تفصل الدراسة منهجية رسم خرائط FRET بما في ذلك اختيار مواقع وضع العلامات ، واختيار الأصباغ ، والاقتناء ، وتحليل البيانات. هذه المنهجية فعالة في تحديد مواقع الربط ، والتغيرات التوافقية ، والحركات الديناميكية في أنظمة البروتين وهي مفيدة للغاية إذا تم تنفيذها بالاقتران مع المعلومات الهيكلية 3-D الحالية.
نقل طاقة الرنين Förster (FRET) هي طريقة راسخة قائمة على التألق تستخدم لقياس المسافات بنجاح في الجزيئات الحيوية وبينها في المختبر وكذلك داخل الخلايا. في FRET ، ترتبط كفاءة نقل الطاقة ، التي تقاس بالتغيرات في شدة التألق أو العمر الافتراضي ، بالمسافة بين جزيئين أو ملصقات فلورية. إن تحديد الديناميكيات والتغيرات التوافقية من المسافات ليست سوى بعض الأمثلة على تطبيقات هذه الطريقة على الأنظمة البيولوجية. في ظل ظروف معينة ، يمكن لهذه المنهجية أن تضيف إلى الهياكل البلورية الحالية للأشعة السينية وتعززها من خلال توفير معلومات تتعلق بالديناميكيات والمرونة والتكيف مع الأسطح الملزمة. نحن نصف استخدام FRET وتحديد المسافة المرتبطة به لتوضيح الخصائص الهيكلية ، من خلال تحديد موقع ربط أو اتجاهات الوحدات الفرعية dimer. من خلال الاختيار الحكيم لمواقع وضع العلامات ، وغالبا ما نستخدم استراتيجيات متعددة لوضع العلامات ، نجحنا في تطبيق طرق رسم الخرائط هذه لتحديد الخصائص الهيكلية العالمية في مجمع البروتين والحمض النووي ونظام نقل البروتين SecA-SecYEG. في نظام SecA-SecYEG ، استخدمنا طرق رسم خرائط FRET لتحديد موقع ربط ما قبل البروتين وتحديد التشكيل المحلي لمنطقة تسلسل الإشارة المرتبطة. تحدد هذه الدراسة خطوات إجراء دراسات رسم الخرائط FRET ، بما في ذلك تحديد مواقع وضع العلامات المناسبة ، ومناقشة الملصقات المحتملة بما في ذلك بقايا الأحماض الأمينية غير الأصلية ، وإجراءات وضع العلامات ، وكيفية إجراء القياسات ، وتفسير البيانات.
بالنسبة للبروتينات ، يؤدي توضيح الديناميكيات إلى جانب المعرفة الهيكلية ثلاثية الأبعاد (3-D) إلى فهم معزز للعلاقات بين البنية والوظيفة للأنظمة الجزيئية الحيوية. تلتقط الطرق الهيكلية ، مثل علم البلورات بالأشعة السينية والمجهر الإلكتروني المبرد ، بنية ثابتة وغالبا ما تتطلب تحديد هياكل متعددة لتوضيح جوانب ربط الجزيئات الحيوية وديناميكياتها1. تتناول هذه المقالة طريقة قائمة على الحلول لتعيين العناصر الهيكلية العالمية، مثل مواقع الربط أو تفاعلات الربط، التي يحتمل أن تكون أكثر عابرة وأقل سهولة في التقاطها بواسطة الطرق الثابتة. الأنظمة المرشحة القوية لهذه المنهجية هي تلك التي تم فيها تحديد بنية 3-D مسبقا بواسطة علم البلورات بالأشعة السينية أو التحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي أو الطرق الهيكلية الأخرى. في هذه الحالة ، نستفيد من البنية البلورية للأشعة السينية لمجمع SecA-SecYEG ، وهو لاعب مركزي في مسار الإفراز العام للبروتين ، لرسم خريطة لموقع ربط ببتيد الإشارة باستخدام نقل طاقة الرنين Förster (FRET) قبل نقل البروتين المسبق عبر الغشاء2. إن التلاعب بالنظام البيولوجي من خلال التعديلات الجينية إلى جانب معرفتنا بالبنية ثلاثية الأبعاد مكن من تحديد تشكيل تسلسل الإشارة والمنطقة الناضجة المبكرة مباشرة قبل إدخالها في القناة 3.
