一个简化的协议, 以执行广泛的生物化学和结构表征的碳水化合物基质结合蛋白从肺炎链球菌。
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一个简化的协议, 以执行广泛的生物化学和结构表征的碳水化合物基质结合蛋白从肺炎链球菌。
为防止多重耐药性菌株的迅速增加, 必须研制新的抗菌素和疫苗, 以防止肺炎链球菌的。碳水化合物基质结合蛋白 (SBPs) 是发展蛋白质疫苗和新抗菌素的可行目标, 因为它们的胞外定位和对肺炎球菌代谢的碳水化合物进口的中心地位,分别.这里描述的是一个合理化的综合协议, 对 SP0092 进行全面的表征, 可以扩展到其他碳水化合物 SBPs 从肺炎球菌和其他细菌。这一过程可以帮助结构设计这类蛋白质的抑制剂。本文的第一部分介绍了热位移法、多角度光散射 (加工) 和尺寸排斥色谱 (SEC) 的生化分析协议, 该方法优化了样品的稳定性和均匀性, 以结晶试验, 从而提高了成功的几率。本程序的第二部分描述了使用可调谐波长的反常衍射同步光束, 以及可用于解析结晶蛋白的数据的数据收集协议。结构.
S. 肺炎球菌) 是一种 gram-positive 细菌, 居住在人类呼吸道上部的症状, 能够迁移到正常的无菌龛位, 导致中耳炎、肺炎、败血症、败血症和脑膜炎1,2。此外, 肺炎球菌感染是导致社区获得性肺炎的主要原因, 它在全球范围内造成了临床和经济负担3,4。抗生素耐药性菌株的S. 肺炎病毒已遍布全球, 虽然七价和十三价的肺炎球菌蛋白共轭疫苗有助于降低抗菌素耐药性率, 取代菌株疫苗的使用已经出现, 并导致对肺炎球菌病新治疗方法的研究的需求增加5,6,7,8。
肺炎球菌依赖于从主机输入的糖类作为碳源9,10;事实上, 它致力于30% 的进口机械的运输32种不同的碳水化合物11,12,13。这些进口商包括至少八 ABC 运输商13。在 ABC 转运器中, 胞外 SBPs 在确定配体特异性方面起着根本性的作用, 并将其呈递给细胞膜上的整体载体以供细胞吸收。SBPs 代表了新疫苗和抗菌素设计的有效目标, 因为它们是表面蛋白及其在细胞过程中的重要作用。
靶蛋白的表征和结构特征的详细描述, 如配体袋和域的灵活性, 为结构药物设计提供了一个有用的工具14,15。x-射线结晶学是选择的方法为蛋白质的结构描述在接近原子决议, 但结晶过程是不可预知的, 费时, 并且不总成功。系统的方法提高了成功率, 重要的因素是样品的质量和稳定性。结晶的成功率受蛋白质化学性质和样品制备方法的影响。它们的作用可以通过生物化学特性16,17进行评估和通知。
一个进一步复杂化为结构设计是晶体阶段问题, 必须解决。随着更多的蛋白质结构变得可用, 许多结构可以通过分子置换的方法来解决, 这需要一个同源结构18。由于 SBPs 提出了一个灵活的领域结构, 分子置换也可能证明挑战19。如果一个结构模型是足够相似的目标蛋白是不可用的, 一些技术可以用来获得实验阶段的20。其中, 单波长反常色散 (SAD) 方法已成为主要技术, 已被广泛用于解决21的相位问题。使用 SAD 方法进一步改进了硬件和软件, 以及数据收集策略, 以便能够检测和使用微弱的异常信号, 以便逐步进行22,23, 24. 此外, 直接解决大分子结构的方法的进展, 这在过去需要衍射数据的原子分辨率, 现在可以利用结合, 例如, 立体知识, 在程序中实施ARCIMOLDO25。泰勒26给出了在晶体学中解决相位问题的方法的一个有用的综述。
