Method Article
Здесь мы представляем надежные и оптимизированные протокол для производства количествах миллиграмм родной, тег бесплатные мономеров и фибриллами exon1 белок гентингтин (Httex1) на основе переходных слияние мелких убиквитин соответствующий модификатор (сумо).
Болезнь Гентингтона (HD) является унаследованным смертельным нейродегенеративных заболеваний, вызванных расширением CAG (≥36) в первом экзона гена HD, что приводит к экспрессии белка гентингтина (НТТ) или N-терминальный фрагменты их с расширенной Хантингтона ( участок polyQ).
Exon1 белок гентингтин (Httex1) — маленький фрагмент Htt, который повторяет многие из особенностей HD в сотовых и животных моделей и является одним из наиболее широко изучены фрагментов Htt. Маленький размер Httex1 делает его экспериментально более пригодным для биофизические характеристики с использованием стандартного и высокого разрешения методов по сравнению с больше фрагментов или полноразмерные Htt. Однако высокая агрегации склонность мутант Httex1 (mHttex1) с повышенной polyQ содержание (≥42) стало трудно развивать эффективное выражение и систем очистки для производства этих белков в достаточных количествах и сделать их доступными для Ученые из различных дисциплин без использования синтеза белков и других стратегий, которые изменяют родной последовательности белка. Мы представляем здесь надежную и оптимизированный метод для производства количество миллиграмм в родной, тег бесплатная Httex1 на основании переходных слияние мелких убиквитин соответствующий модификатор (сумо). Простота и эффективность стратегии позволит устранить необходимость использования неместных последовательности Httex1, таким образом делая этот белок более доступным для исследователей и улучшения воспроизводимость экспериментов в различных лабораториях. Мы считаем, что эти достижения будут также способствовать будущих исследований, направленных на разъяснение связи структура функция Htt, так развивающихся роман средств диагностики и терапии для лечения или замедлить прогрессирование HD.
HTT — 348 kDa белок и был вовлечен в несколько физиологических функций1. Когда Htt содержит расширенный polyQ региона более чем 36 остатков в его N-отель terminus, это вызывает HD2,3. HD патологии характеризуется клеточных включений в полосатом теле и коры головного мозга, что приводит к гибели нейронов и атрофией пораженных тканей4,5. Несколько фрагментов N-терминальный Htt, которые содержат повторить урочище polyQ были обнаружены в post-mortem мозги от HD пациентов и подуманы быть порождена протеолитических обработки белка гентингтина6. Последние исследования показывают, что Httex1 также может быть сформирован из-за ошибочной сплайсинга мРНК. Httex1 содержит патологических polyQ мутации и его гиперэкспрессия в животных можно резюмировать многие из ключевых особенностей HD7, таким образом подчеркнув возможной центральную роль этого фрагмента в HD патологии и болезнь прогрессии6, 8,9.
Из-за высокой агрегации склонность мутант Httex1 (mHttex1) с расширенной polyQ тракта, большинство существующих систем выражения основаны на переходных фьюжн Httex1 белков (например, глутатион S-трансферазы (GST), thioredoxin (TRX) или мальтоза привязки белка (MBP) и/или пептиды (поли гистидин), которые дифференцировано улучшить ее выражение, стабильность, очистки или растворимость10,11,12,,13,14 ,,1516,,1718,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28. Fusion партнером связан с Httex1 с короткой последовательность, содержащую сайт расщепления для протеаз например трипсина, табачные etch протеазы вируса (TEV) или PreScission для расщепления и выпуска Httex1 до начала агрегации или очистки. Недостатки этих методов включают возможность оставить дополнительные остатки из-за не бесследного расщепления и создание усеченного фрагментов из-за miscleavage в пределах последовательности Httex1, помимо неоднородности вследствие неполного расщепления) см Vieweg et al. для более углубленного обсуждения на преимущества и недостатки этого подхода)10. Чтобы устранить эти ограничения, мы недавно разработала стратегию выражение, позволяя Генерация тегов бесплатно родной Httex1 в первый раз, используя переходных N-терминальный слияние Synechocystis sp. (Ssp) DnaB intein Httex110. В то время как intein расщепление бесследного и конкретными и дает мг количество белков, он все еще страдает два недостатка, которые могут уменьшить урожайность: а именно, преждевременной расщепление intein, которые могут произойти во время выражения и тот факт, что раскол происходит через несколько часов, которые могут привести к потери белка благодаря агрегации, особенно для Httex1 с расширенной polyQ повторяется.
