本文介绍一种基于固态支撑膜的电生理学方法,并重点阐述其在电致性膜转运蛋白表征中的应用。
本文介绍一种基于固态支撑膜的电生理学方法,并重点阐述其在电致性膜转运蛋白表征中的应用。
我们所介绍的电生理学方法基于一种固态支撑膜(SSM),该膜由吸附在镀金传感器芯片上的十八烷硫醇层以及其上方的磷脂酰胆碱单层组成。该组装结构被安装到含有参比电极(即氯化银丝)的比色皿系统中。
在含有目标膜蛋白的膜碎片或蛋白脂质体吸附后,通过快速溶液交换来诱导膜蛋白的转运活性。在单次溶液交换方案中,需要两种溶液:一种为非激活溶液,另一种为激活溶液。液体流动由法拉第笼内的加压空气、阀门和管路系统控制。
通过固持化膜(SSM)与蛋白脂质体或膜片段之间的电容耦合,可获得电致运输活性的动力学数据。因此,该方法仅能产生瞬态电流。峰值电流代表稳态的运输活性。通过电路分析可重建依赖时间的转运蛋白电流。
该方法特别适用于原核生物转运蛋白或来自细胞内膜的真核生物转运蛋白,这些蛋白无法通过膜片钳或电压钳技术进行研究。
本文展示了一种基于固体支撑膜(SSM)的新型电生理学方法,用于表征生电性膜蛋白。
固体支持物由玻璃载片上的薄金层构成,即传感器芯片。亲水性的金表面用于结合烷硫醇试剂的巯基。随后,磷脂酰胆碱单层通过自组装完成SSM的形成。
为了测量膜蛋白的生电反应,将蛋白脂质体或膜片段吸附到固态支持膜(SSM)上(图1)。含有蛋白质的膜与SSM构成一个电容耦合的膜系统。因此,可通过SSM以电容耦合方式检测含蛋白膜上的电荷移位。该方法仅能获得瞬态电流,其中峰值电流代表转运体的稳态转运活性。通过电路分析可重建时间依赖性的转运体电流。
将传感器芯片安装到比色皿系统中(图2)。该比色皿具有17 μl的圆柱形样品腔(安装O形圈后的净体积)。一个弹簧接触针用于连接放大器。出口接头被旋紧在主体顶部,并固定参比电极,即一根氯化银丝。
比色皿安装在法拉第笼中,并连接至流体通路,通过快速溶液交换来诱导膜蛋白的转运活性(图3)。在单次溶液交换方案中,需要两种溶液:一种为非激活溶液,另一种为激活溶液。流体由加压空气控制,可通过计算机上的阀门控制软件或接口盒上的手动开关进行调节。
1. 建立基于SSM的膜片钳电生理实验装置
详细信息见于我们的两篇技术出版物中,其中包含比色皿及其装置的示意图和照片1, 2。不同的溶液交换配置和流控程序也在我们的方法学论文2中进行了讨论。
下文将补充一些近期的改进和技术细节,这些内容与视频展示直接相关。
阀门控制与数据采集
接口盒包含一个商用USB数字输出/模拟输入接口(NI USB 6009,National Instruments)以及阀门驱动器。它用于控制溶液流动,并负责数据采集。阀门通常由12 V电压驱动。然而,为了实现快速切换,阀门可使用最高达18 V的电压驱动。在本视频中,我们使用12 V电源。
阀门驱动电路板可控制四个阀门,由马克斯·普朗克生物物理研究所车间制造。阀门可通过计算机或前面板上的开关手动控制,后者在冲洗和清洁操作中尤为方便。测量过程中,通过计算机使用阀门控制与数据采集软件(SURFE2R 软件,IonGate Biosciences)来控制接口箱。
2. 准备工作
本节介绍了基于SSM的电生理实验制备的各种不同方案。
2.1 制备用于形成 SSM 的脂质溶液
2.2 参比电极的氯化处理
由于磨损,参比电极需要定期进行氯化处理。
2.3 聚丙烯酰胺凝胶桥的制备
2.4 测量溶液的制备
由于溶质与SSM之间存在强相互作用,在交换不同组成的溶液时会产生电学伪影。因此,溶液的配制是一个关键步骤。在溶液配制过程中应采取以下预防措施,以尽量减少溶液交换带来的伪影。
3. 基于SSM的电生理实验
本文介绍了一种基于固态膜(SSM)的电生理实验的典型方案。
3.1 准备 SSM 装置
当SSM装置不使用时,需用30%乙醇/水溶液填充管道,以防止细菌生长。
3.2 安装比色皿
3.3 测量膜参数
使用函数发生器测量电容和电导,以检查 SSM 的质量。
3.4 检查溶液交换伪影
