本文介绍了利用昆虫细胞与杆状病毒蛋白表达系统大量生产植物分泌蛋白以用于蛋白结晶的实验方案。已使用GP67或昆虫血淋巴素(hemolin)信号肽对杆状病毒表达载体进行改造,以实现植物蛋白在昆虫细胞中的分泌表达。
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本文介绍了利用昆虫细胞与杆状病毒蛋白表达系统大量生产植物分泌蛋白以用于蛋白结晶的实验方案。已使用GP67或昆虫血淋巴素(hemolin)信号肽对杆状病毒表达载体进行改造,以实现植物蛋白在昆虫细胞中的分泌表达。
对于科学家而言,表达用于结构和生化研究的重组分泌型真核蛋白一直是一项挑战。杆状病毒介导的昆虫细胞表达系统是用于表达具有某些翻译后修饰的重组真核分泌蛋白的系统之一。分泌蛋白需要通过分泌途径进行蛋白糖基化、二硫键形成以及其他翻译后修饰。为了改进现有的分泌型植物蛋白的昆虫细胞表达,通过在启动子与多克隆位点之间插入GP67或血啉素(hemolin)信号肽序列,对杆状病毒表达载体进行了改造。这种新设计的改良载体系统成功地高效表达了拟南芥(Arabidopsis thaliana)的可溶性重组分泌植物受体蛋白。其中两种表达的植物蛋白——拟南芥TDR和PRK3质膜受体的胞外结构域——已被结晶,用于X射线晶体学研究。该改良的载体系统是一种改进的工具,未来也有望用于动物界中重组分泌蛋白的表达。
一个研究实验室必须具备生产大量均一重组蛋白的能力,以进行生物化学和生物物理表征,尤其是X射线晶体学研究。目前已有多种成熟的异源表达系统,例如 大肠杆菌酵母、昆虫细胞、哺乳动物细胞、植物细胞 等等。 其中,杆状病毒介导的昆虫细胞表达系统是用于蛋白质结晶、生产大量结构正确折叠的大型重组真核蛋白的最常用技术之一1.
杆状病毒表达系统的表达载体经过改造,含有强效的多角体蛋白或P10启动子,以实现重组胞内蛋白的高产量表达2,3。为了构建重组杆状病毒,将目的基因克隆至含有苜蓿银纹夜蛾多核型杆状病毒(Autographa californica multi-nucleopolyhedrovirus)多角体蛋白(polh)位点的昆虫载体中。随后对所获得的构建体进行测序,并验证其正确的开放阅读框(ORF)。将正确的构建体通过转染过程导入宿主昆虫细胞中,目的基因通过同源重组插入病毒基因组。该过程导致重组病毒基因组的产生,随后复制生成重组芽生病毒颗粒1。
表达系统中最常用的昆虫细胞是Sf9细胞和High Five(Hi5)细胞。Sf9细胞是Sf21的一个克隆分离株,来源于Spodoptera frugiperda的蛹期卵巢细胞;Hi5细胞则是来源于亲本Trichoplusia ni卵巢细胞系TN-368的克隆分离株4,5。共转染、病毒扩增和空斑实验通常在Sf9细胞上进行,而Hi5细胞通常被选用于生产更高产量的重组蛋白6。值得注意的是,由于Hi5细胞容易产生突变病毒,因此不适合用于病毒子代的生成与扩增。传统上,25 - 30 °C的温度范围被认为适合昆虫细胞的培养。然而,已有报道指出,27 - 28 °C是昆虫细胞生长和感染的最适温度7,8。
在基因上游引入强信号序列是实现分泌蛋白高效表达所必需的。该信号序列可有效引导翻译后的重组蛋白进入内质网,从而进行蛋白质分泌以及正确折叠和稳定所必需的翻译后修饰3。已有研究选用多种信号肽序列,如杆状病毒包膜蛋白GP64/67、蜜蜂蜂毒肽(melittin)等,以促进杆状病毒介导表达系统中分泌型重组蛋白的表达3。研究表明,与使用目的基因自身固有的信号肽相比,引入GP67信号肽可提高分泌型重组蛋白的表达产量9。Hemolin是巨大蚕蛾Hyalophora cecropia在细菌感染后诱导产生的血淋巴蛋白10。由于其诱导表达水平相对较高,该基因的信号肽序列可用于介导重组蛋白在杆状病毒-昆虫细胞系统中的分泌表达。
A. thaliana 的导管分子分化抑制因子受体(TDR)和花粉受体激酶3(PRK3)均属于植物富含亮氨酸重复序列的类受体激酶(LRR-RLK)蛋白家族11,12。为了研究该类植物受体蛋白的结构与功能,并促进其他植物分泌蛋白的结构与生化表征,已有研究对杆状病毒-昆虫细胞表达系统进行了改造,以提高目标蛋白的质量和产量。TDR和PRK3的胞外结构域已成功利用两种改良的表达载体在杆状病毒-昆虫细胞表达系统中得以表达。TDR和PRK3蛋白的胞外结构域均获得了晶体。本文报道了通过在启动子与多克隆位点之间引入GP67或血清素(hemolin)信号序列的两种改良杆状病毒表达载体,实现大量重组植物分泌蛋白的表达与纯化。
