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Method Article
人膜转运蛋白的结构和生化研究需要毫克量的稳定、完整和均匀的蛋白质。在这里,我们描述了使用密码子优化基因筛选、表达和纯化人类溶质载体转运蛋白的可扩展方法。
溶质载体 (SLC) 是膜转运蛋白,可导入和输出一系列内源性和外源性底物,包括离子、营养物质、代谢物、神经递质和药物。尽管这组蛋白质已成为有吸引力的治疗靶点和疾病标志物,但目前的药物仍然相对不足。这些转运蛋白的药物发现项目受到有限的结构、功能和生理知识的阻碍,最终是由于这类膜包埋蛋白的表达和纯化困难。在这里,我们展示了使用密码子优化基因序列获得高纯度、毫克量的人SLC转运蛋白的方法。结合对构建体设计和高通量表达的系统探索,这些方案确保了靶蛋白的结构完整性和生化活性的保存。我们还重点介绍了这些蛋白质的真核细胞表达、亲和纯化和尺寸排阻色谱的关键步骤。最终,该工作流程可产生纯净、功能活性和稳定的蛋白质制剂,适用于高分辨率结构测定、转运研究、小分子结合测定和高通量 体外 筛选。
长期以来,膜蛋白一直是研究人员和制药行业的目标。其中,溶质载体 (SLC) 是一个由人类基因组中编码的 400 多个次级转运蛋白基因组成的家族1。这些转运蛋白参与许多分子的进出口,包括离子2、神经递质3、脂质4、5、6、7、氨基酸8、营养素9、10、11 和药物 12。由于底物如此广泛,这些蛋白质还通过毒素 13 的转运、滥用药物14、15 的转运和抑制或有害突变16 与一系列病理生理学有关。细菌同源物已成为几个SLC家族17,18,19,20,21,22,23,24,25的基本运输机制的原型。与人类蛋白质相比,原核直系同源物通常在众所周知的大肠杆菌表达系统26,27 中表达得更好,并且在较小的去污剂中更稳定,这些去污剂产生用于 X 射线晶体学的有序晶体28。然而,序列和功能差异使这些远缘相关蛋白质用于药物发现变得复杂29,30。因此,通常需要对人类蛋白质进行直接研究,以破译靶向 SLC31、32、33、34、35 的药物的作用机制。虽然冷冻电子显微镜 (Cryo-EM) 的最新进展使得在更天然的类似条件下对 SLC 进行结构表征36,37,但表达和纯化这些蛋白质的困难仍然是开发靶向治疗和诊断的挑战。
为了缓解这一挑战,RESOLUTE联盟(re-solute.eu)开发了用于大规模表达和纯化人SLC家族蛋白的资源和方案38。从密码子优化基因开始,我们开发了用于SLC构建体的高通量克隆和筛选方法。这些方法被系统地应用于整个SLC家族,将基因克隆到BacMam病毒表达系统中,并基于先前描述的高通量克隆和表达测试方法40,在人类细胞系39中测试蛋白质表达。总之,SLC 基因从 pDONR221 质粒克隆到 pHTBV1.1 载体中。该构建体随后用于将目的基因转置到用于转染昆虫细胞的杆粒载体中,其中包括用于在哺乳动物细胞中表达的巨细胞病毒启动子和增强子元件。所得杆状病毒可用于转导哺乳动物细胞以表达靶标SLC蛋白。
我们进一步开发了用于大规模表达和稳定纯化选定SLC的标准化方法(图1)。该协议包括多个检查点,以促进有效的故障排除并最大限度地减少实验之间的差异。值得注意的是,链球菌和绿色荧光蛋白 (GFP) 标签41,42 有助于蛋白质表达和定位的常规监测,以及单个靶标纯化条件的小规模优化。
最终,这些化学纯度和结构均质的蛋白质样品可用于通过 X 射线晶体学或冷冻电子显微镜 (Cryo-EM) 进行结构测定、生化靶标结合测定、免疫以生成粘合剂,以及通过复溶到化学定义的脂质体中进行无细胞功能研究。
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注:所有密码子优化的RESOLUTE SLC基因均已沉积在AddGene43中,其链接可在RESOLUTE公共试剂44列表中找到。这些基因已被克隆到 pDONR221 质粒中,并允许使用重组克隆45 将基因直接克隆到目标载体中。为了最大限度地提高平行性,细菌,昆虫和哺乳动物细胞以块形式生长,分别用于杆粒生产(第3节),杆状病毒扩增(第5节)和表达测试(第6节)。对于这些步骤,需要微表情振荡器以确保充分的混合和通气。
1. 将SLCs(高通量)克隆到pHTBV1.1杆粒中
注:克隆步骤使用重组克隆方案进行高效克隆,并使用热休克方法46转化为大肠杆菌(大肠杆菌)。该方案专为多个靶标或构建体的高通量和并行克隆而设计,但可以很容易地适应较小的规模。
2. 换位