يتضمن FRET نقل الطاقة بدون إشعاع من جزيء واحد (مانح) إلى آخر (متقبل) بطريقة تعتمد على المسافة التي تتم عبر الفضاء 4,5. يتم رصد كفاءة هذا النقل إما من خلال انخفاض في المتبرع أو زيادة في كثافة التألق المتقبل. يمكن وصف كفاءة نقل الطاقة بأنها
E = R 0 6/(R0 6 + R 6)
حيث تكون قيمة R0 هي المسافة التي يكون فيها النقل فعالا بنسبة 50٪6. وقد وصفت هذه التقنية سابقا بأنها مسطرة جزيئية وهي فعالة في تحديد المسافات في نطاق 2.5-12 نانومتر، اعتمادا على هوية الأصباغ المتقبلة المانحة4،7،8،9. تسمح كثافة التألق المانحة وعمرها الافتراضي مع أو بدون المتقبل بتحديد كفاءات النقل وبالتالي ، المسافات 5,8. نظرا لتوافر التكنولوجيا ، وحساسية الطريقة ، وسهولة الاستخدام ، وجدت FRET أيضا تطبيقا واسعا في مجالات مثل التحليل الطيفي الفلوري أحادي الجزيء والمجهر البؤري6. ظهور البروتينات الفلورية مثل بروتين الفلورسنت الأخضر جعل ملاحظة الديناميكيات داخل الخلايا وتصوير الخلايا الحية سهلة نسبيا10,11. تتم مناقشة العديد من تطبيقات FRET مثل هذه بالتفصيل في هذه المشكلة الافتراضية.
في هذه الدراسة ، نركز بشكل خاص على استخدام قياسات FRET لإنتاج قيم المسافة لتحديد التفاصيل الهيكلية. في السابق ، تم استخدام قياسات FRET بشكل فعال لتحديد تكوين جزيئات الحمض النووي عند ارتباطها بالبروتين 12،13،14 ، والديناميات الداخلية للبروتينات ، وتفاعلات ربط البروتين15،16،17. تكمن مزايا هذه الطريقة في القدرة على تحديد العناصر الهيكلية المرنة والديناميكية في حل بكميات منخفضة نسبيا من المواد. بشكل ملحوظ ، هذه الطريقة فعالة بشكل خاص عند استخدامها بالاقتران مع المعلومات الهيكلية الموجودة ولا يمكن استخدامها كوسيلة لتحديد هيكل 3-D. توفر هذه الطريقة أفضل رؤية وصقل للهيكل إذا كان العمل يعتمد على المعلومات الهيكلية الموجودة غالبا ما يقترن بالمحاكاة الحسابية18,19. هنا ، يتم وصف استخدام المسافات التي تم الحصول عليها من قياسات FRET ذات الحالة الثابتة والوقت المحدد لرسم خريطة لموقع ربط ، لم يكن موقعه معروفا ، على بنية بلورية موجودة لمجمع SecA-SecYEG ، البروتينات الرئيسية في مسار الإفراز العام3.
يتوسط مسار الإفراز العام ، وهو نظام محفوظ للغاية من بدائيات النوى إلى حقيقيات النوى إلى العتائق ، نقل البروتينات إما عبر الغشاء أو داخله إلى موقعها الوظيفي في الخلية. بالنسبة للبكتيريا سالبة الجرام ، مثل الإشريكية القولونية ، الكائن الحي المستخدم في دراستنا ، يتم إدخال البروتينات في الغشاء الداخلي أو نقله عبر الغشاء الداخلي إلى periplasm. ينسق مجمع قناة SecY البكتيري (المسمى translocon) مع البروتينات الأخرى لنقل البروتين المركب حديثا ، والذي يتم توجيهه إلى موقعه الصحيح في الخلية من خلال تسلسل إشارة يقع عادة في N-terminus20,21. بالنسبة للبروتينات المرتبطة بالبيريبلازما ، يرتبط بروتين ATPase SecA بنفق خروج الريبوسوم ، ومع البروتين المسبق بعد ترجمة ما يقرب من 100 بقايا22. جنبا إلى جنب مع بروتين SecB chaperone ، فإنه يحافظ على البروتين المسبق في حالة غير مطوية. يرتبط SecA ب SecYEG translocon ، ومن خلال العديد من دورات التحلل المائي ATP ، يسهل نقل البروتين عبر الغشاء23,24.