在检查完膜参数后,应测试测量缓冲液是否存在溶液交换伪影。
3.5 加样蛋白样品
通常将蛋白脂质体或膜碎片在 -80 °C 下冷冻保存。每次测量需要约 30 μl 的样品量。
3.6 基于SSM实验的一般流程
3.7 对照测量
在一系列测量过程中,信号衰减可能由蛋白质降解或吸附损失引起。每次SSM实验都应包含衰减对照。这可通过使用相同溶液进行重复测量来实现。最简化的衰减对照是指在实验开始和结束时各进行一次测量,使用相同的溶液。
我们建议在实验中预期峰幅值最高的条件下进行衰减对照。这有助于更方便地量化信号的衰减情况。
通过比较两个衰减对照的峰值幅度,可以量化信号衰减程度。由此得到的百分比值可用于校正测量信号,前提是假设衰减具有线性时间依赖性。
3.8 伪影对照
如果可能,尝试在实验后通过抑制目标蛋白来验证您的结果。残留的信号可能是溶液交换伪影。随后必须根据测得的伪影对信号进行校正。
3.9 实验结束后
迄今为止,基于SSM的电生理学技术已被用于表征超过20种转运蛋白,其中大多数来源于原核生物。 例如 MelB 3NhaA 4 和 PutP 5 (总结如下) 6)。但也包括来自细胞内膜的真核转运蛋白, 例如 ClC7 7 以及离子通道, 例如 烟碱型乙酰胆碱受体 8 已被研究。
此处以大肠杆菌(Escherichia coli)的糖/H+ 共转运蛋白 LacY 为例,介绍利用蛋白脂质体进行的测量,其中 LacY 的外向(right side out)比例至少达到 85%,脂质与蛋白比(LPR)为 5 9, 10我们重点关注构建该转运蛋白最小化动力学模型的主要步骤。
1. 野生型 LacY 的电生理表征
第一步是通过测定不同 pH 值(图 4)、底物浓度(图 5)和底物来对电化学反应进行一般性表征。为验证该技术,重现了文献中报道的 KM 值和 pK 值。
LacY 的 pH 依赖性表现出两种不同的电生反应。电容耦合电流在 pH 5 至 pH 8.5 之间增加,同时其波形也发生变化。在碱性条件下观察到稳态转运,而在酸性 pH 条件下仅保留快速的电生反应。为了区分稳态信号与快速电生反应,我们采用电路分析方法重构转运蛋白电流(图 6)。
在 pH 7 时,单相信号变为双相信号。这同样表明存在两个不同的生电反应。根据所转移的电荷量(信号的积分)估算,这两个反应分别约占转运循环总生电性的 6% 和 94%。
2. 电生反应的指认
为了将两个生电反应分配到LacY反应循环的特定步骤中,我们测定了E325A LacY突变体(图7)。该突变体仅表现出乳糖交换,但由于质子释放受阻,其所有主动运输模式均存在缺陷。E325A LacY的信号表现为一个快速瞬变信号,并且在所有测定的pH值下保持恒定。该信号的形状和幅度与酸性条件下野生型LacY的信号相似。此外,我们在下降的峰值电流之后观察到一个小的负相,这是在电容耦合系统中测得的快速瞬变电流的特征。由于乳糖的结合与释放本身不产生电效应,该快速瞬变必然与乳糖结合后发生的生电构象转变相关。
已知在乳糖浓度梯度驱动的运输模式下,质子释放步骤是 LacY 转运速率的限速步骤。在这种情况下,我们预期随着 pH 值升高(碱性增强),转运速率会增加,因为碱性环境有利于质子的释放。野生型 LacY 的稳态转运相关信号正是表现出这种现象。此外,通过 pH 梯度测量可以证明,只有细胞内 pH 值会影响 LacY 的稳态转运(未发表数据)。因此,这一显著的生电反应可归因于质子释放步骤。
3. 动力学分析的测量
在确定电生反应后,使用固持膜法(SSM)装置以约4.5毫秒的高时间分辨率测定反应在转运过程开启与关闭状态下的速率。只有当信号主要由单一反应主导时,才可能实现该测定。在此情况下,可结合信号的时间分辨率,采用迭代最小二乘去卷积算法,从瞬态电流中推导出速率常数(图8)。所确定的速率常数以及所提出的最小动力学模型(图9)最终用于转运蛋白动力学的模拟。模拟曲线能够重现SSM实验数据,进一步验证了该动力学模型的正确性。