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注意:采用带有修饰表达载体的昆虫细胞/杆状病毒系统,用于分泌性植物蛋白的表达与结晶。
1. 利用GP67信号肽修饰杆状病毒表达载体以实现植物蛋白分泌表达
2. 利用昆虫Hemolin信号肽修饰杆状病毒表达载体以实现植物蛋白的分泌表达
3. 含重组蛋白表达盒的杆状病毒构建体的制备与扩增
4. 蛋白质表达、NiNTA 纯化及结晶
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如图1所示,使用两种改造后的pFastBac1杆状病毒表达载体,分别携带GP67或血素蛋白(hemolin)信号序列,以替代目的基因固有的信号序列,从而表达分泌型蛋白。病毒GP67基因和昆虫血素蛋白(hemolin)基因已被证实可在细胞中实现高效的分泌表达。融合这两种信号序列之一的融合蛋白,预期其分泌表达水平将显著提高。这两种改造载体中设计了相同的多克隆位点(MCS)。在MCS的最5'端特意引入了NotI酶切位点,因为NotI具有八核苷酸识别序列,而大多数其他限制性酶切位点通常为六核苷酸序列。因此,与大多数其他限制性酶切位点相比,NotI位点在目的基因中出现的概率更低,从而使得对大多数目的基因进行限制性酶切和克隆操作更为可行。将目的基因克隆至NotI与下游某一限制性酶切位点之间时,仅会在目的基因上游引入三个氨基酸残基GGR。
pBac1-GP67 和 pBac1-Hem 已成功用于分别表达 <...
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鉴于生物系统中数千种蛋白质在大小和稳定性方面存在多样性,研究实验室通常需要凭经验决定选择哪种异源表达系统来表达特定蛋白质。E. coli 表达系统由于细菌生命周期短、培养基成本低以及易于放大生产,常常是蛋白质表达的首选19。然而,在表达分子量超过 60 kDa 的大型真核蛋白时,使用 E. coli 系统常常会导致蛋白质在包涵体中形成不溶性沉淀或发生聚集20。对于这类难表达蛋白以及其他分泌型蛋白的表达,杆状病毒-昆虫细胞表达系统可能比 E. coli 系统更具优势。特别是在表达分泌型真核蛋白时,这种改良的杆状病毒-昆虫细胞表达系统可能是更优的选择。
许多分泌型真核生物蛋白,包括植物分泌蛋白,在蛋白质折叠和分泌过程中需要复杂的糖基化、二硫键形成以及其他翻译后修饰21。E. coli系统缺乏加工许多真核蛋白所需复杂修饰的细胞机制22
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了北卡罗来纳州立大学为 Guozhou Xu 提供的新进教师启动资金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 摇床培养箱 | VWR | 型号 Excella E25 | 27 oC |
| 培养箱 | VWR | 型号 2005 | 27 oC |
| 离心机 | BECKMAN | 型号 J-6 | 配有摆桶转子 |
| Herculase II Fusion DNA 聚合酶 | Agilent | 600677-51 | 用于 DNA 的 PCR 扩增 |
| PCR 仪 | BIO-RAD | 型号 C1000 Touch | 用于 DNA 的 PCR 扩增 |
| 摇床培养箱 | New Brunswick Scientific | 型号 I 24 | 用于细菌培养 |
| 定制 DNA 合成 | GENSCRIPT | ||
| BamHI (HF) | New England Biolabs | R3136S | 限制性内切酶 |
| BglII | New England Biolabs | R0144S | 限制性内切酶 |
| NotI (HF) | New England Biolabs | R3189S | 限制性内切酶 |
| XhoI | New England Biolabs | R0146S | 限制性内切酶 |
| T4 DNA 连接酶 | New England Biolabs | M0202T | DNA 连接 |
| QIAquick 凝胶回收试剂盒 | Qiagen | 28704 | 从琼脂糖凝胶中纯化 DNA |
| QIAprep Spin 质粒小提试剂盒 | Qiagen | 27104 | 从细菌培养物中纯化质粒 DNA |
| 琼脂糖 | Thermo Fisher Scientific | 15510-019 | 用于 DNA 凝胶电泳 |
| MAX Efficiency DH5α 感受态细胞 | Invitrogen | 18-258-012 | 用于 DNA 连接产物的转化 |
