本研究は、AMEDの創薬・ライフサイエンス研究支援プラットフォームプロジェクト(革新的創薬・ライフサイエンス研究支援基盤(BINDS))の支援を受けて、JP20am0101077の支援を受けて行われました。本研究の一部は、JSPS科研費20K05709の支援も受けました。

1. pEU発現プラスミドの調製
注:pEU発現プラスミドには、開始コドン、標的膜タンパク質のオープンリーディングフレーム、およびフラグメント内の終止コドンを含める必要があります( 図1を参照)。必要に応じて、検出/精製タグ配列を適切な位置に追加します。制限酵素消化またはシームレスクローニングのいずれかがサブクローニングに適用できます。ここでは、シームレスクローニング法を用いたプロトコルについて説明する。
<ol><li>インサートDNA断片を準備します。<ol><li>cDNA鋳型、プライマー1およびプライマー2を用いたPCRにより目的の遺伝子を増幅する。プライマー1とプライマー2には、シームレスなクローニングのためにそれぞれ15 bpのオーバーラップが含まれています( 材料表を参照)。 注:細胞内の成熟タンパク質から処理および除去される配列(シグナル配列など)は含めないでください。合成されたタンパク質のプロセシングは、小麦無細胞系では行われない。コザックシーケンスを追加しないでください。pEU-E01-MCSベクターはE01翻訳エンハンサーを有する。</li>
		<li>1/25容量の DpnI制限酵素をPCR産物に加え、鋳型プラスミドDNAを除去します。37°Cで30分間インキュベートします。</li>
		<li>PCR精製キットを使用してPCR産物を精製し、濃度を20〜50 ng / μLに調整します。</li>
	</ol></li>
	<li>pEU-E01-MCSベクトルを線形化します。<ol><li>pEU-E01-MCS、プライマー3、プライマー4を用いてインバースPCRを実施します。</li>
		<li>1/25容量の DpnI制限酵素をインバースPCR産物に加えます。37°Cで30分間インキュベートします。</li>
		<li>PCR精製キットを使用して、メーカーの推奨に従ってPCR産物を精製します。濃度を20〜50 ng / μLに調整します。</li>
	</ol></li>
	<li>2 μLのインサートDNAフラグメント、2 μLの直鎖化ベクター、および4 μLの2xシームレスクローニング酵素混合物を混合します。</li>
	<li>大腸菌JM109株をシームレスクローニング産物で形質転換する。スプレッダーを使用して、LB-アンピシリン寒天プレート上に細菌懸濁液を広げる。 注:pEUベクターはアンピシリン耐性マーカーを有する。</li>
	<li>pEUプラスミドにおけるMCSの5'側および3'側からそれぞれプライマー5およびプライマー6を用いて構築した発現プラスミドの配列を確認する。</li>
	<li>発現プラスミドを増幅および精製する。<ol><li>プラスミド形質転換 大腸菌 JM109株を150 mLのLB-アンピシリン培地中で37°C、毎分125ストロークで一晩振とう培養した。</li>
		<li>市販のプラスミド調製MIDIキットを用いてプラスミドを抽出・精製します。プラスミドを 500 μL の TE バッファーに溶解します。 注意: プラスミド抽出にミニプレップキットを使用しないでください。それはプラスミドの十分な質と量を提供しません。</li>
		<li>500 μLのフェノール/クロロホルム/イソアミルアルコール(25:24:1)を加えます。5分間激しく混合し、17,800 x g 、室温で5分間遠心分離します。上部プラスミド溶液を新しいチューブに移します。 注意: フェノールやクロロホルムから皮膚を保護するために、使い捨て手袋を着用してください。 注:プラスミド抽出キットからRNaseの汚染を除去するには、フェノール-クロロホルム精製を使用してプラスミドを精製します。</li>
		<li>500μLのクロロホルムを加えてフェノールを完全に除去します。5分間激しく混合し、17,800 x g 、室温で5分間遠心分離します。上部プラスミド溶液を新しいチューブに移します。</li>
		<li>2.5容量のエタノールと1/8容量の7.5 M酢酸アンモニウムを加え、-30°Cで1時間保存します。</li>
		<li>17,800 x g 、4°C、10分間遠心分離します。ペレットを500μLの70%エタノールで洗浄します。上清を注意深く取り除き、ペレットを5分間放置して乾かします。</li>
		<li>発現プラスミドを100 μLの超純水に完全に溶解します。260 nmの吸光度でプラスミドの濃度を測定します。濃度を1 mg/mLに調整してください。</li>
	</ol></li>
</ol>2.インビトロ転写
注意: 転写および翻訳のステップでは、DNaseおよびヌクレアーゼフリーのプラスチックチューブとチップを使用してください。汚染を防ぐために、プラスチック製品のオートクレーブは避けてください。
<ol><li>新しいプラスチックチューブで超純水を収穫します。 注意: DEPC処理水は残留すると反応が強く阻害されるため、使用しないでください。転写と翻訳には、新たに精製された超純水を使用してください。</li>
	<li>115.2 μLの超純水、40 μLの転写バッファーLM、20 μLのNTPミックス、2.4 μLの80 U/μL RNase阻害剤、2.4 μLの80 U/μL SP6ポリメラーゼ、および20 μLの1 mg/mL pEU発現プラスミドを混合して、転写反応ミックスを調製します。反転させて試薬を穏やかに混合します。クイックスピンを実行します。</li>
