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在这里, 我们提出了一个协议, 以表达, 溶解, 并纯化几个真核硼酸盐转运体与同源的 slc4 转运体家族使用酵母。我们还描述了一种化学交联法, 以评估纯化的同源蛋白的多重组装。这些协议可适用于其他具有挑战性的膜蛋白。
solute carrier 4 (slc4) 系列蛋白质被称为碳酸氢盐转运体, 包括原型蛋白阴离子交换器 1 (ae1, 也称为带 3), 是红血球中最丰富的膜蛋白。slc4 家族与硼酸盐转运体是同源的, 在植物和真菌中都有其特征。将适合结构或功能研究的数量表达和纯化膜运输蛋白的均匀性仍然是一个重大的技术挑战。本文详细介绍了耐酿酒酵母中硼酸盐转运体的过度表达、酵母膜的分离、洗涤剂对蛋白质的增溶以及从 s 中纯化硼酸盐转运体同源物的详细程序。酿酒酵母、拟南芥和水稻。我们还详细介绍了戊二醛交联实验, 以测定同功转运体的多聚化。我们的广义程序可以应用于所有三种蛋白质, 并已优化的疗效。这里开发的许多策略可用于其他具有挑战性的膜蛋白的研究。
在对受体、离子通道和转运体进行结构和功能研究的过程中, 难以获得足够数量的纯化膜蛋白仍然是一个关键的瓶颈。对于中等高吞吐量的管道, 有许多协议可以筛选和发现足够好的候选膜蛋白, 以便随后进行体外研究1、2、3、4.通常情况下, 蛋白质标记为 n-或 c 端绿色荧光蛋白 (gfp), 表达水平通过凝胶荧光或荧光检测大小排除色谱 (fsec)5进行监测。这种方法使膜蛋白候选体被分解成高表达蛋白、中等或低表达蛋白或表达不佳或根本不表达的蛋白质。当实验设计是为了研究大量的候选基因, 目的是选择任何表达最好的蛋白质时, 这种方法效果很好。然而, 在某些情况下, 实验方法的前提是研究一种特定的膜蛋白, 当这种蛋白的表达水平在中等或较低的范围内时, 这种方法可能具有挑战性。此外, 有时在这些情况下, 表达水平只能通过截断、热稳定突变或密码子优化来改变构造, 从而最小地提高表达水平。因此, 有时有必要优化膜蛋白的表达和纯化方案的膜蛋白, 只表达适度良好。
slc4 家族的转运体包括碳酸氢盐转运体阴离子交换器 1 (也称为带 3), 红血球中最丰富的膜蛋白 6, 以及细胞呼吸的关键驱动因素。slc4 系列与硼酸盐运输机是同源的, 这在植物中非常关键, 并已被证明表现出与阴离子交换器1以及钠耦合 slc4 运输机7,8,9 类似的结构,10。在这里, 我们报告优化的蛋白质表达和纯化方案使用酿酒酵母纯化在酵母和植物中发现的三种不同的硼酸盐转运体。我们详细强调了我们为优化均匀性纯化的产量和效率而采取的关键步骤。此外, 我们还报告了一种化学交联试验, 使用戊二醛监测这些运输者的多重组装在纯化的蛋白质去污剂脂质复合体的背景下。交联实验通过评估纯化后低聚转运体的多聚状态, 有助于评价同源和洗涤剂的适用性。
该协议假定所需的转运体已被克隆到2μ衍生质粒在 gal1 启动子的诱导控制下, 在酿酒酵母中表达。在这些程序中, dna 被用来编码全长野生型硼酸盐转运体酿酒酵母 b1 (scbor1) 11,拟南芥 thaliana borate (atbor1)12和oryza持那 (osbor3) 13.每个结构中的 c 端都贴有一个10-his 标记和一个凝血酶裂解点插入在运输机和10-his 标记之间, 以便在需要时将其删除。该协议还将假设质粒已经转化为缺乏组氨酸的完全补充选择性培养基 (csm) 上的酿酒酵母 dsy-5表达株。
1. 介质和重要缓冲器的制备
2. 硼酸盐转运体在酿酒酵母中的过度表达
3. 酵母膜的采收
4. 蛋白质的溶解和纯化
5. 戊二醛交联检测
从执行镍亲和层析中提取的洗脱分数的典型凝胶显示所有三种蛋白质都部分纯化 (图 1a)。在梯子的右边是裂解液, 在每一种情况下, 它都没有显示出与硼酸盐转运体相对应的显著带, 这对于不能过度表达的蛋白质来说是典型的。80 mm 的洗车道显示, 尽管咪唑浓度相对较高, 但 10 he 标记蛋白的损失最小。与硼酸盐转运体相对应的带在洗脱的分数中很明显, 在注入 s200 凝胶过滤柱之前, 被认为含有大部分洗脱的蛋白质的分数被集中。在此阶段, 蛋白质在许多下游应用中没有得到足够的纯化, 在注入 s200 柱之前, 集中样品中的额外带表明了这一点 (图 1b)。但是, 将样品注入大小排除柱中会显示出高纯度的洗脱分数 (图 1b-c)。给出了每个硼酸盐转运体的色谱图及其相应的凝胶。尽管亲和层析洗脱后样品纯度适中, 但从凝胶过滤柱中洗脱后, 该蛋白具有高度的纯度。关键的是, 色谱显示每一种蛋白质迁移主要作为一个单一的单分散峰, 很少的蛋白质保留在空隙体积。稳定和折叠的蛋白质通常给出一个单分散和对称的峰值, 而不稳定的、错误折叠的或聚集的蛋白质通常会给出多个不对称峰或空泡体积的一个大峰。对于 scbor1 的酵母培养, 每升的最终产量约为2毫克纯化蛋白, 每升纯化的 atbor1 和 osbor3 的最终产量约为1毫克。这些数字是从4-5 克膜中纯化的蛋白质量, 这些蛋白质来源于我们最初制备细胞的一半。
交联实验表明, 纯化的同功转运体可以很容易地在溶液中进行组装 (图 2)。含有安全数据单预处理的样品的目的是表明交联取决于溶液中的折叠状态, 因此, 当使用苛刻的洗涤剂破坏多聚化时, 不会发生交联。结果表明, 在这些条件下, 三个硼酸盐转运体中的一个在 ddm 中纯化时没有二聚, 而另外两个, atbor1 和 osbor3, 交联并显示二聚化。可以看出, 并不是所有的蛋白质都可能交叉联系。在本例中, 可以看到 osbor3 单体的微量, 而 atbor1 则与完成有交叉链接。交联的程度将取决于彼此接近的赖氨酸残基的数量, 其他交联试剂有可能有效地交联不同的膜蛋白。
图 1.三种硼酸盐转运体的镍亲和力和大小排除色谱纯化.每个垂直面板 (a)、(b) 和 (c)都包含 scbor1、atbor1 和 osbor3 的数据。(a) 镍亲和性柱。m 是一个分子量标记的梯子, 左边指定了 kda 的重量。l 是粗裂解液, w 是 80 mm 咪唑洗。所有其他编号车道对应于1毫升分数洗脱 300 mm 咪唑。分数上方的条形图表示哪些酒吧被选择合并并集中在柱上注射。(b) p 表示在注射到 s200 柱之前的浓缩蛋白。被洗脱的 sec 分数在右边, 括号用于匹配凝胶车道与它们的色谱分数在 (c)。空隙量在8毫升之后。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2.交联分析评估了多聚体组装的纯化转运体.左边是一个分子量大的梯子。高于一切其他车道显示哪些蛋白质是存在的, 并且样品是否有戊二醛添加或在戊二醛添加之前 sds 的预处理。箭头表示 atbor1 和 osbor3 的单体和二聚体的位置。scbor1 是一种比 atbor1 和 osbor3 更小的蛋白质, 如预期的那样运行。请点击这里查看此图的较大版本.