| Lennox L LB 肉汤 | Research Product International Corp. | L24066-5000.0 | 用于制备细菌培养物 |
| 氨苄青霉素钠盐 | Thermo Fisher Scientific | 11593-019 | 抗生素 |
| 卡那霉素硫酸盐 | Thermo Fisher Scientific | 15160-054 | 抗生素 |
| 四环素 | Thermo Fisher Scientific | 64-75-5 | 抗生素 |
| 庆大霉素 | Thermo Fisher Scientific | 15710-064 | 抗生素 |
| MAX Efficiency DH10Bac 感受态细胞 | Thermo Fisher Scientific | 10361-012 | 用于制备杆状病毒 DNA(bacmid) |
| S.O.C. 培养基 | Thermo Fisher Scientific | 15544-034 | 用于 DNA 转化 |
| CellFECTIN II 转染试剂 | Thermo Fisher Scientific | 10362-101 | 昆虫细胞转染试剂 |
| Bac-to-Bac 表达系统 | Thermo Fisher Scientific | 10359-016 | 杆状病毒-昆虫细胞表达试剂盒 |
| Bluo-gal | Thermo Fisher Scientific | 15519-028 | 用于重组杆状病毒 DNA(bacmid)的筛选 |
| IPTG | Thermo Fisher Scientific | 15529-019 | 用于重组杆状病毒 DNA(bacmid)的筛选 |
| pFastBac1 | Thermo Fisher Scientific | 10360014 | 杆状病毒表达载体 |
| Sf9 细胞 | Thermo Fisher Scientific | 11496015 | Sf9 单层细胞 |
| Hi5 细胞 | Thermo Fisher Scientific | B85502 | High Five 昆虫细胞 |
| Grace’s 昆虫培养基(未添加补充物) | Thermo Fisher Scientific | 11595030 | Sf9 细胞转染基础培养基 |
| Grace’s 昆虫培养基(添加补充物) | Thermo Fisher Scientific | 11605102 | Sf9 单层细胞培养完全培养基 |
| Sf-900 II SFM | Thermo Fisher Scientific | 10902104 | 不含胎牛血清(FBS)的 Sf9 悬浮细胞培养基 |
| Express Five SFM | Thermo Fisher Scientific | 10486025 | Hi5 细胞培养基 |
| 青霉素-链霉素 | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | 100 ml (10,000 I.U./ml) |
| L-谷氨酰胺(200 mM) | Thermo Fisher Scientific | 25030081 | 100 ml |
| 经认证的胎牛血清(FBS) | Thermo Fisher Scientific | 16000-044 | 500 ml |
| 6 孔板 | Thermo Fisher Scientific | 08-772-1B | 平底 |
| 150 mm 培养皿 | Thermo Fisher Scientific | 353025 | 每箱 100 个 |
| 1.5 ml 微量离心管 | USA Scientific | 1415-2500 | 每袋 500 支 |
| 15 ml 带螺帽的锥形离心管 | USA Scientific | 1475-0511 | 每袋 25 支 |
| 50 ml 带螺帽的锥形离心管 | USA Scientific | 1500-1211 | 每袋 25 支 |
| Ni-NTA Superflow | Qiagen | 30430 | NiNTA 树脂 |
| pH 指示试纸 | EMD Millipore Corporation | 1.09535.0001 | pH 0 - 14 |
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