The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Dutch was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
1UCLA-DOE Institute for Genomics and Proteomics, University of California Los Angeles, 2Department of Physiology, David Geffen School of Medicine, UCLA
This article is a part of JoVE General. If you think this article would be useful for your research, please recommend JoVE to your institution's librarian.
Recommend JoVE to Your LibrarianCurrent Access Through Your IP Address
Current Access Through Your Registered Email Address
Ujwal, R., Abramson, J. High-throughput Crystallization of Membrane Proteins Using the Lipidic Bicelle Method. J. Vis. Exp. (59), e3383, doi:10.3791/3383 (2012).
Membraaneiwitten (MP's) spelen een cruciale rol in vele fysiologische processen, zoals het verpompen van specifieke moleculen door de anders ondoordringbare membraan bilaag dat alle cellen en organellen omringt. Wijzigingen in de functie van de parlementsleden resulteren in een groot aantal menselijke ziekten en aandoeningen, dus een ingewikkeld begrip van hun structuren blijft een kritische doelstelling voor biologisch onderzoek. Echter, de structuur bepaling van de parlementsleden blijft een belangrijke uitdaging vaak in het kader van hun hydrofobiciteit.
Kamerleden hebben grote hydrofobe regio's ingebed in de bilaag. Wasmiddelen worden vaak gebruikt om deze eiwitten solubiliseren van de bilaag het genereren van een eiwit-detergent micel die vervolgens kan worden gemanipuleerd op een soortgelijke wijze als oplosbare eiwitten. Traditioneel, kristallisatie onderzoeken gaat met behulp van een eiwit-detergent mengsel, maar ze vaak tegen kristallisatie of produceren kristallen van slechte kwaliteit. Deze problemen ontstaan door dereinigingsmiddel niet in staat is adequaat te bootsen de bilaag resulteert in een slechte stabiliteit en heterogeniteit. Daarnaast, het wasmiddel schilden het hydrofobe oppervlak van de MP het verminderen van de beschikbare oppervlakte voor de kristallen contacten. Om deze nadelen te omzeilen Kamerleden kunnen worden gekristalliseerd in lipide media, die nauwer simuleert hun endogene omgeving, en is sinds kort een de novo techniek voor MP kristallisatie.
Lipidische kubieke fase (LCP) is een drie-dimensionale lipide bilaag doorboord door een stelsel van systemen van waterige kanalen 1. Hoewel monoolein is de lipide van keuze, hebben verwante lipiden, zoals monopalmitolein en monovaccenin ook gebruikt om de LCP 2 te maken. Kamerleden zijn opgenomen in de LCP, waar ze verspreiden in drie dimensies en diervoeders kristal kernen. Een groot voordeel van de LCP is dat het eiwit blijft in een meer eigen omgeving, maar de methode heeft een aantal technische nadelen zoals hoge viscositeitosity (die gespecialiseerde apparaten), en de moeilijkheden in kristal visualisatie en manipulatie 3,4. Door deze technische problemen, gebruikten we een ander lipide medium voor kristallisatie-bicelles 5,6 (figuur 1). Bicelles zijn lipide / amfifiele mengsels gevormd door het mengen van een phosphatidylcholine lipide (DMPC) met een amfifiel (CHAPSO) of een korte keten lipide (DHPC). Binnen elke bicelle schijf, de lipide moleculen genereren een bilaag, terwijl de amfifiele moleculen langs de randen van het verstrekken van apolaire gunstige eigenschappen van zowel de dubbellagen en detergenten. Belangrijk is dat beneden hun overgang temperatuur, eiwit-bicelle mengsels hebben een gereduceerde viscositeit en worden gemanipuleerd op een soortgelijke wijze als detergent-oplosbaar parlementsleden, waardoor bicelles compatibel met kristallisatie robots.
Bicelles zijn met succes gebruikt te kristalliseren verschillende membraaneiwitten 5,7-11 (tabel 1). Deze groeiende collectievan eiwitten toont de veelzijdigheid van bicelles voor kristalliseren zowel alfa helix en beta-sheet parlementsleden van prokaryote en eukaryote bronnen. Vanwege deze successen en de eenvoud van high-throughput implementatie, moet bicelles deel uitmaken van arsenaal van elke membraaneiwit kristallograaf's. In deze video beschrijven we de bicelle methodologie en bieden een stap-voor-stap protocol voor het opzetten van high-throughput kristallisatie proeven van gezuiverd Kamerleden met behulp van standaard robotica.
Bicelle op basis van kristallisatie bestaat uit vier basisstappen (figuur 2): i) de voorbereiding van een bicelle vorming van lipiden: amfifiele mengsel; ii) de bijmenging van gezuiverde eiwit in de bicelle medium; iii) kristallisatie onderzoeken (handmatig of robot), en iv) visualisatie, kristal extractie en bevriezing. Deze stappen worden hieronder in detail beschreven
1. Voorbereiding van de Bicelles
Bicelles kunnen vormen in een verscheidenheid van lipide: amfifiele combinaties en over een breed scala aan concentraties. Daarom is voorwaarden-een eerste compositie-op basis van eerdere succesvolle aanbevolen (tabel 1). De meest succesvolle mengsel is de DMPC: CHAPSO bicelle formulering, die zowel commercieel kan worden gekocht als een voorgemengde kant-en-klare formulering (zie tabel van reagentia hieronder) of bereid in het laboratorium zoals beschreven. Voor deze oefening zullen we voor te bereiden 1 ml 35% DMPC: CHAPSO mengsel bij een 2.8:1 molaire verhouding.
2. Integratie van eiwitten in bicelles
De meeste MP structuren verkregen uit bicelles werden gekristalliseerd in DMPC: CHAPSO bicelle concentratie variërend van 2 tot 8% met behulp van een eiwit concentratie van 8 tot 12 mg / ml (tabel 1). Indien mogelijk dient de eerste schermen gebruik maken van deze richtlijnen en extra concentraties kunnen worden vertoond op de optimalisatie fase. Vergeleken met de LCP-methode, eiwit opname met bicelles is een eenvoudig proces (figuur 3), die moet dezelfde dag worden gedaan als kristallisatie onderzoeken.
3. Het opzetten van kristallisatie onderzoeken
Andere lipiden kristallisatie technieken zoals de LCP vereisen gespecialiseerde apparatuur door de hoge viscositeit van het medium, maar de unieke fasegedrag van bicelles vergunningen implementatie in vrijwel alle standaard kristallisatie formaat inclusief robotica (figuur 3). Kristallisatie onderzoeken kunnen worden uitgevoerd zowel in opknoping of zittend laten vallen formats met behulp van standaard in de handel verkrijgbare schermen.
4. Visualisatie, kristal extractie en invriezen
Omdat kristallen proeven met het eiwit-bicelle mengsel hebben een viscositeit gelijk aan eiwit-detergent drops, visualisatie en kristal extractie routine is en wordt uitgevoerd zoals de traditionele set-ups.
5. Representatieve resultaten:
nt "> Het duurt meestal 2-3 dagen voor de kristallen om te verschijnen en ongeveer een week of meer voor hen om te groeien naar hun maximale grootte. Dit was het geval voor bacteriorhodopsin en muis voltage-afhankelijke anion kanaal 1 (mVDAC1) kristallen 4,8 . Voor andere membraaneiwitten kan het enkele weken duren voor de kristalgroei, dus het is belangrijk om te blijven monitoren van de kristallen proeven veel verder dan de eerste weken.Net als bij andere lipide media, bicelles hebben de neiging om vormen die kunnen blijken te zijn kristallijne vorm. Het is ook waargenomen dat ze leiden tot een hoger percentage van zout en afwasmiddel kristallen. Een UV-fluorescentie microscoop die tryptofaan detecteert aanzienlijk kan helpen elimineren dergelijke niet-eiwitachtige false positives. Figuur 4 toont lipide vormen, zout en eiwitkristallen zoals weergegeven in zichtbaar en UV-licht om te helpen de verschillende resultaten die kunnen worden waargenomen onderscheiden.
83fig1.jpg "/>
Figuur 1. Bicelle Schematische. Bicelles zijn samengesteld uit een bilaag vormen van lipide molecuul zoals DMPC (blauw) en een amfifiele, zoals CHAPSO (groen), die de hydrofobe randen van de bilaag beschermt. Naarmate de temperatuur wordt verhoogd, disc-achtige bicelles ondergaan een fase transformatie tot een geperforeerde plaat lamellaire 12.

Figuur 2. Stroomdiagram voor de bicelle kristallisatie-methode waarin de vier basisstappen.

Figuur 3. Kristal studies set-up schema. Gezuiverd detergent-oplosbaar membraan eiwitten kunnen direct worden gemengd met bicelles op het ijs door simpelweg pipetteren van de inhoud samen. Na het incuberen van de eiwit / bicelle mengsel op ijs voor ~ 30 minuten, kristallisatie onderzoekenkan worden ingesteld met behulp van een standaard-formaat inclusief robotica.

