapes critiques de l’expression des cellules eucaryotes, de la purification par affinité et de la chromatographie d’exclusion de taille de ces protéines. En fin de compte, ce flux de travail produit des préparations protéiques pures, fonctionnellement actives et stables, adaptées à la détermination de la structure à haute résolution, aux études de transport, aux tests d’engagement de petites molécules et au criblage in vitro à haut débit.

Introduction

Les protéines membranaires sont depuis longtemps des cibles pour les chercheurs et les industries pharmaceutiques. Parmi ceux-ci, les porteurs de solutés (SLC) sont une famille de plus de 400 gènes transporteurs secondaires codés dans le génome humain1. Ces transporteurs sont impliqués dans l’importation et l’exportation de nombreuses molécules, notamment les ions2, les neurotransmetteurs3, les lipides 4,5,6,7, les acides aminés8, les nutriments 9,10,11 et les produits pharmaceutiques 12. Avec une telle diversité de substrats, ces protéines sont également impliquées dans une gamme de physiopathologies par le transport de toxines 13, le transport et l’inhibition par des drogues d’abus14,15 ou des mutations délétères16. Les homologues bactériens ont servi de prototypes pour le mécanisme de transport fondamental de plusieurs familles de SLC 17,18,19,20,21,22,23,24,25. Contrairement aux protéines humaines, les orthologues procaryotes sont souvent mieux exprimés dans le système d’expression bien compris d’Escherichia coli 26,27 et sont plus stables dans les détergents plus petits qui produisent des cristaux bien ordonnés pour la cristallographie aux rayons X28. Cependant, les différences de séquence et de fonction compliquent l’utilisation de ces protéines éloignées pour la découverte de médicaments29,30. Par conséquent, l’étude directe de la protéine humaine est souvent nécessaire pour déchiffrer le mécanisme d’action des médicaments ciblant les SLCs 31,32,33,34,35. Bien que les progrès récents de la cryo-microscopie électronique (Cryo-EM) aient permis la caractérisation structurale des SLC dans des conditions plus proches de celles des natifs36,37, la difficulté d’exprimer et de purifier ces protéines reste un défi pour le développement de thérapies et de diagnostics ciblés.

Pour relever ce défi, le consortium RESOLUTE (re-solute.eu) a mis au point des ressources et des protocoles pour l’expression et la purification à grande échelle de protéines humaines de la famille des SLC38. En commençant par les gènes optimisés pour les codons, nous avons développé des méthodes pour le clonage et le criblage à haut débit des constructions SLC. Ces méthodes ont été systématiquement appliquées à l’ensemble de la famille des SLCs, les gènes ont été clonés dans le système d’expression virale BacMam et l’expression de la protéine a été testée dans des lignées cellulaires humaines39 sur la base des méthodes précédemment décrites pour le clonage à haut débit et les tests d’expression40. En résumé, le gène SLC est cloné à partir du plasmide pDONR221 en un vecteur pHTBV1.1. Cette construction est ensuite utilisée pour transposer le gène d’intérêt en un vecteur bacmide pour la transfection de cellules d’insectes, qui comprend un promoteur de cytomégalovirus et des éléments activateurs pour l’expression dans les cellules de mammifères. Le baculovirus qui en résulte peut être utilisé pour transduire des cellules de mammifères en vue de l’expression de la protéine SLC cible.

Nous avons ensuite développé des méthodes standardisées pour l’expression à grande échelle et la purification stable de SLC sélectionnées (Figure 1). Ce protocole comprend plusieurs points de contrôle pour faciliter un dépannage efficace et minimiser la variabilité entre les expériences. Notamment, la surveillance de routine de l’expression et de la localisation des protéines, ainsi que l’optimisation à petite échelle des conditions de purification pour les cibles individuelles, ont été facilitées par les marqueurs de streptocoque et de protéine fluorescente verte (GFP)41,42.

En fin de compte, ces échantillons de protéines chimiquement purs et structurellement homogènes peuvent être utilisés pour la détermination structurale par cristallographie aux rayons X ou cryo-microscopie électronique (Cryo-EM), les tests biochimiques d’engagement de cible, l’immunisation pour la génération de liant et les études fonctionnelles acellulaires via reconstitution en liposomes chimiquement définis.

Protocol

REMARQUE : Tous les gènes RESOLUTE SLC optimisés pour les codons ont été déposés dans AddGene43, dont les liens sont disponibles dans la liste des réactifs publics RESOLUTE44. Ces gènes ont été clonés dans le plasmide pDONR221 et permettent le clonage direct des gènes dans le vecteur de destination par clonage par recombinaison45. Pour maximiser le parallélisme, des cellules bactériennes, d’insectes et de mammifères sont cultivées s…

Representative Results

Les gènes SLC peuvent être clonés à partir de plasmides pDONR RESOLUTE dans des vecteurs BacMam pour l’expression chez les mammifèresLes protocoles décrits pour le clonage, l’expression et la purification se sont avérés efficaces pour de nombreux transporteurs de SLC à travers plusieurs repliements protéiques. Néanmoins, les procédures comprennent plusieurs points de contrôle pour surveiller les progrès, ce qui permet d’optimiser les différences d’expression, de repliement des …

