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Method Article
Les bifidobactéries possèdent une capacité génomique unique pour le clivage des N-glycanes. La production recombinante de ces enzymes serait un nouvel outil prometteur pour libérer des N-glycanes bioactifs à partir de substrats riches en glycoprotéines tels que le colostrum.
La glycosylation des protéines est une modification post-traductionnelle diverse et courante qui a été associée à de nombreux rôles importants tels que la fonction des protéines, y compris le repliement des protéines, la stabilité, la protection enzymatique et la reconnaissance biologique. Les N-glycanes attachés aux glycoprotéines (telles que la lactoferrine, la lactadérine et les immunoglobulines) ne peuvent pas être digérés par l’hôte et atteignent le gros intestin, où ils sont consommés par certains microbes bénéfiques. Par conséquent, ils sont considérés comme des composés prébiotiques de nouvelle génération qui peuvent stimuler sélectivement les micro-organismes bénéfiques du microbiome intestinal. Cependant, l’isolement de ces nouvelles classes de prébiotiques nécessite de nouvelles enzymes. Ici, nous décrivons la production recombinante de nouvelles glycosidases à partir de différentes souches de bifidobactéries (isolées chez les nourrissons, les lapins, les poulets et les bourdons) pour améliorer l’isolement des N-glycanes à partir des glycoprotéines. La méthode présentée dans cette étude comprend les étapes suivantes : clonage moléculaire de gènes bifidobactériens par une stratégie de clonage recombinatoire in vivo , contrôle du succès de transformation, induction de protéines et purification des protéines.
La glycosylation est une modification post-traductionnelle très cruciale observée dans les protéines. Environ plus de 50 % des protéines se trouvent sous leurs formes glycosylées chez les eucaryotes. La N- et l’O-glycosylation sont les deux principaux types de glycosylation 1,2. Les glycanes liés à l’O (O-glycanes) sont attachés de manière covalente aux protéines via la N-acétylgalactosamine au groupe hydroxyle d’un résidu d’acide aminé sérine (Ser) ou thréonine (Thr). Les glycanes liés à l’azote (N-glycanes) sont des oligosaccharides complexes, qui sont liés de manière covalente au résidu d’acide aminé de l’asparagine (Asn) des protéines par l’intermédiaire de la N-acétylglucosamine (GlcNAc) dans une séquence d’acides aminés particulière commeN-X-Ser/Thr et une séquence moins courante, commeN-X-Cys (cystéine) (où X pourrait être n’importe quel acide aminé sauf la proline)3,4. Le noyau basique de N-glycane est constitué de deux résidus d’HexNAc et de trois résidus de mannose. L’allongement ultérieur de ce tronc commun avec d’autres monosaccharides via les enzymes glycosyltransférase et glycosidase détermine le type de N-glycanes en fonction du degré de ramification et du type de liaison5. Les N-glycanes sont généralement regroupés en trois classes principales : mannose élevé (HM), type complexe (CT) et hybride (HY)6.
Les N-glycanes sont des composés non digestibles par les organismes hôtes en raison du manque d’enzymes glycosides hydrolases. Ces composés atteignent l’intestin grêle / gros sous une forme non digérée où des milliers d’espèces bactériennes différentes les utilisent, et ils peuvent agir comme des prébiotiques en favorisant des microbes intestinaux spécialisés, en particulier l’espèce Bifidobacterium 7. Des découvertes récentes ont montré que les N-glycanes stimulent sélectivement la croissance de certaines espèces bactériennes 8,9. Les N-glycanes libérés par les glycoprotéines du lait bovin ont stimulé sélectivement la croissance de Bifidobacterium longum sous-espèce infantis (B. infantis), qui est une espèce bifidobactérienne cruciale dans l’intestin du nourrisson, mais d’autres espèces bifidobactériennes telles que Bifidobacterium animalis (B. animalis) n’ont pas utilisé ces composés9. De plus, une étude in vivo récente a démontré que 19 N-glycanes uniques provenant de la lactoferrine et des immunoglobulines du lait stimulent sélectivement la croissance de B. infantis8. En particulier, B. infantis possède une capacité génomique pour le clivage et le métabolisme des glycanes. Une endo-β-N-acétylglucosaminidase (EndoBI-1), qui appartient à la famille des glycosyl hydrolases 18, produite de manière recombinante à partir de la souche ATCC 15697 de B. infantis, a montré une activité élevée sur les glycoprotéines du lait dans des conditions in vitro 9,10. Cette nouvelle enzyme glycoside hydrolase peut cliver les parties N-N'-diacétylchitobiose présentes dans les N-glycanes 10,11. L’activité d’EndoBI-1 n’est pas affectée par la fucosylation du cœur et les différentes conditions de réaction telles que la température élevée, le pH, le temps de réaction, etc. 3,11,12. Cette caractéristique unique des glycosides hydrolases bifidobactériennes fournit un outil prometteur pour la production de N-glycanes à partir de substrats riches en glycoprotéines tels que le colostrum bovin13,14.
