本文中,我们描述了N端结构域的蛋白质表达、纯化、结晶及结构解析的实验方案 小菜蛾兰诺定受体Plutella xylostella).
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本文中,我们描述了N端结构域的蛋白质表达、纯化、结晶及结构解析的实验方案 小菜蛾兰诺定受体Plutella xylostella).
靶向昆虫鱼尼丁受体(RyR)的高效杀虫剂的研发在农业害虫防治领域备受关注。迄今为止,已有多种靶向害虫RyR的双酰胺类杀虫剂实现商品化,年销售额达20亿美元。然而,由于缺乏关于昆虫RyR的结构信息,目前对靶向RyR杀虫剂作用机制的理解仍十分有限,这也限制了人们对害虫杀虫剂抗性发展机制的认识。小菜蛾(DBM)是一种严重危害全球十字花科作物的害虫,已被报道对双酰胺类杀虫剂产生抗性。因此,研发靶向小菜蛾RyR的新型杀虫剂具有重要的实际意义,特别是作用于传统双酰胺结合位点以外区域的杀虫剂。本文提供了一种用于结构表征小菜蛾RyR N端结构域的实验方案。该蛋白的X射线晶体结构通过分子置换法在2.84 Å分辨率下解析,显示其具有β-三叶折叠模体及一个侧翼α螺旋。本方案可推广应用于其他结构域或蛋白质的表达、纯化及结构表征。
兰诺定受体(RyRs)是一类特异性的离子通道,介导钙离子(Ca2+)穿过肌肉细胞肌质网(SR)膜的通透过程,因此在兴奋-收缩耦联过程中发挥重要作用。在功能状态下,RyR以同源四聚体形式组装,分子质量>2 MDa,每个亚基包含约5000个氨基酸残基。在哺乳动物中存在三种同工型:RyR1—骨骼肌型,RyR2—心肌型,以及RyR3—在不同组织中广泛表达1。
在昆虫中仅存在一种雷诺丁受体(RyR),其在肌肉和神经组织中均有表达2。昆虫RyR与哺乳动物RyR2更为相似,序列同源性约为47%3。针对鳞翅目和鞘翅目昆虫RyR的双酰胺类杀虫剂已由拜耳(氟苯虫酰胺)、杜邦(氯虫苯甲酰胺)和先正达(氰虫酰胺)等主要公司研发并投入市场。自其相对较近的上市以来,双酰胺类杀虫剂已成为增长最快的杀虫剂类别之一。目前,这三种杀虫剂的年销售额已超过20亿美元,自2009年以来增长率超过50%(Agranova)。
近期研究报道,昆虫在使用这些杀虫剂数代后已产生抗性4,5,6,7,8。小菜蛾(DBM)Plutella xylostella 的鱼尼丁受体(RyRs)跨膜区中存在抗性突变(G4946E、I4790M),以及番茄潜叶蛾 Tuta absoluta 中对应位点的突变(G4903E、I4746M),表明该区域可能参与双酰胺类杀虫剂的结合,因为该区域已知对通道的门控功能至关重要4,8,9。尽管该领域已有大量研究,双酰胺类杀虫剂的确切分子作用机制仍不明确。此外,尚不清楚这些抗性突变是直接影响还是变构影响其与双酰胺类化合物的相互作用。
早期研究已通过X射线晶体学和冷冻电子显微镜分别报道了多种哺乳动物RyR结构域以及全长哺乳动物RyR1和RyR2的结构10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21。但迄今为止,尚未有关于昆虫RyR结构的报道,这限制了我们对受体功能的分子机制、杀虫剂作用机理以及杀虫剂抗性发展机制的理解。
本文中,我们提出了一种针对小菜蛾(一种危害全球十字花科作物的毁灭性害虫)兰尼碱受体N端β-三叶草结构域进行结构表征的通用实验方案22。该表达质粒的设计依据已发表的兔RyR1 N端结构域的晶体结构23,24以及冷冻电镜结构模型16,17,18,19,20,21。这是首次报道的昆虫RyR高分辨率结构,揭示了通道门控的机制,并为基于结构的药物设计开发物种特异性杀虫剂提供了重要的模板。在结构解析方面,我们采用了X射线晶体学方法,该方法被公认为在接近原子分辨率下测定蛋白质结构的“金标准”。尽管结晶过程具有不可预测性和高劳动强度,但本逐步操作方案将有助于研究人员表达、纯化并表征昆虫RyR的其他结构域或任何其他蛋白质。
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1. 基因克隆、蛋白表达与纯化
2. 蛋白质制备与结晶
3. 晶体安装、X射线数据收集与结构测定
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纯化
DBM RyR 的 N 端结构域以融合蛋白形式表达,包含六聚组氨酸标签、MBP 标签和 TEV 蛋白酶切割位点。我们采用五步纯化策略,获得高纯度蛋白,适用于结晶。首先,通过 Ni-NTA 柱(HisTrap HP)从细胞裂解液的可溶性组分中纯化该融合蛋白。接着,用 TEV 蛋白酶进行切割,并通过 amylose 树脂柱和 Ni-NTA 柱去除六聚组氨酸-MBP 片段。随后,蛋白经阴离子交换柱(Q Sepharose HP)进一步纯化,最后通过凝胶过滤柱(Superdex 200 26/600)完成纯化。使用 2YT 培养基,每升细菌培养物最终获得的纯化蛋白产量约为 4 mg。纯化后的蛋白在 SDS-PAGE 上显示为单一的约 21 kDa 条带(图 1)。凝胶过滤柱的洗脱体积表明,纯化的 RyR N 端结构域为单体(图 1)。
