本文介绍了一种利用酵母表达、增溶并纯化多种与SLC4转运蛋白家族具有同源性的真核生物硼酸盐转运蛋白的实验方案。我们还描述了一种化学交联实验,用于检测纯化的同源多聚体蛋白的多聚化组装情况。这些方案可适用于其他难处理的膜蛋白。
本文介绍了一种利用酵母表达、增溶并纯化多种与SLC4转运蛋白家族具有同源性的真核生物硼酸盐转运蛋白的实验方案。我们还描述了一种化学交联实验,用于检测纯化的同源多聚体蛋白的多聚化组装情况。这些方案可适用于其他难处理的膜蛋白。
溶质载体4(SLC4)蛋白家族被称为碳酸氢盐转运蛋白,其中包括典型的阴离子交换蛋白1(AE1,也称为Band 3),这是红细胞中含量最丰富的膜蛋白。SLC4家族与已在植物和真菌中鉴定的硼酸盐转运蛋白具有同源性。将膜转运蛋白以足够数量且均一的形式表达和纯化,用于 结构或功能研究,仍是一项重大的技术挑战。本文详细描述了在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中过表达硼酸盐转运蛋白、分离酵母膜、使用去垢剂溶解蛋白,以及从酿酒酵母(S. cerevisiae)、拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)中纯化硼酸盐转运蛋白同源物的具体步骤。我们还详细介绍了利用戊二醛交联实验检测同源多聚体转运蛋白多聚化的分析方法。本研究所建立的通用方法适用于上述三种蛋白,并已针对效率进行了优化。本文开发的许多策略也可用于其他难处理膜蛋白的研究。
获得足量纯化膜蛋白的困难仍是开展受体、离子通道和转运蛋白结构与功能研究的关键瓶颈。目前已有多种方案用于 中等高通量筛选流程用于筛选并鉴定表达水平足够高、可支持后续研究的候选膜蛋白 体外 研究1,2,3,4通常,蛋白质会与绿色荧光蛋白(GFP)在N端或C端进行融合标记,其表达水平可通过凝胶内荧光检测或荧光检测尺寸排阻色谱法(FSEC)进行监测。5此类方法可将膜蛋白候选对象分类为高表达蛋白、中等或低表达蛋白,以及表达极差或完全不表达的蛋白。当实验设计旨在筛选大量候选基因并选择表达效果最佳的蛋白时,该方法效果良好。然而,在某些情况下,实验需针对特定膜蛋白进行研究,若该蛋白表达水平处于中等或较低范围,则可能带来挑战。此外,在这些情况下,有时即使通过截短构建体、引入热稳定突变或密码子优化等方式对构建体进行改造,表达水平也仅能实现轻微提升。因此,针对表达水平仅为中等的膜蛋白,有时有必要对其表达与纯化方案进行优化。
SLC4 转运蛋白家族包括碳酸氢盐转运蛋白阴离子交换蛋白 1(又称 Band 3),这是红细胞中含量最丰富的膜蛋白6,也是细胞呼吸的关键驱动因子。SLC4 家族与植物中至关重要的硼酸盐转运蛋白具有同源性,且已有研究表明,硼酸盐转运蛋白在结构上与阴离子交换蛋白 1 以及钠离子偶联的 SLC4 转运蛋白相似7,8,9,10。本文报道了利用 S. cerevisiae 表达并纯化酵母和植物中三种不同硼酸盐转运蛋白的优化蛋白表达与纯化方案。我们详细阐述了为提高纯化产率和均一性所采取的关键优化步骤。此外,我们还报道了一种使用戊二醛的化学交联实验,用于在纯化的蛋白-去垢剂-脂质复合物体系中监测这些转运蛋白的多聚体组装状态。该交联实验可通过评估寡聚转运蛋白在纯化后的多聚体状态,帮助判断同源蛋白和去垢剂的适用性。
本方案假设目的转运蛋白已克隆至含有GAL1启动子诱导表达系统的2 µ质粒中,用于在S. cerevisiae中表达。在这些实验中,所使用的DNA编码了全长野生型硼酸盐转运蛋白:Saccharomyces cerevisiae Bor1(ScBor1)11、Arabidopsis thaliana Bor1(AtBor1)12和Oryza sativa Bor3(OsBor3)13。每个构建体的C末端均连接了一个10-His标签,并在转运蛋白与10-His标签之间插入了凝血酶切割位点,以便在需要时将其切除。本方案还假设该质粒已转化至缺乏组氨酸的完全补充选择性培养基(CSM)上的S. cerevisiae DSY-5表达菌株中。
1. 培养基和重要缓冲液的制备
2. 在S. cerevisiae中过表达硼酸盐转运蛋白
3. 酵母膜的收获