Plusieurs méthodes de déglycosylation développées chimiquement et enzymatiquement ont été largement utilisées pour obtenir des N-glycanes et des O-glycanes à partir des glycoprotéines 2,15. Les méthodes chimiques sont largement utilisées en glycobiologie pour la déglycosylation des glycoprotéines en raison de leur facilité d’utilisation, de leur faible coût et de leur spécificité élevée du substrat16. Les méthodes de déglycosylation chimique les plus courantes sont la β-élimination et l’hydrazination17. Parmi ces méthodes, la β-élimination est basée sur le principe du clivage des glycanes des glycoprotéines par exposition des glycoprotéines à des conditions alcalines. Les glycanes libérés peuvent être dégradés au cours du processus en raison des réactions de β-élimination, mais ce problème peut être évité en utilisant des agents réducteurs tels que le borohydrure de sodium (NaBH4)18,19,20. La méthode de β-élimination présente différentes limites. Les agents réducteurs convertissent les glycanes en alditols, les empêchent de se lier à un fluorophore ou à un chromophore. Ainsi, il devient difficile de surveiller la libération de glycanes19,20. En raison de la teneur élevée en sel dans l’étape de nettoyage de la méthode, l’élution peut entraîner des pertes d’échantillon20. Une autre méthode de libération de glycane à partir de glycoprotéines est la méthode à l’hydrazine basée sur le principe de la réaction d’hydrolyse après l’ajout d’hydrazine anhydre à la glycoprotéine. Comme elle permet de contrôler l’isolement des glycanes en modifiant les conditions de réaction telles que la température, la méthode de l’hydrazination a été largement utilisée en glycobiologie21. La déglycosylation chimique peut également être effectuée à l’aide de la formulation anhydre de fluorure d’hydrogène et d’acide trifluoroacétique, en plus d’autres méthodes de déglycosylation chimique 16,22,23. La libération enzymatique de N-glycanes à partir des glycoprotéines est généralement effectuée par les peptidyl-N-glycosidases (PNGases) qui libèrent généralement des N-glycanes, quelle que soit leur taille et leur charge 24,25,26,27. Semblable aux méthodes de déglycosylation chimique, le processus de déglycosylation enzymatique présente des défis différents. Les PNGases montrent une activité en présence de plusieurs détergents utilisés, ce qui augmente l’accessibilité de l’enzyme aux glycanes. Cependant, ces traitements sévères pourraient perturber les glycanes natifs et les structures polypeptidiques restantes28. Les PNGases peuvent ne pas cliver les glycanes lorsqu’il y a un fucose lié à la N-acétylglucosamine29. Diverses endoglycosidases telles que F1, F2 et F3 montrent plus d’activité sur les protéines natives que les PNGases. Ces endoglycosidases ont une faible activité sur les glycanes à antennes multiples, tandis que le nouvel EndoBI-1, résistant à la chaleur, est efficace dans tous les types de N-glycanes 10,11,28. En ce qui concerne les limites des méthodes actuelles, il est évident que de nouvelles enzymes sont toujours nécessaires pour une libération efficace de glycanes sans aucune restriction. À cette fin, les espèces bifidobactériennes, qui ont un grand îlot génomique codant pour diverses enzymes glycosides hydrolases, permettent de cliver les N-glycanes des glycoprotéines30,31. Dans le cadre de ce contexte, l’objectif général de cette étude est de découvrir de nouvelles glycosidases à partir des différentes espèces de bifidobactéries. Pour produire ces enzymes de manière recombinante, différentes étiquettes de fusion sont destinées à améliorer leur production ainsi que leur activité.
