该协议描述了用于结晶甾醇转运蛋白ABCG5 / G8的设置。ABCG5/G8被复构成双细胞进行悬滴结晶。该协议不需要专门的材料或底物,因此可以在任何实验室中轻松使用,以通过X射线晶体学确定蛋白质结构。
ATP 结合盒 (ABC) 转运蛋白构成脂质包埋膜蛋白。通常通过使用去污剂将这些膜蛋白从脂质双层提取到水环境中。这些去污剂分解脂质双层并溶解蛋白质。脂质双层内膜蛋白的内在栖息地对保持其在溶液中的稳定性和均匀性以进行结构表征提出了挑战。由长链和短链磷脂和洗涤剂组成的双细胞复制了天然脂质结构。脂质双细胞和去污剂的利用可作为获得高质量衍射晶体的合适模型系统,特别是用于确定膜蛋白的高分辨率结构。通过这些合成微环境,膜蛋白保留了其天然构象和功能,促进了三维晶体的形成。在这种方法中,洗涤剂溶解的异二聚体ABCG5 / G8被重新整合到DMPC / CHAPSO双细胞中,并补充了胆固醇。该装置被用于蛋白质结晶的蒸汽扩散实验程序。
ATP 结合盒 (ABC) 转运蛋白构成膜蛋白超家族,负责跨生物膜的不同 ATP 依赖性转运过程 1,2,3,4,5。这些转运蛋白与心血管疾病有关,在促进胆固醇流向胆汁以随后在肝脏中排泄方面发挥重要作用。因此,胆固醇代谢和平衡多年来引起了人们的极大兴趣6.从体内消除胆固醇和其他甾醇的特定机制涉及人类 ABCG 亚家族的成员,特别是异二聚体 ABCG5/G8 7,8,9,10。这些基因中的任何一个的突变都会破坏异二聚体,导致功能丧失并导致 sitosterodemia,这是一种影响甾醇运输的疾病11,12,13。鉴于该疾病的相关性及其在促进胆固醇外流中的作用,甾醇转运蛋白引起了人们的极大关注。然而,其分子机制和底物选择性的复杂细节在很大程度上仍未公开。因此,阐明ABCG5/G8的晶体结构是理解胆固醇转运机制和下游功能的关键一步。
膜蛋白需要锚定在膜内才能折叠并正常发挥作用。因此,从其自然环境中提取膜蛋白通常会导致蛋白质不稳定、错误折叠和功能丧失14,15。这些挑战凸显了膜蛋白结晶面临的主要障碍。然而,将蛋白质重建为合成洗涤剂双层(如双细胞)已成为解决这一困境的方法,使膜蛋白能够维持在类似天然的双层环境中16。双细胞是合成磷脂和洗涤剂的集合体,悬浮并溶于水。值得注意的是,它们采用模仿生物膜的双层结构16,17,18。双细胞可以根据温度和粘度在液相和凝胶相之间过渡。Bicelle 结晶利用小的双层圆盘和低粘度在降低温度下,促进蛋白质和 bicelle 溶液的彻底混合。双细胞的大小取决于制备过程中的洗涤剂与脂质的比率19,20。用于形成二烯酰胺的常用洗涤剂包括 3-[(3-胆酰胺丙基)二甲基氨基]-2-羟基-1-丙磺酸酯 (CHAPSO),以及 3-[(3-胆酰胺丙基)二甲基氨基]-1-丙烷磺酸酯 (CHAPS) 和 1,2-二十三烷酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱 (DHPC)21。这些洗涤剂与脂质结合使用,例如二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱 (DMPC) 和 1-棕榈酰基-2-油酰基磷脂酰胆碱 (POPC)。此外,最近的研究已经证明了在生理条件下双细胞内膜蛋白的全部功能。例如,Lee及其同事成功结晶并报道了基于脂质双层22,23的ABCG5 / ABCG8的晶体结构。在结晶过程中,可以使用标准设备(包括高通量结晶机器人24)来容纳蛋白质-双歧杆菌混合物。然而,利用双细胞的可行性取决于蛋白质的热稳定性,因为蛋白质在较高温度下的结晶条件。然而,与其他技术相比,膜蛋白的必要结晶条件通常保持温和,涉及低浓度的沉淀剂、盐和缓冲液。这使得蛋白质-双歧管混合物和蒸汽扩散成为膜蛋白结构研究的有效且易于实施的工具。
