Name: paramagnetic relaxation enhancement for detecting and characterizing self-associations of intrinsically disordered proteins
Uploaded: 2021-09-23T15:00:00
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Wir danken Dr. Jinfa Ying und Dr. Kristin Cano für hilfreiche Gespräche und technische Unterstützung. DSL ist ein St. Baldrick's Scholar und bedankt sich für die Unterstützung der St. Baldrick's Foundation (634706). Diese Arbeit wurde teilweise von der Welch Foundation (AQ-2001-20190330) an DSL, dem Max and Minnie Tomerlin Voelcker Fund (Voelcker Foundation Young Investigator Grant an DSL), UTHSA Start-Up Funds an DSL und einem Greehey Graduate Fellowship in Children's Health an CNJ unterstützt. Diese Arbeit basiert auf Forschungsarbeiten, die in den Structural Biology Core Facilities durchgeführt werden, die Teil der institutionellen Forschungskerne am Health Science Center der University of Texas in San Antonio sind und vom Büro des Vizepräsidenten für Forschung und der Mays Cancer Center Drug Discovery and Structural Biology Shared Resource (NIH P30 CA054174) unterstützt werden.

Allgemeine Anforderungen an das Protokoll: Proteinreinigungseinrichtungen, UV-Vis-Spektrometer, Hochfeld-NMR-Spektrometer und Betriebssoftware, Post-Processing-Analysesoftware einschließlich; NMRPipe 32, Sparky33 (oder CCPN-Analyse34 oder NMRViewJ35).
1. Rekombinante Expression und Aufreinigung eines Proteins für PRE-Messungen
<ol><li>Entwerfen Sie ein Expressionskonstrukt für das interessieren...

Eine Methode zur Charakterisierung transienter Wechselwirkungen, die bei niedrigen Populationen zwischen intrinsisch ungeordneten Proteinen und verschiedenen Bindungspartnern bestehen, wurde mittels PRE vorgestellt. Im gezeigten Beispiel ist das Protein selbstassoziierend, so dass die PRE aus einer Kombination von inter- und intramolekularen Wechselwirkungen entstehen kann. Diese Methode lässt sich leicht auf heterogene Proben ausdehnen, bei denen die Wechselwirkungen zwischen zwei verschiedenen Proteinen charakterisier...