图1. 蛋白脂质体在SSM上的吸附几何结构。 SSM在传感器芯片(一种结构化的金膜玻璃载片)上形成。为了测量膜蛋白的电生反应,将蛋白脂质体或膜片段吸附至SSM上。这两个膜形成一个电容耦合系统,因此仅能检测到瞬态电流。

图2. SSM比色皿承载传感器芯片和参比电极。 传感器芯片夹在比色皿底座与比色皿头部之间。参比电极通过聚丙烯酰胺凝胶盐桥与流动路径隔离。

图 3. SSM 装置的液体通路与电路。 在单溶液交换方案中,仅需一种非激活溶液(NA)和一种激活溶液(A)。液体流动由两个两位阀(V1)和一个终端阀(V2)控制。终端阀在非激活溶液与激活溶液之间切换,将其中一种溶液导入比色皿,另一种溶液导入废液容器(W)。传感器芯片(SSM)连接至放大器(I/U),参比电极(AgCl)则连接至外电路中的函数发生器(F)。计算机(PC)和接口盒用于控制阀门操作及数据采集。

图4. 在不同pH值下,对野生型LacY蛋白脂质体施加100 mM乳糖浓度跃变后测得的瞬时电流。非激活溶液含有100 mM葡萄糖,而激活溶液含有100 mM乳糖。所有溶液均用100 mM磷酸钾缓冲液在指定pH条件下配制,并含1 mM DTT。有关本图及后续各图测量条件的详细信息,请参见9和10。

图5. 在不同乳糖浓度和pH值条件下,利用野生型LacY蛋白脂质体测得的归一化峰值电流的平均值。 KM 值由双曲线拟合获得。

图6. 转运体电流的重建。 用于重建转运体电流 (B) 的瞬态电流 (A) 是在 pH 8.5(蓝色曲线)和 pH 5.2(红色曲线)条件下,对野生型 LacY 蛋白脂质体施加 100 mM 乳糖浓度跳跃后测得的。在 pH 8.5 时可观察到持续的翻转反应,而在 pH 5.2 时则发生快速的电致反应。这一点在重建的电流 (B) 中表现得尤为明显。

图 7. 在 pH 5.2 条件下,对 E325A LacY 蛋白脂质体施加 100 mM 乳糖浓度跃变后测得的瞬态电流。该 LacY 突变体在转运循环的质子释放步骤中受到抑制,因此不具备转运功能。所观察到的小幅负向组分是电容耦合系统中测得的快速瞬态电流的特征,由快速电化学反应后膜电容放电引起。其时间常数 τ₀ 由系统的电容和电导决定(图 1)。

