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Method Article
I bifidobatteri possiedono una capacità genomica unica per la scissione degli N-glicani. La produzione ricombinante di questi enzimi sarebbe un nuovo strumento promettente per rilasciare N-glicani bioattivi da substrati ricchi di glicoproteine come il colostro.
La glicosilazione delle proteine è una modifica post-traduzionale diversificata e comune che è stata associata a molti ruoli importanti come la funzione delle proteine, tra cui il ripiegamento delle proteine, la stabilità, la protezione enzimatica e il riconoscimento biologico. Gli N-glicani attaccati alle glicoproteine (come la lattoferrina, la lattaferina e le immunoglobuline) non possono essere digeriti dall'ospite e raggiungono l'intestino crasso, dove vengono consumati da alcuni microbi benefici. Pertanto, sono considerati composti prebiotici di nuova generazione in grado di stimolare selettivamente i microrganismi benefici del microbioma intestinale. Tuttavia, l'isolamento di queste nuove classi di prebiotici richiede nuovi enzimi. Qui, descriviamo la produzione ricombinante di nuove glicosidasi da diversi ceppi di Bifidobatteri (isolati da neonati, conigli, polli e bombi) per un migliore isolamento degli N-glicani dalle glicoproteine. Il metodo presentato in questo studio include le seguenti fasi: clonaggio molecolare di geni bifidobatterici mediante una strategia di clonazione ricombinante in vivo, controllo del successo della trasformazione, induzione delle proteine e purificazione delle proteine.
La glicosilazione è una modificazione post-traduzionale molto cruciale osservata nelle proteine. Circa più del 50% delle proteine si trova nelle loro forme glicosilate negli eucarioti. N- e O-glicosilazione sono i due principali tipi di glicosilazione 1,2. I glicani legati agli O (O-glicani) sono legati in modo covalente alle proteine tramite N-acetilgalattosamina al gruppo ossidrile di residui di amminoacidi serina (Ser) o treonina (Thr). Gli N-glicani legati (N-glicani) sono oligosaccaridi complessi, che sono legati covalentemente all'asparagina (Asn) residuo aminoacidico delle proteine attraverso la N-acetilglucosamina (GlcNAc) in una particolare sequenza di aminoacidi AsN-X-Ser/Thr e in una meno comune, AsN-X-Cys (cisteina) (dove X potrebbe essere qualsiasi amminoacido tranne la prolina)3,4. Il nucleo basico di N-glicano è costituito da due residui di HexNAc e tre residui di mannosio. L'ulteriore allungamento di questo nucleo comune con altri monosaccaridi tramite gli enzimi glicosiltransferasi e glicosidasi determina il tipo di N-glicani in base al grado di ramificazione e al tipo di legame5. Gli N-glicani sono generalmente raggruppati in tre classi principali: mannosio alto (HM), tipo complesso (CT) e ibrido (HY)6.
Gli N-glicani sono composti indigeribili dagli organismi ospiti a causa della mancanza di enzimi glicosidici idrolasi. Questi composti raggiungono l'intestino tenue/crasso in una forma non digerita dove migliaia di specie batteriche diverse li utilizzano e possono agire come prebiotici promuovendo microbi intestinali specializzati, in particolare le specie Bifidobacterium 7. Recenti scoperte hanno dimostrato che gli N-glicani stimolano selettivamente la crescita di alcune specie batteriche 8,9. Gli N-glicani rilasciati dalle glicoproteine del latte bovino hanno stimolato selettivamente la crescita della sottospecie di Bifidobacterium longum infantis (B. infantis), che è una specie bifidobatterica cruciale nell'intestino del bambino, ma altre specie bifidobatteriche come il Bifidobacterium animalis (B. animalis) non hanno utilizzato questi composti9. Inoltre, un recente studio in vivo ha dimostrato che 19 N-glicani unici della lattoferrina del latte e delle immunoglobuline stimolano selettivamente la crescita di B. infantis8. In particolare, B. infantis possiede una capacità genomica per la scissione e il metabolismo dei glicani. Una endo-β-N-acetilglucosaminidasi (EndoBI-1), appartenente alla famiglia delle glicosil idrolasi 18, prodotta ricombinante da B. infantis ATCC 15697, ha mostrato un'elevata attività sulle glicoproteine del latte in condizioni in vitro 9,10. Questo nuovo enzima glicoside idrolasi è in grado di scindere le parti N-N'-diacetilchitobiosio presenti negli N-glicani 10,11. L'attività di EndoBI-1 non è influenzata dalla fucosilazione del nucleo e da diverse condizioni di reazione come alta temperatura, pH, tempo di reazione, ecc. 3,11,12. Questa caratteristica unica delle glicosidi idrolasi bifidobatteriche fornisce uno strumento promettente per la produzione di N-glicani da substrati ricchi di glicoproteine come il colostro bovino13,14.
