A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
* These authors contributed equally
يتم استخدام تنقية علامته وغسيل الكلى والتنشيط لزيادة غلة التعبير عن بروتين المجال الحفاز ميتالوبروتيناز-3 القابل للذوبان والنشط في البكتيريا. يتم تحليل كسور البروتين عبر المواد الهلامية SDS-PAGE.
تنتمي المصفوفة الميتالوبروتيناز (MMPs) إلى عائلة بروتياز الميتزينسين مع أدوار مركزية في تحلل وإعادة تشكيل المصفوفة خارج الخلية (ECM) ، بالإضافة إلى التفاعلات مع العديد من عوامل النمو والسيتوكينات. الإفراط في التعبير عن MMPs محددة هو المسؤول في العديد من الأمراض مثل السرطان والأمراض العصبية التنكسية وأمراض القلب والأوعية الدموية. كانت MMPs مركز الاهتمام مؤخرا كأهداف لتطوير العلاجات التي يمكن أن تعالج الأمراض المرتبطة بالتعبير المفرط MMP.
لدراسة آلية MMP في المحلول ، هناك حاجة إلى طرق تنقية وتنقية أكثر سهولة وقوة للتعبير عن البروتين المؤتلف لإنتاج MMPs النشطة والقابلة للذوبان. ومع ذلك ، لا يمكن التعبير عن المجال الحفاز لمعظم MMPs في الإشريكية القولونية (E. coli) في شكل قابل للذوبان بسبب نقص آلات ما بعد الترجمة ، في حين أن أنظمة التعبير عن الثدييات عادة ما تكون مكلفة ولها عوائد أقل. يجب أن تخضع هيئات تضمين MMP لعملية شاقة وشاقة للتنقية وإعادة الطي على نطاق واسع ، مما يقلل بشكل كبير من غلة MMPs في المطابقة الأصلية. تقدم هذه الورقة بروتوكولا باستخدام خلايا Rosetta2(DE3)pLysS (المشار إليها فيما يلي باسم R2DP) لإنتاج المجال الحفاز ميتالوبروتيناز-3 مصفوفة (MMP-3cd) ، والذي يحتوي على علامة N-terminal His-tag متبوعة بالمجال المؤيد (Hisx6-pro-MMP-3cd) للاستخدام في تنقية التقارب. تعزز خلايا R2DP التعبير عن البروتينات حقيقية النواة من خلال بلازميد مقاوم للكلورامفينيكول يحتوي على كودونات نادرة عادة في أنظمة التعبير البكتيري. بالمقارنة مع خط الخلية التقليدي المفضل للتعبير عن البروتين المؤتلف ، BL21 (DE3) ، فإن التنقية باستخدام هذه السلالة الجديدة حسنت إنتاجية Hisx6-pro-MMP-3cd المنقى . عند التنشيط وإزالة الملح ، يتم شق المجال الاحترافي جنبا إلى جنب مع N-terminal His-tag ، مما يوفر MMP-3cd نشطا للاستخدام الفوري في عدد لا يحصى من التطبيقات في المختبر . لا تتطلب هذه الطريقة معدات باهظة الثمن أو بروتينات اندماج معقدة وتصف الإنتاج السريع ل MMPs البشرية المؤتلفة في البكتيريا.
تخضع معظم البروتينات حقيقية النواة المعقدة لتعديلات متقنة بعد الترجمة بعد التعبير، مما يتطلب طي البروتين بمساعدة عالية والعوامل المساعدة لتكون وظيفية1. لا يزال إنتاج كميات كبيرة من البروتين البشري القابل للذوبان في مضيف بكتيري يمثل تحديا كبيرا بسبب ارتفاع التكاليف وعدم وجود طرق قوية للتعبير والتنقية، حتى بالنسبة للتجارب المعملية الأصغر حجما2،3. عادة ما يتم التعبير عن MMPs ، endopeptidases البشرية ذات الوزن الجزيئي الكبير ، كأجسام تضمين غير قابلة للذوبان عند التعبير عنها في E. coli. غالبا ما يؤدي استخراج MMPs البشرية القابلة للذوبان إلى عملية ذوبان وإعادة طي شاقة وتستغرق وقتا طويلا4.