该协议概述了蛋白质制备和双晶体结晶的基本步骤,以高分辨率确定ABCG5 / G8的X射线晶体结构(图1)。
1. 克隆和蛋白表达
2.微粒体膜的制备
3. 蛋白质制备-异二聚体的纯化
4. 蛋白质制备-预结晶处理
5. 双细胞中的蛋白质结晶
重组 ABC 半转运蛋白、人 ABCG5 和 ABCG8 在 毕赤 酵母中共表达。然后通过离心分离酵母膜部分。如本方案所述,使用串联柱层析提取异二聚体蛋白。随后,通过将化学预处理的蛋白质与磷脂/胆固醇双细胞孵育而结晶。纯化和结晶过程的示意图如 图1所示。
为了评估纯化蛋白质的单分散性,将含有0.01-0.05mg / mL蛋白质的样品用1%-2%醋酸铀酰染色。然后使用负染色TEM检查这些样品(图2A)。为了在不进行冻融循环的情况下评估蛋白质的稳定性,采用了分析凝胶过滤色谱法。该分析涉及通过使用小的、等体积的蛋白质等分试样来监测纯化蛋白质的时程储存(图2B)。在4°C下孵育一周后,峰值组分的蛋白质可能会有轻微的损失,这可能是由于残留的可溶性蛋白质聚集体。尽管如此,整体蛋白质产量仍然足以进行晶体生长。使用负染色 TEM 和分析凝胶过滤色谱法是评估蛋白质结晶适用性的标准做法,尤其是来自不同工程结构的蛋白质。
为了评估柱层析过程每个步骤以及预结晶化学处理后的蛋白质质量,将对应于两个Ni-NTA柱、两个CBP柱、一个凝胶过滤和还原烷基化馏分的等分试样加载到10%SDS-PAGE凝胶上(图3)。此外,用于烷基化反应的相同反应环境可用于乙基汞(EMTS)的汞标记,尽管这超出了当前研究的范围。
每天使用配备偏光片的台式体视显微镜监测晶体的生长。成熟且适合数据收集的晶体通常达到 50 μm x 100 μm x 2 μm 的尺寸(图 4)。在晶体收获过程中,有意避免较小的晶体或团簇。
图 1:异二聚体 ABCG5/G8 的纯化 (A) 和双歧晶体结晶 (B) 的示意图。 重组人 ABCG5 (hG5) 和 ABCG8 (hG8) 的构建体分别携带 RGS-H 6-G-H6 和 3C-CBP 标签(A,顶部)。串联亲和柱层析,然后进行凝胶过滤层析,实现异二聚体纯化(A,底部)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2:纯化蛋白质的单分散性 (A) 和稳定性 (B) 的评估 。 (A) 使用 TEM 对阴性染色的 ABCG5/G8 (G5G8) 异二聚体进行电子显微照片。代表性粒子以白色实心圆圈突出显示。比例尺 = 100 nm。(B)在4°C下储存的烷基化蛋白质,通过分析凝胶过滤色谱法分析一个月,一周后蛋白质略有损失。 请点击这里查看此图的较大版本.
图3:柱层析和还原烷基化蛋白质洗脱液的SDS-PAGE分析。 将不同体积(1-10μL)的蛋白质组分上样到10%Tris/甘氨酸凝胶上,并在200V的恒定电压下运行45分钟。凝胶用考马斯蓝染色,脱色,风干,然后用台式扫描仪扫描。1° & 2° Ni:第一和第二根 Ni-NTA 柱;1° 和 2° CBP:第一和第二 CBP 柱;峰馏分实线:用于结晶的混合馏分;峰值分数虚线:肩部分数;EMTS:硫代水杨酸汞乙酯;IA:碘乙酰胺。 请点击这里查看此图的较大版本.
图4:通过光学显微镜评估蛋白质晶体成熟度。 在台式和配备偏光镜的体视显微镜下观察来自结晶液滴的ABCG5 / G8的成熟晶体。比例尺 = 100 μm。 请点击这里查看此图的较大版本.