Для устранения этих недостатков и совершенствовать нашу стратегию для производства родной, тег свободный Httex1, мы разработали новую систему выражение на основе переходных фьюжн сумо, более точно гомолога дрожжи СМТ3 к Httex1. Применение системы сумо для производство рекомбинантных белков был впервые опубликован в 2004 году29, где было продемонстрировано повышенную ставку выражения и растворимость сумо синтез белка. СУМО тег может быть расщепляется помощью убиквитин как белка конкретных протеазы 1 (ULP1), который не требует признания сайт, но признает Третичная структура сумо и практически исключает возможность miscleavage30. Кроме того ULP1-опосредованной расщепления быстро и бесследное и не оставляют дополнительные остатки. Преждевременная расщепления фьюжн тега, как заметил с автокаталитических intein10, полностью избежать требование внешней протеазы. В то время как стратегия сумо в настоящее время широко используется для рекомбинантных белков производство31,,3233, мы демонстрируем в настоящем документе, что это особенно полезно для поколения неразрывно расстройствами, агрегирование подверженных, amyloidogenic белков, таких как Httex1. Мы считаем, что простота, эффективность и надежность нашего метода на основе сумо фьюжн сделает родной, тег бесплатные Httex1 более доступным для исследователей из различных дисциплин и устранить необходимость использования неместных последовательности Httex1 в пробирке . Это важный шаг вперед, что облегчит будущие исследования для прояснения связи структура функция Httex1.
Протокол описывает очистка Httex1 от 12 Л бактериальной культуры, но протокол могут быть легко адаптированы для меньшего или большего масштаба производства. Протокол описывает производства дикого типа Httex1 (wtHttex1) с polyQ повторить Длина ниже (23Q) и мутанта Httex1 (mHttex1) с polyQ повторить длина выше (43Q) патогенных порог (36Q).
1. выражение рекомбинантных Httex1 23Q и 43Q
2. ячейки Lysis и очистка его6-сумо Httex1 синтез белка, изъятые из металла аффинной хроматографии (ИАЦ)
3. расщепление его6-сумо-тег и ВЭЖХ очистки
Предупреждение: Trifluoroacetic кислота (TFA) является летучие жидкости и может причиной тяжелых ожогов, так обращаться с осторожностью. Выполнять все обращения в зонта и носить адекватных средств индивидуальной защиты (то есть, Одноразовые нитриловые перчатки, защитные очки и лаборатории пальто).
4. дезагрегирование и Resolubilization Httex1 белков
Предупреждение: TFA это летучие жидкости и может причиной тяжелых ожогов, так обращаться с осторожностью. Выполнять все обращения в зонта и носить надлежащего личного защитного оборудования (т.е. Одноразовые нитриловые перчатки, защитные очки и лаборатории пальто).
5. Мониторинг из агрегации кинетика Httex1 43Q с использованием UPLC и круговой дихроизма (CD) спектроскопии и характеристика агрегатов передачи электронной микроскопии (ТЕА)
Httex1 выражается в E. coli с N-терминальный его6-сумо тег. Представитель результаты выражения и очистки синтез белка приводится на рисунке 1. Последовательность Httex1 состоит из остатков 2-90 НТТ и начинается с Ala2, потому что Met1 полностью рассеченного в vivo42. Нумерация аминокислоты относится к 23Q вариант, полная последовательность выраженной синтез белка показано в рисунке 1A. Плазмиды будет депонироваться на Addgene в ближайшем будущем, чтобы быть совместно с сообществом. Схема плазмида и выраженной синтез белка показано в рисунке 1B. Httex1 His6-сумо выражает на среднем уровне (рис. 1C), и большинство синтез белка в растворимая фракция после лизиса, как для 23Q и 43Q вариант. Синтез белка выше, чем ожидалось, переносит, основанный на молекулярный вес. Это частично объясняется сильным лоно сумо, но главным образом из-за необычных последовательности состав Httex1, содержащие главным образом остатков глутаминовой и пролина. Wildtype (23Q) и мутанта (43Q) ~ 80% чистоты синтез белка может обогащаться IMAC (рис. 1D) можно объяснить присутствие совместно очищающая хоста белком сравнительно низкий уровень экспрессии Httex1 и большой образец объем, применяется к столбцу.