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本文中,我们描述了重组表达、纯化、结晶并解析DBM RyR NTD结构的实验流程。在结晶过程中,获得高溶解度、高纯度和高均一性的蛋白质是关键要求。在本方案中,我们选用pET-28a-HMT载体,因其含有六组氨酸标签和MBP标签,二者均可用于纯化,从而获得更高纯度的蛋白产物。此外,MBP标签有助于提高目标蛋白的溶解度。我们通过五个连续步骤对蛋白进行纯化,最终获得高纯度且适用于结晶的蛋白样品。结晶初筛采用自动化液体处理系统完成。与传统人工点板方法相比,自动化系统所需样品体积更小,节省时间与人力,并因液体操作精度更高而显著提升实验可重复性。晶体初筛在本实验室进行衍射测试,数据收集则在同步辐射光源处完成,因其提供的X射线具有更高强度和更小发散度,可获得高质量的衍射数据。分子置换法为首选相位确定方法,因数据库中已有相似结构模板可供参考。替代方法为实验相位法,包括MAD、SAD和MIR。 等等。
在解析DBM RyR NTD结构的过程中,Xtriage30计算得到的Matthews系数表明,非对称单位(ASU)最可能包含四个单体...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由以下项目资助:国家重点研发计划(2017YFD0201400,2017YFD0201403)、国家自然科学基金(31320103922,31230061)以及国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB856500,2015CB856504)。我们感谢上海同步辐射光源(SSRF)BL17U1线站工作人员的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| pET-28a-HMT 载体 | 该修饰型 pET 载体在 N 端含有六组氨酸标签、MBP 融合蛋白以及 TEV 蛋白酶切割位点(Lobo 和 Van Petegem,2009) | ||
| E. coli BL21 (DE3) 菌株 | Novagen | 69450-3CN | |
| HisTrapHP 柱(5 mL) | GE Healthcare | 45-000-325 | |
| 淀粉糖树脂柱 | New England Biolabs | E8021S | |
| Q Sepharose 高性能柱 | GE Healthcare | 17-1154-01 | |
| Amicon 浓缩器(10 kDa MWCO) | Millipore | UFC901008 | |
| Superdex 200 26/600 凝胶过滤柱 | GE Healthcare | 28-9893-36 | |
| 自动化液体处理机器人系统 | Art Robbins Instruments | Gryphon | |
| 96 孔 CrystalQuick 板 | Greiner bio-one | 82050-494 | |
| Uni-Puck | Molecular Dimensions | MD7-601 | |
| 安装式 CryoLoop - 20 微米 | Hampton Research | HR4-955 | |
| CryoWand | Molecular Dimensions | MD7-411 | |
| 载晶盘杜瓦瓶装载工具 | Molecular Dimensions | MD7-607 | |
| Nano drop | Thermo Scientific | NanoDrop One | |
| 晶体培养箱 | Molecular Dimensions | MD5-605 | |
| X 射线衍射仪 | Rigaku | FRX | |
| PCR 仪 | Eppendorf | Nexus GX2 | |
| 质粒小提试剂盒 | Qiagen | 27104 | |
| 凝胶回收试剂盒 | Qiagen | 28704 | |
| SspI 限制性内切酶 | NEB | R0132S | |
| T4 DNA 聚合酶 | Novagen | 2868713 | |
| 卡那霉素 | Scientific Chemical | 25389940 | |
| IPTG | Genview | 367931 | |
| HEPES | Genview | 7365459 | |
| β-巯基乙醇 | Genview | 60242 | |
| 离心机 | Thermo Scientific | Sorvall LYNX 6000 | |
| 超声波破碎仪 | Scientz | II-D | |
| 蛋白纯化系统 | GE Healthcare | Akta Pure | |
| 光学显微镜 | Nikon | SMZ745 | |
| IzIt 晶体染料 | Hampton Research | HR4-710 | |
| 电泳装置 | Bio-Rad | 1658005EDU | |
| 摇床培养箱 | Zhicheng | ZWYR-D2401 | |
| Index 晶体筛选试剂盒 | Hampton Research | HR2-144 | |
| Structure 晶体筛选试剂盒 | Molecular Dimensions | MD1-01 | |
| ProPlex 晶体筛选试剂盒 | Molecular Dimensions | MD1-38 | |
| PACT premier 晶体筛选试剂盒 | Molecular Dimensions | MD1-29 | |
| JCSG-plus 晶体筛选试剂盒 | Molecular Dimensions | MD1-37 |
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