与结晶膜蛋白相关的挑战促使脂质双层驱动的结晶方法的发展,例如bicelle27 或脂质立方相(LCP)14 方法。然而,实现膜蛋白的成功结晶仍然取决于蛋白质制备的关键步骤,有时甚至是瓶颈。值得注意的是,ABC转运蛋白在生长适合X射线晶体学的晶体方面存在巨大障碍。该协议为简化人ABCG5 / G8甾醇转运蛋白的制备和通过双晶结晶方法促进晶体生长提供了全面的实践指导。
设计该方案的一个关键考虑因素是在蛋白质纯化的初始阶段必须获得可观的蛋白质产量,在预结晶处理期间允许一定程度的蛋白质损失(图3)。应对这一挑战的常见策略包括广泛的蛋白质工程、利用不同表达宿主以及探索直系同源物或同源物等方法。然而,通过这个看似复杂的程序,已经确定了许多关键步骤,这些步骤支撑了该协议的成功,并提供了对研究其他ABC转运蛋白或膜蛋白时可能出现的潜在局限性的见解。
首先,该方案在每个步骤中都采用彻底离心,以尽量减少蛋白质聚集。此外,持续监测纯化蛋白质的热稳定性也至关重要。电子显微镜用于验证蛋白质的单分散性,而分析凝胶过滤则跟踪蛋白质随时间变化的稳定性(图2)。也可以采用圆二色性 (CD) 或差示扫描量热法 (DSC) 等替代技术。此外,在特定阶段掺入脂质对于最大限度地提高纯化 ABCG5/G8 的活性和结晶作用至关重要。例如,胆酸盐和 CHS 是表现出可测量的 ATP 水解所必需的;磷脂对于维持甲基化蛋白的稳定性是必不可少的;胆固醇是二烯溶液的必要成分,可促进晶体生长,适用于高分辨率X射线衍射(图4)。
从本质上讲,整个过程可以在一周的努力中完成。与LCP相比,从悬挂式结晶托盘中取出晶体非常简单。展望未来,该方案具有可观的蛋白质产量(约10mg),很容易适用于开发涉及ABCG5 / G8突变体或其他转运蛋白的晶体学研究。这对于目前无法通过电子显微镜进行可视化的病例尤其重要。
作者没有任何要透露的信息。
这项工作得到了自然科学与工程研究委员会发现资助(RGPIN 2018-04070)和加拿大卫生研究院研究项目资助(PJT-180640)的支持。该协议基于Farhat等人22 和Lee等人23先前报道的ABCG5 / G8晶体结构中的原始报告。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
(NH4)2SO4 | MilliporeSigma | A4915 | |
ABCG5 | National Institute of Health collection | NCBI accession number NM_022436 | |
ABCG8 | National Institute of Health collection | NCBI accession number NM_022437 | |
ÄKTA FPLC system | Cytiva (formerly GE Healthcare Life Sciences) | ||
CaCl2 | Wisent | 600-024-CG | Anhydrous |
CBP | Agilent | 214303 | Calmodulin binding peptide affinity resin |
Centrifugal concentrators (Vivaspin) | Sartorius | ||
CHAPSO | Anatrace | C317 | Anagrade |
Cholesterol | Anatrace | CH200 | |
CHS | Steraloids | C6823-000 | |
DMAB | MilliporeSigma | 180238 | 97% |
DMNG | Anatrace | NG322 | |
DMPC | Anatrace | D514 | |
DOPC | Avanti | 850375 | |
DOPC | Anatrace | D518 | |
DOPE | Avanti | 850725 | |
DTT | Fisher | BP172 | |
Dual Thickness MicroLoops | MiTeGen | ||
EDTA | BioShop | EDT003 | Disodium salt, dihydrate |
EGTA | MilliporeSigma | 324626 | |
Emulsifier (EmulsiFex-C3) | Avestin | ||
Endo H | New England Biolabs | P0702 | |
Ethanol | Greenfield | P016EAAN | Ethyl Alcohol Anhydrous |
Formaldehyde | MilliporeSigma | 252549 | ACS Reagent |
Glycerol | BioShop | GLY004 | |
HEPES | BioShop | HEP001 | |
HRV-3C protease | Homemade | ||
Imidazole | BioShop | IMD510 | Reagent grade |
Iodoacetamide | MilliporeSigma | I1149 | BioUltra |
Isopropanol | Fisher | BP2618212 | |
Leupeptin | BioShop | LEU001 | |
MES | MilliporeSigma | 69892 | BioUltra |
Methanol | Fisher | A412P | |
MgCl2 | Wisent | 800-070-CG | Hydrated |
microfluidizer (LM 20) | Microfluidics | ||
NaCl | BioShop | SOD002 | |
NH4OH | Fisher | A669-212 | ACS Reagent |
Ni-NTA superflow | Qiagen | 30430 | Nickel-charged resins |
PEG 400 | MilliporeSigma | 202398 | |
Pepstatin | BioShop | PEP605 | |
PMSF | MilliporeSigma | P7626 | |
pSGP18 and pLIC | Homemade (derived from pPICZ, Invitrogen) | ||
SDS | BioShop | SDS003 | |
Sodium cholate | Fisher | 229101 | |
Sodium malonate | MilliporeSigma | 63409 | |
Sucrose | Wisent | 800-081-WG | Ultra pure |
Superdex 200 30/100 GL | Cytiva (formerly GE Healthcare Life Sciences) | 28990944 | Prepacked gel-filtration column |
TCEP | |||
TEM | FEI, Technai | ||
Tris Base | Fisher | BP152 | |
β-DDM | Anatrace | D310S | Sol Grade |
β-mercaptoethanol | MilliporeSigma | ||
ε-aminocaproic acid | Fisher | AAA1471936 |
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