迄今为止,尝试在Saccharomyces cerevisiae中表达囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)所获得的蛋白产量均相对较低。本实验方案及囊性纤维化基金会分发的相关试剂应可实现此类“难表达”真核膜蛋白的毫克级制备。
迄今为止,尝试在Saccharomyces cerevisiae中表达囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)所获得的蛋白产量均相对较低。本实验方案及囊性纤维化基金会分发的相关试剂应可实现此类“难表达”真核膜蛋白的毫克级制备。
囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)是一种氯离子通道,其发生突变可导致人类囊性纤维化。因此,该蛋白受到广泛关注,但对其结构与活性的研究一直受到蛋白表达与纯化量不足的限制1-3。与许多“难表达”的真核膜蛋白类似,在快速生长的生物体中进行表达是理想选择,但具有挑战性;在酵母S. cerevisiae中,迄今为止获得的蛋白量较低,且观察到重组蛋白迅速降解4-9。已有研究描述了参与酵母中重组CFTR加工的蛋白质6-9。本报告中,我们介绍了一种在酵母中表达并大量纯化CFTR的方法。该方案阐述了如何克服早期的蛋白水解问题,以及如何通过优化细胞生长条件和控制诱导条件(特别是收获细胞前的时间段)显著提高CFTR的表达水平。本方案相关的试剂(表达小鼠CFTR的酵母细胞或酵母质粒)将通过资助本研究的美国囊性纤维化基金会进行分发。描述本报告所用CFTR构建体设计与合成的文章将另行发表(Urbatsch, I.; Thibodeau, P. et al.,未发表)。本文将从CFTR构建体转化酵母细胞开始介绍我们的方法——该构建体包含携带CFTR的酵母质粒(图1)。该构建体在其C末端融合了绿色荧光蛋白(GFP)序列,遵循Drew et al.(2008)10建立的系统。GFP的存在使得CFTR的表达与纯化过程能够被相对容易地追踪。JoVE可视化视频方案在从酵母细胞制备微粒体后结束,但我们也会提供一些从微粒体中进一步纯化蛋白的建议。读者可根据后续实验需求及本地可用设备,对微粒体纯化步骤进行适当修改。酵母表达的CFTR蛋白可通过金属离子亲和层析进行部分纯化,利用其内在的多聚组氨酸纯化标签。随后通过分子筛层析可获得纯度超过>90%的蛋白,该结果基于SDS-PAGE电泳及考马斯亮蓝染色分析判定。
1. 培养基与缓冲液的制备
| 抑制剂 | 储存浓度 | 储存液配制方法 | 工作浓度 |
| AEBSF | 200 mM | 将48mg溶于1ml蒸馏水中 | 0.2 mM |
| Benzamidine | 300 mM | 将36mg溶于1ml蒸馏水中 | 0.3 mM |
| Chymostatin | 4 mM | 将2.5mg溶于1ml无水DMSO中 | 4 μM |
| E-64 | 7 mM | 将2.5mg溶于1ml蒸馏水中 | 7 μM |
| Leupeptin | 20 mM | 将10mg溶于1ml蒸馏水中 | 20 μM |
| Pepstatin A | 15 mM | 将10mg溶于1ml无水DMSO中 | 15 μM |
| PMSF | 1 M | 将174mg溶于1ml无水DMSO中 | 1 mM |
2. 筛选转化子
本实验方案假设CFTR-GFP-8His融合基因已插入酵母质粒中,位于GAL1半乳糖启动子的下游(图1),且该质粒已转化至FGY217细胞中,即S. cerevisiae10的Pep4缺失突变体。细胞可在YNBA平板上培养,并于4 °C保存数周。如需长期保存,应制备甘油菌种并于-80 °C冻存。克隆与转化的具体方法详见Drew et al. (2008)10的描述。
3. 大规模发酵罐培养
4. 代表性结果