MMPs لها أدوار حاسمة في كل من العمليات الفسيولوجية والمسببة للأمراض. MMPs البشرية هي عائلة من 23 إندوببتيداز الزنك ، مصنفة حسب بنية وخصوصية الركيزة ، ويتم التعبير عنها بشكل تفاضلي على الرغم من المجال الحفاز المحفوظ للغاية5,6. يتم إفراز MMPs كزيموجينات غير نشطة ، يتم تنظيمها عن طريق التنشيط بعد الترجمة ومثبطاتها الداخلية ، مثبطات الأنسجة من ميتالوبروتيناز (TIMPs) 7،8،9،10. على الرغم من الاعتراف بها في البداية لدورها في دوران ECM ، إلا أن MMPs متورطة أيضا في التطوير ، والتشكل ، وإصلاح الأنسجة ، وإعادة التشكيل8. تم ربط خلل تنظيم MMPs بشكل ملحوظ بالسرطان إلى جانب الأمراض العصبية التنكسية والقلب والأوعية الدموية والتليف ، من بين أمراض أخرى5,7.
يعد تطوير طرق إنتاج MMP قوية على نطاق واسع أمرا بالغ الأهمية لضمان نجاح الدراسات المستقبلية لآليات MMP من خلال الفحوصات الكيميائية الحيوية والقائمة على الخلايا. تم التعبير عن MMPs المختلفة سابقا في البكتيريا11 ، بما في ذلك MMPs الموسومة ب Hisx6 ، دون تغيير نشاط MMP12،13،14،15. ومع ذلك ، تتضمن هذه الطرق خطوات طويلة مملة قد يكون من الصعب تكرارها.
يمكن أيضا استخدام خلايا الثدييات للتعبير عن العديد من البروتينات البشرية المختلفة مع ضمان التعديلات المناسبة بعد الترجمة16. على الرغم من أن نظام التعبير عن الثدييات هو الخيار المثالي لإنتاج البروتينات البشرية المؤتلفة مع التعديلات المناسبة بعد الترجمة، فإن العيوب الرئيسية لهذه الطريقة هي الغلة المنخفضة الأولية، ووسائط النمو والكواشف المكلفة، والجداول الزمنية الطويلة للوصول إلى خطوط التعبير المستقرة، وخطر التلوث بأنواع أخرى مثل الفطريات أو البكتيريا2،11 . علاوة على ذلك ، ينتج إنتاج MMP في خطوط خلايا الثدييات شوائب من البروتينات الخلوية المرتبطة مثل TIMPs أو fibronectins11. على عكس نمو الخلايا البطيء الذي لوحظ في خلايا الثدييات ، يوفر نظام التعبير البكتيري إنتاج البروتين على نطاق واسع في فترة قصيرة إلى جانب متطلبات أبسط للوسائط والنمو. ومع ذلك ، نظرا لعدم وجود بروتينات خلوية أخرى مرتبطة (أي TIMPs) في أنظمة التعبير البكتيري ، فإن MMPs النشطة بتركيزات أعلى عرضة للتدهور من خلال التحلل الذاتي ، مما يؤدي إلى ضعف إنتاجية MMP 17.
