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Method Article
Leishmania Translational Extract(LTE)は、単細胞寄生虫である Leishmania tarentolaeに由来する真核生物の無細胞タンパク質発現系です。この最適化されたプロトコルにより、LTEは製造が簡単で費用対効果に優れています。これは、複雑な真核生物タンパク質とその相互作用のマルチパラレル発現と研究に焦点を当てたさまざまなアプリケーションに適しています。
このプロトコルでは、Leishmania Translational ExtractまたはLTEと呼ばれる単細胞鞭毛 Leishmania tarentolaeに由来する真核生物の無細胞タンパク質発現システム(CFPS)の作製と最適化について概説しています。この生物はもともとヤモリの寄生虫として進化しましたが、フラスコやバイオリアクターで簡単かつ安価に培養できます。 リーシュマニアメジャーとは異なり、ヒトに対して非病原性であり、特別な実験室での予防措置は必要ありません。CFPSにリーシュマニアを使用するもう一つの利点は、すべてのタンパク質コードRNAの5'末端に保存されたスプライスリーダー配列を標的とする単一のアンチセンスオリゴヌクレオチドをCFPSに追加することで、内因性タンパク質の発現を抑制できることです。細胞破壊とライセート処理の手順を提供しており、以前のバージョンと比較して簡素化および改善されています。これらの手順は、単純なフラスコ培養から始まります。さらに、種に依存しない翻訳開始部位(SITS)を含むベクターを使用して遺伝情報を導入する方法や、一貫したタンパク質発現品質を確保するための簡単なバッチ最適化と品質管理を行う方法についても説明します。
1960年代には、無細胞タンパク質発現系が遺伝暗号1の解明に重要な役割を果たしました。しかし、主に大腸菌に基づく原核生物の無細胞タンパク質発現系は、現在、実験室および商業アプリケーションの両方を支配しています。大腸菌ベースのシステムは、費用対効果、スケーラビリティ、高発現収率などの利点を提供する一方で、活性型のマルチドメインタンパク質を産生し、タンパク質複合体の組み立てを容易にする際に課題に直面します2,3。現在、真核生物の無細胞タンパク質合成(CFPS)の一般的に使用される形態には、小麦胚芽抽出物(WGE)、ウサギ網状赤血球溶解物(RRL)、および昆虫細胞溶解物(ICL)4,5,6が含まれます。この研究では、単細胞の鞭毛虫であるLeishmania tarentolaeに基づく、簡単でスケーラブルな代替の真核生物無細胞システムを紹介します。
リーシュマニアタレントラエ は、費用対効果の高い培地を使用してフラスコで簡単に培養でき、バイオリアクターでスケールアップして細胞密度を高めることもできます。細胞ライセート中の内因性mRNAの存在は、導入されたメッセージと競合する可能性がありますが、保存されたリーシュマニアmRNAスプライスリーダー配列7を標的とするアンチセンスオリゴヌクレオチドを使用して中和できます。ヒトの病気を引き起こす近縁種の リーシュマニアメジャーとは異なり、 L. tarentolae はムーアヤモリ(Tarentolae mauritanica)に感染するため、特別な予防措置を必要とせずにPC2実験室環境での培養に適しています。これまで、in vivoタンパク質発現のためのトランスジェニック生物として使用されてきました8。
無細胞系におけるテンプレートプライミングを容易にするために、翻訳開始を増強する高分子RNA構造に基づくユニバーサル配列が設計されています9。これらの種に依存しない翻訳配列(SITS)は、原核生物と真核生物の両方の無細胞システムに適用でき、LTEに遺伝情報を導入するのに適しています。このプロトコールでは、LTE無細胞タンパク質発現のためのベクター構築について詳細な説明は提供していませんが、最適化と品質管理には、SITSサイトの下流に目的の目的のタンパク質のフルオロフォア融合体を含む適切なベクターが必要です。この目的のために、Gatewayクローニングサイトを使用して目的のタンパク質へのN末端eGFP融合をコードするpCellFree_G03ベクターなどの適切なLTEベクターがAddgene遺伝子リポジトリに寄託されています。
LTEは、タンパク質の自己組織化10,16の解析、ヒト内在性膜タンパク質の産生17、抗ウイルス薬候補の研究18、バイオテクノロジーに有用な酵素の開発19、タンパク質バイオセンサーのプロトタイピング20,21、鉤虫からの生物製剤の研究など、タンパク質発現を必要とする幅広いアプリケーションでその価値を証明しています.LTEは、ウイルス学および細胞構造21,32の分野におけるタンパク質-タンパク質相互作用ネットワークのマッピングにも役立っています。LTEは、他の真核生物の無細胞系と同様に、完全長、単分散、および非凝集タンパク質を発現する性能を発揮することがベンチマークされており33、同時に、より費用対効果が高くスケーラブルな生産を提供します。
このプロトコルは、宿主生物の培養と破壊、ライセートの調製、および結合転写/翻訳タンパク質発現のための給餌液(FS)の補給のための技術を提供します。さらに、生産バッチを最適化するためのプロトコルが含まれています。リーシュマニア無細胞システムの初期バージョンでは、発現レベル、完全長タンパク質の画分、およびタンパク質凝集体の存在に望ましくないバッチ間の変動が観察され、バッチ34の廃棄につながりました。その後、この問題に対処するためにプロトコルの改善が行われました25。現在のプロトコールは、これらの改善に基づいて構築されており、個々のバッチをピークタンパク質の発現とサイズに最適化することができます。これは、細胞かく乱物質の負荷を厳密に制御することによって達成されます(600 nmの光学密度として測定されます。OD600nm)で溶解し、得られたライセート出力を280 nm(Abs280 nm)の吸光度を使用して正規化します。さらに、製造時にライセートにrNTPとマグネシウムを部分的に補給する方法を組み込んでおり、その後、試験発現中にこれらの供給溶液成分を最適化します。この最適化はプロトコルのオプションとして提示されていますが、著者によって強く推奨されています。
このプロトコールには、培養、遠心分離、マルチモードプレートリーダーを使用したGFP蛍光の測定、培養OD600nmの測定、ライセートAbs280nmの評価を含む詳細な培地レシピとステップが含まれています。また、SDS-PAGEタンパク質ゲルのセットアップとイメージングについても説明します。このプロトコールに必要な材料または推奨される材料は、材料スプレッドシートに記載されています。メディアコンポーネント、遠心分離機、チューブ、分光光度計、ゲル電気泳動セットアップなどの一般的なラボリソースは、特に指定がない限り、同じ意味で使用できる可能性が高いことに注意することが重要です。 図 1 に、LTE 製造プロセスの概要を示します。
