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 JoVE Biology

Transmembrana Oligomerizzazione Propensione dominio determinato dal saggio ToxR

1, 1, 1

1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Colorado at Boulder

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    Summary

    Una procedura efficace per valutare la propensione oligomerizzazione del single-pass domini transmembrana (TMD) è descritta. Proteine ​​chimeriche costituito dalla TMD fusa ToxR sono espressi in un ceppo di E. coli giornalista. TMD indotta oligomerizzazione cause dimerizzazione di ToxR, l'attivazione della trascrizione e la produzione della proteina reporter-galattosidasi.

    Date Published: 5/26/2011, Issue 51; doi: 10.3791/2721

    Cite this Article

    Joce, C., Wiener, A., Yin, H. Transmembrane Domain Oligomerization Propensity determined by ToxR Assay. J. Vis. Exp. (51), e2721, doi:10.3791/2721 (2011).

    Abstract

    La visione semplicistica di domini di proteine ​​transmembrana semplicemente come ancore in doppi strati di fosfolipidi è stata da tempo confutata. In molti casi, attraversa la membrana le proteine ​​si sono evoluti meccanismi altamente sofisticate di azione. 1-3 Un modo in cui le proteine ​​di membrana in grado di modulare le loro strutture e delle funzioni avviene attraverso il contatto diretto e specifico di eliche idrofobiche, formando oligomeri transmembrana strutturato. 4,5 recente molto lavoro si è concentrato sulla distribuzione degli aminoacidi preferenzialmente trovato nell'ambiente della membrana rispetto alla soluzione acquosa e le forze intermolecolari diverse proteine ​​associazione unità. 6,7 Tuttavia, gli studi di riconoscimento molecolare al dominio transmembrana di proteine ​​ancora in ritardo rispetto quelli di solubili in acqua le regioni. Un grande ostacolo rimane: nonostante la notevole specificità e affinità che oligomerizzazione transmembrana può raggiungere, 8 misura diretta della loro associazione è impegnativo. Metodologie tradizionali applicati allo studio della funzione integrale proteina di membrana può essere ostacolato dalla insolubilità intrinseca delle sequenze in esame. Conoscenze acquisite studiando biofisici peptidi sintetici che rappresentano domini transmembrana in grado di fornire utili visione strutturale. Tuttavia, la rilevanza biologica del micellare detergente o sistemi di liposomi utilizzati in questi studi per imitare le membrane cellulari è spesso messa in discussione; fare peptidi adottare un nativo struttura simile in queste condizioni e che il loro comportamento funzionale rispecchiano le reali modalità di azione all'interno di una membrana nativa ? Al fine di studiare le interazioni delle sequenze transmembrana in doppi strati di fosfolipidi naturali, il laboratorio Langosch sviluppato test giornalista trascrizionale ToxR. 9 Il dominio transmembrana di interesse è espresso come una proteina chimerica con maltosio legame con le proteine ​​per la posizione al periplasma e ToxR a fornire una relazione del livello di oligomerizzazione (Figura 1).

    Negli ultimi dieci anni, diversi altri gruppi (ad esempio Engelman, DeGrado, Shai), ulteriormente ottimizzato e applicato questo saggio giornalista ToxR. 10-13 I saggi ToxR vari sono diventati un gold standard per testare interazioni proteina-proteina nelle membrane cellulari. Siamo qui dimostrare una tipica operazione sperimentale condotto nel nostro laboratorio che segue principalmente i protocolli sviluppati da Langosch. Questo metodo generalmente applicabile è utile per l'analisi di dominio transmembrana auto-associazione in E. coli, in cui viene utilizzato β-galattosidasi produzione per valutare la propensione TMD oligomerizzazione. Su TMD indotta dimerizzazione, ToxR si lega al promotore ctx causando up-regolazione del gene LacZ per β-galattosidasi. Una lettura colorimetrica ottenuto mediante aggiunta di ONPG alle cellule lyzed. Scissione idrolitica di ONPG da β-galattosidasi risultati nella produzione di specie che assorbono la luce, o-nitrofenolato (ONP) (Figura 2).