تصف هذه الورقة طريقة مفصلة للتعبير البكتيري وتنقية وتنشيط المؤتلف Hisx6-pro-MMP-3cd باستخدام E. coli كمضيف تعبير بسبب قدرته على تحمل التكاليف وبساطته ونجاحه في إنتاج غلات أعلى من MMPs2,3,18. نظرا لأن الإشريكية القولونية تفتقر إلى آلات طي البروتين والمعالجة اللاحقة للترجمة اللازمة ل MMPs المؤتلف والبروتينات المعقدة الأخرى ، فقد تم تصميم العديد من سلالات E. coli للتغلب على هذه القيود ، مما يجعل E. coli مضيف أكثر ملاءمة للتعبير عن MMP-3cd البشري المؤتلف ،19،20 . على سبيل المثال ، تعزز سلالة R2DP المستخدمة في هذه الدراسة التعبير حقيقي النواة عن طريق توفير بلازميد مقاوم للكلورامفينيكول يحتوي على كودونات نادرا ما تستخدم في الإشريكية القولونية.
كما هو موضح في هذا البروتوكول ، بعد الإفراط في التعبير عن أجسام التضمين النقية نسبيا من متجه pET-3a (الشكل 1) في خلايا R2DP ، يتم استخراج بروتينات المجال الحفاز Hisx6-pro-MMP-3 (MMP-3cd) وتشويهها4. تم تنقية Hisx6-pro-MMP-3cd3,19 باستخدام كروماتوغرافيا علامة التقارب. عند إعادة الطي وغسيل الكلى ، تم تنشيط pro-MMP-3cd (zymogen) بواسطة خلات 4-aminophenylmercuric (APMA) ، ويستخدم تحليل SDS-PAGE لتقييم الغلة والحاجة إلى مزيد من التنقية 5,21. يصف هذا البروتوكول التعبير والتنقية والتنشيط MMP-3cd القابل للذوبان كمثال. ومع ذلك ، يمكن استخدامه أيضا كدليل للتعبير عن MMPs الأخرى والبروتياز البشري مع تعبير مماثل ، وآليات التنشيط (الشكل 2). بالنسبة للبروتينات الأخرى غير MMP-3cd ، ينصح القارئ بتحديد التراكيب والطرق العازلة المثلى للبروتين المستهدف قبل محاولة هذا البروتوكول.
الشكل 1: خريطة البلازميد للبلازميد pET-3a-Hisx6-pro-MMP-3cd. يتضمن ناقل pET-3a جينا مقاوما للأمبيسلين. يتم استنساخ تسلسل علامة Hisx6 الطرفية N في المتجه المستند إلى pET-3a ، بما في ذلك pro-MMP-3cd ، لإنتاج بنية pET-3a-Hisx6-pro-MMP-3cd تحت سيطرة مروج T7 بين مواقع تقييد BamHI و NdeI. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: التعبير البكتيري ل pro-MMP-3cd ، والتنقية ، وإعادة الطي ، والتنشيط. 1.1: تم تحويل بلازميد pET-3a-Hisx6-pro-MMP-3cd إلى خلايا BL21 (DE3) أو R2DP. 1.2: تم تحفيز التعبير عن البروتين Pro-MMP-3cd باستخدام IPTG. 1.3: يتم استخدام التحلل الكيميائي والصوتنة لاستخراج بروتينات Hisx6-pro-MMP-3cd التي هي أساسا غير قابلة للذوبان ووجدت في هيئات التضمين. تم استخدام اليوريا لتشويه وإذابة البروتين من أجسام التضمين. 2.1. تم تنقية بروتين Hisx6-pro-MMP-3cd المشوه عن طريق تنقية كروماتوغرافيا التقارب. 3. تم إعادة طي Hisx6-pro-MMP-3cd ببطء أثناء غسيل الكلى من خلال الإزالة التدريجية لليوريا من المخزن المؤقت. 4. أخيرا ، تم تنشيط بروتين MMP-3cd المعاد طيه باستخدام APMA عن طريق إزالة مجال N-terminal pro-peptide. تتم إزالة APMA لاحقا من المحلول من خلال تحلية المياه. تتوافق الأرقام مع أقسام البروتوكول التي تصف هذه الخطوات. الاختصارات: MMP-3cd = المجال الحفاز ميتالوبروتيناز-3 مصفوفة ؛ APMA = 4-أمينوفينيل أسيتات الزئبق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
1. تعبير MMP
2. MMP تنقية وإعادة طي
3. إعادة طي البروتين
ملاحظة: بالنسبة للأحجام الأصغر ، يمكن استخدام أشرطة غسيل الكلى في خطر أقل لفقدان العينة. مطلوب أنابيب غسيل الكلى إذا تم استخدام كميات أكبر (انظر جدول المواد).