注:以下步骤用于将 SLC 基因从 pHTBV1.1 载体转置到杆粒中,以便在 Sf9 细胞中产生 BacMam 杆状病毒。使用热休克方法46,将pHTBV1.1载体转化为DH10Bac感受 态大肠杆菌 细胞,其含有具有lacZ-mini-attTn7融合的亲本杆粒。在辅助质粒48 提供的转座蛋白存在的情况下,在 pHTBV1.1 载体的元件和亲本杆粒之间发生转座。有关该协议中使用的溶液的组成,请参见 表2 。
3. 高通量杆粒生产
注:该方案描述了使用96孔杆粒纯化试剂盒提取杆粒的步骤。
4. 转染
注意:这些步骤用于用产生的杆粒转染 Sf9 昆虫细胞,这会导致昆虫细胞产生杆状病毒颗粒 (P0)。
5. BacMam 杆状病毒扩增
注意:以下步骤用于将初始 P0 杆状病毒扩增为更高滴度的病毒储备;即 P1、P2 和 P3。最终的 P3 滴度适用于转导和蛋白表达。为了提高效率和并行性,该协议使用固定的体积比进行病毒扩增,该病毒扩增已经过经验优化。然而,如果随后转导的细胞未通过显微镜显示GFP荧光和细胞直径增加,或者如果蛋白质表达失败(参见第6节和第8节),则在定量杆状病毒滴度49,50,51,52后,应重新优化杆状病毒扩增,以便在每个步骤中降低感染的多重性,并通过GFP荧光显微镜监测感染并增加细胞直径53。
6. 转导表达检测
注:以下部分描述了小规模表达测试,可以进行修改,以便使用深孔模块对多个构建体进行并行测试。
7. 高通量小规模测试纯化
注:以下步骤描述了 24 孔模块格式的快速测试纯化工作流程,用于筛选单个 SLC 的表达水平。有关该协议中使用的溶液的组成,请参见 表2 。
8. 大规模表达的转导
注:以下步骤是SLC表达的标准RESOLUTE协议。单个靶标需要进一步优化丁酸钠的表达时间、孵育温度和浓度。此外,我们通过在小规模实验中测试用于感染悬浮适应 HEK293 细胞的 P3 病毒的各种体积比来常规优化杆状病毒感染的多样性。这节省了时间,使用手头已有的技术和设备,并直接评估所需的实验结果。然而,这种经验方法需要对 P3 病毒的每次扩增进行重新优化,并且可以使用其他方法来量化杆状病毒颗粒 49,50,51,52。
9. 蛋白质纯化
注:以下是用于 5 L 细胞培养物 SLC 纯化的标准 RESOLUTE 方法。对于每个 SLC 目标,必须根据经验确定最佳洗涤剂。提前准备基础缓冲液、去污剂储备液、洗涤液、洗脱液和 SEC 缓冲液(表 2)。有关测试的标准洗涤剂列表,请参阅 表 3。洗涤缓冲液中的 ATP 和 MgCl2 可减少热休克蛋白的污染。
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SLC基因可以从RESOLUTE pDONR质粒克隆到BacMam载体中,用于哺乳动物表达
所描述的克隆、表达和纯化方案已被证明对跨多个蛋白质折叠的许多 SLC 转运蛋白是成功的。然而,这些程序包括几个用于监测进展的检查点,允许优化以考虑表达、蛋白质折叠、脂质和去污剂依赖性稳定性以及对缓冲液条件的敏感性的差异。
SLC克隆和小规模表达过程中的检查点
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由于缺乏对转运蛋白功能的系统表征,SLC靶向疗法的开发仍然受到阻碍。这导致相对于 GPCR 和离子通道63 靶向该蛋白质类别的药物不成比例地减少,尽管它们在正常和病理生理过程中具有许多作用。RESOLUTE是一个国际联盟,旨在开发尖端的研究技术和工具,以加速和改进当前的SLC研究。作为RESOLUTE的一部分,我们开发了这些方案,用于人类SLC的高效克隆、构建体筛选以及大规模表...
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提交人声明没有相互竞争的经济利益。
这项工作是在RESOLUTE项目中完成的。RESOLUTE已根据第777372号赠款协议从创新药物倡议2联合承诺中获得资金。这项联合承诺得到了欧盟地平线2020研究和创新计划以及EFPIA的支持。本文仅反映作者的观点,IMI 、欧盟和 EFPIA 均不对其中所含信息的任何使用负责。pHTBV质粒由Frederick Boyce教授(哈佛大学)友情提供。
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
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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