	<li>転写反応を37°Cで6時間インキュベートします。</li>
	<li>反転して反応を穏やかに混ぜ合わせ、すばやく回転させます。翻訳には直ちに使用し、それ以外の場合は凍結して-80°Cで保存してください。</li>
	<li>電気泳動により転写産物を確認する。<ol><li>100 mLの1x TAEバッファーと1 gのアガロースを混合します。懸濁液を電子レンジで加熱し、1%アガロースTAEゲルを調製した。</li>
		<li>1 μLの転写反応を取り、3 μLの水および4 μLの2xローディング色素と混合します。 注:RNAの変性は必要ありません。</li>
		<li>混合物4 μLとDNAラダーマーカー2 μLをアガロースTAEゲルにロードします。</li>
		<li>100 Vで20分間電気泳動します。</li>
		<li>ゲルを臭化エチジウムで30分間染色する。UVトランスイルミネーターとゲルイメージャーを使用してmRNAのラダーバンドパターンを確認します。 注:500 bp未満の塗抹バンドが観察された場合、mRNAの分解が疑われます。</li>
	</ol></li>
</ol>3. 翻訳資料の作成
<ol><li>翻訳バッファを準備します。<ol><li>調製したての超純水27 mLと、S1、S2、S3、S4の40xストック溶液0.75 mLをそれぞれ50 mLチューブに混合します。 注: 1x 変換バッファの最終必要量に応じて、材料の量を調整してください。 注意: 使用後に余分な 1x 翻訳バッファを保存または再フリーズしないでください。</li>
	</ol></li>
	<li>クレアチンキナーゼストック溶液を調製します。凍結乾燥クレアチンキナーゼを超純水に溶解し、最終濃度20 mg/mLにします。溶液を少量(各10〜50 μL)で0.2 mL 8ストリップPCRチューブに分注します。チューブを液体窒素で凍結し、-80°Cで保存します。 注意: 解凍後にクレアチンキナーゼ溶液を再凍結しないでください。</li>
	<li>透析カップ(0.1mLサイズ)を洗浄し、透析膜からグリセロールを除去します。 注意: いくつかの異なるサイズの透析カップがあります。小規模テストには小型カップ(0.1 mL)が使用され(セクション5.4)、大規模生産には大型カップ(2 mL)がそれぞれ使用されます(セクション5.5)。大型カップの透析膜の洗浄工程は回避可能である。<ol><li>1mLの超純水を新しい1.5mLチューブに入れます。小型の透析カップ(0.1 mL)をチューブに挿入します。カップに超純水0.5mLを加えます。</li>
		<li>室温で30分以上インキュベートします。</li>
	</ol></li>
</ol>4.リポソームの調製
注:ここでは、リポソームの調製のための2つのプロトコルについて説明します。1つはすぐに使用できる凍結乾燥リポソームを使用し(セクション4.1)、もう1つは薄い脂質膜を水和することによってリポソームを生成します(セクション4.2)。
<ol><li>凍結乾燥リポソームを用いてリポソームを調製する。 注:プロテオリポソームを製造するより簡単な方法は、市販のアソレクチンリポソームを使用することです。アソレクチンは大豆から抽出された天然脂質の一種です。<ol><li>10 mgの凍結乾燥アソレクチンリポソーム( 材料表を参照)を含むバイアルを開き、200 μLの翻訳バッファー(セクション3.1)をバイアルの底に追加します。バイアルを密封し、10分間インキュベートします。</li>
		<li>バイアルをボルテックスミキサーに1分間置き、激しく混合します。</li>
		<li>バイアルを50 mLチューブに挿入します。500 x g で1分間遠心分離してチューブをスピンダウンします。</li>
		<li>ピペットを使用して、アソレクチンリポソーム懸濁液(50 mg脂質/ mL)を新しい1.5 mLチューブに移します。翻訳のためにすぐにリポソームを使用し、それ以外の場合は液体窒素で凍結し、-80°Cで保存します。</li>
	</ol></li>
	<li>薄い脂質膜を水和してリポソームを調製する。<ol><li>脂質が粉末状で販売されている場合は、クロロホルムまたは適切な有機溶媒に10〜100 mg / mLの濃度に溶解します。 注:薄い脂質膜は、精製および/または合成された両親媒性脂質を使用して調製できます。アソレクチンの精製方法は、先に説明した38。ビオチン化脂質、蛍光脂質、アジュバント脂質などの機能修飾脂質を基底脂質に添加して、機能性リポソームを製造することができる。</li>
		<li>50 mgの脂質を含む脂質溶液を蒸発フラスコに移します。</li>
		<li>ロータリーエバポレーターを使用して、溶媒を蒸発させ、フラスコ底の壁に脂質を均一に広げて、脂質の薄膜を形成します。</li>
		<li>フラスコを真空デシケーターに入れ、負圧下で一晩放置して溶媒を完全に除去します。</li>
		<li>1 mLの翻訳バッファーを蒸発フラスコに加えます。フラスコを回転させて、薄い脂質膜上にバッファーを広げます。5分間インキュベートしてフィルムを水和させます。</li>
		<li>超音波ホモジナイザーまたは超音波洗浄機でフラスコを超音波処理します。フラスコの角度を時々変更して、溶液がフィルムに完全に触れるようにします。薄い脂質フィルムが底から剥がされ、完全かつ均質に乳化されていることを確認してください。 注:ビオチン化脂質含有リポソームの電子顕微鏡写真を 図1に示す。</li>
		<li>リポソーム懸濁液(50 mg脂質/ mL)を新しい1.5 mLチューブに移します。すぐに使用しない場合は、リポソームを液体窒素で凍結し、-80°Cで保存してください。</li>