Intrinsische Störung (ID) beschreibt Proteine (IDPs) oder Regionen innerhalb von Proteinen (IDRs), die sich nicht spontan zu stabilen Sekundär- oder Tertiärstrukturen falten, sondern biologisch aktiv sind. Im Allgemeinen besteht die Funktion von IDP/IDRs darin, spezifische, aber reversible Wechselwirkungen mit Biomolekülen unter physiologischen Bedingungen zu ermöglichen1. Somit sind IDPs und IDRs an einer Reihe von zellulären Funktionen beteiligt, einschließlich der Rekrutierung, Organisation und Stabilisierung von Multi-Protein-Komplexen, z. B. der Assemblierung und Aktivität des Spleißosoms2, der Rekrutierung und Organisation von Komponenten an den Stellen der DNA-Schädigung3, der Organisation und Stabilisierung der Rekrutierung von Transkriptionskomplexen4 oder des Chromatin-Remodelers BAF5. Darüber hinaus werden IDPs an Signalknoten gefunden, wo ihre Promiskuität für verschiedene Bindungspartner es ihnen ermöglicht, den Informationstransfer durch zelluläre Proteinnetzwerke zu vermitteln6. Neuere Arbeiten haben auch gezeigt, dass IDR-Regionen dazu neigen, sich selbst zu assoziieren und biomolekulare Kondensate durch den Prozess der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung zu bilden7. Viele der oben erwähnten Funktionen, die ID betreffen, werden heute auch mit einem Aspekt der Kondensatbildung in Verbindung gebracht8. Trotz der Bedeutung von ID für die Assemblierung, Stabilisierung, Gerüstbildung und Signaltransduktion biomolekularer Komplexe sind die atomaren Details ihrer spezifischen Wechselwirkungen schwer zu identifizieren, da IDPs und IDRs in der Regel nicht für strukturelle Untersuchungen mit Röntgenkristallographie oder kryogener Elektronenmikroskopie geeignet sind.
Die Kernspinresonanz (NMR) ist eine ideale Technik zur Untersuchung der ID, da sie nicht vom Vorhandensein starrer oder homogener Strukturensembles abhängt, sondern über die unmittelbare lokale Umgebung einzelner Kerne berichtet. Die Resonanzfrequenz oder chemische Verschiebung eines Kerns in einem bestimmten Molekül wird durch schwache Magnetfelder beeinflusst, die durch die lokale elektronische Verteilung induziert werden, die wiederum von Bindungslängen, Winkeln, der Nähe anderer Kerne, Wechselwirkungen mit Bindungspartnern und anderen Faktoren abhängt9. So fungiert jeder Kern als einzigartige, ortsspezifische Struktursonde, die empfindlich auf Veränderungen in seiner lokalen chemischen Umgebung reagiert. Trotz dieser Vorteile ist die NMR eine Bulk-Technik, und die beobachtete chemische Verschiebung ist der Durchschnitt aller Umgebungen, die von einem bestimmten Kern beprobt wurden. Eine Reihe von NMR-Techniken, von denen viele in dieser Ausgabe beschrieben werden, wurden entwickelt, um strukturelle, dynamische und kinetische Informationen über hochenergetische, niedrig besiedelte biomolekulare Konformationen zu gewinnen, die in der gemittelten chemischen Verschiebung enthaltensind 10,11. Obwohl sie nur vorübergehend besiedelt sind, sind die Identifizierung und Quantifizierung dieser Zustände wichtig, um die Details der funktionellen Mechanismen zu bestimmen12. Zum Beispiel kann im Fall von IDPs und IDRs das Konformationsensemble verzerrt sein, um bevorzugt Konformationen zu probieren, die für die Bildung von Begegnungskomplexen mit physiologischen Bindungspartnern produktiv sind. Die Detektion dieser Zustände sowie die Identifizierung der restspezifischen inter- und intramolekularen Wechselwirkungen und Dynamiken sind wichtig, um die zugrundeliegenden strukturellen Mechanismen der Proteinfunktion und Komplexbildung zu bestimmen.
Es wird ein Protokoll zur Verwendung der paramagnetischen Relaxationsverstärkung (PRE) NMR zur Untersuchung transienter, niedrig besiedelter Zustände beschrieben, die für die Bildung von IDP/IDR-vermittelten biomolekularen Komplexen wichtig sind13. Dieser Ansatz ist nützlich für die Untersuchung der transienten Protein-Protein-Interaktionen, wie z. B. solche, die den Aufbau von Amyloidfibrillen aus α-Synuclein 14,15 oder die Selbstassoziation von FUS16 fördern, sowie für die Charakterisierung spezifischer Protein-Protein-Interaktionen, z. B. zwischen Signalproteinen17. Ein Beispiel für eine selbstassoziierende IDP wird vorgestellt, bei der spezifische inter- und intramolekulare Wechselwirkungen zu bevorzugt verdichteten Zuständen sowie zu ortsspezifischen Wechselwirkungen führen, die die Selbstassoziation vorantreiben.
Die PRE entsteht aus der magnetischen dipolaren Wechselwirkung eines Kerns mit einem paramagnetischen Zentrum mit einem isotropen g-Tensor, der üblicherweise in Form eines ungepaarten Elektrons auf einer Nitroxidgruppe oder als paramagnetisches Metallatom18 geliefert wird (Abbildung 1). Während Atome mit anisotropen g-Tensoren auch einen PRE-Effekt erzeugen, ist die Analyse dieser Systeme aufgrund von Störeffekten, die durch die Pseudo-Kontaktverschiebungen (PCS) oder die residuale dipolare Kopplung (RDC) verursacht werden, schwieriger13,19. Die Stärke der Wechselwirkung zwischen einem Kern und dem paramagnetischen Zentrum hängt vom Abstand <r-6> zwischen den beiden ab. Diese Wechselwirkung führt zu einem Anstieg der Kernrelaxationsraten, was zu einer nachweisbaren Linienverbreiterung auch für langreichweitige Wechselwirkungen (~10-35 Å) führt, da