本方案描述了如何制备并实施透明天然凝胶洗脱液相分离电泳(CN-GELFrEE),这是一种适用于从异质样品中分离非共价生物分子复合物和蛋白质的天然分离技术,且可与多种下游蛋白质分析技术兼容。
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本方案描述了如何制备并实施透明天然凝胶洗脱液相分离电泳(CN-GELFrEE),这是一种适用于从异质样品中分离非共价生物分子复合物和蛋白质的天然分离技术,且可与多种下游蛋白质分析技术兼容。
蛋白质复合物执行多种关键的细胞功能。阐明其非共价相互作用和动态特性,对于理解复合物在生物系统中的作用至关重要。尽管近年来对生物大分子组装体的直接表征变得越来越重要,但仍需要能够与下游分析技术(包括质谱)兼容的天然状态分离技术,以进一步拓展这些研究。然而,目前该领域尚缺乏一种适用于天然蛋白质组装体的高通量、宽范围、高回收率的分离方法。本文介绍了清晰天然凝胶洗脱液相捕获电泳(CN-GELFrEE),这是一种针对非共价蛋白质组装体的新型分离模式。通过分离从小鼠心脏中提取的复合物,验证了CN-GELFrEE的分离性能。在2小时内收集到多个组分,显示出分子量范围约为30至500 kDa的离散条带。观察到分子量区间呈一致递增模式,每个区间跨度约为100 kDa。此外,通过SDS-PAGE对天然组分进行再次分析,结果显示分子量发生偏移,符合蛋白质复合物变性的特征。因此,CN-GELFrEE被证实能够在较宽分子量范围内对蛋白质复合物实现高分辨率、高回收率的天然状态分离,并提供适用于下游蛋白质分析的组分。
人们认为,细胞内发生的大多数生物过程是由蛋白质复合体而非单个蛋白质执行的1。因此,为了阐明某个蛋白质亚基在细胞中的特定生物学功能,必须了解其在复合物中与其他蛋白质或配体之间的结构相互作用2。然而,对蛋白质进行天然状态下的研究,同时保持其非共价相互作用和生物活性,仍然具有挑战性。天然蛋白质研究的局限之一在于缺乏一种合适的天然分离技术,能够与多种下游蛋白质分析方法兼容。因此,近年来人们对能够表征生物分子非共价复合物的分离技术的兴趣急剧增加3。
蛋白质分离技术对于生物化学、生物物理学及多种其他研究至关重要。目前的天然分离技术存在固有缺陷,会降低与下游分析的兼容性,例如分辨率低、通量低、因沉淀导致样品损失,以及需要大量初始样品。串联亲和纯化常用于蛋白质相互作用研究,但必须针对每种目标蛋白质单独进行,因此无法适用于高通量分析4。凝胶过滤色谱5、离子亲和色谱结合选择性沉淀5以及密度梯度分离6虽均可实现天然状态下的分离,但本质上均为低分辨率技术,且需要较高的初始样品量。
此外,基于凝胶的技术(如蓝色天然电泳(BN-PAGE)和透明天然电泳(CN-PAGE),无论是1维还是2维)可实现高分辨率分离。更重要的是,与其他上述技术不同,这两种天然PAGE方法能够维持多种大分子(包括疏水性蛋白质)的溶解性及其天然构象。这一特性进一步拓展了这些方法所覆盖的蛋白质组范围7,8,其原理源于CN-PAGE与BN-PAGE之间不同的化学机制。CN-PAGE通常依赖弱带电去垢剂作为载体分子,取代BN-PAGE中的考马斯亮蓝染料。尽管BN-PAGE具有更高的分辨率,但也存在一些局限性,例如分离后的蛋白质酶活性降低8,以及考马斯亮蓝分子加合物的形成,后者会严重干扰后续质谱(MS)分析9。然而,由于染色和凝胶提取的限制,这两种方法传统上均存在回收率低和蛋白质组覆盖范围窄的问题7。