在这里, 我们分享了详细的协议, 导致纯化到同质性三种不同的真核硼酸盐转运体。这里提出的协议来自于其他协议的整体膜蛋白的表达在酿酒酵母1,14, 我们的优化导致提高纯度和产量。这里优化的参数包括细胞培养生长体积和时间, 珠状裂解过程, 细胞裂解过程中的缓冲液成分和蛋白质纯化量, 每个克膜使用的洗涤剂量, 亲和度纯化中的金属离子识别,亲和柱的体积, 并实施交联法, 通过评估寡聚转运体的多聚状态来评估同源和洗涤剂的适宜性。这些协议是成功的多个 slc4 同源物从植物和真菌物种。整体膜蛋白纯化策略的局限性在于, 不存在保证有效的通用膜蛋白纯化方法。我们的协议有可能在序列识别和结构上更接近 slc4 转运体的蛋白质方面取得成功, 因此 slc4、slc23 和 slc26 家族的成员可能是有希望的目标15。同样, 从进化上看, 膜转运体的距离越远, 协议就越有可能不同, 例如通过改变表达系统、洗涤剂或其他关键参数4。
该协议利用了蛋白质纯化中最常用的亲和标签--his-tag。尽管最初的洗脱分数中存在杂质, 但镍亲和力、广泛洗涤和随后的 sec 纯化的组合导致了高度纯化的蛋白质。10-hs 标签允许更严格的咪唑洗涤, 因此可以去除更多的背景结合蛋白, 而不是在8-hi-hs 或 6-hi-hid 标签允许的洗涤中去除的蛋白质。我们选择的纯分数错误的保守方面的最高的纯凝胶分数, 这对应于峰值证交会分数。最终的蛋白质产量可以通过汇集和浓缩更多的分数来增加, 尽管要权衡稍微不那么纯的蛋白质。这里介绍的方法使 atbor1 的纯化量达到了测定其晶体结构7的效果, 其纯化差异包括切断 hi-tag 和将转运器交换成不同的洗涤剂, 以提高晶体衍射7。
我们的协议提出了重要的考虑选择同源物和洗涤剂用于溶解和纯化它们。ddm 是洗涤剂常见的首选, 因为它相对温和, 在溶解性上往往是成功的, 并已被用于各种膜蛋白的结构和功能研究。在确定洗涤剂是否对膜的选择不佳时, 一种常见的评价方法是, 该蛋白是否在 sec 色谱图上给出了一个单点峰, 而不是在空隙体积中给出一个大峰, 还是给出了一个多分散峰的范围。表示错误折叠或不稳定的蛋白质。我们对 scbor1 的纯化提出了一个更微妙的考虑。它大量净化, 在证交会色谱图上看起来是有利的和单分散的, 这表明它可能是结构研究的一个有吸引力的目标。然而, 我们的交联试验表明, 它是一个单体时, 纯化。虽然 scbor1 有可能在细胞中作为单体本身存在, 但研究表明, slc4 运输机及其同源体很可能是 dimers7、8、9、10。我们在形成并求解 atbor1 结构后, 进行了交联分析。然而, 如果我们能够与 atbor1 相比, 用交联分析来评估 scbor1, 那么宝贵的时间和研究工作本可以被转用于追求 atbor1 而不是 scbor1, 后者最终在结晶和衍射实验。因此, 这种检测可以帮助研究人员区分在进行结构研究时使用的同源物或洗涤剂, 以便确定蛋白质保持其疑似本生构象的条件。此外, 该检测可用于探测哪些氨基酸对多聚至关重要, 以寻找破坏多聚化界面稳定并导致强制单体的氨基酸替代。采用这种方法, 探讨了膜转运体 16、17、18 中同功组装的功能意义。
我们的方法的一个普遍优势是, 酵母已被证明能够表达许多具有挑战性的膜蛋白的各种功能1。此外, 它的低成本和生长时间促进了它的可及性, 许多研究工作, 可能不太能够使用需要组织培养或昂贵的生长介质的表达策略。这里介绍的程序相对便宜, 可以在一周内执行, 这突出了这种方法的可行性。这些协议的实施有助于对其他具有挑战性的膜蛋白进行结构和功能研究。
作者没有什么可透露的。
这项研究得到了戴维森学院创业基金的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M3148 | |
4-Morpholinoethanesulfonic acid hydrate (MES) | Acros | 172591000 | |
Äkta Pure 25 L FPLC | GE Healthcare | 29018224 | |
Amicon Ultra 15 mL, 50 kDa MWCO concentrator | Millipore | UFC905024 | for concentrating nickel column fractions |
Amicon Ultra 4 mL, 50 kDa MWCO concentrator | Millipore | UFC805024 | for concentrating S200 fractions |
Bacto Peptone | BD Diagnostics | 211677 | |
Bacto Yeast Extract | BD Diagnostics | 288620 | |
Glass Erlenmeyer flask, 2L | Sigma-Aldrich | CLS44442L | |
Benchtop centrifuge | Sorvall | Legend RT | |
Bottle top filter | Nalgene | 595-4520 | the membrane is removed and used to filter glass beads |
Bromophenol blue | Sigma-Aldrich | 114391 | |
Complete supplement mixture without histidine | Sunrise Science | 1006-100 | |
D-Galactose | Sigma-Aldrich | G0750 | |
D-Glucose | Sigma-Aldrich | RDD016 | |