das magnetische Moment des ungepaarten Elektrons so stark ist20,21. Die Erkennung von transienten Zuständen mit dem PRE ist möglich, wenn die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sind; (1) die transiente Wechselwirkung befindet sich in schnellem Austausch auf der NMR-Zeitskala (beobachtete chemische Verschiebung ist ein populationsgewichteter Durchschnitt der austauschenden Zustände); und (2) der Abstand zwischen Kernen und paramagnetischem Schwerpunkt ist im vorübergehend besiedelten Zustand kürzer als im Hauptzustand11. Die transversale PRE wird Γ2 bezeichnet und aus praktischen Gründen aus der Differenz der transversalenRelaxationsraten von 1 H zwischen einer Probe mit einem paramagnetischen Zentrum und einer diamagnetischen Steuerung berechnet. Für eine eingehende Behandlung der Theorie der PRE und der damit verbundenen Pseudokontaktverschiebungen in schnellen und langsamen Austauschregimen wird der Leser auf die umfassenden Übersichtsarbeiten von Clore und Mitarbeitern13,22 verwiesen. Hier wird nur die Situation betrachtet, in der sich 1HN-Γ 2 im schnellen Austauschregime befindet, wobei aufgrund der r-6-Abhängigkeit des PRE die beobachtete Relaxationsrate sowohl mit der Entfernung, in der sich das paramagnetische Zentrum dem Kern nähert, als auch mit der Zeit, die es in dieser Konformation verbringt, zusammenhängt. Daher erzeugen transiente Konformationen, die keine enge Annäherung beinhalten, eine kleine PRE, während nähere Wechselwirkungen, auch wenn sie nur von kurzer Dauer sind, eine größere PRE erzeugen.
Bei IDPs wird der PRE verwendet, um die Wechselwirkungen innerhalb eines einzelnen Moleküls (intramolekular) und zwischen einzelnen Molekülen (intermolekular) zu messen und zu differenzieren. Durch Anbringen eines paramagnetischen Zentrums an ein sichtbares (z. B. 15N-markiertes) oder NMR-unsichtbares (z. B. natürliches 14N) Protein kann die Quelle (inter- oder intramolekular) des PRE bestimmt werden (Abbildung 2). Die ortsgerichtete Mutagenese, die einen Cysteinrest einführt, ist ein bequemer Ansatz, um ein paramagnetisches Zentrum (Spin-Label) an ein Proteinanzuhängen 23. Es wurden verschiedene Arten von Molekülen für die Verwendung als Spin-Markierungen vorgeschlagen, darunter Metallchelat-Moleküle (EDTA-basiert) und freie Radikale (Nitroxid-basiert)24. Verschiedene Nitroxid-Spin-Markierungen wurden beschrieben und sind mit unterschiedlichen Cystein-reaktiven Chemikalien wie Methanethiosulfonat, Maleimid und Iodacetamid25,26 erhältlich (Abbildung 1). Die inhärente Flexibilität des Tags oder des Linkers kann für bestimmte Analysen problematisch sein, und in diesen Situationen wurden verschiedene Strategien vorgeschlagen, um die Bewegung des Tags zu begrenzen, z. B. durch Hinzufügen sperriger chemischer Gruppen oder die Verwendung eines zweiten Linkers, um den Tag am Protein zu verankern (Attachment an zwei Stellen)27, 28. S. Darüber hinaus können kommerziell erhältliche Tags diastereomere Proteine enthalten, was jedoch im Allgemeinen nicht zu der beobachteten PRE29 beiträgt. Die Verwendung des 3-Maleimido-PROXYLS, das über Maleimid-Chemie an ein freies Cystein gebunden ist, wird beschrieben, da es leicht verfügbar, kostengünstig und nicht reversibel ist und das Reduktionsmittel Tris(2-carboxyethyl)phosphin (TCEP) während der gesamten Markierungsreaktion in der Lösung beibehalten werden kann. Da 3-Maleimido-PROXYL einen isotropen g-Tensor aufweist, werden keine PCS oder RDCs induziert, und die gleichen chemischen Verschiebungszuweisungen können sowohl für die paramagnetischen als auch für die diamagnetischen Proben13 verwendet werden.
Die 1HN-T 2 wird unter Verwendung einer Zwei-Zeitpunkt-Strategie (T a, Tb) gemessen, die sich zuvor als so genau erwiesen hat wie das Sammeln einer vollständigen Evolutionsreihe, die aus 8 bis 12 Zeitpunkten besteht30. Der erste Zeitpunkt (T a) wird so nahe wie möglich an Null gesetzt, und die optimale Länge des zweiten Zeitpunkts hängt von der Größe der größten erwarteten PRE für eine gegebene Probe ab und kann geschätzt werden von: Tb ~ 1,15/(R2,dia + Γ2), wobei R2,dia die R2 der diamagnetischen Probe13 darstellt. Wenn die Größe der größten PREs unbekannt ist, ist die Einstellung von T b auf ~ das Einfache des 1H T2 des Proteins eine gute erste Schätzung und wird durch Anpassung von T2 weiter optimiert, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Diese Zwei-Punkt-Messstrategie reduziert die experimentelle Zeit, die für die Messung von PREs erforderlich ist, erheblich und ermöglicht mehr Zeit für eine bessere Signalmittelung, zumal relativ verdünnte Proben verwendet werden, um die Auswirkungen unspezifischer Kontakte zwischen Molekülen zu minimieren. Eine HSQC-basierte Pulssequenz wird zur Messung von 1H, N-T2 verwendet und wurde an anderer Stelleausführlich beschrieben 30. Um die Empfindlichkeit zu verbessern, können die harten Impulse der Vorwärts- und Rückwärts-INEPT-Übertragungen durch geformte Impulse ersetzt werden. alternativ kann die Sequenz ohne weiteres in eine TROSY-basierte Auslesung31 umgewandelt werden. Da IDPs typischerweise viel längere transversale Relaxationsraten haben, was zu schmaleren Linienbreiten führt (aufgrund der inhärenten Unordnung) als ähnlich große globuläre Proteine, können lange Aufnahmezeiten in der indirekten Dimension genutzt werden, um die spektrale Auflösung zu verbessern und die für IDPs inhärente Begrenzung der chemischen Verschiebungsdispersion zu mildern.
