我们描述了一种基于荧光的检测方法,用于测量重组了视蛋白的大型单层脂质体中的磷脂翻转活性。
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我们描述了一种基于荧光的检测方法,用于测量重组了视蛋白的大型单层脂质体中的磷脂翻转活性。
翻转酶以不依赖ATP的方式双向转运磷脂分子穿过膜双层。首个被鉴定并经生物化学验证的翻转酶是视紫红质的脱辅基蛋白——视蛋白。视紫红质是一种G蛋白偶联受体,定位于视网膜视杆细胞盘膜中,负责光信号的感知。视紫红质的翻转酶活性不依赖于其配体11-顺式-视黄醛, 即, 视蛋白(opsin)本身也具有翻转酶(scramblase)活性。尽管组成型和调控型磷脂翻转在细胞生理过程中发挥重要作用,但迄今为止除视蛋白外,仅发现少数几种磷脂翻转酶。本文介绍一种基于荧光的检测方法,用于测定视蛋白的翻转酶活性。将视蛋白重组至由磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine)、磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol)及微量荧光标记的NBD-PC(1-棕榈酰-2-{6-[7-硝基-2-1,3-苯并噁二唑-4-基)氨基]己酰基}-sn-甘油-3-磷酰胆碱)。通过检测位于囊泡内层的NBD-PC分子转移到外层的程度来测定翻转酶活性,当这些分子暴露于膜外时,其荧光会被不能跨膜的还原剂淬灭。我们所描述的方法具有普遍适用性,可用于鉴定和表征其他膜蛋白的翻转酶活性。
视紫红质(rhodopsin)是一种典型的G蛋白偶联受体(例如参见文献1),也是首个被鉴定并经生物化学验证的磷脂翻转酶(phospholipid scramblase)2,3。翻转酶是一类磷脂转运蛋白,能够以双向、非ATP依赖的方式将跨双分子层磷脂的本征缓慢移动速率提升至生理所需的水平4-6。其功能实例可见于内质网和细菌细胞质膜,在这些膜结构中,组成型的磷脂翻转对于维持膜稳态、细胞生长以及多种糖基化通路至关重要5。受调控的磷脂翻转则在凋亡细胞表面暴露磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine, PS)的过程中发挥关键作用,PS作为“吃我”信号被巨噬细胞识别7,同时在活化的血小板表面形成促凝血界面,催化凝血所需蛋白因子的生成。在视细胞外节盘膜中,视紫红质的翻转活性被认为可抵消由ATP依赖性、单向脂质翻转酶ABCA4所引起的双分子层两叶间磷脂分布失衡4,8,910-12。
尽管翻转酶具有重要的生理功能,但其身份一直未被明确,直到视紫红质被报道为光感受器盘膜中的翻转酶2,TMEM16蛋白家族成员被鉴定为依赖Ca2+的翻转酶,参与质膜上磷脂酰丝氨酸(PS)的外翻(参见文献13的综述),以及细菌蛋白FtsW被提出作为脂质II翻转酶,参与肽聚糖合成14。这些发现均基于将纯化的蛋白质重构于脂质体中,并利用本文所述方法在所形成的蛋白脂质体中验证其翻转酶活性。其他潜在的翻转酶15-21——包括参与肽聚糖生物合成的MurJ和AmJ蛋白、参与O-抗原前体翻转的WzxE及相关蛋白、负责将氨基酰化磷脂酰甘油转运至细菌细胞质膜的MprF蛋白,以及被提出可在凋亡细胞表面暴露PS的Xkr8家族成员——仍有待通过生化方法验证。这凸显了建立一种可靠检测方法以鉴定和表征翻转酶活性的重要性。
本文介绍了将提纯的视紫红质脱辅基蛋白(即视蛋白)重组到大单层囊泡(LUVs)中的方法,并利用基于荧光的检测手段对所获得的蛋白脂质体中的翻转酶活性进行后续分析。目前文献中已有多种关于视蛋白异源表达与提纯的详细方案,因此本实验不对其进行描述;我们采用的是Goren et al. 3 中所述的方法,该方法可获得带有FLAG标签的热稳定视蛋白,浓度约为100 ng/µl,溶于含0.1% (w/v) 十二烷基麦芽糖苷(DDM)的溶液中。
通过使用足量去垢剂处理大单层囊泡(LUVs),使其发生溶胀但不溶解,从而实现膜蛋白的重建。在此条件下,以蛋白-去垢剂胶束形式提供的膜蛋白将整合入脂质体中,并在去除去垢剂后重组至脂质体膜内,形成蛋白脂质体(proteoliposomes)。为重建视蛋白(opsin,以纯化蛋白形式获得,溶于0.1% (w/v) DDM中),需先由POPC(1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱)和POPG(1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-[磷脂-rac-(1-甘油)])混合物制备LUVs,随后在加入视蛋白和NBD-PC前使体系饱和DDM。然后通过聚苯乙烯珠处理样品以去除去垢剂。
基于荧光的检测方法原理如图1B所示。大单层囊泡(LUVs)被对称地重构,并掺入微量的NBD-PC或其他NBD标记的荧光磷脂探针(图1A)。当加入连二亚硫酸盐(一种不能透过膜的双阴离子)后,LUVs外层叶中的NBD-PC分子因NBD基团的硝基被还原为非荧光性的氨基而失去荧光。由于在实验时间尺度内(<10分钟),NBD-PC分子和连二亚硫酸盐均无法跨膜转运,因此荧光信号减少50%。然而,如果脂质体中重构了翻转酶(scramblase),则内层叶中的NBD-PC分子可快速翻转至外侧并被还原,理想情况下导致荧光完全丧失(图1C)。

图1:scramblase活性检测的示意图 该检测使用荧光NBD标记的报告脂质;图中显示的是NBD-PC(A)。通过加入痕量的NBD-PC重建大单层囊泡。重建后形成的囊泡具有对称性,NBD-PC均匀分布于外层和内层脂双分子层中。连二亚硫酸盐(S2O42-)可将NBD的硝基化学还原为非荧光的氨基。用连二亚硫酸盐处理不含蛋白质的脂质体(B,上层)会导致荧光强度降低50%,因为只有位于外层脂质双分子层中的NBD-PC分子被还原:连二亚硫酸盐带负电荷,无法穿过膜与内层中的NBD-PC分子反应。对含视蛋白的蛋白脂质体进行连二亚硫酸盐处理(B,底部) 即,翻转酶活性的蛋白脂质体,会导致荧光完全丧失(达100%),因为视蛋白促进了NBD-PC在内层和外层脂质双分子层之间的移动。C) 显示了用连二亚硫酸盐处理不含蛋白质的脂质体和含视蛋白的蛋白脂质体后获得的理想化荧光轨迹。两种情况下的荧光衰减速率相同,表明NBD被连二亚硫酸盐的化学还原反应是限速步骤,且翻转(scrambling)发生的速率等于或大于该化学反应的速率。实际实验中获得的轨迹如图所示 图3. 请点击此处以查看此图的放大版本。
我们所描述的方法可用于重建和检测其他经纯化的蛋白质,以及通过去污剂提取微粒体所获得的膜蛋白混合物22。
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1. 脂质体和蛋白脂质体的制备
2. 翻转酶活性检测
注意:在荧光分光光度计中,向缓冲液A稀释的脂质体或蛋白脂质体中加入连二亚硫酸钠后,随时间监测其荧光强度。为获得稳定的初始荧光强度,需在加入连二亚硫酸钠前,对持续搅拌的样品记录至少50秒(或直至信号稳定)的荧光值;加入连二亚硫酸钠后,继续监测至少500秒。
3. 数据分析
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我们描述了将视蛋白重构到大单层囊泡(LUVs)中,以利用基于荧光的检测方法表征其翻转酶活性。我们对结果进行分析,以确定视蛋白介导的磷脂翻转速率的下限,并确定视蛋白在囊泡中功能性重构时的寡聚状态。
为了确定最佳的重组条件,有必要通过实验确定用于膨胀大单层囊泡(LUVs)所需的去垢剂用量,以使囊泡能够接受蛋白质的插入。该实验如图2A所示。将POPC:POPG大单层囊泡分别用不同浓度的DDM处理3小时,随后在540 nm处测定样品的吸光度,该值反映浊度,因而可指示囊泡的尺寸变化。540 nm处测得的光密度(OD540)曲线显示,当DDM浓度从4–6 mM逐渐增加时,囊泡发生膨胀,并在约7 mM时达到饱和;继续增加DDM浓度则导致囊泡开始溶解(表现为浊度降低及OD540信号减弱)。去垢剂处理后加入NBD-PC,样品再继续孵育1小时,随后用聚苯乙烯珠去除去垢剂。通过向囊泡中加入连二亚硫...
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最初,我们利用翻转酶活性检测方法确定了视蛋白具有磷脂翻转酶活性2。该检测方法还使我们能够通过测试其特异性(我们使用了多种NBD标记的报告脂质,例如NBD-磷脂酰乙醇胺,其NBD标记位于酰基链上,如图1A中NBD-PC所示,或标记在头部基团上,如NBD-鞘磷脂或NBD-磷脂酰丝氨酸2)、囊泡脂质组成的影响(例如,作为囊泡组分的不同含量的胆固醇),以及视蛋白和视紫红质的不同构象状态是否均表现出翻转酶活性,从而对视蛋白的翻转酶活性进行表征。这些分析表明,视紫红质的翻转酶活性非常迅速(>每秒超过10,000个磷脂分子),对磷脂无特异性,且不依赖于视紫红质的构象状态或其是否含有发色团视黄醛2,3。在此,我们提供了一种制备含视蛋白的蛋白脂质体的详细方法,并展示了如何检测这些样品的磷脂翻转酶活性。
所述的重建方案已针对给定的脂质组成以及使用DDM作为增溶去污剂通过亲和层析纯化后的视蛋白重建进行了优化。脂质组成以及去污剂可根据实验人员的需求进行更改,但针对改变条件后的理想重...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由 Velux 基金会(A.K.M.)、NIH 资助项目 EY024207(A.K.M.)以及奥地利科学基金(FWF)项目 J3686(B.P.)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱 | Avanti Polar Lipids | 850457C | POPC |
| 1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷脂酰-rac-(1-甘油)(钠盐) | Avanti Polar Lipids | 840457C | POPG |
| 1-棕榈酰-2-{6-[7-硝基-2-1,3-苯并噁二唑-4-基)氨基]己酰}-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱 | Avanti Polar Lipids | 810130C | NBD-PC |
| 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸 | VWR Scientific | EM-5330 | HEPES |
| NaCl | Sigma | S7653-1KG | NaCl |
| 十二烷基-β-D-麦芽糖苷 | Anatrace | D310 5 GM | DDM |
| 荧光计比色皿 | sigma | C0918-100EA | 比色皿 |
| 荧光分光光度计 | Photon Technology International, Inc. | fluorimeter | |
| 连二亚硫酸钠技术级,85% | Sigma | 157953-5G | 连二亚硫酸盐 |
| GraphPad Prism 5 软件 | Prism | ||
| Tris 碱 | VWR | JTX171-3 | Tris |
| LIPEX 10 ml 挤出器 | Northern Lipids, Inc. | 挤出器 | |
| Whatman,排水盘,聚乙烯,25 mm | Sigma | 28156-243 | 圆盘支架 |
| Whatman Nuclepore 径迹蚀刻膜,0.4 µm,直径 25 mm | Sigma | WHA110607 | 400 nm 膜 |
| Whatman Nucleopore 径迹蚀刻膜,0.2 µm,直径 25 mm | Sigma | WHA110606 | 200 nm 膜 |
| 磷酸钠 | Sigma | S3264-500G | |
| VWR 培养管,一次性,硼硅酸盐玻璃,13 x 100 mm | VWR Scientific | 47729-572 | 玻璃管 |
| 高氯酸 | Sigma | 30755-500ML | |
| 四水合钼酸铵 | Sigma | A-7302 | 钼酸铵 |
| (+)-L-抗坏血酸钠 | Sigma | A7631-25G | 抗坏血酸钠 |
| Bio-Beads SM2 吸附剂 | Bio Rad | 1523920 | 聚苯乙烯微珠 |
| 2.0 ml 透明微量管 | VWR Scientific | 10011-742 | 复溶管 |
| 复溶玻璃管 | VWR Scientific | 53283-800 | 复溶玻璃管 |
| Zetasizer | Malvern | DLS |
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