1. Clonage moléculaire des gènes bifidobactériens
2. Induction de l’expression des protéines par le L-rhamnose
3. Lyse cellulaire de cellules E. coli chimiquement compétentes contenant des enzymes marquées par son propre produit
4. Purification des enzymes marquées à l’his par la méthode par lots
Les enzymes membres de la glycosyl hydrolase sélectionnées de différentes origines ont été ciblées dans cette étude. On a supposé que l’application concomitante de différentes enzymes avec des structures différentes pourrait fournir une meilleure libération de glycanes puisqu’elles ont évolué pour être actives dans différentes glycoprotéines. La liste des gènes cibles et leur origine figure dans le tableau 1. Des souches bactériennes ont été obten...
La stratégie de clonage recombinatoire in vivo utilisée pour le clonage moléculaire des gènes cibles fournit des résultats rapides et fiables par rapport aux autres protocoles de clonage traditionnels. Même s’il existe de nombreuses méthodes pratiques pour le clonage moléculaire, la méthode décrite dans cet article présente plus d’avantages. Le système de clonage in vivo , contrairement à d’autres systèmes de clonage, n’a besoin d’aucun traitemen...
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Cette étude est soutenue par TUBITAK #118z146 et Uluova Süt Ticaret A.Ş (Uluova Milk Trading Co.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
EconoTaq PLUS 2X Master Mix | Lucigen | 30035-1 | Amplification of target genes (PCR) |
DNase/RNase-free distilled water | Invitrogen | 10977035 | Amplification of target genes (PCR) |
Safe-Red Loading Dye | abm | G108-R | DNA gel electrophoresis |
1 kb Plus DNA Ladder | GoldBio | D011-500 | DNA gel electrophoresis |
Qubit protein assay kit | Invitrogen | Q33211 | Measurement of DNA concentration |
LB Broth, Miller (Luria-Bertani) | amresco | J106-2KG | Bacterial culture media |
Agarose | Invitrogen | 16500-500 | Bacterial culture mediaet al. |
Kanamycin Monosulfate | GoldBio | K-120-5 | Antibiotic in bacterial culture media |
Expresso Rhamnose Cloning and Expression System Kit, N-His | Lucigen | 49011-1 | Cloning Kit |
Expresso Rhamnose Cloning and Expression System Kit, SUMO | Lucigen | 49013-1 | Cloning Kit |
Expresso Rhamnose Cloning and Expression System Kit, C-His | Lucigen | 49012-1 | Cloning Kit |
Glycerol Solution | Sigma-Aldrich | 15524-1L-R | Preparation of glycerol stock |
L-Rhamnose monohydrate | Sigma-Aldrich | 83650 | Induction of protein expression |
2X Laemmli Sample Buffer | ClearBand | TGS10 | SDS-Page analysis |
SureCast 40% (w/v) Acrylamide | Invitrogen | HC2040 | SDS-Page analysis |
SureCast APS | Invitrogen | HC2005 | SDS-Page analysis |
SureCast TEMED | Invitrogen | HC2006 | SDS-Page analysis |
10X Running Buffer | ClearBand | TGS10 | SDS-Page analysis |
Triset al. | BioShop | TRS001.1 | SDS-Page analysis and cell lysis |
10% SDS | ClearBand | S100 | SDS-Page analysis |
PageRuler Plus Prestained Protein Ladder | ThermoFisher | 26619 | SDS-Page analysis |
Imidazole | Sigma-Aldrich | 56750 | Cell lysis |
NaCl | Sigma-Aldrich | 31434-5Kg-R | Cell lysis |
Sodium Phosphate Monobasic Anhydrous | amresco | 0571-1Kg | Sodium phosphate buffer for cell lysis |
Sodium Phosphate Dibasic Dihydrateet al. | Sigma-Aldrich | 04272-1Kg | Sodium phosphate buffer for cell lysis |
10-kDa-cut-off centrifugal filter | Amicon®- MERCK | UFC9010 | Purification of enzymes |
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