    Protocol

    1. Considerazioni sulla clonazione

    1. Oligonucleotidi commercialmente preparato che rappresenta il TMD di interesse affiancato da NheI e siti di restrizione BamHI e 5'-fosforilato può essere legata in pTox7 (modificato nel nostro laboratorio mediante inserimento di una coppia di basi direttamente dopo il sito di restrizione BamHI 14) (Figura 3) digerito in sequenza con BamHI e NheI. Un oligonucleotide esempio è mostrato sotto:
      5'ctagcTMDSEQUENCEg3 '
      3 'gTMDSEQUENCEcctag5'

    La sequenza TMD dovrebbe essere 12-24 residui (brevi sequenze presumibilmente sarà allungata da residui idrofobici vettore di codifica). Al fine di indagare l'interfaccia, quattro varianti del design TMD dovrebbero essere creati dove inserimenti residui sequenziale e concomitante risultato residui delezioni nel rotazione del relativo TMD a ToxR. 15,16, infine, la concentrazione arabinosio dovrebbe essere variato tra 0,001 e 0,01% (w / v) per identificare la concentrazione di cui si rilevino differenze massima β-galattosidasi segnali tra le diverse sequenze TMD, alla verifica dei livelli di espressione differenti si raccomanda di identificare condizioni di affinità diverse si possono distinguere meglio. Oltre a arabinosio e antibiotici, 0,4 mM IPTG possono essere utilizzate per migliorare le differenze di affinità tra TMD diverse. La misura ToxR dovrebbe essere eseguito almeno in quattro esemplari. Tutta la procedura dovrebbe essere ripetuta almeno tre volte con diverse trasformazioni plasmide.

    2. La crescita di colture batteriche

    1. Delicatamente disgelo FHK12 cellule competenti (200 microlitri) su ghiaccio e trasferire in una provetta da 15 ml cultura. Aggiungi DNA plasmidico (200 ng) e incubare le cellule in ghiaccio per 30 min.
    2. Heat-shock cellule mediante incubazione per 90 s a 42 ° C, seguita da incubazione in ghiaccio per 2 minuti.
    3. Aggiungi SOC mezzi di comunicazione (800 microlitri) e incubare i campioni a 37 ° C con agitazione (300 giri) per un h.
    4. Inoculare 5 media LB ml con cloramfenicolo (30 mg / ml) e arabinosio (0,0025% w / v) con 50 microlitri della miscela trasformazione in provette da 15 ml cultura in triplice copia. Incubare i campioni a 37 ° C con agitazione (300 rpm) per 20 h. (In alternativa 5 ml di cultura può essere utilizzato per inoculare 100 l di media in una piastra da 96 pozzetti. Questo metodo è utile quando si tratta di un gran numero di campioni, anche se gli errori saranno leggermente più alto. Al fine di evitare l'evaporazione, il che porterebbe per errore, riempire i pozzi più esterna con i media, ma non li usano per i campioni. Infine, doppio avvolgere la giunzione tra il coperchio e il piatto con parafilm).

    3. Misura della β-galattosidasi

    1. Preriscaldare il piatto-reader a 28 ° C.
    2. Trasferire la Z-buffer in un serbatoio con un puntale di grandi dimensioni, facendo attenzione a prendere solo la parte superiore (acquoso) strato. Trasferire 100 ml di Z-buffer/chloroform preparati al momento ai pozzetti di una piastra da 96 pozzetti. Trasferire 5 ml di ciascuna cultura nei pozzetti della piastra in quattro esemplari. Omettere la cultura da quattro pozzi che servirà come il vuoto.
    3. Misurare il diametro esterno 595 del piatto per determinare la densità delle cellule.
    4. Aggiungere 50 ml di Z-buffer/SDS a tutti i pozzetti della piastra. Agitare la piastra sulla piastra-reader per 10 minuti a Lyze le cellule. Assicurarsi che le sospensioni cellulari sono chiare dopo la lisi e ripetere il passo tremante, se necessario. Lisi incompleta suggerisce il Z-buffer/chloroform non era preparato fresco.
    5. Aggiungere 50 microlitri preparati al momento Z-buffer/ONPG a tutti i pozzetti e tornare la piastra per il lettore di piastre e misurare OD 405 ogni 30 s per 20 min.
    6. Calcolare β-galattosidasi utilizzando la seguente equazione (ricordandosi di sottrarre il vuoto). Il rapporto di OD 405 / min deve essere calcolata utilizzando tutti i punti dati nel campo 405 OD 0,0-1,0 usando un adattamento lineare modello.
      Equazione 1
      Unità Miller differiscono a volte quando registrate in giorni diversi. Quindi, un costrutto di riferimento come AAP dovrebbe essere misurata in ciascuna prova. I suoi valori possono essere utilizzati per la normalizzazione dei valori ToxR.