Расщепление его6-сумо тег и очистки Httex1 показано в рисунке 2A. UPLC является эффективным инструментом для мониторинга расщепление его6-сумо тег (рис. 2B). Оригинальные пик синтез белка потребляется и два новых и хорошо разделенных пики, соответствующие его6-появляются сумо тег и Httex1. Реакции расщепления закончена в 10-20 мин. Западной помарки (ВБ) слишком медленно, чтобы эффективно контролировать реакции расщепления, но он был включен в рисунке для справки и продемонстрировать полноты сумо расщепления. Оба Httex1 23Q и 43Q могут быть разделены с его6-сумо тег RP-ВЭЖХ (рис. 2C) и были получены в высокой степени чистоты, как показано на UPLC, MS и SDS-PAGE анализа (Рисунок 2D).
Чтобы проиллюстрировать, что Httex1 белков, подготовленный данным методом сохраняют свойства ожидаемый агрегации Httex1, мы оценивали кинетика fibrillization мутант Httex1 при 37 ° C по Пробирной седиментации, мониторинг изменений в вторичной структуре на CD спектроскопия и характеризуются морфология агрегатов по ТЕА. Репрезентативного набора данных агрегации кинетика mHttex1 фибриллярных формирования определяется седиментации пробирного показан нарисунке 3A. Потери растворимых Httex1 43Q со временем, из-за формирования фибриллярных была количественно оценена, UPLC. Мы наблюдаем полное истощение растворимого белка после 48 часов инкубации. Кроме того мы определяется вторичная структура белков CD спектроскопии (рис. 3B). Httex1 43Q переход от неструктурированных (λмин 205 Нм) в основном β-лист богатые конформацию (λмин 215 Нм) после 48 часов инкубации. Это структурное изменение сопровождается образованием долго фибриллярного агрегатов как наблюдаемый по ТЕА на 48 часов (рис. 3C).
Рисунок 1 . Выражение и очистка его6-протеин сплавливания сумо Httex1.
(A) аминокислотной последовательности его6-сумо-Httex1-QN фьюжн конструкции (его6-сумо в зеленых и Httex1-QN в оранжевый); (B) Схематический обзор выражения и очистки синтез белка; (C) анализ SDS-PAGE выражения и растворимость синтез белка после лизиса; (D) Хроматограмма IMAC очистки синтез белка и анализа фракций, SDS-PAGE (красный бар: несвязанные дроби, Голубой бар: мыть дроби, черную полосу: фракций, содержащих элюции пик); Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 . Расщепление его очистки тегов свободной Httex1-QN белков и6 сумо тег.
Схематический обзор (A); (B) анализ расщепления сумо тега с ULP1 по UPLC (синий: перед добавлением ULP1; черный: 20 мин (23Q), соответственно 10 мин (43Q) после добавления ULP1) и Всемирный банк (MAB5492 1: 2000, вторичные коза анти мыши антител 1: 5000); (C) Хроматограмма препаративные RP-ВЭЖХ очистки Httex1; D: анализ очищенный Httex1, UPLC, SDS-PAGE и ESI-МС; Ожидаемые молекулярный вес составляет соответственно 9943 Да (23Q) и 12506 Да (43Q). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 . Агрегат Httex1-43Q: (A) седиментации assay основанный на UPLC. (B) CD спектры вторичной структуры на 0 h и 48 ч. (C) ТЕА микроскопии агрегатов на 48 ч (Масштаб гистограммы являются 200 Нм). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
В этом протоколе, мы наметили эффективной процедуры для получения количества миллиграмм родной, непомеченные Httex1 содержащий остатков глутаминовой 23 или 43. Это было достигнуто путем выражения Httex1 как C-терминал fusion его6-сумо тег, который используется для изоляции синтез белка от lysate клетки IMAC и расщепляется до ВЭЖХ очистки Httex1. В то время как стратегия сумо был использован в производстве ряда других белков, наш метод показывает, что уникальные свойства сумо также могут быть использованы для создания неразрывно расстройством, подверженных агрегации, amyloidogenic белок, который ранее оказались чрезвычайно трудно обрабатывать и производят4443,. Мы представляем протокол, простой, легкий в использовании и сопоставимых протокол для поколения «хорошо себя» белка. СУМО fusion solubilizes и стабилизирует Httex1 во время выражения и шаг очищение IMAC. Преждевременное расщепления тега, как заметил с intein стратегии10 и агрегации больше не были проблемой.