PRE ist ein nützliches Werkzeug für die Untersuchung von Protein-Protein- und Protein-Nukleinsäure-Interaktionen, insbesondere von Interaktionen, die vorübergehend oder schwach besiedelt sind. Ein detailliertes Protokoll für die Vorbereitung einer NMR-Probe, die für die Messung von PREs geeignet ist, einschließlich der Schritte zur Proteinaufreinigung, der ortsgerichteten Spinmarkierung, der Einrichtung und Kalibrierung des Pulsprogramms, der Verarbeitung und Interpretation der NMR-Daten, wird bereitgestellt. Es werden wichtige experimentelle Überlegungen angestellt, die sich auf die Datenqualität und das experimentelle Ergebnis auswirken können, einschließlich der Probenkonzentration, der Auswahl der Spin-Markierung und der Entfernung paramagnetischer Komponenten.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>0.45 &#181;m and 0.22 &#181;m syringe filters</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>SLHVM33RS 
			SLGVR33RS</td>
			<td>Filter lysate before first purification step and before size exclusion chromatography.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>100 mm Petri Dish</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>FB0875713</td>
			<td>Agar plates for bacterial transformation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>14N Ammonium chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>576794</td>
			<td>Use of 15N in M9 medium will produce an NMR visible protein, 14N will produces an NMR invisible protein</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15N Ammonium chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>299251</td>
			<td>Use of 15N in M9 medium will produce an NMR visible protein, 14N will produces an NMR invisible protein</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3 L Fernbach baffled flask</td>
			<td>Corning</td>
			<td>431523</td>
			<td>Bacterial expression culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3-Maleimido-Proxyl</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>253375</td>
			<td>Nitroxide spin label</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL conical centrifuge tubes</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>14-432-22</td>
			<td>Solution/protein storage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Amicon centrifugal filter</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>UFC900308</td>
			<td>Protein concentration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ampicillan</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>A5354</td>
			<td>Antibiotic for a selective marker, exact choice depends on the expression construct plasmid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical balance</td>
			<td>Oahus</td>
			<td>30061978</td>
			<td>Explorer Pro, for weighing reagents</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ascorbic acid</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>AX1775</td>
			<td>Reduces nitroxide spin label</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Autoclave</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Sterilize glassware and culture media</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calcium chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>C4901</td>
			<td>M9 media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge bottles</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>010-1459</td>
			<td>Harvest E. coli cells after recombinant protein expression</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge, hand-crank</td>
			<td>Thomas Scientific</td>
			<td>0241C68</td>
			<td>Boekel hand-driven, low-speed centrifuge with 15 mL buckets that can accommodate NMR tubes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chelex 100</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>C7901</td>
			<td>Remove contaminating paramagnetic compounds from buffer solutions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer workstation</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Linux or Mac OS compatable with NMR data processing and analysis software packages such as NMRPipe and Sparky</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deuterium oxide</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>151882</td>
			<td>Needed for NMR lock signal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dextrose</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>D9434</td>
			<td>M9 media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dibasic Sodium Phosphate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S5136</td>
			<td>M9 media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ellman&#39;s reagent (5,5-dithio-bis-(2-nitrobenzoic acid)</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>22582</td>
			<td>Quantification of free cystiene residues</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High speed centrifuge tubes</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>3114-0050</td>
