本文介绍了高效分离具有生理活性的类囊体以及用于叶绿体双精氨酸转运(cpTat)、分泌(cpSec1)和信号识别颗粒(cpSRP)途径的蛋白质转运实验方法。
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本文介绍了高效分离具有生理活性的类囊体以及用于叶绿体双精氨酸转运(cpTat)、分泌(cpSec1)和信号识别颗粒(cpSRP)途径的蛋白质转运实验方法。
叶绿体是绿色植物中负责执行多种重要代谢途径的细胞器,其中最显著的是光合作用。在叶绿体内,类囊体膜系统包含了所有的光合色素、反应中心复合物以及大部分电子传递体,并负责依赖光的ATP合成。超过90%的叶绿体蛋白由细胞核基因编码,在细胞质中翻译后被导入叶绿体。进一步将蛋白质转运至或穿越类囊体膜则依赖于四种转运途径之一。本文介绍了一种从豌豆(Pisum sativum)中高效分离具有转运能力的类囊体的方法,并结合了通过三种依赖能量的cpTat、cpSec1和cpSRP介导途径的转运实验。这些方法可用于研究类囊体蛋白的定位、转运能量学以及蛋白质穿越生物膜的转运机制。
几乎所有负责叶绿体正常功能的蛋白质机器都必须从细胞质中转运而来1。在叶绿体被膜上,蛋白质底物通过外膜转运子(TOC)和内膜转运子(TIC)被导入2。进一步向类囊体膜和腔的靶向运输则通过双精氨酸转运途径(cpTat)3、分泌途径(cpSec1)4、信号识别颗粒途径(cpSRP)5以及自发插入途径完成6。为了测量转运事件的能量学和动力学,理解各途径中多样的转运机制,并将特定的蛋白质底物定位到叶绿体六个不同区室中的任意一个,必须采用一种能够高效分离生理活性叶绿体和类囊体膜的方法。
从叶绿体中分离膜组分可对影响运输热力学和动力学测定的环境因素(如盐浓度、底物浓度、ATP/GTP的存在以及pH条件)实现更佳的实验控制。 体外 环境也因相同的原因适用于研究易位的机制细节。此外,尽管用于预测叶绿体蛋白定位的软件已得到改进7,8, 体外 转运实验相较于基于显微镜的荧光检测方法更为快速,后者需要基因编码的荧光标签、植物转化和/或特异性抗体。本文介绍了从豌豆中分离叶绿体和类囊体的实验方案。Pisum sativum以及针对每种依赖能量的类囊体转运途径优化的运输实验。
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1. 初始材料
2. 叶绿体的分离与定量
注意:制备类囊体的第一步是分离完整的叶绿体10。所有材料在制备过程中应保持低温。重悬叶绿体时应轻柔操作,因为此步骤中叶绿体的破裂会严重降低后续类囊体的得率。
3. 类囊体的分离
注意:类囊体通过低渗裂解完整的叶绿体来制备。该过程通过将叶绿体暴露于不含山梨醇的低渗缓冲液中实现。分离的类囊体可用于检测任何一种转运途径,但如果需要研究cpSec1或cpSRP途径,则必须在此制备过程中同时分离基质提取物(SE)。
4. 间质提取物的回收与浓缩
5. 通过 cpTat 途径的转运
注意:与cpSec1或cpSRP不同,cpTat途径不需要可溶性组分或外源添加的能量来源;仅需光驱动的质子动力势3。因此,该检测仅需分离的类囊体和底物蛋白。典型的底物是放氧复合物的17 kDa(如图1所示)和23 kDa亚基的中间形式,分别为iOE17和iOE23,但前体形式prOE17和prOE23也可成功转运。前体形式含有完整的双相N端靶向序列,而中间形式仅含有类囊体靶向序列。
6. 通过 cpSec1 途径的转运
注意:通过cpSec1易位子的转运需要基质蛋白cpSecA112,13,该蛋白可通过在E. coli14,15中过表达获得,或在类囊体分离过程中通过浓缩基质回收。典型的底物是放氧复合体的33 kDa亚基(prOE33),如图2所示。
7. 通过cpSRP途径的插入
注意:图3 中所示的由cpSRP介导的光捕获复合体蛋白(LHCP)整合过程需要cpSRP54、cpSRP43和cpFtsY16。这些组分通过浓缩的基质提取物提供,具体方法如cpSec1转运实验方案所述。
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为了评估成功转运的底物量,建议设置一个或多个“百分比上样量”泳道。下图数据中使用了不含类囊体的最终转运反应液的10%作为上样量。“百分比上样量”还有助于观察前体底物的大小。该百分比代表已知且定义明确的底物上样量,可用于与实际转运的底物进行比较,并可根据预先制备的蛋白量按需调整上样比例。此外,建议在0.75 mm聚丙烯酰胺凝胶的单个泳道中上样少于4 µg的叶绿素当量,以避免条带扭曲和弥散。以下所有底物均通过in vitro翻译试剂盒进行制备并进行放射性标记。
iOE17 通过 cpTat 途径的转运
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叶绿体和类囊体的分离
过度破碎可能导致叶绿体分离效果不佳,从而在梯度离心中造成类囊体得率低下。最好轻柔地匀浆收获的组织,确保所有材料在搅拌前均完全浸没,并以15秒为周期间歇脉冲,直至完全匀浆。如有必要,可分多次进行较短时间的匀浆,每次减少组织量。