在变性蛋白质研究中,存在多种技术可在实现高分辨率分级分离并保持高蛋白回收率的同时,维持大分子的可溶性,并且兼容多种分离后的蛋白质分析技术。凝胶洗脱液相分馏电泳(GELFrEE)便是满足上述所有特性的分级分离技术之一。该方法广泛应用于高通量自上而下蛋白质组学研究,表明其具有快速且多用途的特点。在GELFrEE中,蛋白质经变性后,通过可调节孔隙度的管状凝胶基质按分子量进行分离,其孔隙度可根据样本需求和期望的分级结果进行调整。分离后的组分以液相形式洗脱,从而在保持高分辨率的同时,减少了与SDS-PAGE相关的回收率限制。随后,可对各分馏组分进行一维聚丙烯酰胺凝胶电泳(1-D PAGE)分析,以选择分子量范围11。目前对在天然状态分离技术中应用GELFrEE优势的需求日益增加。本文所述的方法——透明天然GELFrEE(CN-GELFrEE),是GELFrEE的一种天然状态改良版本。为兼容多种处于天然状态的大分子,该方法不仅依赖于温和的CN-PAGE化学体系,还采用了孔隙度梯度分离,从而避免了不连续凝胶系统中不同孔隙度之间的剧烈过渡,减少蛋白质沉淀的发生9。当应用于从小鼠心脏提取的蛋白质复合物进行分级分离时,洗脱组分表现出高回收率,并实现了宽分子量范围内的高分辨率分离。此外,所得各组分适用于大多数下游生化与生物物理蛋白质分析方法。
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注意:本视频方案基于相关出版物9。执行本方案中所述所有步骤所需的特定试剂、材料和设备均列于材料部分。所有所需溶液的配制方法和相关信息详见表1。
1. 梯度管胶的灌制
2. 样品制备
3. CN-GELFrEE 装置

图 1:CN-GELFrEE 装置。 (A)GELFrEE 装置各部件的示意图;(B)已制造部件的照片;(C)CN-GELFrEE 装置组装示意图:(1)缓冲液室,(2)垫片,(3)O型圈,(4)凝胶管,(5)收集室,以及(6)透析膜。

表1:溶液配制表。

表 2:GELFrEE 装置零件表。
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从低温研磨的小鼠心脏中提取的200 µg蛋白质,使用CN-GELFrEE方法在1-12% T凝胶管中进行天然分级,分为14个组分,每个组分150 µl。每个组分取10 µl上样于CN-PAGE平板凝胶并进行银染。CN-GELFrEE分级所获得的分离效果和分辨率清晰地展示在图2A中。组分在两小时内连续收集,凝胶分析显示分子量呈稳定递增趋势,范围约为30至500 kDa。每个组分所含蛋白物种的质量跨度约为100 kDa。各组分间分子量范围的重叠较小,且随着组分间收集次数的增加,重叠进一步减少。此处所示的CN-PAGE平板凝胶仅代表从每个150 µl组分中回收蛋白总量的6%。
将CN-GELFrEE天然洗脱的各组分分别进行还原和变性处理,然后在SDS-PAGE平板凝胶上进行电泳。在还原型SDS-PAGE平板凝胶(图2B)中,与相应的天然组分(图2A)相比,所...
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CN-GELFrEE 源自透明天然(CN)PAGE 缓冲系统,该系统使用阴离子和中性去污剂的混合物作为载体分子9,通过凝胶基质实现基于分子量的蛋白质分级分离。将 CN-GELFrEE 应用于天然小鼠心脏蛋白质提取物时,可获得复杂度较低且条带分明的组分,同时保持生物分子复合物中的非共价相互作用。对 CN-PAGE 与还原性 SDS-PAGE 胶片分离的组分进行比较,发现存在分子量偏移,表明大分子间非共价相互作用的丧失以及蛋白质链间二硫键的断裂。该结果证实了 CN-GELFrEE 分离过程的天然状态特性。
本方案中的某些步骤至关重要,需要格外注意。首先,在制胶完成后,应缓慢将凝胶管从装置上取下,并小心切除外部的聚丙烯酰胺。操作不当可能损伤凝胶,导致凝胶网络中产生气泡,或使凝胶从玻璃管上脱落。这些损伤会降低分离分辨率,必须彻底避免。其次,在电泳过程中,系统的电阻会随时间逐渐升高,从而产生热量,因此必须在低温室中进行操作,或在样品上样至凝胶后,将装置转移至冰桶中,以防止蛋白质因受热而发生变性。此外,在执行本方案时,还需注意该技术的一些关键局限性。过高的蛋白载量会降低C...
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作者无任何利益冲突需要披露。
W. M. Keck基金会为本研究提供了慷慨资助。本研究工作得到了巴西里约热内卢州政府FAPERJ研究基金(项目编号100.039/2014)对R.D.M.的资助、巴西政府高等教育人员提升协调办公室“科学无国界”奖学金(项目编号88888.075416/2013-00)对H.S.S.的资助、美国国家科学基金会研究生研究奖学金(编号2014171659)对O.S.S.的资助,以及巴西政府CNPq研究基金(项目编号202011/2012-7)对L.H.F.D.V.的资助。P.C.H.获得了西北大学生命过程化学研究所博士后奖学金奖。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 试剂 | |||
| 30% 丙烯酰胺/双丙烯酰胺溶液,37.5:1 | Bio-Rad | 161-0158 | 该溶液具有神经毒性。 |
| 6-氨基己酸(ε-氨基己酸) | Sigma-Aldrich | A2504 | 该化学品具有刺激性。 |
| 过硫酸铵(APS) | Fisher Scientific | 7727-54-0 | 该化学品易燃、有毒且具有腐蚀性。 |
| 考马斯亮蓝 G250 | Bio-Rad | 161-0406 | |
| 十二烷基麦芽糖苷 | Sigma-Aldrich | D4641 | 该化学品具有刺激性。 |
| 乙二醇四乙酸(EGTA) | FLUKA | 3777 | 该化学品有毒。 |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | Fisher Scientific | BP120 | 该化学品有毒。 |
| 甘油 | Fisher Scientific | 56-81-5 | |
| 咪唑 | Sigma-Aldrich | I2399 | |
| 液氮 | 任意供应商 | n/a | 将液氮储存在专为低温液体设计的容器中 中 |
| 小鼠心脏 | Bioreclamation LLC | MSE-HEART | |
| 正丁醇 | Fisher Scientific | 71-36-3 | 该化学品易燃且有毒。 |
| 丽春红 S | Sigma-Aldrich | BP103 | |
| 蛋白酶抑制剂混合物 | Thermo Fisher Scientific | 78430 | 该化学品有毒。 |
| 脱氧胆酸钠 | Sigma-Aldrich | 30970 | 该化学品具有刺激性。 |
| 蔗糖 | JTBaker | 4097 | |
| 四甲基乙二胺(TEMED) | Bio-Rad | 161-0800 | 该化学品易燃且具有刺激性。 |
| Tris-HCl | Amresco | M151 | |
| Tricine | Bio-Rad | 161-071 | |
| 设备 | |||
| 梯度混合器 | Hoefer | SG15 | |
| 磁力搅拌器 | 任意供应商 | n/a | |
| 磁力搅拌子 | 任意供应商 | n/a | 尺寸需足够小以放入梯度混合器腔室中。 |
| 电源 | Bio-Rad | 164-5056 | 电压最高可达 1,500 V |
| 冷冻离心机 | Eppendorf | 022622552 | 最高可达 15,000 × g |
| 材料 | |||
| 15 ml 锥形管 | 任意供应商 | n/a | |
| 30 kDa 分子截留量超滤离心管 | Millipore | UFC503096 | |
| 柔性管 | Saint-Gobain | B000FOV1J0 | 长度约 1 m |
| 冰桶 | 任意供应商 | n/a | |
| 金属或塑料液/气阀门(例如水族箱用空气/水流控制阀) | 任意供应商 | n/a | 水族箱阀门兼容。 |
| 研钵和研杵 | 任意供应商 | n/a | |
| 天然 PAGE 3-12% T 板胶 | Invitrogen | BN1003 | |
| Parafilm 封口膜 | Bemis | PM-996 | |
| 培养皿 | Fisher Scientific | 08-757-13 | |
| 低吸附蛋白管 1.5 ml | Eppendorf | 022431081 | |
| 剃刀刀片 | IDL Tools | TE05-091C | |
| 再生纤维素透析管,3,500 分子截留量 | Fisher Scientific | 21-152-9 | |
| 任意 kDa 范围的 SDS-PAGE 板胶 | Bio-Rad | 456-9036 | |
| 移液管(25 ml) | VWR | 89130-900 | |
| 注射器(10 ml) | 任意供应商 | n/a |
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