Неразрывно неупорядоченных белки являются особенно подвержены деградации. В то время как N-терминальный деградации в регионе N17 является не вопросом, используя этот протокол, усечения в ОД Httex1 может произойти. Как усеченный белки являются очень похож на Httex1, гидрофобность и размер, удаляя их газохроматографического средствами является сложной задачей, таким образом это лучше, чтобы предотвратить их образование в первую очередь. Отклонившись протокол, всегда работает на льду и с помощью достаточное количество ингибитора протеазы должны помочь сохранить уровень наблюдаемых усечения очень низкая. Применение тега сплавливание на C-конечная Httex1 может удалить усечения в ПДР легко как усеченный белка потеряет близости тег также. Однако если родной последовательности должна быть сохранена, что этот параметр не может применяться как Httex1 заканчивается пролина и в меру наших знаний есть теги Фьюжн не C-терминала, которые известны побудить бесследного и эффективного расщепления после пролина.
Наиболее важной частью протокола является обработка Httex1, освобожден после расщепления сумо тега ULP1. Протеин следует немедленно неразделимая RP-ВЭЖХ. К счастью это эффективной и быстрой реакции, которая завершается обычно в 10-20 мин при 4 ° C. В противоположность этому intein стратегия требуется несколько часов для полного расщепления intein, таким образом, требует компромисса между неполного расщепления и начало агрегации для того чтобы увеличить урожайность. Быстрой обработки требуется для мутантов Httex1, как он начнет агрегировать при сравнительно высокой концентрации в реакции расщепления, тогда как вариант 23Q стабильным в течение длительного времени. Во время очистки RP-ВЭЖХ, еще одно преимущество сумо становится очевидным: в то время как Ssp DnaB intein гидрофобных и сильно прилипает к столбцу, сумо более гидрофильных и полностью elutes в столбце обратная фаза C4. Хотя коммерческие ULP1 является довольно дорогостоящим, белок может выпускаться в высокодоходных после ранее опубликованные протоколы29легко.
Важное значение применения протокола дезагрегирования перед использованием Httex1 не может быть подчеркнуто достаточно. Лиофилизированные polyQ белков, таких как Httex1 являются стабильными и может быть хранимой длительных периодов, но не полностью растворим в воде и буферов. Наличие предварительно олигомеров или фибриллами может иметь значительное влияние на кинетику агрегации и биофизические свойства белка45. Протокол дезагрегирования, описанный здесь позволяет дезагрегирования белка, удаление предварительно агрегатов и поколения раствора мономерных Httex1 от лиофилизированные образца. Мы наблюдали аналогичные агрегации кинетики и фибриллярных морфологии для Httex1, полученные с сумо и intein стратегии.
По сравнению с предыдущими методами для производства Httex1, сумо стратегии, описанные здесь предлагает несколько преимуществ и расширяет спектр возможных исследований для изучения структуры и функциональных свойств этого белка в здоровье и болезни. СУМО-Httex1 синтез белка прост в обращении, может быть заморожен и хранится или хранится в решение для 24 ч при комнатной температуре, в то время как свободный mHttex1 бы агрегировать быстро. Стабильность и высокая растворимость белков фьюжн сумо-Httex1 обеспечивают большую гибкость для манипуляции белка и/или ферментативные и химические изменения в mHttex1, что в противном случае не будет возможно после расщепления. Это включает в себя введение столб-поступательные изменения, флуорофоров, спина этикетки, биотин Теги и т.д. авансы, представленные здесь должно 1) облегчить будущие исследования для выяснения отношений структура функция Httex1; 2) генерировать новые инструменты для расследования Htt агрегации и распространения патологии; 3) содействовать развитию новых анализов для выявления молекулы, которые стабилизируют мутант Httex1 и предотвратить его агрегирования; и 4) поощрять ученых из других областей довести работу на этот белок и присоединиться к нашей поиски, чтобы найти лекарства от болезни Гентингтона.