4. التفعيل
عند تشغيل العينات على SDS-PAGE ، نظرا لأن البروتين يتم التعبير عنه في شكل أجسام تضمين غير قابلة للذوبان ، يجب أن تحتوي الكسور المحللة والصوتية على القليل من مستخلص Hisx6-pro-MMP-3cd ، حيث لم يتم بعد إعادة إذابة البروتين في اليوريا. يقارن الشكل 3 أجزاء إزالة تنقية علامته من Hisx6-pro-MMP-3cd من ?...
لا يزال الإنتاج الواسع النطاق ل MMPs القابلة للذوبان والبشرية والمؤتلفة مهمة صعبة. يمكن لخلايا الثدييات التعبير عن MMPs الوظيفية بتكاليف عالية وأوقات انتظار طويلة ، في حين أن E. coli تنتج بسرعة كميات كبيرة من أجسام تضمين MMP التي يجب تنقيتها وإعادة طيها11,16. تزي...
ويعلن صاحبا البلاغ أنه ليس لديهما مصالح مالية منافسة.
يود المؤلفون أن يعربوا عن تقديرهم للدكتورة إيفيت راديسكي وألكسندرا هوكلا في Mayo Clinic في جاكسونفيل بولاية فلوريدا ، لتوفيرهما بلازميد pET-3a-pro-MMP-3cd كنموذج لاستنساخ جين Hisx6pro-MMP-3cd ، وتعليقاتهما ، إلى جانب الدكتور بول هارتلي من مركز نيفادا للجينوم في جامعة نيفادا ، رينو ، لتسلسل الحمض النووي. يود المؤلفون أيضا أن يشكروا كاساندرا هيرجنرادر على المساعدة في جزء من التعبير عن البروتين. م.ر.-س. أود أن أشكر منحة NIH-P20 GM103650-COBRE لعلم الأعصاب التكاملي وجائزة منحة UNR R & D mICRO SEED.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.22 µm sterile filter | Sigma Aldrich | SLGP033RS | Used to remove some contaminants from the protein extract before purification, and prevent the Ni-NTA column from clogging |
1 L Erlenmeyer flasks | Thermo Fisher Scientific | S76106F | n/a |
1 L glass bottles | Thermo Fisher Scientific | 06-414-1D | n/a |
1.5 mL microfuge tubes | Thermo Fisher Scientific | 02-682-002 | n/a |
15 mL conical tubes | Thermo Fisher Scientific | 339650 | n/a |
18 G, 1-in. beveled needle | Amazon | B07S7VBHM2 | Used in combination with the dialysis casette |
2 mL desalting column | Thermo Fisher Scientific | 89890 | Removes APMA following activation |
2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES) | Thermo Fisher Scientific | AAA1610422 | n/a |
250 mL conical bottle cushions | Thermo Fisher Scientific | 05-538-53A | Stabilize conical bottles during large-volume centrifugation |
250 mL conical bottles | Thermo Fisher Scientific | 05-538-53 | n/a |
400 mL stirred cell | Sigma Aldrich | UFSC40001 | Re-concentrates a much larger volume than the centrifugal filter unit. Rosetta2(DE3)pLysS cells produce high volumes of protein that may exceed the 15 mL limit of the centrifugal filter unit |
4-aminophenylmercuric acetate (APMA) | Sigma Aldrich | A9563-5G | Activates MMP-3 by cleaving the propeptide |
5 mL syringe | Thermo Fisher Scientific | NC0829167 | Used in combination with the dialysis casette |
50 mL conical tubes | Thermo Fisher Scientific | 339650 | Used for storage in many purification steps |
50 mL re-concentration tube | Sigma Aldrich | UFC901024D | Used for re-concentrating protein samples after dialysis or removing contaminants |
Agar | Thermo Fisher Scientific | BP1423-500 | Buffer ingredient that solidifies autoclaved LB media upon cooling |
Ampicillin | Thermo Fisher Scientific | BP1760-25 | Antibiotic used with pET3a vector; used at 100 µg/mL in LB media |
BamHI | NEB | R3136S | Restriction enzyme to be used with the pET3a vector |
Calcium chloride (CaCl2) | Thermo Fisher Scientific | 600-30-23 | The calcium ion stabilizes MMP structure |