			<td>Used to clear bacterial lysate.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-field NMR instrument (600 - 800 MHz)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Equiped with a multichannel cryogenic probe and temperature control</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IMAC column, HisTrap FF</td>
			<td>Cytvia</td>
			<td>17528601</td>
			<td>Initial fractionation of crude bacterial lysate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropyl B-D-thiogalactoside (IPTG)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>I6758</td>
			<td>Induces protein expression for genes under control of lac operator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LB agar</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>22700025</td>
			<td>Items are used for transforming E. coli to express protein of interest, substitions for any of these items with like products is acceptable.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LB broth</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>12780052</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low-pressure chromatography system</td>
			<td>Bio-Rad</td>
			<td>7318300</td>
			<td>BioRad BioLogic is used for low-pressure chomatograph such as running IMAC columns</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnesium sulfate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>M7506</td>
			<td>M9 media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medium pressure chromatography system</td>
			<td>Bio-Rad</td>
			<td>7880007</td>
			<td>BioRad NGC equipped with a multi-wavelength detector, pH and conductivity monitors, and automatic fraction collector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MEM vitamin solution</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>M6895</td>
			<td>M9 media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microfluidizer</td>
			<td>Avestin</td>
			<td>EmulsiFlex-C3</td>
			<td>Provides rapid and efficient bacterial cell lysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipettes</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td></td>
			<td>Calibrated set of micropippetters with properly fitting disposable tips (available from multiple manufacturers e.g. Eppendorf)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monobasic potassium phosphate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>1551139</td>
			<td>M9 media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NMR pipettes</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>255688</td>
			<td>To remove sample from NMR tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NMR sample tube</td>
			<td>NewEra</td>
			<td>NE-SL5</td>
			<td>Suitable for high-field NMR spectrometers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Preparative Centrifuge</td>
			<td>Beckman Coulter</td>
			<td>Avanti J-HC</td>
			<td>Harvest E. coli cells after recombinant protein expression</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Round bottom polystyrene centrifuge tubes</td>
			<td>Corning</td>
			<td>352057</td>
			<td>Clear bacterial lysate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shaking incubator</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>S44I200005</td>
			<td>Temperature controlled growth of E. coli starter and expression cultures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S5886</td>
			<td>M9 media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sonicating water bath and vacuum source</td>
			<td>Thomas Scientific</td>
			<td></td>
			<td>Used to degas buffer solutions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sonicator</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>FB505110</td>
			<td>Used for bacterial cell lysis or shearing bacterial DNA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectrophotometer</td>
			<td>Implen</td>
			<td>OD600 Diluphotometer</td>
			<td>Monitor growth of E.coli protein expression cultures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Superdex 200 16/600 size exculsion colum</td>
			<td>Cytvia</td>
			<td>28989333</td>
			<td>Final protein purification step</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Topspin software, version 3.2 or later</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Operating software for the NMR instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transformation competent E. coli cells</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>C600003</td>
			<td>One Shot BL21 Star (DE3) chemically competent E. coli, other strains may be compatable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP)</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>20490</td>
			<td>Reducing agent compatable with some sulfhydryl-reactive conjugations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV-Vis spectrophotometer</td>
			<td>Implen</td>
			<td>NP80</td>
			<td>Measure protein concentration.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water bath, temperature controlled</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>FSGPD25</td>
			<td>For heat shock step of bacterial transformation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast extract</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>Y1625</td>
			<td>For supplementing M9 media if required</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