Авторы заявляют, что они имеют без конфликта интересов с содержанием этой статьи.
Эта работа финансировалась главным образом за счет субсидий Фонд CHDI и Швейцарский Национальный научный фонд. Мы благодарим д-ра Софи Vieweg для полезных обсуждений при разработке этой новой системы выражения и другие члены группы Lashuel для обмена их опытом с этой системой выражение и для их ввода и ценную обратную связь. Мы также благодарим профессор Оливер моделях за предоставление ULP1 плазмиды. Авторы благодарят д-р Джон Уорнер и доктор Сентил K. Thangaraj для критического обзора манускрипта
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Uranyl formate (UO2(CHO2)2) | EMS | 22450 | |
Formvar/carbon 200 mesh, Cu 50 grids | EMS | FCF200-Cu-50 | |
High Precision Cell made of Quartz SUPRASIL 1 mm light path from Hellma Analytics | HellmaAnalytics | 110-1-40 | |
Buffer Substance Dulbecco's (PBS w/o Ca and Mg) ancinne ref 47302 (RT) SERVA | Witech | SVA4730203 | |
Ampicillin | AxonLab | A0839.0100 | |
Luria Broth (Miller's LB Broth) | Chemie Brunschwig | 1551.05 | |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | AxonLab | A1008.0025 | |
E. coli B ER2566 | NEB | NEB# E4130 | |
Imidazole | Sigma | 56750-500G | |
cOmplete Protease Inhibitor Cocktail | Roche | 4693116001 | |
Anti-Huntingtin Antibody, a.a. 1-82 | Merck Millipore Corporation | MAB5492 | |
IRDye 680RD Goat anti-Mouse IgG (H + L) | Licor | 925-68070 | |
PMSF | AxonLab | A0999.0005 | |
HisPrep 16/10 column | GE Healthcare | 28936551 | |
C4 HPLC column | Phenomenex | 00G-4168.P0 | 10 µm C4 300 Å, LC Column 250 x 21.2 mm, Phenomenex, 19x10 mm guard column, not temperature jacketed |
Acetonitrile HPLC | MachereyNagel | C2502 | |
Filtre seringue Filtropur S 0,45 ul sans prefiltre sterile | Sarstedt AG | 83.1826 | |
Spectrophotometer semi-micro cuvette | Reactolab S.A. | 2534 | |
Superloop, 1/16" fittings (ÄKTAdesign), 50 ml | GE Healthcare | 18111382 | |
Trifluoroacetic acid | Sigma | 302031 | |
GREINER Tubes fo FPLC 16 x 100 mm, cap. 12.0 ml | Greiner Bio-One | 7.160 102 | |
100 kD Microcon fast flow filters | Merck Millipore Corporation | MRCF0R100 | |
Vibra-cell VCX130 ultrasonic liquid processor | Sonics | ||
Äkta 900 equipped with a fraction collector | GE Healthcare | ||
Jasco J-815 Circular Dichroism | Jasco | ||
Waters UPLC system | Waters | C8 BEH acquity 2.1x100 mm 1.7 micron column , preheated column (40 °C), flow rate of 0.6 mL/min, injection volume of 4 μL | |
waters HPLC system | Waters | 2489 UV detector and 2535 quaternary gradient module, 20 mL loop in a FlexInject housing | |
ESI-MS: Finnigan LTQ | Thermo Fisher Scientific | ||
lyophylizer instrument | FreeZone 2.5 Plus | ||
Tecnai Spirit BioTWIN | FEI | electron microscope equipped with a LaB6 gun and a 4K x 4K FEI Eagle CCD camera (FEI) and operated at 80 kV | |
37 °C shaking incubator | Infors HT multitron Standard | ||
Biophotometer plus | Eppendorf |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены