介绍了一种基于绿色荧光蛋白融合技术,用于在大肠杆菌(Escherichia coli)中快速筛选重组膜蛋白表达的简化方法。
介绍了一种基于绿色荧光蛋白融合技术,用于在大肠杆菌(Escherichia coli)中快速筛选重组膜蛋白表达的简化方法。
重组膜蛋白的制备在结构与功能研究中仍面临技术挑战,主要由于表达水平较低,以及许多膜蛋白在去垢剂中溶解后固有的不稳定性。本文描述了一种将膜蛋白与绿色荧光蛋白(GFP)融合后进行无缝克隆,并在Escherichia coli中表达、通过GFP荧光检测的实验方案。该方法可实现多种膜蛋白或其变异体的构建与表达筛选,从而识别出值得进一步投入时间和精力的候选蛋白。在初步表达筛选中,利用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)后观察GFP荧光来评估表达情况。选择表达水平高且降解最少(以无游离GFP为标志)的膜蛋白进入次级筛选。对这些构建体进行放大培养,并制备总膜组分,随后用四种不同的去垢剂进行溶解。经超速离心去除去垢剂不溶性物质后,采用荧光检测尺寸排阻色谱法(FSEC)分析裂解液。通过GFP荧光监测尺寸排阻色谱图,可以获得膜蛋白在不同去垢剂中的单分散性与完整性信息。那些洗脱峰形对称、游离GFP极少或没有、且聚集最少的蛋白-去垢剂组合,可作为后续纯化的候选条件。采用上述方法,分析了来自47种不同细菌的SED(形态、伸长、分裂和孢子形成)蛋白在E. coli中的异源表达情况。这些蛋白通常含有十个跨膜结构域,对细胞分裂至关重要。结果显示,SED同源蛋白在E. coli中的表达水平和GFP融合蛋白的完整性差异显著,实验从中鉴定出一部分适合进一步研究的候选蛋白。
据估计,膜蛋白占所有已测序基因组(包括人类基因组)中编码基因的约20%至30%12。鉴于膜蛋白在多种生物学过程中的关键作用,例如代谢物转运、能量生成以及作为药物靶点,人们对其三维结构的解析具有浓厚兴趣。然而,与可溶性蛋白相比,膜蛋白在蛋白质数据库(Protein Data Bank)中的结构代表严重不足。事实上,在PDB发布的99,624个结构中(http://www.rcsb.org/pdb/),仅有471个被归类为膜蛋白(http://blanco.biomol.uci.edu/mpstruc/)。这一现象反映了研究膜蛋白所面临的技术难题,因为这类蛋白在天然状态下通常表达水平较低,视紫红质是少数例外之一3,4。在异源细胞中过表达重组蛋白时,常常导致蛋白错误折叠以及膜定位效率低下,从而限制了总体产量。此外,在膜蛋白表达后,选择最适的去垢剂进行提取和增溶,也给后续的纯化带来困难,需要进行细致的优化。
大肠杆菌 仍然是膜蛋白表达最常用的宿主,占72%(http://blanco.biomol.uci.edu/mpstruc/) 目前已解析结构的蛋白质几乎全部来源于细菌。特异性 E. coli 菌株 C41(DE3) 和 C43(DE3) 已被分离出来,它们不会导致膜蛋白的过量表达,从而避免了在其他 BL21 菌株中观察到的毒性效应5,6调节重组膜蛋白的表达水平对于优化产量至关重要6,7.
在许多情况下,为获得可用于结构测定的膜蛋白,通常需要评估多种不同版本,包括氨基端和羧基端的缺失突变体、利用天然序列差异的多个直系同源物以及不同的融合蛋白6-8。因此,一种能够并行表达筛选多种膜蛋白的方法至关重要。一种常用的方法是将目标蛋白与绿色荧光蛋白(GFP)融合,从而在无需纯化蛋白的情况下实现表达情况的追踪。通过这种方法,仅需少量未纯化的样品即可评估蛋白的表达水平、稳定性以及在不同去污剂中的行为特征9-12。
本文介绍了一种在大肠杆菌(E. coli)中克隆和表达膜蛋白的简化方案,通过与绿色荧光蛋白(GFP)融合作为蛋白表达的报告系统,并对去垢剂-蛋白复合物进行后续表征(图1)。
1. 表达载体的构建
2. E. coli 表达菌株的转化
注意: 在执行本方案之前, E. coli 感受态细胞按先前所述方法制备,分装后于 -80 °C 冻存13膜蛋白表达通常在两种菌株 Lemo21(DE3) 和 C41(DE3)pLysS 中进行常规筛选。为便于结果解读,建议包含一个阳性对照, 例如 表达GFP的质粒、已知可表达的与GFP融合的膜蛋白质粒,以及空载体阴性对照。
3. 过夜起始培养物的制备
注意:始终在转化后的第二天制备过夜培养物,切勿使用陈旧的转化平板。
4. 培养物的生长与诱导
5. 凝胶内荧光分析表达
6. 细胞培养的放大
7. 膜的制备
8. 膜组分的溶解与分析
SEDS 蛋白家族(形态、伸长、分裂和孢子形成)对细菌细胞分裂至关重要。这些内在膜蛋白通常具有十个跨膜结构域,其氨基端和羧基端均位于细胞内。为了示范上述实验方案,将 47 个 SEDs 的直系同源基因克隆至载体 pOPINE-3C-eGFP 中。随后在两种 E. coli 菌株中对这些构建体进行了小规模表达筛选:Lemo21(DE3) 在含有 0.25 mM 鼠李糖的培养基中培养,以抑制泄漏表达;C41(DE3) pLysS 菌株则常用于膜蛋白的表达5-8。
对诱导培养物的去垢剂溶解裂解液进行SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析。通过凝胶内荧光检测表达的GFP融合蛋白,结果显示在两种菌株中,47种SEDs构建物中有38种获得表达。有趣的是,两种表达菌株之间存在差异。在38种表达的构建物中,仅有18种在两种菌株中均表达,14种仅在Lemo21(DE3)中表达,6种仅在C41(DE3) pLysS中表达。总体而言,Lemo21(DE3)的表达成功率高于C41(DE3) pLysS(38 vs 24)。然而,部分蛋白呈现菌株特异性表达的现象表明,同时在这两种菌株中进行筛选具有实际意义。
图 1 展示了 47 种 SEDs 构建体中 24 种的代表性数据。图 1 中条带的强度可反映表达水平,例如,图 1A 和 1B 中 C4 孔的融合蛋白在两种菌株中均表达良好,但额外出现的较低分子量条带表明该蛋白发生了部分降解。许多泳道中均可见一条与单独 GFP 大小相符的条带。通过比较融合蛋白与游离 GFP 条带的强度,可对蛋白完整性进行定性评估;例如,在 C41(DE3) pLysS 菌株中,G4 和 H4 样品的融合蛋白完全降解为游离 GFP(图 1B),而在 Lemo21(DE3) 菌株中仍保留部分完整蛋白(图 1A)。在 38 种表达的蛋白中,有 14 种的游离 GFP 条带强度与融合蛋白相近,21 种的游离 GFP 条带强度高于融合蛋白,仅有少数融合蛋白(38 种中占 3 种,例如 图 1A 中的 F6 和 G6)的游离 GFP 含量相对融合蛋白而言较少。
在初筛中表达良好的两个构建体B5(游离GFP和融合蛋白条带强度高)和G6(游离GFP较少)被进一步表达,并从500 ml细胞培养物中制备了总膜组分。重悬的膜样品被分装后,通过荧光检测的尺寸排阻色谱法(FSEC)进行分析。FSEC图谱分别如图2A和图2B所示,结果显示这两个SEDs蛋白在所测试的四种去垢剂中表现出不同的行为。在一种情况下(图2A:样品B5),该蛋白仅在DDM中产生一个对称的峰,且聚集较少,因此DDM是后续纯化的首选去垢剂。相比之下,另一个融合蛋白(图2B:样品G6)在所有测试的去垢剂中均呈现出相似的图谱。

图1:利用GFP报告蛋白筛选大肠杆菌(E. coli)中膜蛋白表达的工作流程示意图。

图 2:利用凝胶内荧光法对膜蛋白表达进行初筛。 对大肠杆菌(E. coli)细胞的去垢剂裂解液进行SDS-PAGE分析,并使用蓝光反射照明和530/28滤光片对凝胶成像。结果显示了24个构建体(根据其在96孔板中的位置标记为A4-H6)的结果。图中指出了游离GFP和GFP融合蛋白条带的位置。(A) 在Lemo21(DE3)中表达的蛋白。(B) 在C41(DE3) pLysS中表达的蛋白。

图 3:利用荧光检测尺寸排阻色谱法(FSEC)对膜蛋白表达进行的二次筛选。 从四种不同的去污剂中提取总膜组分,并使用与荧光检测器偶联的FPLC系统通过尺寸排阻色谱法分析溶解的膜蛋白。膜蛋白B5的FSEC图谱(A)和膜蛋白G6的FSEC图谱(B)。图中标示了对应于聚集蛋白、溶解的GFP融合蛋白和游离GFP的峰位置。色谱图下方标明了所测试的去污剂。
本文所述方案中,将无需连接的克隆技术与绿色荧光蛋白报告载体结合,并联合荧光检测,以快速筛选多种膜蛋白的相对表达水平 E. coli载体可在四个工作日内构建完成,初步表达筛选则需额外一周时间。通过全细胞去垢剂裂解液的凝胶荧光分析对表达阳性克隆进行排序,以供后续二次筛选进一步分析。本方案所述的初步表达筛选除需要一个适用于深孔板培养细胞的摇床培养箱外,无需其他专业设备。所有涉及96孔SBS板的液体操作均可使用多通道移液器完成。该方案可轻松修改以包含其他 E.coli 在不同表达条件下培养的菌株(例如 较低温度下。对于 LEMO21(DE3) 菌株,通过调节添加的鼠李糖浓度(0 到 2.0 mM)以控制转录速率,可提高某些膜蛋白的表达水平7 . 初筛中可使用除DDM以外的其他去垢剂进行提取,但作用较强的去垢剂可能会溶解包涵体中的蛋白质,从而导致假阳性结果。显然,初始筛选步骤越复杂,实验耗时就越长。