在这里, 我们提出了一个合理化的协议的表征碳水化合物运输收缩, SP0092 的S. 肺炎, 集成生化和结构技术 (图 1)。这一 step-by 的协议提供了一个有用的例子测试的策略, 以提高结构研究的成功率, SBPs 一般, 这是在所有王国生活中发现。特别是, 该协议强调了在快速有效的方法中确定蛋白质在溶液中最稳定的聚状态的重要性, 并允许对最佳品种进行结晶实验的鉴定。虽然在蛋白质数据库27中报告了超过500个结构化的收缩组织, 但是分子置换可能具有挑战性, 这是由于两个α/β域的固有弹性性质, 它们由铰链区域19连接。因此, 该协议的第二部分描述了使用 sad 的方法逐步从束缚金属离子, 这是常见的 SBPs, 以及纳入硒和使用硒 (Se) 在 SAD 分期。
注意: 信号肽被删除的编码序列在标准的融合协议后的 pOPINF 向量中被克隆; 本机蛋白在大肠杆菌中被表达为他的标记融合 大肠埃希氏大肠杆菌 BL21 罗塞塔细胞 28 , 29 . 硒标记的变体按照制造商 30 的标准方法表示。重组的收缩蛋白被纯化为先前描述的 31 , 32 。
1. 生化特性
2。蛋白质制备与结晶
这一综合协议已被证明是成功的四 (两个出版和两个未发表的结构) 的六碳水化合物结合蛋白目标从肺炎球菌分析到日期32,53。在本节中, 我们介绍了 SP0092 的生物化学和结构特征, 作为指导 SBPs 结构研究的典型结果。
在 SP0092 已被表达和纯化为先前定义的32后, 用热漂移法分析了纯化蛋白的缓冲稳定性: SP0092 在 pH 值6.5 和氯化钠的存在下, 在 0-0.2 m 中呈现增加的 Tm浓度范围 (图 3A)。因此, 以下步骤的缓冲解决方案被定义为: 0.02 m MES pH 6.5、0.2 m 氯化钠、2.5% (v/v) 甘油、0.5 mM TCEP。SP0092 的不同齐聚态的绝对摩尔质量是由加工耦合到 SEC 测量187.2、140.8、97.0 和 49.4 kDa 的分子量, 分别对应于 tetrameric、三、二和单体物种 (图 3B)。对不同蛋白稀释的 SEC 剖面的分析表明, 齐聚物是由增加的蛋白质浓度引发的, 这表明更大的寡聚物在较高的浓度下比通常使用的更稳定。结晶.事实上, 被纯化的较大的聚物种的结晶试验, 成功地产生了蛋白质晶体, 而单体物种没有。
用 X 射线衍射法表征了 SP0092 的天然和硒-蛋氨酸标记形式的优化晶体。这些晶体中的 X 射线荧光的测量结果显示, 在两种情况下, 锌与蛋白质结合的发射峰, 而硒只被发现的硒-蛋氨酸晶体的预期。随后, 在硒和锌边缘进行 x 射线吸收扫描, 提供了直接的实验数据, 将入射 x 射线波长调整到晶体中锌或硒的各自 x 射线吸收边缘, 使异常信号达到最大。可从结果数据中获得 (图 4A-B)。
在低传输测量三衍射模式后, 利用埃德娜 (图 4C) 所建议的数据收集策略获得了一个完整的异常数据集。异常信号的出现触发自动分阶段管道在光束, 以确定结构, 并根据最初的实验阶段得出, 产生初始地图和模型, 然后可以提炼和验证 (图4D).
总之, 技术的潜在缺陷主要集中在晶体的可用性和质量上。优化的缓冲条件, 以提高蛋白质的稳定性, 以及确定最合适的聚状态的蛋白质使用, 当多个齐聚物被确定在溶液中, 可以减少失效的风险在结晶阶段.利用早期发现的束缚金属离子, 可以加快结构的解决, 避免在分子置换方法失败时不必要的硒标记蛋白的产生。

图1。碳水化合物 SBPs 的生物化学和结构表征工作流程图.请单击此处查看此图的较大版本.

图2。GDA 中的晶体特性.(A) GDA 光束控制软件的 X 射线荧光控制标签的屏幕截图。(B) GDA 中 X 射线能量边缘扫描控制卡的屏幕截图。(C) GDA 中的数据收集水晶筛选选项卡的屏幕快照。请单击此处查看此图的较大版本.

图3。SP0092 的生物化学特性39-491.(A) 3 维曲面图, 它将 SP009239-491的熔化温度绘制为缓冲液的 pH 和氯化钠浓度的函数。(B) SEC 和加工结果为 SP009239-491。在 280 nm 的吸收以蓝色显示。不同齐聚状态的摩尔质量以红色显示。面板 (B) 已从32中修改。请单击此处查看此图的较大版本.