    4. Controllo per l'espressione della proteina

    1. Eseguire Western blotting per verificare anche l'espressione della proteina tra i costrutti. Unire 50 ml di culture triplice copia e centrifuga (2000 rpm, 4 min) in una microcentrifuga. Rimuovere il surnatante pipettando e risospendere il pellet residuo in 2 tampone di caricamento del campione x.
    2. Carico di 7,5 microlitri su un gel standard 8% ed effettuare elettroforesi a 125 V per 1 ora 5 min. Dopo il trasferimento, incubare con anticorpi anti-MBP HRP-anticorpo coniugato e visualizzare, la proteina chimerica è osservata a circa 70 kDa con alcuni prodotti di degradazione a volte visto circa 48 kDa. MBP endogena è osservato anche a 45 kDa (Figura 5).

    5. Controllo per l'inserimento corretto di membrana

    Una linea di cellule carenti di proteina legante il maltosio viene utilizzato per valutare il corretto inserimento della membrana del costrutto chimerico TMD. Quando coltivate su terreno minimo con il maltosio come unica fonte di carbonio, solo le cellule che esprimono una membrana integrale prodotto espressione di proteine ​​maltosio legame correttamente situato a periplasma sono in grado di crescere.

    1. PD28 trasformare cellule (come descritto per FHK12 cellule) e inoculare 2 ml di LB medium. Crescere le cellule a 37 ° C con agitazione (300 rpm) durante la notte.
    2. Agglomerare le cellule per centrifugazione a 3500 rpm, 10 min, 4 ° C e lavare da risospensione in PBS (2 ml) pipettando dolce con una punta di grandi dimensioni o vortexando gentilmente. Agglomerare le cellule (come sopra), lavare con PBS per la seconda volta, pellet e risospendere infine, in PBS (1 ml).
    3. Usare 25 ml di cellule risospese per inoculare 5 Mezzi ml minimo in triplice copia e incubare a 37 ° C con agitazione (300 giri). Prendere OD 595 letture tra 15-25 h, circa ogni 2 ore con il trasferimento di 200 ul di ciascun campione in una piastra da 96 pozzetti e la lettura con la piastra-reader.

    6. Rappresentante dei risultati:

    Un esempio di utilizzo del test ToxR giornalista trascrizionale di analizzare la propensione oligomerizzazione di domini transmembrana in Figura 4. In precedenza abbiamo studiato la oligomerizzazione di domini transmembrana dal multispanning membrana integrante latente della membrana proteica proteine-1 (LMP-1) con varie tecniche, tra cui ToxR 14 domini transmembrana cinque (TM5) è stato dimostrato che mostra una forte propensione a oligomerize.; ciò è dimostrato da alte Unità Miller, paragonabile al controllo positivo, GPA, una solida sequenza dimerizing. Una mutazione deleteria in TM5, D150A, riduce la capacità della sequenza di oligomerize. LMP-1 TM1 non influisce significativamente oligomerize e presenta un bassissimo segnale Unità Miller, appena sopra il segnale per il valore vuoto, non trasformato FHK12 cellule.

    Figura 1
    Cartoon Figura 1. Raffigurante il saggio giornalista ToxR. Dominio transmembrana (TMD) guidato risultati oligomerizzazione in dimerizzazione di ToxR e l'attivazione della trascrizione LacZ. Il prodotto del gene di LacZ, β-galattosidasi può essere quantificato in una misura della propensione di un TMD a oligomerize.

    Figura 2
    Figura 2. La scissione idrolitica di ONPG da β-galattosidasi risultati nella produzione di specie che assorbono la luce, o-nitrofenolato (ONP).

    Figura 3
    Figura 3. Plasmidi mappa di pToxR7.

    Figura 4
    Figura 4. Rappresentante saggio giornalista ToxR trascrizionale analizzare la propensione oligomerizzazione di membrana latente proteina-1 domini transmembrana. Dominio transmembrana 5 (TM5) oligomerizes fortemente, mentre il dominio transmembrana 1 (TM1) presenta solo una interazione debole. D150A mutazione in TM5 riduce in modo significativo la sua capacità di oligomerize. GPA è incluso come una sequenza di controllo positivo per dimerizzazione forte. Vuoto rappresenta FHK12 cellule non trasformate.

    Figura 5
    Figura 5. Western Blot per l'espressione delle proteine.

    Figura 6
    Figura 6. PD28 saggio di complementazione di controllo per l'inserimento della membrana corrette al periplasma. Controllo negativo rappresenta un costrutto carente di maltosio legame proteico.

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    Discussion

    La trascrizione saggio giornalista ToxR è un modo facile per identificare sequenze transmembrana con la possibilità di oligomerize. Dato che le interazioni avvengono all'interno della membrana batterica interna, questo saggio aggira i problemi associati con la validità dei sistemi di studiare in ambienti di membrana-mimetici. Dato che la clonazione di TMD multipli in un singolo plasmide può facilmente essere fatto in parallelo e il test completo può essere effettuata in 96-ben formato piatto, questo test può essere utilizzato per l'analisi di un elevato throughput di un gran numero di sequenze proteiche. 17 Una volta che un interazione è stata rilevata, i residui chiave funzionale può essere interrogato con l'analisi mutazionale, permettendo la mappatura delle caratteristiche strutturali coinvolti. In molti casi, l'analisi cristallografica di proteine ​​transmembrana è problematico, che richiede strumenti alternativi, come il test ToxR di stabilire le basi molecolari della funzione.

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    Disclosures

    Nessun conflitto di interessi dichiarati.

    Acknowledgements

    Ringraziamo il National Institutes of Health (1R21CA138373 e Stand Up to Cancer (SU2C) per supporti finanziari di questo lavoro. HY è grato per la Award 2009 Elion dalla American Association of Cancer Research, un Kimmel Scholar Award dalla Fondazione per la Sidney Kimmel Ricerca sul Cancro (SKF-08-101), e la National Science Foundation Facoltà primi Premio alla Carriera (NSF0954819).

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    BamHI restriction enzyme Invitrogen 15201023 Invitrogen enzymes were found to be more efficient than alternative suppliers
    NheI restriction enzyme Invitrogen 15444011 Invitrogen enzymes were found to be more efficient than alternative suppliers
    15 mL culture tubes Fisher Scientific 14-956-1J
    SOC media TEKnova, Inc. S0225 Made up to the appropriate volume and sterilized by autoclaving.
    LB media Sigma-Aldrich L7275 Made up to the appropriate volume and sterilized by autoclaving.
    Chloramphenicol Sigma-Aldrich CO378 Stock solution of 30 mg/ mL in ethanol stored in freezer
    Arabinose Fluka 10839 Stock solution of 2.5% (w/v) in water stored in freezer
    Na2HPO4 Sigma-Aldrich S9390
    NaH2PO4 Sigma-Aldrich S9638
    KCl Mallinckrodt Baker Inc. 6858-06
    MgSO4.7H2O Sigma-Aldrich 63138
    Sodium dodecylsulfate (SDS) Sigma-Aldrich L6026
    2-Nitrophenyl β-D-galactopyranoside (ONPG) Sigma-Aldrich 73660
    Z-buffer 16.1 g Na2HPO4
    5.5g NaH2PO4
    0.75g KCl
    0.246g MgSO4
    Make up to 1 l, pH 7.0
    Z-buffer/chloroform 200 mL β-mercapt–thanol, 2 mL chloroform, make up to 20 mL with Z-buffer. Vortex for 1 min, centrifuge for 1 min at 800 rpm. Make fresh for each plate.
    Z-buffer/SDS 160 mg SDS dissolved in 10 mL Z-buffer
    Z-buffer/ONPG 40 mg ONPG in 10 mL Z-buffer. Make fresh for each plate
    β-mercapt–thanol Calbiochem 444203
    Anti-MBP monoclonal antibody (HRP conjugated) New England Biolabs E8038S
    Minimal media with maltose 1 x M9 salts, 0.4% maltose, 1 mg/ mL thiamin, 2 mM MgSO4
    96-well flat bottom plate Sarstedt Ltd 83.1835.300
    Plate-reader Beckman Coulter Inc. DTX880 Multimode Detector
    Water bath VWR international 89032-204
    Shaking incubator Forma Scientific