二级筛选包括从初筛鉴定出的表达阳性克隆中制备总膜组分。这一步骤至关重要,因为它能够确认融合蛋白是否定位于大肠杆菌(E. coli)细胞的细胞膜上。随后通过荧光检测的尺寸排阻色谱法对不同去垢剂中提取的GFP融合蛋白进行可溶化材料分析,以评估去垢剂-蛋白复合物的单分散性。这是另一个关键步骤,因为它可确定最适合膜蛋白可溶化的去垢剂,以便后续下游处理。然而,经验表明,在纯化和结晶过程中可能仍需进一步优化去垢剂的选择。在不同去垢剂中表现出均一行为的证据——包括具有相对较小胶束尺寸的去垢剂(例如 LDAO)——似乎至少对于原核生物膜蛋白而言,是易于形成高质量衍射晶体的一个良好指标14。从这一角度来看,图2B中所示膜蛋白的谱图表现非常理想。
使用GFP报告基因的主要优势在于能够对未纯化的样品进行快速的表达检测。其缺点是,在将蛋白纯化用于结晶时,必须去除GFP融合蛋白。在本研究所用载体的情况下,可通过鼻病毒3C蛋白酶识别位点实现GFP的切割。 Alternatively,可将筛选中鉴定出的候选蛋白直接重新克隆至仅携带多聚组氨酸标签或其他亲和标签的载体中,以便后续纯化。但此方法的前提是GFP融合对蛋白表达并非必需。检测膜蛋白表达与溶解性的主要替代方案是仅添加组氨酸标签,然而该方法通常需要从膜组分开始实验。15 对于大量变异体的评估,这种方法将非常耗时。
总之,本文所述实验方案的主要目的是能够快速评估大量膜蛋白序列变异体的表达情况和去垢剂溶解性,并据此对这些变异体进行优先级排序,以进行更深入的分析。
作者无任何利益冲突需要披露。
英国牛津蛋白质生产设施(OPPF-UK)由英国医学研究理事会(资助号 MR/K018779/1)资助,膜蛋白实验室由惠康基金会(资助号 099165/Z/12/Z)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| pOPIN-N-GFP | addgene (www.addgene.org) | ||
| pOPINE-3C-GFP | addgene (www.addgene.org) | ||
| C41(DE3)pLysS | Lucigen (http://lucigen.com/) | 60444-1 | |
| LEMO21(DE3) | 新英格兰生物实验室 | C2528H | |
| In-Fusion HD EcoDry 克隆系统,96 次反应 | Clontech/Takara | 639688 | |
| Power broth | Molecular Dimensions (http://www.moleculardimensions.com/) | MD12-106-1 | |
| 蛋白酶抑制剂片剂 | 罗氏 | 11697498001 | |
| cOmplete, Mini, 无 EDTA;蛋白酶抑制剂混合物 | 罗氏 | 11836170001 | |
| L-鼠李糖一水合物 | Sigma-Aldrich | 83650 | |
| 蛋白酶抑制剂混合物 | Sigma-Aldrich | P8849 | |
| DNase 1 | Sigma-Aldrich | DN25 | |
| 溶菌酶 | Sigma-Aldrich | L7651 | |
| 胆固醇半琥珀酸酯 | Sigma-Aldrich | C6512 | |
| CYMAL-6 (6-环己基-1-己基-β-D-麦芽糖苷) | Anatrace | C326 | |
| DDM (n-十二烷基 β-麦芽糖苷) | Generon | D97002 | |
| DM (n-癸基 β-麦芽糖苷) | Generon | D99003 | |
| LDAO (N,N-二甲基-n-十二烷基胺 N-氧化物) | Generon | D71111 | |
| E1 ClipTip Eq384 8 通道 1-30 µl | Thermo Scientific | 4672030 | |
| Rainin 移液器 Pipet-Lite XLS 6通道 100-1,200 µl LTS 间距器 | Anachem | LA6-300XLS | |
| Rainin 移液器 Light XLS+ 8通道 2-20 µl LTS | Anachem | L8-20XLSPLUS | |
| 移液器 Pipet-Lite XLS 8通道 100-1,200 µl LTS 吸头 | Anachem | L8-1200XLS | |
| 24 孔 V 底深孔板 | Porvair Sciences | 360115 | |
| BenchMark 荧光蛋白标准品 | Life Technologies | LC5928 | |
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