将所有与收获组织接触的材料进行冷藏,有助于分离的叶绿体在2小时内保持活性。分离后,将叶绿体置于冰上并避光保存也至关重要。
在接触分离的类囊体缓冲液中,必须包含镁离子。否则会导致基粒解堆叠,并严重影响光照下质子动力势的产生21。分离后的类囊体在冰上避光保存时,可用于转运反应长达2小时。
优化转运反应
分离的类囊体沉淀迅速,可能导致不同反应之间的叶绿素含量不均。因此,在使用前必须充分混匀类囊体,尤其是在准备大量样品时更应注意。
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作者无任何利益冲突需要披露。
本手稿由美国能源部基础能源科学办公室化学科学、地球科学和生物科学司资助,项目编号为 DE-SC0017035
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Pisum sativum 种子 | Seedway LLC,美国纽约州霍尔 | 8686 - 小奇迹 | |
| Miracloth | Calbiochem,美国新泽西州吉布斯敦 | 475855-1 | |
| 80% 丙酮 | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 67-64-1 | |
| 带锋利刀片的搅拌机 | Waring Commercial | BB155S | |
| Polytron 10-35 | Fischer Sci | 13-874-617 | |
| Percoll | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | GE17-0891-01 | |
| Beckman J2-MC 配 JA 20 转子 | Beckman-Coulter | 8043-30-1180 | |
| Sorvall RC-5B 配 HB-4 转子 | Sorvall | 8327-30-1016 | |
| 1xIB 中含 100 mM 二硫苏糖醇(DTT) | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 12/3/83 | 可分装后冷冻保存以供将来使用 |
| 1xIB 中含 200 mM MgATP | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 74804-12-9 | 可分装后冷冻保存以供将来使用 |
| 1xIB 中含嗜热菌蛋白酶(2 mg/mL) | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 9073-78-3 | 可分装后冷冻保存以供将来使用 |
| HEPES | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | H3375 | |
| K-Tricine | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | T0377 | |
| 山梨醇 | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 50-70-4 | |
| 氯化镁 | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 7791-18-6 | |
| 氯化锰 | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 13446-34-9 | |
| EDTA | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 60-00-4 | |
| BSA | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 9048-46-8 | |
| Tris | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 77-86-1 | |
| SDS | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 151-21-3 | |
| 甘油 | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 56-81-5 | |
| 溴酚蓝 | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 115-39-9 | |
| β-巯基乙醇 | Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 60-24-2 |
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