图8. 在 pH 5.2 条件下,对野生型 LacY 蛋白脂质体施加不同浓度乳糖跳跃后测得的瞬态电流。在这些条件下未观察到稳态转运,但在乳糖结合时出现电致构象转变。虚线表示代表系统时间分辨率的传递函数。插图显示通过将观测速率常数 kobs 与数据进行双曲线拟合,确定结合与解离速率常数。观测速率常数 kobs 是通过迭代最小二乘去卷积算法从瞬态电流中确定的10。

图9. LacY反应循环的动力学模型。 通过SSM测量可识别并表征两个电生步骤。一个强电生反应代表了反应循环中约94%的总电荷位移,仅在中性和碱性pH值下被观察到,该反应可归因于质子释放步骤(蓝色箭头)。在酸性pH条件下,当野生型LacY的持续周转受到抑制时,可观察到一个弱电生步骤。我们将此反应归因于乳糖结合引起的电生构象转变,该转变在反应循环中占总电荷位移的6%。
1. 基于固相支撑膜(SSM)的电生理学技术相较于传统方法的优势
基于固持化膜(SSM)的电生理学已被证明是电生理工具箱中一种有价值的工具。它在传统电生理学方法(即膜片钳和电压钳技术)无法应用的情况下尤为有用:除极少数例外,由于细菌体积微小,且难以在哺乳动物细胞或卵母细胞中表达,因此细菌转运蛋白通常无法通过电压钳或膜片钳方法进行研究。但该技术也可用于研究具有生理相关性的哺乳动物转运蛋白。在此情况下,基于SSM的电生理学因其稳健性以及自动化潜力,特别适用于来自细胞内膜的转运蛋白研究,以及在药物发现中的筛选应用。
基于SSM的方法,使用传统电生理学技术对转运蛋白进行时间分辨表征具有挑战性。由于转运蛋白的周转速率较低,需要采用“巨斑片”或“全细胞”构型,而这些构型在溶液交换实验中本身具有较低的时间分辨率。这一难题可通过光解底物释放技术克服,但仅有少数底物适用于该方法。在此,SSM上的快速溶液交换提供了独特的机会,使得能够以高时间分辨率对任意底物开展电生理学研究。
2. 局限性与关键步骤
与膜片钳和电压钳技术不同,基于固态膜(SSM)的电生理学方法不能用于施加电位。因此,转运体的表征仅限于不依赖膜电位的转运模式。
通常,基于固相膜(SSM)的电生理学技术对(生电性)转运蛋白的类型没有限制。然而,如果蛋白质功能依赖于细胞内组分(如结合蛋白),则电压钳或膜片钳技术可能更具优势。
如果溶液交换产生较大的伪影电流,则可能出现局限性。当底物与SSM相互作用较强时(例如在亲脂性化合物的情况下),就会发生这种情况。可以使用伪影对照来校正测得的信号。此外,可通过在所有测量缓冲液中使用高盐背景来减少伪影。但在伪影大小与蛋白质信号相近的情况下,几乎无法将与蛋白质相关的信号从伪影中分离出来。幸运的是,在优化的溶液交换中,出现较大伪影的情况并不常见。
有几个步骤对于成功实施基于SSM的电生理实验至关重要。其中,蛋白质样品的制备是最关键的部分。如果使用蛋白脂质体,务必确保重建过程能够产生具有足够脂质蛋白比(LPR)且转运蛋白方向正确的纯净、可重复的样品。可通过冷冻断裂电子显微镜检测LPR,若有合适的抗体,也可通过ELISA实验检测蛋白方向。
仅使用针对孵育蛋白质样品具有最佳参数的SSM。蛋白质的进样是另一个关键步骤。超声处理至关重要,且在进样过程中应避免产生气泡。在样品孵育完成后,测量过程本身也非常关键,因为气泡会将吸附在传感器芯片上的蛋白质样品移除。因此,每次更换溶液后都必须去除气泡。尽管如此,仍可能出现信号衰减现象。为了校正可能发生的信号衰减,在实验过程中必须进行衰减对照。
3. 专用系统
SSM装置可根据其应用进行修改。此外,还可提供完全不同且高度专业化的装置配置。
有可能在非对称条件下检测蛋白质信号, 例如 在pH梯度条件下。为了在蛋白脂质体内外建立不对称的缓冲液组成,需要引入第三种溶液,即静息溶液,这要求采用双交换配置。此处需要额外的三通阀在非激活溶液和静息溶液之间进行切换。