用含有CFTR的质粒转化酵母并非100%高效。在转化实验中,对所选菌落进行CFTR表达的小规模筛选,通常每4个菌落中约有1个表达该蛋白。图3的A面板展示了一个典型的从平板上挑取5个菌落进行筛选的结果。其中一个菌落显示出CFTR-GFP融合蛋白的高水平表达,其分子量通常介于250 kDa与130 kDa标记之间,如图所示。CFTR-GFP的荧光强度在不同实验间差异较大,图3中的菌落4其荧光强度比约70 kDa处的内源性荧光条带至少高出10倍。如果CFTR-GFP的表达水平所产生的荧光弱于70 kDa条带,则建议重新进行转化,并挑选CFTR-GFP表达水平更高的菌落。如图3A所示,即使CFTR-GFP表达量较高,通过考马斯亮蓝染色也难以在细胞裂解物中分辨出CFTR-GFP条带。
在选定的菌落经过大规模培养并分离出微粒体后,需要检测微粒体内是否存在CFTR-GFP,如图3B所示。本实验结果不仅对于评估诱导表达效率至关重要,同时也可用于判断微粒体制备过程是否操作得当,以及蛋白水解是否已被最小化。图3B所示结果表明,与小规模实验(图A)相比,该实验中CFTR-GFP的表达量相对较低(以内在的70 kDa条带为参照)。然而,这一印象受到本次检测中荧光检测器过度曝光的影响,因为实验者当时正在检查是否存在CFTR构建体的蛋白水解片段。本实验中在130 kDa与100 kDa标记之间可观察到微弱的荧光蛋白水解片段信号,但与全长CFTR-GFP条带相比非常微弱。使用本文所述的蛋白酶抑制剂后,我们发现细胞破碎后CFTR的蛋白水解降解现象极少。若观察到明显的蛋白水解,建议重新配制新鲜的蛋白酶抑制剂储备液。我们还发现,商用蛋白酶抑制剂混合片剂在本体系中的效果较差。细胞在诱导后培养超过16小时将导致CFTR表达量下降,如图4所示。这可能是由于蛋白质发生周转,或与酵母细胞内蛋白质质量控制机制上调有关6-9,13。因此,建议在半乳糖诱导后尽可能监测CFTR的表达水平,因为最适收获时间可能因实验室条件不同而有所差异。

图1. 含CFTR构建体的酵母质粒。CFTR-GFP-8His融合片段插入到2μ p424GAL1表达载体中,受半乳糖(GAL1)启动子调控。该载体还含有尿嘧啶筛选标记(URA)和氨苄青霉素抗性基因(Amp)。

图2. 概括可视化实验方案的流程图。

图3. CFTR表达与纯化的代表性SDS-PAGE凝胶。图A 显示随机挑选的五个转化子菌落(泳道1-5),用于筛选CFTR的表达。图B 显示从15升发酵罐培养物中分离得到的微粒体。图C 显示通过亲和层析 followed by 尺寸排阻层析的两步纯化后获得的纯化小鼠CFTR。所有凝胶均显示激发GFP结构域荧光的成像结果(左)及考马斯亮蓝染色后的结果(右)。分子量标准蛋白的位置列于左侧(kDa)。

图4. 酵母中CFTR表达的代表性数据。图A显示了用半乳糖诱导后CFTR表达的时间进程。通过SDS-PAGE分析细胞提取物,并对CFTR-GFP蛋白条带的GFP荧光信号进行积分定量。图B显示了诱导16小时后表达GFP的细胞进行荧光显微镜观察的典型结果。通常,仅有部分细胞以高水平表达CFTR。
本文提供了一种在酵母细胞中表达小鼠CFTR蛋白的方法,该方法将有助于囊性纤维化相关研究。本研究旨在与小鼠CFTR DNA质粒构建体的发布同步进行,该构建体将通过囊性纤维化基金会(http://www.cff.org/research/CFFT/)提供。其他同源物也将在后续陆续提供。将含CFTR的载体转化至酵母细胞中的过程较为直接,但关键在于筛选出高表达CFTR的菌落。表达水平的差异可能由多种因素引起,但每个细胞中质粒拷贝数的不同可能是造成表达量变异的重要原因。本文所描述的关键步骤可实现表达CFTR的酵母细胞及含CFTR的微粒体膜的制备。一旦掌握酵母细胞的转化、培养、收获和裂解技术,即可进一步纯化目标蛋白;图3展示了在此条件下可达到的蛋白纯度示例,可作为有用的参考基准。本文并不旨在提供蛋白纯化的详细方法学。然而,针对酿酒酵母(S. cerevisiae)表达系统特有的某些关键下游纯化步骤,如细胞裂解和微粒体纯化,本文已进行了详细说明。需要指出的是,除本文所采用的两种方法外,也可使用其他酵母细胞破碎方法,例如使用法国压力细胞(French pressure cell)。该重组蛋白在其C末端带有一个TEV蛋白酶可切割的GFP结构域,可在诱导后用于追踪蛋白表达情况(图4)。酵母自身含有一种70 kDa的内源性蛋白(可能为琥珀酸脱氢酶12),在相同条件下会产生荧光11,该蛋白可作为全细胞提取物或微粒体中CFTR相对表达水平的有用内参对照(图3)。从图4所示数据可以明显看出,在以半乳糖诱导后,细胞收获的时间点至关重要。CFTR的产量在诱导约16小时后急剧下降,诱导24小时后酵母细胞中几乎检测不到CFTR蛋白。
每15升发酵罐培养物可获得约1-2 mg的纯化CFTR蛋白。从微粒体阶段之前的总CFTR-GFP蛋白计算,回收率约为70%,而纯化蛋白的回收率约为25%。对酿酒酵母(S. cerevisiae)表达的CFTR蛋白的表征工作正在进行中。如图4所示,可通过荧光显微镜监测该蛋白在细胞内的定位。尽管大部分荧光信号如预期分布在细胞周边10,但部分蛋白呈现点状分布,位于质膜内侧或紧邻质膜内侧,这可能是由于CFTR通过晚高尔基体/内体途径循环14,或可能与内质网出芽形成运输囊泡后的下游区室有关4。使用PNGaseF(一种去糖基化酶)处理后,CFTR蛋白在SDS-PAGE中的迁移率变化极小,表明该蛋白未糖基化或仅有极低程度的糖基化15。关于该蛋白磷酸化状态的研究正在进行中。在目前已测试的部分去垢剂中,纯化后的蛋白表现出ATP酶活性,且该活性可被CFTR特异性抑制剂所抑制16,其活性速率与先前报道的结果相似2,15。要测定CFTR通道活性,需将纯化蛋白进行重建,这意味着最终纯化步骤应使用临界胶束浓度(cmc)相对较高的去垢剂17。含有CFTR的酵母微粒体可用多种常用去垢剂溶解18,包括十二烷基麦芽糖苷(dodecyl maltoside)等通常被认为“温和”的去垢剂2。然而,迄今为止大多数高cmc去垢剂在溶解过程中效率较低,提示在纯化流程中应考虑在后期阶段再置换至此类去垢剂。
我们感谢囊性纤维化基金会(CFF)通过其CFTR三维结构联盟(资助编号FORD08XX0)对本工作的资助。我们感谢联盟内所有同事对本研究作出的巨大贡献,特别是在CFTR基因设计方面。我们还感谢希腊德谟克利特国家科学研究中心的James Birtley博士、英国卡迪夫大学的Mark Young博士以及英国伦敦帝国理工学院的David Drew博士在本研究早期阶段所作出的宝贵贡献。我们特别感谢美国德克萨斯理工大学拉伯克分校的Ina Urbatsch博士对稿件进行的审阅。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| FGY217 S. cerevisiae 菌株,带有 pep4 基因缺失 10 | |||
| 不含氨基酸的酵母氮源基础培养基 | Formedium | CYN0410 | |
| 不含尿嘧啶的完全补充混合物 | Formedium | DCS0169 | |
| 细菌学琼脂 | Sigma-Aldrich | A5306 | |
| D-半乳糖 | Fisher | BP656-500 | |
| D-葡萄糖 | Fisher | D16-500 | |
| 胃蛋白酶抑制剂A(Pepstatin A) | Sigma-Aldrich | P4265 | |
| 亮肽素(Leupeptin) | Merck | 108975 | |
| 抑肽酶(Chymostatin) | Sigma-Aldrich | C7268 | |
| 苯甲基磺酰氟(Phenylmethanesulfonylfluoride, PMSF) | Sigma-Aldrich | P7626 | |
| 环氧琥珀酰-亮氨酰胺基丁烷(Epoxysuccinyl-leucylamido-butane, E-64) | Sigma-Aldrich | E3132 | |
| 氨基乙基苯磺酰氟(Amin–thylbenzenesulfonyl fluoride, AEBSF) | Sigma-Aldrich | A8456 | |
