本文介绍了一种利用核磁共振波谱法(NMR)鉴定内在无序蛋白多位点磷酸化的方法,并以Tau蛋白为例进行说明。重组Tau蛋白经同位素标记并修饰 体外 在数据采集和分析之前由激酶进行磷酸化。
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本文介绍了一种利用核磁共振波谱法(NMR)鉴定内在无序蛋白多位点磷酸化的方法,并以Tau蛋白为例进行说明。重组Tau蛋白经同位素标记并修饰 体外 在数据采集和分析之前由激酶进行磷酸化。
阿尔茨海默病患者神经元内存在 Tau 蛋白的聚集物。该疾病的发展伴随着 Tau 蛋白异常磷酸化的增加。在对 Tau 蛋白在疾病中功能与功能障碍的分子研究过程中,核磁共振(NMR)波谱技术被用于鉴定 Tau 蛋白的多种磷酸化修饰。本文提供了在细菌中重组表达 Tau 蛋白并进行同位素标记以用于 NMR 研究的详细方案。描述了利用 Tau 蛋白耐热性高和等电点高的特性进行纯化的步骤。体外使用重组活化 ERK2 激酶对 Tau 蛋白进行磷酸化的方案可实现多重磷酸化修饰的生成。经过上述步骤后,蛋白样品即可用于数据采集。接下来讨论了在波谱仪上启动信号记录的参数设置。最后,阐述了基于 NMR 数据鉴定修饰后 Tau 蛋白磷酸化位点的策略。本文还讨论了该方法相较于其他鉴定磷酸化位点技术(如免疫检测或质谱分析(MS))的优势。
21世纪医疗保健的主要挑战之一st 21世纪最主要的神经退行性疾病之一是阿尔茨海默病(AD)。Tau是一种微管相关蛋白,可促进微管(MT)的形成。Tau同样参与多种被称为tau蛋白病的神经退行性疾病,其中最广为人知的是AD。在这些疾病中,Tau蛋白会自聚集形成成对的螺旋丝(PHFs),并经由磷酸化等翻译后修饰(PTMs)在多个残基上发生修饰。1Tau蛋白的磷酸化既参与调控其稳定微管的生理功能,也与阿尔茨海默病神经元中该功能的病理性丧失有关。
此外,Tau蛋白在病变神经元中整合到成对螺旋纤维(PHFs)时, invariably 处于过度磷酸化状态2。与含有2-3个磷酸基团的正常Tau蛋白不同,PHFs中的过度磷酸化Tau蛋白含有5至9个磷酸基团3。Tau蛋白的过度磷酸化既表现为某些位点磷酸化化学计量比的增加,也表现为额外位点的磷酸化,这些额外位点被称为病理磷酸化位点。然而,尽管磷酸化水平存在定量差异,阿尔茨海默病(AD)与正常成人Tau蛋白的磷酸化模式之间仍存在部分重叠4。特定的磷酸化事件如何影响Tau蛋白的功能与功能障碍,目前仍 largely 不清楚。我们的目标是在分子水平上解析PTMs对Tau蛋白的调控机制。
为了深入理解 Tau 蛋白的分子特性,我们必须应对若干技术挑战。首先,Tau 在溶液中是一种内在无序蛋白(IDP),这类蛋白在生理条件下缺乏明确的三维结构,需要特殊的生物物理方法来研究其功能和结构特性。Tau 是日益受到关注的 IDP 类蛋白的典型代表,这类蛋白常与神经退行性疾病等病理过程相关,因而促使人们更加关注揭示其功能背后的分子参数。其次,Tau 磷酸化的表征面临分析上的挑战,其最长的 441 个氨基酸 Tau 亚型序列上存在多达 80 个潜在的磷酸化位点。目前已开发出多种针对 Tau 磷酸化表位的抗体,用于在神经元或脑组织中检测病理状态下的 Tau 蛋白。磷酸化事件可发生在至少 20 个由脯氨酸导向激酶作用的位点上,其中大多数位点位于富含脯氨酸区域的邻近位置。即使采用最新的质谱技术,对这些位点的定性(哪些位点?)和定量(磷酸化程度如何?)表征仍然十分困难5。
核磁共振波谱可用于研究构象无序的蛋白质,这类蛋白质是高度动态的体系,由多种构象体集合构成。高分辨率核磁共振波谱被用于研究Tau蛋白的结构与功能。此外,Tau蛋白磷酸化谱的复杂性促使研究人员开发了分子工具,并利用核磁共振技术建立了新的分析方法,以鉴定其磷酸化位点6-8核磁共振(NMR)作为一种分析方法,能够全局性地鉴定Tau蛋白的磷酸化位点,在单次实验中可视化所有单一位点的修饰,并定量磷酸基团的掺入程度。这一点至关重要,因为尽管文献中关于Tau蛋白磷酸化的研究众多,但大多数研究依赖抗体进行检测,导致对磷酸化整体谱型仍存在较大不确定性,从而难以准确评估各个磷酸化事件的真实影响。可制备具有Tau磷酸化活性的重组激酶,包括蛋白激酶A(PKA)、糖原合酶激酶3β(Gsk3β)、周期蛋白依赖性激酶2/周期蛋白A(CDK2/CycA)、周期蛋白依赖性激酶5(CDK5)/p25激活蛋白、细胞外信号调节激酶2(ERK2)以及微管亲和性调节激酶(MARK),并使其保持活性状态。此外,通过构建特定的Tau突变体,可生成具有明确磷酸化模式的Tau蛋白亚型,以解析Tau蛋白的磷酸化编码机制。随后利用核磁共振波谱技术对酶促修饰后的Tau样品进行表征。6-8。尽管 体外 Tau蛋白的磷酸化比通过将特定丝氨酸/苏氨酸突变为谷氨酸(Glu)残基来模拟磷酸化的伪磷酸化方法更具挑战性,但该方法仍有其优势。事实上,谷氨酸并不能始终准确模拟磷酸化对蛋白结构的影响及其相互作用参数。例如,在磷酸化丝氨酸202(pSer202)和磷酸化苏氨酸205(pThr205)周围观察到的转角结构模体,就无法通过谷氨酸突变重现。9.
此处首先介绍用于核磁共振(NMR)研究的同位素标记Tau蛋白的制备方法。由ERK2磷酸化的Tau蛋白在多个被描述为病理磷酸化位点的位置发生修饰,因此可作为高磷酸化Tau蛋白的一个重要研究模型。以下为Tau蛋白的详细实验方案 体外 由重组ERK2激酶介导的磷酸化作用。ERK2通过丝裂原活化蛋白激酶/ERK激酶(MEK)的磷酸化作用而被激活。10-12除了修饰的同位素标记Tau蛋白的制备外,还描述了用于鉴定翻译后修饰的核磁共振策略。
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1. 15N、13C标记Tau蛋白的制备(图1)
2. 15N、13C标记Tau蛋白的纯化(图2)
3. 体外 磷酸化 15N-Tau
4. 核磁共振谱图的采集(图5)
5. 磷酸化位点的鉴定
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图 3A 显示在洗脱梯度过程中于 280 nm 处观察到一个主要的吸收峰。该峰对应于色谱图上方聚丙烯酰胺凝胶中所见的纯化 Tau 蛋白。图 3B 显示在 280 nm 处出现一个分离良好的吸收峰以及电导率峰,表明蛋白脱盐效果良好。图 4 显示通过 SDS-PAGE 分析观察到的蛋白迁移率变化16,这是多种蛋白磷酸化的特征(比较泳道 2 和 3)。图 6 显示一系列质子(1H)一维谱图,脉冲长度逐渐增加(单位为 µsec)。为了确定使 1H 自旋磁化矢量旋转 90° 的脉冲长度,实际操作中通常使用对应于 360° 旋转的脉冲,因为通过最小化信号更容易进行校准。当 360° 脉冲长度被准确设定时,水的质子信号将被完全抑制。将对应于 360° 旋转的数值除以 4 即可得到目标脉冲长度。本实验中 p1 为 10.5 µsec。放大区域:利用残余信号的频率来确定 o1p 参数(1H 的频率偏移量)。图 7A 显示自由感应衰减(FID)...
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我们已采用核磁共振(NMR)波谱技术对经酶学修饰的Tau蛋白样品进行表征。本文所述全长人源Tau蛋白的重组表达与纯化方法,同样可用于制备突变型Tau蛋白或Tau蛋白结构域。NMR波谱分析需要使用同位素标记的蛋白质,因此必须通过重组表达实现。磷酸化位点的鉴定需要完成共振峰归属,并使用15N和13C双标记的蛋白质。鉴于同位素试剂成本较高,重组表达步骤中需要获得较高的蛋白产量。在M9培养基中,葡萄糖是细菌生长的限制性因素,因此可将13C6-葡萄糖的添加量提高至每升培养基4克,以提高产量。添加完全培养基和MEM维生素并非必需,但有助于促进细菌生长并提高产量。考虑到完全标记培养基价格昂贵,该产品仅用作培养基的补充成分。M9培养基中细菌生长较慢,通常情况下,添加3%完全培养基的M9培养体系在约4小时的培养后达到诱导时间。培养结束时通常可达到OD600为1.6–1.8。每升细菌培养物中重组Tau蛋白的预期产量约为15 mg。使用可编程培养箱可方便地安排蛋白质生产流程,使细菌沉淀的收集及蛋白质生产的分析检测可在正常工作时间内完成。
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作者无任何利益冲突需要披露。
核磁共振设施由法国北部大区、法国国家科学研究中心(CNRS)、里尔巴斯德研究所、欧洲共同体(FEDER)、法国研究部以及里尔科学与技术大学资助。我们感谢法国TGE RMN THC(FR-3050,法国)、FRABio(FR 3688,法国)以及里尔核磁共振和电子顺磁共振在健康与生物学领域的核心设施提供的支持。本研究获得LabEx(卓越实验室)DISTALZ(阿尔茨海默病多学科创新策略研究)、欧盟ITN TASPPI和法国国家研究署(ANR)BinAlz项目基金的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| pET15B 重组 T7 表达质粒 | Novagen | 69257 | -20℃保存 °C |
| BL21(DE3) 感受态细胞转化 E. coli 细菌 | 新英格兰生物实验室 | C2527I | -80 保存 °C |
| 高压灭菌的LB肉汤,Lennox | DIFCO | 240210 | 细菌培养基 |
| MEM维生素混合液(100倍浓缩) | Sigma | 58970C | 细菌培养基添加剂 |
| 15N, 13C-ISOGRO 完全培养基粉末 | Sigma | 608297 | 细菌培养基添加剂 |
| 15NH4Cl | Sigma | 299251 | 同位素 |
| 13C6葡萄糖 | Sigma | 389374 | 同位素 |
| 蛋白酶抑制剂片剂 | 罗氏 | 5056489001 | 4℃保存 °C |
| 1片溶于1 ml即为40倍浓缩液,可保存于-20℃ °C | |||
| DNaseI | EUROMEDEX | 1307 | -20℃保存 °C |
| 均质机(EmulsiFlex-C3) | AVESTIN | 裂解在4℃下进行 °C | |
| 皮尔斯™ 未染色蛋白质分子量标准品 | 皮尔斯 | 266109 | |
| 活性人源MEK1激酶,GST标签 | Sigma | M8822 | -80 保存 °C |
| AKTÄ 纯化色谱系统 | GE Healthcare | FPLC | |
| HiTrap SP Sepharose FF(5 ml 柱) | GE Healthcare | 17-5156-01 | 阳离子交换层析柱 |
| HiPrep 26/10 脱盐柱 | GE Healthcare | 17-5087-01 | 蛋白质脱盐柱 |
| PD MidiTrap G-25 | GE Healthcare | 28-9180-08 | 蛋白质脱盐柱 |
| Tris D11, 97% D | Cortecnet | CD4035P5 | 氘代核磁共振缓冲液 |
| 5 mm 对称微管 SHIGEMI D2O(内圈,5个装) &和外管) | Euriso-top | BMS-005B | 核磁共振Shigemi管 |
| eVol 套件——电子注射器入门套件 | Cortecnet | 2910000 | 移液 |
| 布鲁克900 MHz AvanceIII,配备三共振低温探头 | 布鲁克 | 用于数据采集的核磁共振波谱仪 | |
| 布鲁克600 MHz Avance核磁共振波谱仪,配备三共振低温探头 | 布鲁克 | 用于数据采集的核磁共振波谱仪 | |
| TopSpin 3.1 | 布鲁克 | 核磁共振实验的数据采集与处理软件 | |
| Sparky 3.114 | 加州大学旧金山分校(T. D. Goddard 和 D. G. Kneller) | 核磁共振数据分析软件 |
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