paramagnetic relaxation enhancement for detecting and characterizing self-associations of intrinsically disordered proteins

Intrinsisch ungeordnete Proteine und intrinsisch ungeordnete Regionen innerhalb von Proteinen machen einen großen und funktionell bedeutsamen Teil des menschlichen Proteoms aus. Die hohe Flexibilität dieser Sequenzen ermöglicht es ihnen, schwache, langreichweitige und vorübergehende Wechselwirkungen mit verschiedenen biomolekularen Partnern einzugehen. Spezifische, aber wenig affine Interaktionen fördern die promiskuitive Bindung und ermöglichen es einem einzelnen, intrinsisch ungeordneten Segment, mit einer Vielzahl von Zielstellen zu interagieren. Aufgrund der vorübergehenden Natur dieser Wechselwirkungen kann es schwierig sein, sie mit strukturbiologischen Methoden zu charakterisieren, die auf Proteinen beruhen, um eine einzige, vorherrschende Konformation zu bilden. Die NMR zur Verbesserung der paramagnetischen Relaxation ist ein nützliches Werkzeug, um die strukturellen Grundlagen schwacher und transienter Wechselwirkungen zu identifizieren und zu definieren. Ein detailliertes Protokoll zur Verwendung der paramagnetischen Relaxationsverstärkung zur Charakterisierung der niedrig besiedelten Begegnungskomplexe, die sich zwischen intrinsisch ungeordneten Proteinen und ihren Proteinen, Nukleinsäuren oder anderen biomolekularen Partnern bilden, wird beschrieben.