    References

    1. Parker, M.S.et al. Oligomerization of the heptahelical G protein coupling receptors: a case for association using transmembrane helices. Mini Rev Med Chem 9, 329-39 (2009).
    2. Mo, W. & Zhang, J.T. Oligomerization of human ATP-binding cassette transporters and its potential significance in human disease. Expert Opin Drug Metab Toxicol 5, 1049-63 (2009).
    3. von Heijne, G. Membrane-protein topology. Nat Rev Mol Cell Biol 7, 909-18 (2006).
    4. Van Horn, W.D.et al. Solution nuclear magnetic resonance structure of membrane-integral diacylglycerol kinase. Science 324, 1726-9 (2009).
    5. Hattori, M.et al. Mg(2+)-dependent gating of bacterial MgtE channel underlies Mg(2+) homeostasis. Embo J 28, 3602-12 (2009).
    6. Ulmschneider, M.B. & Sansom, M.S. Amino acid distributions in integral membrane protein structures. Biochim Biophys Acta 1512, 1-14 (2001).
    7. Deber, C.M. & Goto, N.K. Folding proteins into membranes. Nat Struct Biol 3, 815-8 (1996).
    8. Gerber, D. & Shai, Y. In vivo detection of hetero-association of glycophorin-A and its mutants within the membrane. J Biol Chem 276, 31229-32 (2001).
    9. Langosch, D., Brosig, B., Kolmar, H. & Fritz, H.J. Dimerisation of the glycophorin A transmembrane segment in membranes probed with the ToxR transcription activator. J Mol Biol 263, 525-30 (1996).
    10. Russ, W.P. & Engelman, D.M. TOXCAT: a measure of transmembrane helix association in a biological membrane. Proc Natl Acad Sci U S A 96, 863-8 (1999).
    11. Berger, B.W.et al. Consensus motif for integrin transmembrane helix association. Proc Natl Acad Sci U S A 107, 703-8 (2010).
    12. Oates, J., King, G. & Dixon, A.M. Strong oligomerization behavior of PDGFbeta receptor transmembrane domain and its regulation by the juxtamembrane regions. Biochim Biophys Acta 1798, 605-15 (2010).
    13. Sal-Man, N., Gerber, D. & Shai, Y. Hetero-assembly between all-L- and all-D-amino acid transmembrane domains: forces involved and implication for inactivation of membrane proteins. J Mol Biol 344, 855-64 (2004).
    14. Sammond, D.W.et al. Transmembrane peptides used to investigate the homo-oligomeric interface and binding hot-spot of the oncogene, latent membrane protein 1. submitted (2010).
    15. Li, R.et al. Dimerization of the transmembrane domain of Integrin alphaIIb subunit in cell membranes. J Biol Chem 279, 26666-73 (2004).
    16. Ruan, W., Becker, V., Klingmuller, U. & Langosch, D. The interface between self-assembling erythropoietin receptor transmembrane segments corresponds to a membrane-spanning leucine zipper. J Biol Chem 279, 3273-9 (2004).
    17. Finger, C., Escher, C. & Schneider, D. The single transmembrane domains of human receptor tyrosine kinases encode self-interactions. Sci Signal 2, ra56 (2009).

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