图4。SP009239-491的结构特征.(A) 和 (B) X 射线吸收能量扫描在 SP009239-491晶体的锌和硒边缘。从含锌和硒的晶体中测定的荧光值分别显示为蓝色和青色, 计算出的 f "和 f" 异常散射分数为绿色和红色。(C) 从 SP009239-491晶体中收集的 X 射线衍射图案的示例。(D) SP009239-491二聚体结构的卡通表示。一个 protomer 是有色白色和其他洋红色 (残余 39-366) 和紫罗兰 (残余 367-491), 和反常的散射原子分别显示为蓝色和青色球锌和硒。请单击此处查看此图的较大版本.
| 0.1 M 柠檬酸 pH 值4。0 | 0.1 M 柠檬酸 pH 值4。5 | 0.1 米磷酸酯 pH 值5。0 | 0.1 米柠檬酸盐 pH 值5。5 | 0.1 M 双三酸6 | 0.1 M ADA pH 6。5 | 0.1 M 拖把 pH 7 | 0.1 M HEPES pH 7。5 | 0.1 M 咪唑 pH 值8。0 | 0.1 M 三 pH 8。5 | 0.1 M 棋 pH 9 | 0.1 M 棋 pH 9。5 | |
| 氯化钠 0 M | 40μ l | 40μ l | 40μ l | 40μ l | 40μ l | 40μ l | 40μ l | 40μ l | 40μ l |
表1。热位移测定的缓冲成分。
在本文中, 我们描述和验证一个综合协议的生物化学和结构表征的碳水化合物 SBPs, 特别强调蛋白质从S. 肺炎链球菌。然而, 这可以作为一个标准的程序来分析其他 SBPs 从不同的有机体, 甚至其他无关的可溶性蛋白质。
该协议的第一部分着重于提供蛋白质稳定性和第四纪结构的生物化学信息, 可用于制备蛋白质样品进行结晶。在热转移分析部分, 我们只描述 pH 和氯化钠浓度的变化, 以保持这个过程的一般性质。尽管如此, 许多其他的缓冲条件可以用类似的方法进行测试, 例如, 包括任何用作稳定添加剂的化合物: 特别是与特定的收缩压结合的实际配体, 在增加 Tm数摄氏度31。在某些情况下, 由于低信号或高荧光背景而导致的变性曲线的定义很差, 这是由蛋白质聚集或部分展开引起的。为了避免这种变化, 一种蛋白质: 可以进行染料滴定来优化不清楚的变性曲线。如果没有得到改善, 筛选各种添加剂, 可以改善蛋白质的稳定性是建议, 和合适的屏幕已经被描述为54。
通常, 大多数 SBPs 是单体在他们的自然环境, 但如图所示, multimerization 可以发生在较高浓度使用的结晶实验, 从而由加工和 SEC 提供的齐聚行为表征重要的是要评估最有利稳定的单分散齐聚状态的结晶。然而, 很难预测在结晶条件中所含的不同化学物质对蛋白质齐聚行为的影响。如果 SEC 和加工检查显示了蛋白质样本的广泛聚集, 我们将建议以下的方法来减少发生这种情况的可能性: 使用新鲜的蛋白质样本 (不冻融) 和扩大热稳定性分析转移化验, 测试可能的添加剂和温和的洗涤剂作为最后的资源, 以尽量减少聚合。本文提出了利用高通量稀疏矩阵商业结晶筛选的基本准则, 以保持该协议的一般性质。然而, 获得高分辨率 X 射线衍射蛋白晶体可能需要迭代微调, 以优化结晶条件的沉淀浓度, pH 值, 添加化学添加剂, 不同的温度,其他影响晶体下落与储层平衡动力学的因素16,17。
该协议的第二部分描述了蛋白质晶体的表征, 以确定 X 射线衍射数据收集的最佳策略, 并特别着重于采集异常数据进行 SAD 分期。即使 SBPs 保持一个类似的一般架构 (有许多沉积的3D 结构可能是可用的作为启动模型), 这些蛋白质的分期的分子置换方法并不总是直接的, 因为变化的二级结构元素和这些蛋白质的内在灵活性。因此, 我们提出可悲的方法, 并强调, 这些蛋白质可能已经有内在的约束金属或事实上的非特异的结合金属从结晶缓冲条件, 这可以提供一系列反常的衍射元素作为我们的常规协议中的标准步骤。
最后, 本协议定义了一个标准的指导工作流程, 以便能够详细描述 SBPs 的生物化学和结构特征, 以提高结构确定成功率, 并加快一般 SBPs 的结构特征。
作者没有什么可透露的。
我们承认 OPPF-英国在克隆技术方面的帮助, 哈里斯为 SEC 购物中心和光束 I03 和 I04 在钻石光源的科学家。
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