	</ol></li>
</ol>5. インビトロ翻訳
<ol><li>チューブを室温の水に数分間浮かべて、小麦胚芽抽出物をすばやく解凍します。解凍後、すぐにチューブを反転させて穏やかに混合し、回転させ、使用するまで氷の上で冷やします。 注:使用後は小麦胚芽抽出物を液体窒素で凍結し、-80°Cで保存してください。 いくつかの凍結/解凍サイクルに耐えます。</li>
	<li>20 mg/mLのクレアチンキナーゼストック溶液を解凍します。5 μLのストック溶液と45 μLの翻訳バッファーを混合して、2 mg/mLのクレアチンキナーゼ作業溶液を調製します。 注意: クレアチンキナーゼの再凍結はお勧めしません。</li>
	<li>必要に応じてリポソームまたはmRNAを解凍します。</li>
	<li>小規模なタンパク質翻訳を実施します。<ol><li>ステップ3.3.2で準備したように、チューブと透析カップ(0.1 mL)の両方から水を取り除きます。</li>
		<li>1 mL および 300 μL の翻訳バッファーをチューブと透析カップにそれぞれ注入します。 注意: 透析カップの底部が1.5 mLチューブの翻訳バッファーの表面に届かない場合は、さらに50〜100 μLのバッファーをチューブに注入します。</li>
		<li>翻訳バッファー15.6 μL、2 mg/mLクレアチンキナーゼ2.4 μL、50 mg/mLリポソーム12 μL、小麦胚芽抽出物15 μL、およびmRNA15 μLを混合して、翻訳反応混合物を調製します。チューブを反転させて穏やかに混合し、スピンダウンします。</li>
		<li>200 μLのピペットを用いて60 μLの翻訳反応混合物を吸引します。</li>
		<li>ピペットチップを透析カップの翻訳バッファーの下面に挿入します。反応混合物をゆっくりと穏やかにピペットで取り出します。蒸発を防ぐために、透析カップを蓋で覆います。 注意: 反応混合物はカップの底に自然に沈み、二重層を形成します。カップを混ぜたり振ったりして二重層を邪魔しないでください。</li>
	</ol></li>
	<li>大規模な翻訳を行います(図1)。<ol><li>22 mLの翻訳バッファーを25 mLチューブに注ぎます。大型の透析カップ(2 mL)をチューブに挿入し、カップに2 mLの翻訳バッファーを追加します。</li>
		<li>翻訳バッファー130 μL、2 mg/mLクレアチンキナーゼ20 μL、50 mg/mLリポソーム100 μL、小麦胚芽抽出物125 μL、およびmRNA125 μLを混合して、翻訳反応混合物を調製します。ピペッティングで穏やかに混ぜます。</li>
		<li>すべての翻訳反応混合物(500 μL)を1,000 μLピペットで吸引します。ステップ5.4.5で説明されているのと同じ方法で、翻訳反応混合物を透析カップに注入します。蒸発を防ぐために、透析カップを蓋で覆います。</li>
	</ol></li>
	<li>反応物を15°Cで24時間インキュベートします。</li>
	<li>ピペッティングにより透析カップ内で反応をよく混合する。粗プロテオリポソーム懸濁液を新しいチューブに移します。 注:小規模翻訳からプロテオリポソームを採取するには、平底の1.5 mLチューブをお勧めします。遠心分離後、リポソームはチューブの下隅にコンパクトで見やすいペレットを形成します。</li>
</ol>6. プロテオリポソームの精製
<ol><li>粗プロテオリポソーム懸濁液を含むチューブを17,800 x g で4°Cで10分間遠心分離します。</li>
	<li>上清を取り除きます。プロテオリポソームペレットをピペッティングによりPBS(小スケール:1mL、大スケール:10mL)に懸濁する。</li>
	<li>プロテオリポソームの遠心分離と洗浄をさらに2つの円で繰り返します。</li>
	<li>洗浄後、少量のPBSを加え、ピペッティングでプロテオリポソームペレットをよく再懸濁します。マイクロピペットを使用して懸濁液の量を測定します。PBSを加えて、容量を60 μL(小規模)または500 μL(大規模)に調整します。懸濁液を新しい1.5 mLチューブに移します。</li>
	<li>10 μLのプロテオリポソーム懸濁液をSDS-PAGE用の新しいPCRチューブに移します。残りのサンプルを小さな部分に分割して、必要に応じて使用します。液体窒素中で凍結し、-80°Cで保存する。</li>
</ol>7. SDS-PAGEおよびCBB染色
<ol><li>70 μLの水と40 μLの3x SDS-PAGEサンプルバッファーを10 μLのプロテオリポソーム懸濁液に加えます。 注意:膜タンパク質が凝集し、電気泳動でアクリルアミドゲルに浸透しにくいため、SDS-PAGEサンプルを沸騰させないでください。また、酸化を防ぐために、SDS-PAGEサンプルバッファーに十分な還元剤(例えば、最終濃度3%の2-メルカプトエタノール)を加えます。</li>
	<li>電気泳動チャンバーに5%〜20%のグラジエントSDS-PAGEゲルをセットします。3 μL、6 μL、12 μLのプロテオリポソームサンプル、2 μLのタンパク質サイズマーカー、およびBSA標準シリーズもロードします。</li>
	<li>52 mA、400 Vで30分間電気泳動します。</li>
	<li>ゲルをCBB染料で1時間染色します。お湯で脱色し、ゲル画像をスキャンします。</li>
	<li>NIH Image Jソフトウェア(https://imagej.nih.gov/ij/)を用いて、各レーンにおける膜タンパク質のバンド強度を定量化する。BSA標準系列で合成した膜タンパク質の量を推定します。</li>
</ol>

著者は開示するものは何もありません。

提示されたプロトコルは、高い成功率で膜タンパク質を生産する方法を提供する。このプロトコルはシンプルで再現性が高く、スケールアップも簡単です。また、膜タンパク質を大量に消費する実験の時間とコストを削減できる可能性もあります。二重層透析法は、二分子膜法または透析法と比較して生産性を4〜10倍向上させます(図2B)45。極端な場合?...

膜タンパク質は、診断および治療において最も重要な薬物標的の1つです。実際、標的とする低分子化合物の半分は、Gタンパク質共役型受容体(GPCR)やイオンチャネル1などの膜タンパク質です。長年にわたり、研究者は膜タンパク質の構造と機能を解明するために、膜タンパク質の生化学的、生物物理学的、および構造的研究に取り組んできました2,3。膜タンパク質に対するモノクローナル抗体の開発も、機能的および構造的研究を加速し、治療および診断アプリケーションを開発するために積極的に行われています4,5,6,7,8,9。これらの研究はすべて、大量の高品質の膜タンパク質を必要とします10。例えば、抗体開発には、天然の立体配座を有する数ミリグラムの精製膜タンパク質が必要です。X線結晶学には、はるかに大量の高度に精製された膜タンパク質が必要です。しかし、膜タンパク質の大量生産は、膜タンパク質研究のボトルネックとして残っています11。膜タンパク質は、1つまたは複数の膜貫通ヘリックスを有する複雑な構造を有し、細胞の恒常性において重要な役割を果たします。膜タンパク質の異種過剰発現は、高局所濃度で蓄積する膜タンパク質の凝集や細胞シグナル経路の乱れなど、複数の障害を引き起こします。発現が成功したとしても、サンプル調製の後続のステップも困難に直面します。例えば、プロテオリポソームの調製には、膜タンパク質の可溶化、精製、安定化における高度なスキルと専門的な経験が必要であり、同様に多くの労力と時間が必要です12,13。
一方、生細胞を使用せずにタンパク質を生産するために、ここ数十年でいくつかの高度な技術が出現しました14、15、16、17、18。無細胞タンパク質合成技術は、試験管内で翻訳反応を再構成します。細胞発現系には制限がないため、無細胞系は、細胞内で発現が困難な、または毒性を示す様々なタンパク質を合成できる可能性がある。精製された細胞抽出物または再構成された翻訳機構は、鋳型mRNA、アミノ酸、およびエネルギー源と混合され、組換えタンパク質が短時間で合成されます。膜タンパク質合成に関しては、無細胞反応にリポソーム、バイセル、ナノディスク、コポリマーなどの脂質または両親媒性物質からなるある種の足場が付加される19、20、21、22、23、24。合成された膜タンパク質は足場と相互作用し、水中で安定化することができます。無細胞合成膜タンパク質は、機能研究および抗体産生において広く使用されている25、26、27、28、29、30、31。
このプロトコールでは、小麦無細胞系とリポソームを用いた効率的なプロテオリポソーム生産法を記載する。小麦無細胞タンパク質合成系は、小麦胚芽15,32,33からの抽出物を用いた強力なin vitro翻訳系である。小麦胚芽には大量の翻訳機構が含まれており、翻訳阻害剤はほとんどありません。真核生物の一員であるコムギの翻訳機構は真核生物タンパク質の翻訳に適しており、その翻訳効率は鋳型mRNAのコドン使用にほとんど影響されない。コムギ無細胞系を用いて、プロテインキナーゼ34,35、ユビキチンリガーゼ36、転写因子37、膜タンパク質など様々なタンパク質を高い成功率で合成しています。膜タンパク質の生産のために、脂質小胞リポソームを足場として翻訳混合物に加えます19,38。膜タンパク質の疎水性ドメインは脂質二重層と相互作用し、リポソームと自発的に統合されます。密度勾配遠心分離は、プロテオリポソーム20の単純な精製には翻訳反応混合物の一般的な遠心分離で十分であるにもかかわらず、内因性小麦タンパク質からプロテオリポソームを厳密に分離するために使用されます。コムギ無細胞系を用いて多くの種類の内在性膜タンパク質が合成され、様々な研究開発に応用されている25,38,39,40,41,42,43,44。さらに、大規模生産のための「二重層透析法」を開発しました45,46。この方法では、カップ型透析装置を基板供給バッファーに浸漬し、図1に示すようにカップ内に翻訳反応混合物と基質供給バッファーの2層を形成する。基質の連続供給と副生成物の除去は、反応混合物の上部と下部の両方で長時間効率的に行うことができ、優れた翻訳効率につながります(図2Aおよび図2B)45。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>&#215;3 SDS-PAGE sample buffer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Containing 10% 2-mercaptoethanol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5-20% gradient SDS-PAGE gel</td>
			<td>ATTO</td>
			<td>E-D520L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>70% ethanol</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Diluted ethanol by ultrapure water.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agarose</td>
			<td>Takara Bio</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium acetate</td>
			<td>Nakalai tesque</td>
			<td>02406-95</td>
			<td>As this reagent is deliquescent, dissolve all of it in water once opened and store it at -30&#176;C.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ampicillin Sodium</td>
			<td>Nakalai tesque</td>
			<td>02739-74</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Asolectin Liposome, lyophilized</td>
			<td>CellFree Sciences</td>
			<td>CFS-PLE-ASL</td>
			<td>A vial contains 10 mg of lyophilized liposomes.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BSA standard</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>1000 ng, 500 ng, 250 ng, 125 ng BSA / 10 &#181;L &#215;1 SDS-PAGE sample buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CBB gel stain</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>cDNA clone of interest</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Plasmid harboring cDNA clone or synthetic DNA fragment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chloroform</td>
			<td>Nakalai tesque</td>
			<td>08402-84</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cooled incubator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Temperature ranging from 0 to 40 &#176;C or wider.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Creatine kinase</td>
			<td>Roche Diagnostics</td>
			<td>04524977190</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dialysis cup (0.1 mL)</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>69570</td>
			<td>Slide-A-Lyzer MINI Dialysis Device, 10K MWCO, 0.1 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dialysis cup (2 mL)</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>88404</td>
			<td>Slide-A-Lyzer MINI Dialysis Device, 10K MWCO, 2 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DNA ladder marker</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>SM0311</td>
			<td>GeneRuler 1 kb DNA Ladder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DpnI</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>FD1703</td>
			<td>FastDigest DpnI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E. coli strain JM109</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrophoresis chamber</td>
			<td>ATTO</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol (99.5%)</td>
			<td>Nakalai tesque</td>
			<td>14713-95</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethidium bromide</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Evaporation flask, 100 mL</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gel imager</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gel scanner</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>We use document scanner and LED immuninator as a substitute.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LB broth</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lipids of interest</td>
			<td>Avanti Polar Lipids</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro centrifuge</td>
			<td>TOMY</td>
			<td>MX-307</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NTP mix</td>
			<td>CellFree Sciences</td>
			<td>CFS-TSC-NTP</td>
			<td>Mixture of ATP, GTP, CTP, UTP, at 25 mM each</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nuclease-free 25 mL tube</td>
			<td>IWAKI</td>
			<td>362-025-MYP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nucrease-free plastic tubes</td>
			<td>Watson bio labs</td>
			<td></td>
			<td>Do not autoclave. Use them separately from other experiments.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nucrease-free tips</td>
			<td>Watson bio labs</td>
			<td></td>
			<td>Do not autoclave. Use them separately from other experiments.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PBS buffer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PCR purification kit</td>
			<td>MACHEREY-NAGEL</td>
			<td>740609</td>
			<td>NucleoSpin Gel and PCR Clean-up</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pEU-E01-MCS vector</td>
			<td>CellFree Sciences</td>
			<td>CFS-11</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phenol/chloroform/isoamyl alcohol (25:24:1)</td>
			<td>Nippon Gene</td>
			<td>311-90151</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plasmid prep Midi kit</td>
			<td>MACHEREY-NAGEL</td>
			<td>740410</td>
			<td>NucleoBond Xtra Midi</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primer 1</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>Custom oligo synthesis</td>
			<td>5&#8217;-CCAAGATATCACTAGnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn-3&#8217; 
			Gene specific primer, forward. Upper case shows overlap sequence to be added for seamless cloning. Lower case nnnn&#8230;. (20-30 bp) shows gene specific sequence.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primer 2</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>Custom oligo synthesis</td>
			<td>5&#39;-CCATGGGACGTCGACnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn-3&#8217; 
			Gene specific primer, reverse. Upper case shows overlap sequence to be added for seamless cloning. Lower case nnnn&#8230;. (20-30 bp) shows gene specific sequence.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primer 3</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>Custom oligo synthesis</td>
			<td>5&#39;-GTCGACGTCCCATGGTTTTGTATAGAAT-3&#39; 
			Forward primer for vector linearization. Underline works as overlap in seamless cloning.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primer 4</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>Custom oligo synthesis</td>
			<td>5&#39;-CTAGTGATATCTTGGTGATGTAGATAGGTG-3&#39; 
			Reverse primer for vector linearization. Underline works as overlap in seamless cloning.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primer 5</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>Custom oligo synthesis</td>
			<td>5&#8217;-CAGTAAGCCAGATGCTACAC-3&#8217; 
			Sequencing primer, forward</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primer 6</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>Custom oligo synthesis</td>
			<td>5&#8217;- CCTGCGCTGGGAAGATAAAC-3&#8217; 
			Sequencing primer, reverse</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Protein size marker</td>
			<td>Bio-Rad</td>
			<td>1610394</td>
			<td>Precision Plus Protein Standard</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary evaporator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>seamless cloning enzyme mixture</td>
			<td>New England BioLabs</td>
			<td>E2611L</td>
			<td>Gibson Assembly Master Mix 
			Other seamless cloning reagents are also avairable.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SP6 RNA Polymerase &#38; RNase Inhibitor</td>
			<td>CellFree Sciences</td>
			<td>CFS-TSC-ENZ</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Submarine Electrophoresis system</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TAE buffer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transcription Buffer LM</td>
			<td>CellFree Sciences</td>
			<td>CFS-TSC-5TB-LM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Translation buffer</td>
			<td>CellFree Sciences</td>
			<td>CFS-SUB-SGC</td>
			<td>SUB-AMIX SGC (&#215;40) stock solution (S1, S2, S3, S4). 
			Prepare &#215;1 translation buffer before use by mixing stock S1, S2, S3, S4 stock and ultrapure water.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrapure water</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>We recommend to prepare ultrapure water by using ultrapure water production system every time you do experiment. Do not autoclave. 
			We preparaed ultrapure water by using Milli-Q Reference and Elix10 system. 
			Commercially available nuclease-free water (not DEPC-treated water) can be used as a substitute. Take care of contamination after open the bottle.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic homogenizer</td>
			<td>Branson</td>
			<td>SONIFIER model 450D-Advanced</td>
			<td>Ultrasonic cleaner can be used as a substitute.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV transilluminator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum desiccator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wheat germ extract</td>
			<td>CellFree Sciences</td>
			<td>CFS-WGE-7240</td>
			<td>WEPRO7240</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

cell-free production of proteoliposomes for functional analysis and antibody development targeting membrane proteins

膜タンパク質は、さまざまな細胞プロセスにおいて重要な役割を果たし、重要な機能を果たします。膜タンパク質は、すべての薬剤の半分以上の標的であるため、創薬において医学的に重要です。膜タンパク質の生化学的、生物物理学的、構造的研究、および抗体開発を行う上での障害は、正しい立体構造と活性を有する高品質の膜タンパク質を大量に生産することの難しさでした。ここでは、小麦胚芽無細胞系、リポソーム、透析カップを用いて、膜タンパク質を効率よく合成し、精製プロテオリポソームを短時間で高成功率で調製する「二重層透析法」について述べる。膜タンパク質は、GPCR、イオンチャネル、トランスポーター、テトラスパニンなど、数ミリグラム単位で産生することができます。この無細胞法は、高品質なプロテオリポソームを調製するための時間、コスト、労力の削減に貢献し、膜タンパク質の機能解析、創薬ターゲットスクリーニング、抗体開発に適した手段を提供します。

このプロトコールを用いて、部分的に精製されたプロテオリポソームを短時間で得ることができる。代表的な結果を 図2Aに示す。クラスA、B、Cの25個のGPCRを二層透析法(小規模)で合成し、遠心分離とバッファー洗浄によって部分的に精製することに成功しました。タンパク質の種類によって合成されるタンパク質の量は異なりますが、大型の透析カップを使用すると、?...

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Cell-Free Production of Proteoliposomes for Functional Analysis and Antibody Development Targeting Membrane Proteins

このプロトコルは、小麦無細胞系およびリポソームを用いた二重層透析法による高品質のプロテオリポソームの効率的な無細胞生産法を記載する。この方法は、膜タンパク質の機能解析、創薬標的のスクリーニング、および抗体開発に適した手段を提供します。

膜タンパク質を標的とした機能解析と抗体開発のためのプロテオリポソームの無細胞生産

Membrane proteins play essential roles in a variety of cellular processes and perform vital functions. Membrane proteins are medically important in drug ...

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Research

JoVE Journal

Biochemistry

3.6K ビュー.  Ehime University. このプロトコルは、小麦無細胞系およびリポソームを用いた二重層透析法による高品質のプロテオリポソームの効率的な無細胞生産法を記載する。この方法は、膜タンパク質の機能解析、創薬標的のスクリーニング、および抗体開発に適した手段を提供します。

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Bacterial Inner-membrane Display for Screening a Library of Antibody Fragments

Antibodies engineered for intracellular function must not only have affinity for their target antigen, but must also be soluble and correctly folded in the cytoplasm. Commonly used methods for the display and screening of recombinant antibody libraries do not incorporate intracellular protein folding quality control, and, thus, the antigen-binding capability and cytoplasmic folding and solubility of antibodies engineered using these methods often must be engineered separately. Here, we describe a protocol to screen a recombinant library of single-chain variable fragment (scFv) antibodies for antigen-binding and proper cytoplasmic folding simultaneously. The method harnesses the intrinsic intracellular folding quality control mechanism of the Escherichia coli twin-arginine translocation (Tat) pathway to display an scFv library on the E. coli inner membrane. The Tat pathway ensures that only soluble, well-folded proteins are transported out of the cytoplasm and displayed on the inner membrane, thereby eliminating poorly folded scFvs prior to interrogation for antigen-binding. Following removal of the outer membrane, the scFvs displayed on the inner membrane are panned against a target antigen immobilized on magnetic beads to isolate scFvs that bind to the target antigen. An enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)-based secondary screen is used to identify the most promising scFvs for additional characterization. Antigen-binding and cytoplasmic solubility can be improved with subsequent rounds of mutagenesis and screening to engineer antibodies with high affinity and high cytoplasmic solubility for intracellular applications.

We provide a method to simultaneously screen a library of antibody fragments for binding affinity and cytoplasmic solubility by using the Escherichia coli twin-arginine translocation pathway, which has an inherent quality control mechanism for intracellular protein folding, to display the antibody fragments on the inner membrane.

抗体フラグメントのライブラリーをスクリーニングするための細菌インナー膜を表示

Antibodies engineered for intracellular function must not only have affinity for their target antigen, but must also be soluble and correctly folded in ...

生化学

Laboratory Scale Production and Purification of a Therapeutic Antibody

Ensuring the successful production of a therapeutic antibody begins early on in the development process. The first stage is vector expression of the antibody genes followed by stable transfection into a suitable cell line. The stable clones are subjected to screening in order to select those clones with desired production and growth characteristics. This is a critical albeit time-consuming step in the process. This protocol considers vector selection and sourcing of antibody sequences for the expression of a therapeutic antibody. The methods describe preparation of vector DNA for stable transfection of a suspension variant of human embryonic kidney 293 (HEK-293) cell line, using polyethylenimine (PEI). The cells are transfected as adherent cells in serum-containing media to maximize transfection efficiency, and afterwards adapted to serum-free conditions. Large scale production, setup as batch overgrow cultures is used to yield antibody protein that is purified by affinity chromatography using an automated fast protein liquid chromatography (FPLC) instrument. The antibody yields produced by this method can provide sufficient protein to begin initial characterization of the antibody. This may include in vitro assay development or physicochemical characterization to aid in the time-consuming task of clonal screening for lead candidates. This method can be transferable to the development of an expression system for the production of biosimilar antibodies.

This protocol describes the production of a therapeutic antibody in a mammalian expression system. The methods described include preparation of vector DNA, stable transfection and serum-free adaptation of a human embryonic kidney 293 cell line, set up of large scale cultures and purification using affinity chromatography.

治療用抗体の実験室規模の産生および精製

Ensuring the successful production of a therapeutic antibody begins early on in the development process. The first stage is vector expression of the ...

Analysis of Histone Antibody Specificity with Peptide Microarrays

Post-translational modifications (PTMs) on histone proteins are widely studied for their roles in regulating chromatin structure and gene expression. The mass production and distribution of antibodies specific to histone PTMs has greatly facilitated research on these marks. As histone PTM antibodies are key reagents for many chromatin biochemistry applications, rigorous analysis of antibody specificity is necessary for accurate data interpretation and continued progress in the field. This protocol describes an integrated pipeline for the design, fabrication and use of peptide microarrays for profiling the specificity of histone antibodies. The design and analysis aspects of this procedure are facilitated by ArrayNinja, an open-source and interactive software package we recently developed to streamline the customization of microarray print formats. This pipeline has been used to screen a large number of commercially available and widely used histone PTM antibodies, and data generated from these experiments are freely available through an online and expanding Histone Antibody Specificity Database. Beyond histones, the general methodology described herein can be applied broadly to the analysis of PTM-specific antibodies.

This manuscript describes methods for applying peptide microarray technology to specificity profiling of antibodies that recognize histones and their post-translational modifications.

ペプチドマイクロアレイによるヒストン抗体特異性の解析

Post-translational modifications (PTMs) on histone proteins are widely studied for their roles in regulating chromatin structure and gene expression. The ...

Detergent-free Ultrafast Reconstitution of Membrane Proteins into Lipid Bilayers Using Fusogenic Complementary-charged Proteoliposomes.

Detergents are indispensable for delivery of membrane proteins into 30-100 nm small unilamellar vesicles, while more complex, larger model lipid bilayers are less compatible with detergents.
Here we describe a strategy for bypassing this fundamental limitation using fusogenic oppositely charged liposomes bearing a membrane protein of interest. Fusion between such vesicles occurs within 5 min in a low ionic strength buffer. Positively charged fusogenic liposomes can be used as simple shuttle vectors for detergent-free delivery of membrane proteins into biomimetic target lipid bilayers, which are negatively charged. We also show how to reconstitute membrane proteins into fusogenic proteoliposomes with a fast 30-min protocol.
Combining these two approaches, we demonstrate a fast assembly of an electron transport chain consisting of two membrane proteins from E. coli, a primary proton pump bo3-oxidase and F1Fo ATP synthase, in membranes of vesicles of various sizes, ranging from 0.1 to &#62;10 microns, as well as ATP production by this chain.

Here we present two ultrafast protocols for reconstitution of membrane proteins into fusogenic proteoliposomes, and fusion of such proteoliposomes with target lipid bilayers for detergent-free delivery of these membrane proteins into the postfusion bilayer. The combination of these approaches enables fast and easily controlled assembly of complex multi-component membrane systems.

洗剤無料補完充電プロテオリポソーム融合ペプチドを用いた脂質膜に膜タンパク質の超高速再構成。

Detergents are indispensable for delivery of membrane proteins into 30-100 nm small unilamellar vesicles, while more complex, larger model lipid bilayers ...

Capture and Identification of RNA-binding Proteins by Using Click Chemistry-assisted RNA-interactome Capture (CARIC) Strategy

A comprehensive identification of RNA-binding proteins (RBPs) is key to understanding the posttranscriptional regulatory network in cells. A widely used strategy for RBP capture exploits the polyadenylation [poly(A)] of target RNAs, which mostly occurs on eukaryotic mature mRNAs, leaving most binding proteins of non-poly(A) RNAs unidentified. Here we describe the detailed procedures of a recently reported method termed click chemistry-assisted RNA-interactome capture (CARIC), which enables the transcriptome-wide capture of both poly(A) and non-poly(A) RBPs by combining the metabolic labeling of RNAs, in vivo UV cross-linking, and bioorthogonal tagging.

Capture and Identification of RNA-binding Proteins by Using Click Chemistry-assisted RNA-interactome Capture CARIC Strategy

A detailed protocol for applying the click chemistry-assisted RNA-interactome capture (CARIC) strategy to identify proteins binding to both coding and noncoding RNAs is presented.

(CARIC) 戦略をキャプチャするキャプチャとクリック化学支援 RNA インタラクトームを用いた RNA 結合タンパク質の同定

A comprehensive identification of RNA-binding proteins (RBPs) is key to understanding the posttranscriptional regulatory network in cells. A widely used ...

A Fluorescence Fluctuation Spectroscopy Assay of Protein-Protein Interactions at Cell-Cell Contacts

A variety of biological processes involves cell-cell interactions, typically mediated by proteins that interact at the interface between neighboring cells. Of interest, only few assays are capable of specifically probing such interactions directly in living cells. Here, we present an assay to measure the binding of proteins expressed at the surfaces of neighboring cells, at cell-cell contacts. This assay consists of two steps: mixing of cells expressing the proteins of interest fused to different fluorescent proteins, followed by fluorescence fluctuation spectroscopy measurements at cell-cell contacts using a confocal laser scanning microscope. We demonstrate the feasibility of this assay in a biologically relevant context by measuring the interactions of the amyloid precursor-like protein 1 (APLP1) across cell-cell junctions. We provide detailed protocols on the data acquisition using fluorescence-based techniques (scanning fluorescence cross-correlation spectroscopy, cross-correlation number and brightness analysis) and the required instrument calibrations. Further, we discuss critical steps in the data analysis and how to identify and correct external, spurious signal variations, such as those due to photobleaching or cell movement.
In general, the presented assay is applicable to any homo- or heterotypic protein-protein interaction at cell-cell contacts, between cells of the same or different types and can be implemented on a commercial confocal laser scanning microscope. An important requirement is the stability of the system, which needs to be sufficient to probe diffusive dynamics of the proteins of interest over several minutes.

This protocol describes a fluorescence fluctuation spectroscopy-based approach to investigate interactions among proteins mediating cell-cell interactions, i.e. proteins localized in cell junctions, directly in living cells. We provide detailed guidelines on instrument calibration, data acquisition and analysis, including corrections to possible artefact sources.

細胞間の接触でタンパク質間相互作用の分析計蛍光の変動

A variety of biological processes involves cell-cell interactions, typically mediated by proteins that interact at the interface between neighboring ...