Diversi metodi di deglicosilazione sviluppati chimicamente ed enzimaticamente sono stati ampiamente utilizzati per ottenere N-glicani e O-glicani da glicoproteine 2,15. I metodi chimici sono ampiamente utilizzati in glicobiologia per la deglicosilazione delle glicoproteine a causa della loro facilità d'uso, del basso costo e dell'elevata specificità del substrato16. I metodi di deglicosilazione chimica più comuni sono la β-eliminazione e l'idratazione17. Tra questi metodi, la β-eliminazione si basa sul principio della scissione dei glicani dalle glicoproteine mediante esposizione delle glicoproteine a condizioni alcaline. I glicani rilasciati possono essere degradati durante il processo a causa delle reazioni di eliminazione del β, ma questo problema può essere prevenuto utilizzando agenti riducenti come il boroidruro di sodio (NaBH4)18,19,20. Ci sono diverse limitazioni nel metodo di β-eliminazione. Gli agenti riduttivi convertono i glicani in alditoli, impedendo loro di legarsi a un fluoroforo o a un cromoforo. Pertanto, diventa difficile monitorare il rilascio di glicani 19,20. A causa dell'elevato contenuto di sale nella fase di pulizia del metodo, l'eluizione potrebbe causare perdite di campione20. Un altro metodo per il rilascio di glicano dalle glicoproteine è il metodo dell'idrazina basato sul principio della reazione di idrolisi in seguito all'aggiunta di idrazina anidra alla glicoproteina. Poiché consente di controllare l'isolamento dei glicani modificando le condizioni di reazione come la temperatura, il metodo dell'idrazina è stato ampiamente utilizzato in glicobiologia21. La deglicosilazione chimica può essere effettuata anche utilizzando la formulazione anidra di fluoruro di idrogeno e acido trifluoroacetico, oltre ad altri metodi di deglicosilazione chimica 16,22,23. Il rilascio enzimatico di N-glicani dalle glicoproteine è comunemente effettuato dalle peptidil-N-glicosidasi (PNGasi) che generalmente rilasciano N-glicani, indipendentemente dalle loro dimensioni e carica 24,25,26,27. Simile ai metodi di deglicosilazione chimica, il processo di deglicosilazione enzimatica presenta sfide diverse. Le PNGasi mostrano attività in presenza di diversi detergenti utilizzati, che aumentano l'accessibilità enzimatica ai glicani. Tuttavia, questi trattamenti duri potrebbero distruggere i glicani nativi e le restanti strutture polipeptidiche28. Le PNGasi potrebbero non scindere i glicani quando c'è un fucosio legato alla N-acetilglucosamina29. Varie endoglicosidasi come F1, F2 e F3 mostrano una maggiore attività sulle proteine native rispetto alle PNGasi. Queste endoglicosidasi hanno una bassa attività sui glicani multi-antennari, mentre il nuovo EndoBI-1 resistente al calore è efficace in tutti i tipi di N-glicani 10,11,28. Per quanto riguarda i limiti dei metodi attuali, è ovvio che sono ancora necessari nuovi enzimi per un efficace rilascio di glicani senza alcuna restrizione. A questo scopo, le specie bifidobatteriche, che hanno un'ampia isola genomica che codifica per vari enzimi glicosidici idrolasi, consentono di scindere gli N-glicani dalle glicoproteine30,31. Nell'ambito di questo contesto, l'obiettivo generale di questo studio è quello di scoprire nuove glicosidasi dalle varie specie di Bifidobatteri. Per produrre in modo ricombinante questi enzimi, diversi tag di fusione hanno lo scopo di migliorare la loro produzione e la loro attività.
1. Clonaggio molecolare di geni bifidobatterici
2. Induzione dell'espressione proteica da parte dell'L-ramnosio
3. Lisi cellulare di cellule di E. coli chimicamente competenti contenenti enzimi His-tagged
4. Purificazione di enzimi marcati con His-taged con metodo batch
In questo studio sono stati presi di mira gli enzimi membri della glicosil idrolasi selezionati da diverse origini. Si è ipotizzato che la co-applicazione di diversi enzimi con strutture diverse potesse fornire un migliore rilascio di glicani poiché sono evoluti per essere attivi in diverse glicoproteine. L'elenco dei geni bersaglio e la loro origine sono elencati nella Tabella 1. I ceppi batterici sono stati ottenuti dalle collezioni coordinate di microrganismi del Be...
La strategia di clonaggio ricombinante in vivo utilizzata per il clonaggio molecolare dei geni bersaglio fornisce risultati rapidi e affidabili rispetto ad altri protocolli di clonaggio tradizionali. Anche se esistono molti metodi convenienti per la clonazione molecolare, il metodo descritto in questo articolo presenta maggiori vantaggi. Il sistema di clonaggio in vivo , a differenza di altri sistemi di clonazione, non necessita di alcun trattamento enzimatico o purific...
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo studio è supportato da TUBITAK #118z146 e 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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