| 盐酸苯甲脒(Benzamidine hydrochloride) | Sigma-Aldrich | 434760 | |
| 二甲基亚砜(Dimethylsulfoxide, DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| 二硫苏糖醇(dithiothreitol, DTT) | Sigma-Aldrich | 43815 | |
| 乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) | Fisher | BP120500 | |
| Tris碱(Tris-base) | Formedium | TRIS01 | |
| Tris-HCl | Fisher | P631 | |
| D-山梨醇(D-sorbitol) | Sigma-Aldrich | S1876 | |
| 甘油(Glycerol) | Fisher | 065017 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S6191 | |
| n-十二烷基-β-D-麦芽糖苷 | Affymetrix | D310S | |
| 溴酚蓝(Bromophenol blue) | Sigma-Aldrich | 114391 | |
| PageRuler Plus 预染蛋白标准品 | Fermentas | SM1811 | |
| NuSep tris-甘氨酸 4-20% 线性梯度胶 | NuSep | NB10-420 | |
| Instant Blue 考马斯亮蓝染色液 | Novexin | ISB1L | |
| 酸洗玻璃珠 | Sigma | G8772 | |
| 50 ml 无菌 Falcon 管 | Sarstedt | 62.547.254 | |
| 2 ml 无菌螺口小瓶 | Sarstedt | 72.694.005 | |
| 250 ml 无菌带挡板锥形瓶 | BD Biosciences | 355119 | |
| 2 L 无菌带挡板锥形瓶 | BD Biosciences | 355131 | |
| 2 ml 微量离心管 | Sarstedt | 72.695 | |
| 0.2μm 注射器滤器 | Sartorius | FC121 | |
| 超速离心管 | Beckman Coulter | 355618 | |
| 离心管 | Beckman Coulter | 357000 | |
| 1 L 离心瓶 | Beckman Coulter | 969329 | |
| 带温控的轨道摇床培养箱 | New Brunswick Scientific | ||
| Deltavision RT 显微成像系统 | Applied Vision | ||
| 台式离心机 | HERMLE | Z300 | |
| 台式微量离心机 | Fisher | 13-100-511 | |
| 涡旋混合器 | Star Labs | ||
| Typhoon Trio 扫描仪 | GE Healthcare | 63-0055-87 | |
| LAS3000 成像系统 | Fuji | ||
| 20 L 发酵罐及控制系统 | Applikon | ||
| Constant Systems 细胞破碎仪 | Constant systems | ||
| BioSpec 珠磨式细胞破碎仪 | BioSpec | 1107900 | |
| Mini-beadbeater-16 | BioSpec | 607 | |
| JA-17 转子 | Beckman Coulter | 369691 | |
| Optima L-100 超速离心机 | Beckman Coulter | 392050 | |
| 50.2Ti 转子 | Beckman Coulter | 337901 |