Intramolekulare 1H N-Γ2 PREs wurden auf einem selbstassoziierenden, intrinsisch ungeordneten Fragment (Reste 171-264) detektiert, das von der Domäne mit geringer Komplexität des RNA-bindenden Proteins EWSR142 abgeleitet wurde (Abbildung 3). Es wird erwartet, dass Rückstände in unmittelbarer sequentieller Nähe des Spin-Markierungs-Bindungspunktes (z. B. Rückstand 178 oder 260 in Abbildung 3)...

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Paramagnetic Relaxation Enhancement for Detecting and Characterizing Self-Associations of Intrinsically Disordered Proteins

Es wird ein Protokoll für die Anwendung der NMR-Spektroskopie zur Verstärkung der paramagnetischen Relaxation vorgestellt, um schwache und transiente inter- und intramolekulare Wechselwirkungen in intrinsisch ungeordneten Proteinen zu detektieren.

Paramagnetische Relaxationsverstärkung zur Detektion und Charakterisierung von Selbstassoziationen von intrinsisch ungeordneten Proteinen

Intrinsically disordered proteins and intrinsically disordered regions within proteins make up a large and functionally significant part of the human ...

Die Technik der paramagnetischen Relaxationsverstärkung kann verwendet werden, um intermolekulare Abstände zu charakterisieren und zu messen und transiente und/oder niedrig besiedelte biomolekulare Wechselwirkungen zu quantifizieren. Hier haben wir diese Technik angewendet, um Wechselwirkungen zu erfassen, die der Proteinkondensation vorausgehen. Die Empfindlichkeit von PREs ermöglicht die Identifizierung, Detektion und Quantifizierung dynamischer Zustände mit atomarer Auflösung, die für andere NMR-Techniken unsichtbar und unzugänglich bleiben.Zu den wichtigsten Schritten in diesem Protokoll gehören das Entfernen der unkonjugierten Nitroxid-Spin-Markierung und die sorgfältige Analyse der Spektren, um die Peakhöhe genau zu messen. Darüber hinaus ist beim Aufbau des NMR-Experiments und der Pulskalibrierung Vorsicht geboten. Zu Beginn wird 3-Maleimido-PROXYL aus einer Stammlösung mit dem 20-fachen molaren Überschuss des 15N-isotopenmarkierten Proteins von Interesse zugegeben.Über Nacht bei Raumtemperatur oder vier Grad Celsius licht- und sauerstoffgeschützt und mit leichtem Schaukeln oder inkubieren. Entfernen Sie am nächsten Tag das nicht umgesetzte Freidrehetikett, um eine unspezifische Lösungsmittel-PRE zu verhindern, indem Sie entweder eine umfangreiche Dialyse der Proteinprobe oder eine Gelfiltration durchführen. Verwenden Sie dann das Ellman-Reagenz, um freie Sulfhydrylgruppen in der Lösung zu quantifizieren.Messen Sie die Extinktion mit einem Mikroplatten-Reader und konstruieren Sie die Standardkurve. Um intramolekulare PRE zu messen, wird das mit 15N isotopisch angereicherte Spin-markierte Protein in einer Konzentration von mindestens 100 Mikromolaren, aber nicht mehr als 300 Mikromolaren in einem für NMR geeigneten Puffer hergestellt. Anschließend wird die NMR-Probe mit einer langen Glaspipette oder Mikropipette in ein fünf Millimeter großes NMR-Röhrchen überführt, das für den Einsatz in Hochfeldmagneten geeignet ist.Legen Sie die Probe in den Magneten. Sperren Sie das Deuteriumsignal mit dem Befehl lock und stimmen Sie den Protonenkanal gemäß den Protokollen der Einrichtung ein und passen Sie ihn an. Passen Sie dann die Unterlegscheiben mit der Unterroutine für die obere Unterscheibe an, um die Unterdrückung des Lösungsmittelsignals zu optimieren.Kalibrieren Sie anschließend den Protonenpuls mit dem P-OPT-Programm. Kalibrieren Sie dann den 15-N-Impuls gegen eine Standardprobe. Bestimmen Sie die richtige Dämpfung für geformte Impulse mit dem Unterprogramm des Formwerkzeugs.Öffnen Sie dann die entsprechende Pulsformdatei, indem Sie auf das Ordnersymbol klicken. Die geformten Pulse finden Sie im Abschnitt Pulsparameter der Erfassungsparameter. Nachdem Sie die Impulsdefinitionsdatei geladen haben, klicken Sie auf "Wellenform analysieren" und dann auf "Form integrieren".Geben Sie den kalibrierten 90-Grad-Hartpuls des Protons, die gewünschte Form, die Pulslänge und die Drehung ein. Berechnen Sie dann den Leistungspegel des geformten Impulses, indem Sie die Änderung des Leistungspegels zur Dämpfung für den kalibrierten 90-Grad-Impuls addieren. Nehmen Sie ein Standard-Proton 15N HSQC auf, um die Sweep-Breite und die Ladungsträgerfrequenz zu optimieren und die Wasserunterdrückung zu überprüfen.Passen Sie abschließend die Sweep-Breite und die Anzahl der indirekten Bemaßungsschritte mit den Befehlen SW und TD oder direkt in den entsprechenden Dialogfenstern an. Kalibrieren Sie die geformten Impulse, wie zuvor gezeigt. Geben Sie dann die kalibrierten Impulslängen im Abschnitt "Impulsparameter" auf der Registerkarte "Erfassungsparameter" ein.Um das Amid-Proton T2 mit dem Zwei-Zeitverzögerungspunkt-Ansatz zu messen, stellen Sie die Zeitverzögerungen ein, indem Sie die VD-Listendatei bearbeiten. Die erste Verzögerung ist auf 0,01 Millisekunden festgelegt. Wählen Sie unter Verwendung der Beziehung zum erwarteten maximalen PRE die zweite Verzögerung aus.Dann wird ein geeigneter Wert bestimmt, indem man die ersten Inkremente des ersten und zweiten Verzögerungsspektren vergleicht und die zweite Verzögerung so einstellt, dass das Signal auf 40 bis 50 % seines Anfangswertes abklingt. Bestimmen Sie die Anzahl der aufzuzeichnenden komplexen Punkte und die Anzahl der Scans für eine ausreichende Signalmittelung. Berechnen Sie dann mit dem Befehl EXPT die Versuchszeit und starten Sie das Experiment mit dem Befehl ZG. Nachdem Sie Natriumascorbat im NMR-Puffer gelöst haben, passen Sie den pH-Wert an den des ursprünglichen NMR-Puffers an.Dann wird die Ascorbinsäure mit einem 10-fachen molaren Überschuss über der Konzentration der Spin-Markierung in das NMR-Röhrchen gegeben, indem ein Tröpfchen unter den Rand des Röhrchens gelegt wird. Verschließen Sie das Röhrchen und drehen Sie es vorsichtig um, um es zu mischen. Bei 200 bis 400 G 10 bis 20 Sekunden lang in einer handgekurbelten Zentrifuge schleudern, um die Probe am Boden des Röhrchens abzusetzen.Nachdem Sie das Röhrchen in Folie eingewickelt haben, lassen Sie die Reaktion mindestens drei Stunden lang laufen. Dann wird das Amid-Proton T2 auf der diamagnetischen Probe mit den gleichen Parametern aufgezeichnet, die für die paramagnetische Probe verwendet werden. Intramolekulare Amid-Protonen-gamma-PREs wurden auf einem selbst-assoziierenden, intrinsisch ungeordneten Fragment aufgezeichnet, das von der Domäne mit geringer Komplexität des RNA-bindenden Proteins EWSR1 abgeleitet ist.Es wird erwartet, dass Rückstände in unmittelbarer sequentieller Nähe des Spin-Markierungspunktes signifikant verbreitert sind und im Spektrum nicht nachweisbar sind. Reste, die sequenziell vom Bindungspunkt entfernt waren, aber ein erhöhtes Gamma aufwiesen, befanden sich räumlich nahe an der Spinmarkierung. Im Falle von intrinsisch ungeordneten Proteinen liefert die Aufzeichnung und Analyse von Pürees Informationen über intramolekulare Kontakte und transiente Interaktionsflächen.Die Kombination von PRE-Messungen mit anderen biophysikalischen Methoden wie dynamischer Lichtstreuung, Größenausschlusschromatographie, analytischer Ultrazentrifugation und computergestützten Methoden kann tiefere Einblicke liefern. Die PRE-Messung hilft bei der Charakterisierung von transienten, dünn besiedelten Zuständen. Dieser Ansatz könnte erweitert werden, um Wechselwirkungen zu charakterisieren, die für unzählige biologische Prozesse wichtig sind, wie z. B. molekulare Erkennung, allosterische Konformationsselektion und Assemblierungsprozesse, einschließlich des Zusammenbaus membranloser Organellen durch Phasentrennung.