Figuur 4. Visualisatie van kristal proeven. Zichtbare beeld (bovenste paneel) en UV-beeld (onderste paneel) van (A) naaldvormige kristallen waargenomen in een zout-enige voorwaarde. Geen fluorescentie gedetecteerd kan worden van de kristallen, een indicatie van vals-positieve. (B) staafvormige kristallen gevormd in een MPD staat. Het kristal fluoresced zwak, maar bleek te zijn niet-eiwitachtige met behulp van röntgendiffractie. (C) Crystal waargenomen ongeveer vier weken na het opzetten van studies. De sterke fluorescentie onder UV-licht bevestigt het is een eiwit kristal.
| Nee. | Eiwit | Bron | Bicelle Formulering | Eiwit Concentratiop | Wasmiddel 1 | Resolutie (Å) | Referentie |
| 1 | Bacteriorhodopsin 2 | Halobacterium salinarum | 8% DMPC: CHAPSO (2.8:1) | 8 mg / ml | 2.0 | Faham en Bowie, 2002 | |
| 8% DTPC: CHAPSO (03:01) | 8 mg / ml | 1.8 | Faham et al.., 2005 | ||||
| 2 | β2-adrenerge receptor / Fab complex | Homo sapiens | 8,3% DMPC: CHAPSO (03:01) | 10 mg / ml | DDM | 3.4/3.7 | Rasmussen et al.., 2007 |
| 3 | Voltage-afhankelijke anionen kanaal 1 | Mus musculus | 7% DMPC: CHAPSO (2.8:1) | 12 mg / ml | LDAO | 2.3 | Ujwal et al.., 2008 |
| 4 | Xanthorhodopsin | Salinibacter ruber | 4,2% DMPC, 5% NM | 4 mg / ml | DDM | 1.9 | Luecke et al.., 2009 |
| 5 | Parallellogram protease | Escherichia coli | 2% DMPC: CHAPSO (2.6:1) | 9 mg / ml | Nonyl glucoside | 1.7 | Vinothkumar, 2011 |
1 Wasmiddel gebruikt voor membraaneiwit zuivering
2 Inheemse lipiden van paars membranen kunnen worden meegenomen tijdens de zuivering
Tabel 1. Samenvatting van de kristallisatie voorwaarden voor het membraan eiwit structuren opgelost met behulp van bicelles.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Bicelles zijn een unieke lipidische media die een native bilaag-achtige omgeving te bieden terwijl ze zelf als oplosbaar gemaakt door detergenten. Deze eigenschap geeft bicelles een duidelijk voordeel ten opzichte van andere lipide-gebaseerde methoden kristallisatie aangezien er geen leercurve of gespecialiseerde apparatuur die nodig is voor deze techniek. Zodra bicelles beschikbaar zijn, zowel commercieel of bereid in het laboratorium, kunnen ze direct worden gemengd met gezuiverd eiwit en vanaf dit moment kristallisatie onderzoeken gaan vrijwel exact zoals bij standaard reinigingsmiddel op basis van protocollen. Verder bicelles bieden een aantal praktische voordelen ten opzichte van andere technieken, waaronder langere bewaartermijnen, eenvoudige integratie van eiwit, high-throughput mogelijkheid met behulp van standaard robotica en routine visualisatie en kristal extractie. Een ander duidelijk voordeel is de mogelijkheid om dope bicelles met specifieke lipiden voor optimalisatie of indien blijkt nuttig voor het eiwit van belang. Bij elkaar genomen, de Lipidic bicelle methode biedt aanzienlijke flexibiliteit in combinatie met praktische gemak van gebruik, waardoor het gemakkelijk adoptable voor alle membraaneiwit kristallisatie-projecten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Geen belangenconflicten verklaard.
We willen graag Drs bedanken. James Bowie en Salem Faham voor het leveren van technische expertise en adviezen over de bicelle methode en Dr Aviv Paz voor nuttige discussies. Wij erkennen Le Du voor experimentele ondersteuning. Rachna Ujwal heeft financieel belang bij MemX Biosciences LLC, die echter niet ondersteunen dit werk. Dit werk werd mede ondersteund door subsidies van de NIH (RO1 GM078844).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DMPC | Affymetrix | D514 | |
| CHAPSO | Affymetrix | C317 | |
| Ready-to-use Bicelles | MemX Biosciences | MX201001/MX201002 | |
| Crystallization Screens | Qiagen, Hamptop Research, Molecular Dimensions, Emerald Biosystems, Jena Bioscience | Standard commercially available screens can be used for initial screening | |
| Crystallization Set-up | Standard manual and/or robotic set-up available in lab can be used. |