Cell spreaders | Thermo Fisher Scientific | 50-189-7544 | Can be used to spread cells across a petri dish after transformation |
Chloramphenicol | Thermo Fisher Scientific | 22-055-125GM | Antibiotic used with pET3a vector; used at 34 µg/mL in LB media |
Dialysis Buffer 1 | n/a | n/a | 20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 150 mM NaCl, 10 mM CaCl2, 1 µM ZnCl2, 4 M Urea. |
Dialysis Buffer 2 | n/a | n/a | 20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 150 mM NaCl, 10 mM CaCl2, 1 µM ZnCl2, 2 M Urea. |
Dialysis Buffer 3 | n/a | n/a | 20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 150 mM NaCl, 10 mM CaCl2 , 1 µM ZnCl2. |
Dialysis clips | Thermo Fisher Scientific | 68011 | Used in combination with snakeskin dialysis tubing |
Dialysis tubing | Thermo Fisher Scientific | 88243 | Alternative dialysis method that holds much larger sample volumes, but with higher risk of sample loss |
Digest buffer | NEB | B7204S | Buffer used in digesting the pET3a vector |
Disposable cuvettes | Thermo Fisher Scientific | 21-200-257 | Used to measure the bacterial culture OD during growth and expression |
Dithiothreitol (DTT) | Thermo Fisher Scientific | D107125G | Assists with protein denaturation by reducing any disulfide bonds |
DNA assembly mix | NEB | E2621S | Used to ligate the Hisx6-pro-MMP-3cd PCR product and digested pET3a vector |
DNase I | NEB | M0303S | Endonuclease for degrading unfavorable DNA contaminants that could later affect protein purification |
Ethanol | Thermo Fisher Scientific | A995-4 | n/a |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Thermo Fisher Scientific | J15694-AE | Used in denaturation. Prevents oxidation and subsequent formation of disulfide bonds |
Gel recovery kit | Promega | A9281 | Isolates and purifies DNA from agarose gels |
Glycerol | Thermo Fisher Scientific | G33-500 | Used for making glycerol stocks, which are frozen at -80 °C |
Gravity flow column | BioRad | 7321010 | Used for Ni-NTA purification of recombinantly His-tagged proteins |
High-transformation efficiency cells | NEB | C2987 | High-transformation efficiency cells with greater chance of success for cloning the N-terminal His-tag into the pET3a-pro-MMP-3cd construct |
HT Elution Buffer | n/a | n/a | 20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 50 mM NaCl, 6 M urea, 250 mM imidazole. Adjust pH to 7.4 |
HT Equilibration Buffer | n/a | n/a | 20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 50 mM NaCl, 6 M urea. Adjust pH to 7.4 |
HT Regeneration Buffer | n/a | n/a | 20 mM MES, 0.1 M NaCl. Adjust pH to 5.0 |
HT Wash Buffer | n/a | n/a | 20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 50 mM NaCl, 6 M urea, 25 mM imidazole. Adjust pH to 7.4 |
Hydrochloric acid (HCl) | Thermo Fisher Scientific | A144C-212 | Used to pH buffers |
Imidazole | Thermo Fisher Scientific | AAA1022122 | Mimics the histidine side group. Used to separate non-specifically binding proteins from the his-tagged target protein |
Inclusion Body Buffer | n/a | n/a | 20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 1 mM EDTA, 100 mM NaCl, 5 mM DTT, 2% v/v Triton X 100, 0.5 M Urea. Adjust pH to 8.0 |