Ethanol, 200 proof | Pharmco-Aaper | 111000200 | |
Ethylenediaminetetraacetic Acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | EDS-500G | |
Gel tank SDS-PAGE system | Bio-Rad | 1658004 | |
Glass bead-beating cell disruptor | BioSpec | 1107900 | |
Glass beads, 0.5mm | BioSpec | 11079105 | |
Glutaraldehyde | Electron Microscopy Sciences | 16019 | sent as an 8% solution under nitrogen |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G7893 | |
HiTrap IMAC FF column, 1 mL | GE Healthcare | 17-0921-02 | charged with nickel |
Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 258148 | |
Imidazole | Acros | 12202 | |
Instant Blue gel stain | Expedeon | ISB1L | |
JA-10 rotor | Beckman | 369687 | |
JA-14 rotor | Beckman | 339247 | |
Microcentrifuge tubes, 1.5mL | Thermo Scientific | 3451 | |
Microcentrifuge, refrigerated | Fisher | 13-100-676 | |
Mini-Protean Tris-glycine gels, 4-20% | Bio-Rad | 456-1096 | |
Minipuls 3 peristaltic pump | Gilson | F155005 | used for loading lysate onto affinity column |
n-Dodecyl-beta-D-Maltopyranoside (DDM) | Inalco | 1758-1350 | |
Nickel(II) Sulfate Hexahydrate | Sigma-Aldrich | 227676 | |
Orbital shaking incubator with temperature control | New Brunswick | C24 | |
p423 GAL1 plasmid with borate transporter insert | available from authors | ||
Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF) | Acros | 215740050 | |
Polycarbonate ultracentrifuge tubes | Beckman | 355618 | |
Polypropylene bottles, 250mL | Beckman | 356011 | |
Polypropylene bottles, 500mL | Beckman | 355607 | |
Precision Plus Protein Kaleidoscope Standards | Bio-Rad | 1610375 | |
S. cerevisiae expression strain DSY-5 | available from authors | ||
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S7653 | |
Sodium dodecyl sulfate | Sigma-Aldrich | L3771 | |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S8045 | |
Spin column with 0.2 µm filter, 0.5mL | Millipore | UFC30GV0S | for filtering protein before injecting onto S200 column |
Sterile Falcon tubes, 15mL | Lab Depot | TLD431696 | |
Sterile Falcon tubes, 50mL | Lab Depot | TLD431698 | |
Superdex 200 10/300 GL column | GE Healthcare | 17-5175-01 | used for SEC purification |
Syringe filter, 5µm | Pall | 4650 | for filtering lysate before loading affinity column |
Tris-base | Sigma-Aldrich | T1503 | |
Type 70 Ti rotor | Beckman | 337922 | |
Ultracentrifuge | Beckman | L8-70M | |
YNB+Nitrogen without amino acids | Sunrise Science | 1501-500 |
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