図1:LTE製造プロトコルの概要。 この漫画は、LTE 製造プロトコルの簡潔な要約を提供します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
1. リーシュマニア・タレントラエの培養物の成長
2. L. tarentolae の培養物の集中
3. L. tarentolae濃縮物の溶解
4. 細胞溶解物の遠心分離
5. 細胞溶解物のゲルろ過
注:ゲルろ過は、SEBバッファーに含まれるスクロースを除去するために使用されます。スクロースは、細胞破壊中に細胞機構を安定化するのに役立ちますが、タンパク質発現反応で保持されると収量が減少します。
6. 細胞ライセートの補給
7. 最終追加LTEのQCと最適化
注:還元されたrNTPおよびマグネシウム添加ライセートへの rNTP.Mg の適切な「追加」追加を決定するために必要な最小限のステップには、融合パートナーなしでeGFPまたは同様の蛍光色素(sfGFPなど)を発現することが含まれます。反応に増大する濃度の rNTP.Mg を添加して、発現レベル(マルチモードプレートリーダー による eGFP RFUとして測定)が最適化されるポイントを決定します。蛍光性ではないeGFPの早期終結は、高すぎる rNTP.Mg 濃度でeGFP RFUを減少させることで明らかになります。しかし、LTEの短産物の誤動作は、大きく発現したタンパク質(>50 kDa)でより頻繁に発生します。したがって、eGFPよりも大きなテンプレートを使用してこの最適化を実行することが可能であり、特に適切な発現ベクターで利用可能なテンプレートがある場合、特定のアプリケーションまたは研究のためにLTEによって生成されることが望ましい蛍光色素融合を提供します(代表的な結果のセクションを参照)。
無細胞タンパク質発現の目的は、幅広いアプリケーションに適した折り畳まれた活性型で完全長タンパク質を作製することです。LTE(Leishmania tarentolae extract)は、以前に他の原核生物および真核生物の無細胞発現系と比較されており、特に 大腸菌ベースの無細胞発現と比較して、最適に動作する際に切断および凝集を回避する高い能力を示しています
LTEを作成するためのプロトコルは、過去10年間で公開されており7、定期的な更新を受けています25,34。しかし、この技術を初めて使用すると、学習曲線が急になることが多く、その結果、高品質で高収率のタンパク質発現を達成するのが遅れます。LTE35を扱う他の研究グループでも同様の...
競合する金銭的利益は存在しません。
著者らは、過去10年間にLTEシステムの開発に貢献した多くのAlexandrov研究室のメンバー、特にシステムの先駆者であり、SITSリボソームエントリーサイトを開発したSergey Mureevに感謝したいと思います。 図1 は Biorender.com によって作成され、ライセンスに基づいて複製されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
PD-10 SuperDex 25 Columns | Cytiva | 17085101 | Gel filtration columns |
Nitrogen Cavitation cell disrupter | Parr Industries | 4635 or 4639 | Cell Disrupter |
Bovine derived Hemin | Sigma-Aldrich | H5533 | Culture additive |
Penicillin/Streptomycin 10000U/ml | Thermo-Fisher | 15140122 | Antibiotic mix |
Optiplate 384 | Perkin-Elmer | 6007290 | Multiwell plate for 10ul expressions |
Oligonucleotide | IDT synthesis | Oligo with sequence CAATAAAGTACAGAAACTGATAC TTATATAGCGTT | |
Creatine Phosphokinase | Sigma-Aldrich | 9001-15-4 | Enzyme |
Tecan Spark | Tecan | or similar Multimode Platereader | |
Chemidoc MP Imager | Biorad | or similar SDS-PAGE gel Imager | |
4-12% Bis-Tris Gels | Invitrogen | NW04125 | SDS-PAGE gels |
Biophotometer | Eppendorf | or similar Cuvette Specrophotometer | |
Nanodrop One | Thermofisher | Nanodrop spectrophotometer | |
Avanti JXN-26 centrifuge | Beckman Coulter | or similar centrifuge, with rotors/tubes rated 10K and 50K g | |
5424R microcentrifuge | Eppendorf | or similar microcentrifuge, with 1.5ml microcentrifuge tubes | |
Flask Incubator Inova S44i | Eppendorf | or similar flask incubator shaker suitable for 5L Flasks | |
5L glass culture flasks | Baffled glass flasks for culture growth | ||
Bactotryptone | BD | 211705 | Growth medium |
Yeast Extract | Merck | VM930053 | Growth medium |
Glycerol | Any analytical grade | ||
Glucose | Any analytical grade | ||
KH2PO4 | Any analytical grade | ||
K2HPO4 | Any analytical grade | ||
UltraPure water | Invitrogen | 10977-015 | Or output from any MilliQ-type water dispenser |
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