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy for the Identification of Multiple Phosphorylations of Intrinsically Disordered Proteins

Kernresonanzspektroskopie zur Identifizierung von Multiple Phosphorylierungen von intrinsisch ungeordneten Proteinen

Aggregates of the neuronal Tau protein are found inside neurons of Alzheimer's disease patients. Development of the disease is accompanied by increased, ...

Forschung

Biochemie

Use of Electron Paramagnetic Resonance in Biological Samples at Ambient Temperature and 77 K

Verwendung der Elektron-paramagnetische Resonanz in biologischen Proben bei Umgebungstemperatur und 77 K

The accurate and specific detection of reactive oxygen species (ROS) in different cellular and tissue compartments is essential to the study of ...

Fluorescent Silver Staining of Proteins in Polyacrylamide Gels

Fluoreszierende silberne Färbung von Proteinen im Polyacrylamid-Gele

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

Expression, Purification, Crystallization, and Enzyme Assays of Fumarylacetoacetate Hydrolase Domain-Containing Proteins

Expression, Reinigung, Kristallisation und Enzym-Assays von Fumarylacetoacetat-Hydrolase-Domänen-haltigen Proteinen

Fumarylacetoacetate hydrolase (FAH) domain-containing proteins (FAHD) are identified members of the FAH superfamily in eukaryotes. Enzymes of this ...

Characterizing Individual Protein Aggregates by Infrared Nanospectroscopy and Atomic Force Microscopy

Charakterisierung einzelner Proteinaggregate durch Infrarot-Nanospektroskopie und Atomkraftmikroskopie

The phenomenon of protein misfolding and aggregation results in the formation of highly heterogeneous protein aggregates, which are associated with ...

Fully Processed Recombinant KRAS4b: Isolating and Characterizing the Farnesylated and Methylated Protein

Vollverarbeitetes rekombinantes KRAS4b: Isoliert und charakterisieren das farnesylierte und methylierte Protein

Protein prenylation is a key modification that is responsible for targeting proteins to intracellular membranes. KRAS4b, which is mutated in 22% of human ...

Characterizing Cellular Proteins with In-cell Fast Photochemical Oxidation of Proteins

Charakterisierung zellulärer Proteine mit in-zelliger schneller photochemischer Oxidation von Proteinen

Fast photochemical oxidation of proteins (FPOP) is a hydroxyl radical protein footprinting method used to characterize protein structure and interactions. ...

Transverse Sectioning of Mature Rice (Oryza sativa L.) Kernels for Scanning Electron Microscopy Imaging Using Pipette Tips as Immobilization Support

Transverse Sectioning of Mature Rice Oryza sativa L. Kernels for Scanning Electron Microscopy Imaging Using Pipette Tips as Immobilization Support

Querschnitt von reifem Reis (Oryza sativa L.) Kerne für die Rasterelektronenmikroskopie-Bildgebung mit Pipettenspitzen als Immobilisierungsunterstützung

Starch granules (SGs) exhibit different morphologies depending on the plant species, especially in the endosperm of the Poaceae family. Endosperm ...

15N CPMG Relaxation Dispersion for the Investigation of Protein Conformational Dynamics on the &#181;s-ms Timescale

15N CPMG Relaxation Dispersion for the Investigation of Protein Conformational Dynamics on the Ãƒâ€šÃ‚Âµs-ms Timescale

15 N CPMG Relaxation Dispersion zur Untersuchung der Proteinkonformationsdynamik auf der μs-ms Zeitskala

Protein conformational dynamics play fundamental roles in regulation of enzymatic catalysis, ligand binding, allostery, and signaling, which are important ...

Practical Aspects of Sample Preparation and Setup of 1H R1&#961; Relaxation Dispersion Experiments of RNA

Practical Aspects of Sample Preparation and Setup of 1H R1ÃƒÂÃ‚Â Relaxation Dispersion Experiments of RNA

Praktische Aspekte der Probenvorbereitung und des Aufbaus von 1H R1ρ Relaxationsdispersionsexperimenten von RNA

RNA is a highly flexible biomolecule, wherein changes in structures play crucial roles in the functions that RNA molecules execute as cellular messengers ...