Discussion

Le développement de thérapies ciblant les SLC est resté entravé en raison de l’absence de caractérisation systématique de la fonction des transporteurs. Cela a conduit à une diminution disproportionnée des médicaments ciblant cette classe de protéines par rapport aux RCPG et aux canaux ioniques63, malgré leurs nombreux rôles dans les processus normaux et physiopathologiques. RESOLUTE est un consortium international qui vise à mettre au point des techniques et des outils de recherche…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet RESOLUTE. RESOLUTE a reçu un financement de l’entreprise conjointe de l’Initiative sur les médicaments novateurs 2 dans le cadre de l’accord de subvention no 777372. Cette entreprise commune bénéficie du soutien du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne et de l’EFPIA. Cet article ne reflète que les opinions des auteurs et ni l’IMI, ni l’Union européenne et l’EFPIA ne sont responsables de l’utilisation qui pourrait être faite des informations qu’il contient. Le plasmide pHTBV a été aimablement fourni par le professeur Frederick Boyce (Harvard).

Materials

3C protease Produced in-house
50 or 100 kDa cut-off centrifugal concentrators Sartorius VS0242
5-Cyclohexyl-1-Pentyl-β-D-Maltoside Anatrace C325 CYMAL-5
96-well bacmid purification kit Millipore LSKP09604 Montage Plasmid Miniprep
96-well block (2 mL) Greiner Bio-One 780271
Adhesive plastic seals Qiagen 19570 Tape Pads
Agarose size exclusion chromatography column Cytiva 29091596 Superose 6 Increase 10/300 GL
Benzonase DNAse Produced in-house
BisTris Sigma Aldrich B9754
Cholesteryl Hemisuccinate Tris salt Anatrace CH210 CHS
Cobalt metal affinity resin Takara Bio 635653 TALON Metal Affinity Resin
D(+)-Biotin Sigma Aldrich 851209
Dextran-agarose size exclusion chromatography column Cytiva 28990944 Superdex 200 Increase 10/300 GL
Digitonin Apollo Scientific BID3301
Dounce tissue grinder (40 mL) DWK Life Sciences 357546
EDTA-free protease inhibitor cocktail Sigma Aldrich 4693132001 cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail
Fetal Bovine Serum Thermo Fisher 10500064
Fos-Choline-12 Anatrace F308S FS-12
Glycerol Sigma Aldrich G5516
Glyco-diosgenin Anatrace GDN101 GDN
Gravity flow columns Cole-Parmer WZ-06479-25
HEK293 medium Thermo Fisher 12338018 FreeStyle 293 medium
HEPES Apollo Scientific BI8181
Hydrophilic, neutral silica UHPLC column Sepax 231300-4615 Unix-C SEC-300 4.6 x 150
Imidazole Sigma Aldrich 56750
Insect transfection reagent Sigma Aldrich 71259 Reagent
Lauryl Maltose Neopentyl Glycol Anatrace NG310 LMNG
Magnesium Chloride Hexahydrate Sigma Aldrich M2670
Micro-expression shaker Glas-Col 107A DPMINC24CE
NaCl Sigma Aldrich S9888
n-Decyl-β-D-Maltoside Anatrace D322 DM
n-Dodecyl-b-D-Maltopyranoside Anatrace D310 DDM
n-Dodecyl-N,N-Dimethylamine-N-Oxide Anatrace D360 LDAO
n-Nonyl-β-D-Glucopyranoside Anatrace N324S NG
n-Octyl-d17-β-D-Glucopyranoside Anatrace O311D OGNG
Octaethylene Glycol Monododecyl
Ether		 Anatrace O330 C12E8
Octyl Glucose Neopentyl Glycol Anatrace NG311 OGNG
Phosphate Buffered Saline Sigma Aldrich D8537 DPBS
Polyoxyethylene(10)dodecyl Ether Anatrace AP1210 C12E10
Polyoxyethylene(9)dodecyl Ether Anatrace APO129 C12E9
Porous seal for tissue culture plates VWR 60941-084 Rayon Films for Biological Cultures
Proteinase K New England Biolabs P8107S
Recombination enzyme mix Thermo Fisher 11791020 Gateway LR Clonase II
Serum-free insect media Gibco 10902088 Sf-900 II serum-free media
Sodium Butyrate Sigma Aldrich 303410
Sonicator 24-head probe Sonics 630-0579
Sonicator power unit Sonics VCX 750
Strep-Tactin resin IBA Life Sciences 2-5030-025 Strep-TactinXT 4Flow high- capacity resin
Sucrose Sigma Aldrich S7903
Sucrose Monododecanoate Anatrace S350 DDS
Suspension-adapted HEK293 cells Thermo Fisher A14527 Expi293F
Transfection reagent Sigma Aldrich 70967 GeneJuice Transfection Reagent
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Raturi, S., Li, H., Chang, Y., Scacioc, A., Bohstedt, T., Fernandez-Cid, A., Evans, A., Abrusci, P., Balakrishnan, A., Pascoa, T. C., He, D., Chi, G., Kaur Singh, N., Ye, M., Li, A., Shrestha, L., Wang, D., Williams, E. P., Burgess-Brown, N. A., Dürr, K. L., Puetter, V., Ingles-Prieto, A., Sauer, D. B. High-Throughput Expression and Purification of Human Solute Carriers for Structural and Biochemical Studies. J. Vis. Exp. (199), e65878, doi:10.3791/65878 (2023).
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