Isopropyl-ß-D-thiogalactopyranoside (IPTG) | Thermo Fisher Scientific | FERR0392 | A reagent that induces target gene expression in pET3a. Make 0.5 mL 1 M aliquots, filter sterilize and store in -20 °C |
LB Amp CamR media | n/a | n/a | To be poured into a sterible 1 L bottle or 1 L flask. For 1 L, add 25 g LB Broth. Sterilize by autoclaving. Once cooled to below 50 °C, add ampicillin to 100 µg/mL and chloramphenicol to 34 µg/mL |
LB Amp CamR plates | n/a | n/a | To be poured into sterile petri dishes. Pour until the petri dish lid is completely covered. 1 L of media yields 40-60 plates. For 1 L: 25 g LB Broth, 16 g Agar. Sterilize by autoclaving. Once cooled to below 50 °C, add ampicillin to 100 µg/mL and chloramphenicol to 34 µg/mL |
LB Broth | Thermo Fisher Scientific | BP1426-2 | Pre-mixed with tryptone, yeast extract, and sodium chloride |
Lysis Buffer | n/a | n/a | 50 mM Tris-HCl (pH 8.0), 1 mM EDTA, 100 mM NaCl, 0.133 g/mL lysozyme, 0.49% v/v Triton X-100. Adjust pH to 8.0 |
Lysozyme | MP Biomedicals | 195303 | Used in protein extraction. Enzyme that lyses bacterial cell walls |
Miniprep kit | Promega | A1330 | If successful, extracts the pET3a-pro-MMP-3cd construct from transformants |
NdeI | NEB | R0111S | Restriction enzyme to be used with the pET3a vector |
Ni-NTA resin | Thermo Fisher Scientific | PI88221 | Used to bind recombinant his-tagged proteins. This strong interaction can be displaced with higher concentrations of imidazole |
Nonionic surfactant | Thermo Fisher Scientific | PI28316 | Storage detergent for preventing MMP aggregation. Minimizes interactions between hydrophobic residues on the MMP surface and water molecules, without disrupting catalytic activity. |
PCR mix | NEB | M0492S | A PCR reagent for inserting an N-terminal his-tag into the pET3a-pro-MMP-3cd vector |
pET plasmid | Addgene | n/a | The pET3a vector offers ampicillin resistance, inducible expression of a target gene, and sequencing with T7 primers |
Petri dishes | VWR | 25384-342 | Used for plating transformants on LB agar media |
R2DP cells | Novagen | 714033 | BL21 derivatives with enhanced expression of eukaryotic proteins. Contain tRNAs of codons found to be rare in e. coli |
SOC growth media | NEB | B9020S | Non-selective growth media for rapid growth during transformation |
Sodium chloride (NaCl) | Thermo Fisher Scientific | BP358-1 | Used in buffers and helps with protein stability |
Sodium deoxycholate | Thermo Fisher Scientific | PI89905 | Detergent used in protein extraction. Lyses cell walls |
Solubilization Buffer | n/a | n/a | 20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 50 mM NaCl, 10 mM DTT, 6 M Urea. Adjust pH to 8.0 |
Tris base | Thermo Fisher Scientific | BP152-1 | Common buffer used in the physiological pH range. Temperature-sensitive |
Triton X-100 | Thermo Fisher Scientific | M1122980101 | Detergent used for cell lysis |
Urea | Thermo Fisher Scientific | AAJ75826A7 | First chaotropic agent for disrupting protein secondary structure |
Zinc chloride (ZnCl2) | Thermo Fisher Scientific | AAA162810E | Stabilizes MMP structure. The zinc ion is found in the catalytic site of MMP-3 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved