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이 기사에서는 6X-histidine 태그로 라벨링된 인간 재조합 단백질인 flap endonuclease 1(FEN1)의 친화성 정제 절차를 제공합니다. 이 프로토콜은 태그된 단백질의 정제를 위해 두 개의 뚜렷한 고정화된 금속 이온 컬럼을 사용하는 것을 포함합니다.
단백질의 기능적 특성을 규명하려면 생화학적 분석을 수행하기 위해 단백질을 고순도로 상당한 양으로 발현하고 정제해야 합니다. 고속 단백질 액체 크로마토그래피(FPLC) 시스템을 사용하면 복잡한 단백질 혼합물을 고분해능으로 분리할 수 있습니다. FPLC에서 적절한 정제 매트릭스 선택, 단백질 샘플의 온도 조절, 매트릭스에 대한 샘플의 유속 및 용리 속도 관리와 같은 다양한 파라미터를 조정함으로써 단백질의 안정성과 기능을 보장할 수 있습니다. 이 프로토콜에서는 박테리아 배양에서 생산된 6X-His 태그 플랩 엔도뉴클레아제 1(FEN1) 단백질을 정제하기 위한 FPLC 시스템의 다양성을 입증합니다. 단백질 정제 효율성을 개선하기 위해 적절한 컬럼 패킹 및 준비, 시료 루프를 사용한 시료 주입, 컬럼에 대한 시료 적용 유속, 시료 용리 파라미터 등 여러 고려 사항에 중점을 둘 것입니다. 마지막으로, 크로마토그램을 분석하여 높은 수율의 단백질을 함유한 분획을 식별하고 적절한 재조합 단백질 장기 보관을 위한 고려 사항을 식별합니다. 단백질 정제 분석법의 최적화는 단백질 분석의 정밀도와 신뢰성을 개선하는 데 매우 중요합니다.
세포 생물학을 이해하기 위해 수많은 전략을 사용할 수 있습니다. 한 가지 접근법은 유전적 돌연변이를 유전자에 도입한 다음 모델 유기체에서 결과적으로 발생하는 표현형 변화를 평가하는 하향식 전략입니다. 반대로, 환원주의적 접근법은 특정 단백질의 분자 메커니즘 및 효소 기능의 초기 설명과 다른 세포 구성 요소와의 상호 작용의 특성화를 수반합니다. 그 후, 이 단백질이 생물학적 경로에 미치는 영향을 평가합니다. 각 연구 접근 방식에는 고유한 장점과 한계가 있지만 생물학적 경로에 대한 포괄적인 이해를 달성하려면 학제 간 연구가 필요합니다.
DNA가 생명체의 유전적 청사진이기 때문에 DNA 복제 및 게놈 유지의 메커니즘을 이해하는 것은 70년 이상 동안 활발한 관심 분야였습니다. DNA 복제 분야의 연구는 수많은 복제 단백질의 개별 구조와 기능에 관한 풍부한 데이터를 산출했습니다. 기계론적 측면과 생화학적 활성 분석을 포괄하는 이러한 연구는 이러한 단백질의 정제를 통해 실현 가능해졌으며, 이를 통해 체외 환경에서 세심한 검사를 수행할 수 있습니다. 결과적으로, 단백질 정제는 DNA 복제에 대한 기계론적 통찰을 밝히기 위한 대부분의 연구 노력에서 없어서는 안 될 유비쿼터스 기술로 부상하고 있습니다.
이 논문은 박테리아 세포에서 과발현된 6X-히스티딘으로 태그된 DNA 복제 단백질을 분리하는 방법을 제시합니다. 관심 단백질은 인간 플랩 엔도뉴클레아제 1(FEN1)로, 후행 가닥 복제에서 중추적인 역할을 하고 염기 절제 복구(BER)1,2,3과 같은 DNA 복구 경로에도 중요한 참여자인 구조 특이적 뉴클레아제입니다. FEN1의 주요 기능은 DNA 복제 또는 BER 중에 발생하는 중간체인 5' 변위된 플랩 구조의 기저부를 절단하는 것입니다. 초기에 FEN1의 효소 활성을 평가하는 생화학적 조사는 뉴클레아제가 플랩 구조의 유리 5'-인산염 말단을 인식한 다음 플랩을 따라 기저부까지 따라가다가 절단하는 "추적" 메커니즘을 제안했습니다4. 후속 연구에 따르면 FEN1은 "스레딩" 메커니즘을 통해 작동하며, 여기서 먼저 플랩의 바닥에 결합한 다음 절단 전에 활성 부위를 통해 자유 5' 끝을 나사산으로 꿰는 것으로 나타났습니다(그림 1)5. 재조합 FEN1을 과도하게 발현하고 분리할 수 있는 능력은 이러한 돌파구를 촉진하여 연구자들이 생화학 및 구조 조사에 이를 사용할 수 있도록 했습니다.
친화성 크로마토그래피는 DNA를 정제하는 데 일반적으로 사용되는 분리 방법입니다. 이 기술은 수지에 고정된 리간드에 대한 표적 단백질의 가역적 결합 친화도를 사용하여 관심 단백질을 특이적으로 포획합니다. 가장 널리 사용되는 생체 친화성 중 하나는 아미노산, 히스티딘 및 니켈 및 코발트와 같은 금속 이온 간의 강력한 상호 작용이므로 Ni2+ 또는 Co2+로 충전된 수지에 포착할 수 있습니다.
6-9개의 히스티딘 잔기(His) 문자열을 암호화하는 DNA 염기서열은 관심 단백질(N-말단 또는 C-말단)을 암호화하는 플라스미드 구조체에 자주 통합되며, 단백질에 6X-His-tag 또는 poly-His tag를 태그합니다. 그런 다음 His-tagged 단백질은 친화성 크로마토그래피의 하위 유형인 IMAC(Immobilized Metal Affinity Chromatography)로 쉽게 정제할 수 있으며, 이 경우 수지의 금속 이온이 친화성 태그로 단백질을 포획하고 나중에 적절한 용리제를 사용하여 용출할 수 있습니다. Ni2+ 및 Co2+ 와 같은 전이 금속 이온은 N,N,N'-트리스-(카르복시메틸)-에틸렌디아민 또는 니트릴로트리아세트산(NTA) 그룹6에서 파생된 아가로스 또는 실리카겔 매트릭스에 고정화할 수 있습니다.
금속 리간드는 물리적, 화학적, 생물학적 요인에 의한 분해에 대해 견고하고 다른 유형의 리간드 6,7에 비해 이러한 이점을 유지하는 것으로 알려져 있습니다. 또한, His-tag는 상대적으로 작은 태그이며 단백질 구조나 기능에 큰 영향을 미치지 않는다7. 그러나 박테리아 발현 시스템에서는 염색체로 발현되는 많은 단백질이 금속 이온에 대한 친화성을 가지며 표적 단백질과 공동 정제할 수 있습니다. 니켈과 코발트는 IMAC 매트릭스에 사용되는 전형적인 금속 이온입니다. Ni-NTA 수지와 TALON 코발트 기반 수지는 His-태그 단백질의 정제에 일반적으로 사용됩니다.
Ni-NTA와 TALON 비교
Ni-NTA와 TALON의 각각의 금속 이온은 NTA 리간드를 통해 수지에 고정됩니다. Ni-NTA는 최대 100mg/mL의 단백질과 결합하는 더 높은 결합 능력을 갖는 것으로 생각됩니다. 이로 인해 단백질 수율이 높아질 수 있지만 오염 단백질이 공동 정제될 수 있다는 주의가 있습니다. 대조적으로, 수지는 His-태그된 단백질에 대해 더 높은 결합 특이성을 가지며 더 높은 순도의 분획물을 생산할 수 있을 수 있습니다. 이 연구에서는 참조된 자동 고속 단백질 액체 크로마토그래피 시스템인 NGC 시스템( 재료 표 참조)을 사용하여 두 수지의 정제 효율을 비교하는 것을 목표로 합니다.
버퍼 및 호환성Buffers and compatibility
완충액은 세포 용해, 시료 전처리, 수지 평형화 및 수지에서 포집된 단백질의 용리를 위한 단백질 정제 중에 필요합니다. 최대 100mM 농도의 Tris, MOPS 및 HEPES 완충액은 Ni-NTA 수지에 대해 알려진 호환 가능한 완충액입니다. 완충액에는 단백질의 산화와 단백질 응집을 방지하기 위한 환원제가 포함되는 경우가 많습니다. 그러나 임계값 한계를 초과하면 환원제는 수지에서 금속 이온을 제거할 수 있습니다. 베타-메르캅토에탄올(BME) 또는 디티오트레이톨(DTT)과 같은 환원제의 권장 농도는 위에서 언급한 니켈 및 코발트계 수지에 대해 1mM 미만입니다.
hFEN1 정제를 위한 완충액은 NaCl, BME, 페닐메틸설포닐플루오라이드(PMSF), EDTA 및 글리세롤을 함유하는 트리스 완충액입니다. NaCl은 단백질을 수용성 형태로 유지하고 DNA 결합과 같은 분자 상호 작용을 방해합니다. BME는 산화된 단백질을 감소시켜 단백질 응집을 방지합니다. PMSF)는 표적 단백질의 프로테아제 매개 분해를 방지하는 프로테아제 억제제입니다. EDTA는 시료에서 2가 양이온을 제거하여 뉴클레아제 및 프로테아제에 대한 접근을 방지합니다. 글리세롤은 수성 형태의 단백질의 안정성을 향상시킵니다. 또한 lysis buffer에는 완전한 프로테아제 억제제 정제가 포함되어 있어 세포 용해 중 프로테아제가 분해되는 것을 방지하여 표적 단백질을 최대한 보호할 수 있습니다. 평형 및 용출 완충액에는 이미다졸이 함유되어 있으며, 용출 완충액에는 이미다졸이 용출 중에 수지에서 결합된 단백질을 대체하기 위해 더 많은 양이 포함되어 있습니다.
차세대 크로마토그래피(NGC) 시스템
고속 유속 단백질 액체 크로마토그래피(FPLC)를 위해 설계된 이 자동화된 중압 크로마토그래피 시스템은 두 개의 펌프를 사용하여 두 개의 서로 다른 버퍼를 동시에 펌핑하며 250μL에서 100mL에 이르는 광범위한 시료 부피를 주입할 수 있습니다. 시료 루프(이 시스템에서는 Dynaloop라고 함)를 사용하면 더 큰 부피의 시료를 주입할 수 있습니다. 이 시스템은 Chromlab 소프트웨어를 사용하여 작동할 수 있으며, 이를 통해 맞춤형 분석법 생성, 정제 실행 조작, UV 피크 및 단백질 분획 분석을 용이하게 할 수 있습니다.
1. 시료 전처리
2. 친화도 열 준비
3. 플로우 어댑터를 사용한 컬럼 패킹
4. FPLC 시스템의 시료 루프 프라이밍
5. 시료 주입
6. FPLC 시스템 연결 소프트웨어를 사용한 분석법 생성 및 분석
7. SDS PAGE 분석
hFEN1을 발현하는 BL21(DE3) 세포 용해물을 평형화된 Ni-NTA 및 TALON 수지를 통과시켰다. Ni-NTA 수지는 Ni2+ 이온으로 충전되어 높은 결합 능력을 가지고 있습니다. 그 결과 Ni-NTA 수지는 TALON 수지에 비해 더 많은 양의 FEN1을 산출하는 것으로 나타났습니다(그림 7). Ni-NTA 수지는 또한 다른 염색체로 발현되는 단백질에 비특이적으로 결합하는 것으로 알?...
친화성 크로마토그래피는 DNA 결합 단백질을 정제하는 데 널리 사용되는 기술입니다. IMAC(Immobilized Metal Affinity Chromatography)는 금속 이온을 사용하여 펩타이드 염기서열의 히스티딘 잔기를 포획하는 특정 유형의 친화성 크로마토그래피입니다. 이것이 "6X-His 태그" 또는 "poly-His 태그"가 정제할 단백질의 N-말단 또는 C-말단에 부착되는 이유입니다. 니켈과 코발트는 가장 일반적...
저자는 경쟁하는 재정적 이익이나 기타 이해 상충이 없습니다.
이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation, 1929346)과 미국암학회(American Cancer Society, RSG-21-028-01)의 보조금으로 이루어졌다. 또한 유용한 토론을 해주신 Balakrishnan 연구소 구성원분들께도 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4x Laemmli sample buffer | BioRad | 1610747 | |
Acetic acid | Merck | UN2789 | |
Beta-mercaptoethanol (BME) | Sigma | M-6250 | |
Chromlab software version 6.1.27.0 | BioRad | operates the NGC system | |
Complete MINI protease inhibitor tablet | Roche | 11836153001 | |
Coomassie Brilliant Blue R | Sigma | B0149 | |
Dithiothreitol (DTT) | Dot Scientific | DSD11000 | |
Econo-Column glass | BioRad | 7371512 | |
Ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA) | Dot Scientific | DSE57020 | |
Flow adaptor | BioRad | 7380014 | |
Glycerol | Dot Scientific | DSG22020 | |
Imidazole | Dot Scientific | DSI52000 | |
Methanol | Fisher Scientific | A412 | |
Mini PROTEAN TGX gels | BioRad | 4561084 | |
NGC Chromatography System | BioRad | automated liquid chromatography system | |
Ni-NTA Agarose | Qiagen | 1018244 | |
Phenyl-methyl-sulfonyl fluoride | Dot Scientific | DSP20270 | |
PreScission Plus Protein Dual Color Standards | BioRad | 1610374 | |
Sodium chloride | Dot Scientific | DSS23020 | |
TALON metal affinity resin | Takara | 635502 | |
Tris Base | DST60040 |
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