Fluorescent Silver Staining of Proteins in Polyacrylamide Gels

Silver staining is a colorimetric technique widely used to visualize protein bands in polyacrylamide gels following sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). The classic silver stains have certain drawbacks, such as high background staining, poor protein recovery, low reproducibility, a narrow linear dynamic range for quantification, and limited compatibility with mass spectrometry (MS). Now, with the use of a fluorogenic Ag+ probe, TPE-4TA, we developed a fluorescent silver staining method for the total protein visualization in polyacrylamide gels. This new stain avoids the troublesome silver reduction step in traditional silver stains. Moreover, the fluorescent silver stain demonstrates good reproducibility, sensitivity, and linear quantification in protein detection, making it a useful and practical protein gel stain.

Here, we describe a detailed protocol outlining a new fluorescent staining technique for total protein detection in polyacrylamide gels. The protocol utilizes a silver ion-specific fluorescence turn-on probe, which detects Ag+-protein complexes, and eliminates certain limitations of traditional chromogenic silver stains.

蛍光タンパク質のポリアクリルアミドゲルの銀製の汚損

Silver staining is a colorimetric technique widely used to visualize protein bands in polyacrylamide gels following sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide ...

Identification of Functional Protein Regions Through Chimeric Protein Construction

The goal of this protocol encompasses the design of chimeric proteins in which distinct regions of a protein are replaced by their corresponding sequences in a structurally similar protein, in order to determine the functional importance of these regions. Such chimeras are generated by means of a nested PCR protocol using overlapping DNA fragments and adequately designed primers, followed by their expression within a mammalian system to ensure native secondary structure and post-translational modifications. 
The functional role of a distinct region is then indicated by a loss of activity of the chimera in an appropriate readout assay. In consequence, regions harboring a set of critical amino acids are identified, which can be further screened by complementary techniques (e.g. site-directed mutagenesis) to increase molecular resolution. Although limited to cases in which a structurally related protein with differing functions can be found, chimeric proteins have been successfully employed to identify critical binding regions in proteins such as cytokines and cytokine receptors. This method is particularly suitable in cases in which the protein's functional regions are not well defined, and constitutes a valuable first step in directed evolution approaches to narrow down the regions of interest and reduce the screening effort involved.

Structurally related proteins frequently exert distinct biological functions. The exchange of equivalent regions of these proteins in order to create chimeric proteins constitutes an innovative approach to identify critical protein regions that are responsible for their functional divergence.

キメラ蛋白質の構築による機能性タンパク質領域の同定

The goal of this protocol encompasses the design of chimeric proteins in which distinct regions of a protein are replaced by their corresponding sequences ...

Characterization of Membrane Transporters by Heterologous Expression in E. coli and Production of Membrane Vesicles

Several methods have been developed to functionally characterize novel membrane transporters. Polyamines are ubiquitous in all organisms, but polyamine exchangers in plants have not been identified. Here, we outline a method to characterize polyamine antiporters using membrane vesicles generated from the lysis of Escherichia coli cells heterologously expressing a plant antiporter. First, we heterologously expressed AtBAT1 in an E. coli strain deficient in polyamine and arginine exchange transporters. Vesicles were produced using a French press, purified by ultracentrifugation and utilized in a membrane filtration assay of labeled substrates to demonstrate the substrate specificity of the transporter. These assays demonstrated that AtBAT1 is a proton-mediated transporter of arginine, &#947;-aminobutyric acid (GABA), putrescine and spermidine. The mutant strain that was developed for the assay of AtBAT1 may be useful for the functional analysis of other families of plant and animal polyamine exchangers. We also hypothesize that this approach can be used to characterize many other types of antiporters, as long as these proteins can be expressed in the bacterial cell membrane. E. coli is a good system for the characterization of novel transporters, since there are multiple methods that can be employed to mutagenize native transporters.

Characterization of Membrane Transporters by Heterologous Expression in E. coli and Production of Membrane Vesicles

We describe a method for the characterization of proton-driven membrane transporters in membrane vesicle preparations produced by heterologous expression in E. coli and lysis of cells using a French press.

大腸菌における異種発現による膜トランスポーターの特性評価と膜小胞の産生

Several methods have been developed to functionally characterize novel membrane transporters. Polyamines are ubiquitous in all organisms, but polyamine ...

Native Cell Membrane Nanoparticles System for Membrane Protein-Protein Interaction Analysis

Protein-protein interactions in cell membrane systems play crucial roles in a wide range of biological processes- from cell-to-cell interactions to signal transduction; from sensing environmental signals to biological response; from metabolic regulation to developmental control. Accurate structural information of protein-protein interactions is crucial for understanding the molecular mechanisms of membrane protein complexes and for the design of highly specific molecules to modulate these proteins. Many in vivo and in vitro approaches have been developed for the detection and analysis of protein-protein interactions. Among them the structural biology approach is unique in that it can provide direct structural information of protein-protein interactions at the atomic level. However, current membrane protein structural biology is still largely limited to detergent-based methods. The major drawback of detergent-based methods is that they often dissociate or denature membrane protein complexes once their native lipid bilayer environment is removed by detergent molecules. We have been developing a&#160;native cell membrane nanoparticle system for membrane protein structural biology. Here, we demonstrate the use of this system in the analysis of protein-protein interactions on the cell membrane with a case study of the oligomeric state of AcrB.

Presented here is a protocol for the determination of oligomeric state of membrane proteins that utilizes a native cell membrane nanoparticle system in conjunction with electron microscopy.

膜蛋白質相互作用解析用のネイティブ細胞膜ナノ粒子システム

Protein-protein interactions in cell membrane systems play crucial roles in a wide range of biological processes- from cell-to-cell interactions to signal ...