SecA هو بروتين متعدد المجالات موجود في أشكال الخلايا والمرتبطة بالغشاء. بروتين متجانس في السيتوسول ، يتكون SecA من مجال ربط ما قبل البروتين أو الربط المتقاطع25 ، ومجالين مرتبطين بالنيوكليوتيدات ، ومجال جناح حلزوني ، ومجال سقالة حلزونية ، وإصبعين حلزوني (THF) 26،27،28،29 (الشكل 1). في الدراسات البلورية السابقة لمجمع SecA-SecYEG ، اقترح موقع THF أنه شارك بنشاط في نقل البروتين والتجارب اللاحقة للربط المتبادل مع ببتيد الإشارة ، مما زاد من أهمية هذه المنطقة في نقل البروتين30,31. أظهرت الدراسات السابقة ، باستخدام منهجية رسم الخرائط FRET ، أن ببتيدات الإشارة الخارجية ترتبط بهذه المنطقة من SecA 2,32. لفهم كامل لتكوين وموقع تسلسل الإشارة والمنطقة الناضجة المبكرة للبروتين المسبق قبل إدخاله في قناة SecYEG ، تم إنشاء وهم البروتين الذي تم فيه ربط تسلسل الإشارة وبقايا المنطقة الناضجة المبكرة ب SecA من خلال رابط Ser-Gly (الشكل 1). باستخدام هذا البناء القابل للحياة بيولوجيا ، ثبت كذلك أن تسلسل الإشارة والمنطقة الناضجة المبكرة من البروتين المسبق ترتبط ب THF بطريقة متوازية2. وفي وقت لاحق، استخدمت منهجية رسم الخرائط FRET لتوضيح تشكيل وموقع تسلسل الإشارة والمنطقة الناضجة المبكرة في وجود SecYEG كما هو موضح أدناه3.
سمحت لنا معرفة الهيكل ثلاثي الأبعاد لمجمع SecA-SecYEG 33,34,35 والموقع المحتمل لموقع الربط بوضع ملصقات المانحين والمتقبلين بحكمة في المواقع التي يحدد فيها تقاطع مسافات FRET الفردية موقع موقع الربط. كشفت قياسات رسم الخرائط FRET هذه أن تسلسل الإشارة والمنطقة الناضجة المبكرة من البروتين المسبق يشكلان دبوس شعر مع وجود الطرف عند فم قناة SecYEG ، مما يدل على أن بنية دبوس الشعر يتم تشكيلها قبل إدخال القناة.
من خلال استخدام منهجية رسم الخرائط FRET ، حددنا موقع ربط تسلسل الإشارة على بروتين SecA. الأهم من ذلك ، أن وجود بنية بلورية 3-D للمجمع سهل دراستنا بشكل كبير. تكمن قوة منهجية رسم الخرائط هذه في القدرة على استخدام هيكل موجود لتحديد المواقع لوضع العلامات. لا يمكن استخدام هذه المنهجية لتحديد هيكل 3-D. و…
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذا العمل من خلال منحة المعاهد الوطنية للصحة R15GM135904 (الممنوحة ل IM) ومنحة المعاهد الوطنية للصحة GM110552 (الممنوحة ل DBO).
490 nm LED laser | Horiba | 1684-LED | |
Alexa Fluor 647 C2 Maleimide//DIBO Alkyne | Life Technologies | A20347 | |
Agar | Difco | DF0812 | |
Alexa Fluor 488 C5 Maleimide/DIBO Alkyne | Life Technologies | A10254 | |
Alexa Fluor 488 DIBO Alkyne | Life Technologies | S10904 | |
Alexa Fluor 647 DIBO Alkyne | Life Technologies | S10906 | |
Amicon Ultra4 Centrifugal filter (50kDa MWCO) | Sigma | UFC805008 | |
Dodecylmaltoside (DDM) | Anatrace | D310 | |
E. coli alkaline phosphatase signal peptide SP22 | Biomolecules Midwest | N/A | Synthesized custom item |
extended signal peptide SP41 | Biomolecules Midwest | N/A | Synthesized custom item |
FluorEssence | Horiba | version 2.4 | spectral acquisition program for Fluoromax4 spectrofluorometer |
Fluoromax 4 spectrofluorometer | Horiba | N/A | |
GlobalsWE | Laboratory for Fluorescence Dynamics, University of California, Irvine | spectral analysis program for time-resolved decays | |
H4AzidoPheOH | BACHEM | 4020250.0001 | |
LB (Miller) Broth | Fisher Scientific | BP9723 | |
Ludox HS-40 colloidal silica (40 wt.% suspension in H2O) | Sigma-Aldrich | 420816 | dilution is needed to make a proper scattering solution |
PTI Felix GX | Horiba | version 4.1.0.4096 | spectral acquisition program for PTI Time Master Instrument |
PTI Time Master Instrument | Horiba | NA | |
Pymol Molecular Graphics Program | Schrodinger | version 2.4 | |
Water bath | Thermo Scientific | NESLAB RTE 10 |