为了提高系统的时间分辨率,我们开发了一种替代的流路,该流路省去了末端阀门,但使用了不同类型的比色皿。在此设置中,激活溶液与非激活溶液的交汇点位于比色皿内部,距固态膜(SSM)前方3 mm处。该装置非常适合快速转运过程的动力学分析。结果表明,系统的时间分辨率可低至2毫秒。
市面上已有商用全自动系统,旨在显著提高药物筛选的通量。该系统通过一个可移动单元在标准微孔板格式的96孔板中收集溶液,并将其注入传感器表面。
感谢 J. Garcia-Celma、I Smirnova 和 R. Kaback 对 LacY 测量工作的贡献,以及 E. Bamberg 提供的支持和有益的讨论。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>材料 | |||
| 水浴超声波破碎仪 | Bandelin | RK 52 H | |
| 超声波探头 | Hielscher Ultrasonics GmbH | UP50H | |
| 二通阀 | NResearch,美国韦斯特考德威尔 | NR225T011 | |
| 末端瓣膜 | NResearch,美国韦斯特考德威尔 | NR225T031 | |
| 压力计 | Greisinger 电子 | GDH 14 AN | |
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| 比色皿 | 马克斯·普朗克生物物理研究所 | ||
| 100 ml 溶液容器 | 卡特尔 | 1623 | |
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| 示波器 | Tektronix | TDS 1002 | |
| 参比电极 | 马克斯·普朗克生物物理研究所 | ||
| 函数发生器 | 马克斯·普朗克生物物理研究所 | ||
| 导管 | 圣戈班高性能塑料 | AAC00006 | |
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| 接口盒 | 马克斯·普朗克生物物理研究所 | ||
| 放大器 | 基思利 | 427 | |
| 手动齿轮 | Vygon GmbH | 876 | |
| USB 模数转换器 | 国家仪器公司 | 6009 | |
| <强>试剂 | |||
| 1,2‑二植烷酰基-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱 | Avanti Polar Lipids, Inc. | 850356 | |
| 丙烯酰胺/双丙烯酰胺 | Sigma Aldrich | A3574 | |
| 过硫酸铵 | Sigma Aldrich | A3678 | |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma Aldrich | G8270 | |
| 二硫苏糖醇 | Sigma Aldrich | 43819 | |
| 无水乙醇 | VWR AnalaR NORMAPUR | 603-002-00-5 | |
| 天然大肠杆菌极性脂质提取物 | Avanti Polar Lipids, Inc. | 100600 | 用于 LacY 重建 |
| 正癸烷 | Sigma Aldrich | D901 | |
| 十八烷硫醇 | Sigma Aldrich | O1858 | |
| 十八胺 | Sigma Aldrich | 74750 | |
| 氯化钾 | 默克 | 1049360500 | |
| 磷酸氢二钾 | Sigma Aldrich | P3786 | |
| 磷酸二氢钾 | Sigma Aldrich | P9791 | |
| 四甲基乙二胺 | BIO RAD | 1610801 | |
| α一水乳糖 | Sigma Aldrich | L8783 |