4. 蛋白质的溶解与纯化
5. 戊二醛交联实验
对镍亲和层析洗脱组分进行的典型凝胶电泳结果显示,三种蛋白均得到部分纯化(图1A)。在蛋白分子量标准左侧的是裂解液,其中均未出现与硼酸盐转运蛋白相对应的显著条带,这是难以高效过表达蛋白的典型特征。80 mM 洗脱组分显示,即使在较高浓度咪唑条件下,10-His 标签蛋白的损失也极小。洗脱组分中可清晰观察到对应于硼酸盐转运蛋白的条带,将判定含有大部分洗脱蛋白的组分浓缩后,上样至 S200 凝胶过滤柱。在此阶段,蛋白纯度尚不足以满足多数下游应用的需求,如上样至 S200 柱前浓缩样品的凝胶所示,存在额外杂带(图1B)。然而,将样品上样至尺寸排阻柱后,可获得高纯度的洗脱组分(图1B-C)。文中展示了各硼酸盐转运蛋白的层析图谱及其对应的凝胶电泳结果。尽管亲和层析洗脱后的样品纯度中等,但经凝胶过滤柱洗脱后蛋白纯度显著提高。关键的是,层析图谱显示每种蛋白主要以单一单分散峰的形式洗脱,极少蛋白滞留在空体积中。稳定且正确折叠的蛋白通常呈现单一分散且对称的峰形,而不稳定、错误折叠或聚集的蛋白则通常表现为多个不对称峰或在空体积中出现大峰。ScBor1 每升酵母培养物最终可获得约 2 mg 纯化蛋白,AtBor1 和 OsBor3 每升培养物则分别获得约 1 mg 纯化蛋白。这些数值来源于 4–5 g 膜蛋白样品的一份等分试样,该膜蛋白样品来自原始细胞制备物的一半。
交联实验表明,可轻松评估在溶液中纯化的同源寡聚转运蛋白的组装状态(图2)。含有SDS预处理的样品旨在说明交联依赖于溶液中蛋白的折叠构象,因此当强变性剂破坏多聚状态时,交联不会发生。结果显示,在这些条件下用DDM纯化时,三种硼酸盐转运蛋白中的ScBor1并未形成二聚体,而另外两种AtBor1和OsBor3则发生交联并呈现二聚化。可见并非所有蛋白均能完全交联。在此例中,可观察到微量的OsBor3单体,而AtBor1则完全交联。交联程度取决于相邻赖氨酸残基的数量,也可能存在其他交联试剂可有效交联不同的膜蛋白。

图 1。三种硼酸盐转运蛋白的镍亲和层析与尺寸排阻色谱纯化。 每个垂直图组(A)、(B)和(C)分别展示 ScBor1、AtBor1 和 OsBor3 的数据。(A)镍亲和柱。M 为分子量标准蛋白标记物,左侧标注其分子量(kDa)。L 为粗裂解液,W 为 80 mM 咪唑洗涤液。其余编号泳道对应以 300 mM 咪唑洗脱的 1 mL 分段收集液。分段上方的横条表示被选中合并并浓缩后用于上柱的组分。(B)P 表示上 S200 柱前浓缩的蛋白样品。右侧为尺寸排阻色谱(SEC)洗脱组分,括号用于将凝胶泳道与(C)中的层析图谱组分对应。空隙体积出现在约 8 mL 略后位置。 请点击此处查看该图的高清版本。

图 2.交联实验评估纯化的转运蛋白是否形成多聚体结构。 左侧显示了具有分子量标记的蛋白 ladder。所有泳道上方标明了所含蛋白质以及样品是否添加了戊二醛,或在添加戊二醛前是否经 SDS 预处理。箭头指示 AtBor1 和 OsBor3 的单体与二聚体位置。ScBor1 是比 AtBor1 和 OsBor3 更小的蛋白质,其迁移位置符合预期。请点击此处查看该图的高清版本。
本文分享了三种不同真核生物硼酸盐转运蛋白均一化纯化的详细方案。所展示的方案基于其他在S. cerevisiae1,14中表达整合膜蛋白的已有方法,并通过我们的优化实现了纯度和产量的双重提升。优化的参数包括细胞培养的体积与时间、珠击破碎裂解程序、细胞裂解及蛋白纯化过程中的缓冲液组成、每克膜所用去垢剂的量、亲和纯化中金属离子的种类、亲和层析柱的体积,以及引入交联实验以通过评估寡聚态转运蛋白的多聚状态来判断同源蛋白和去垢剂的适用性。这些方案在来自植物和真菌物种的多个SLC4同源蛋白中均取得成功。所有整合膜蛋白纯化策略的一个局限性在于,目前尚不存在一种能够保证对所有膜蛋白都有效的通用纯化方法。我们的方案可能更适用于在序列相似性和结构上与SLC4转运蛋白相近的蛋白,因此SLC4、SLC23和SLC26家族成员可能是较有前景的目标15。同样,若某膜转运蛋白在进化上与硼酸盐转运蛋白差异越大,则越可能需要对表达系统、去垢剂或其他关键参数进行调整,以建立不同的纯化方案4。
该实验方案利用了蛋白质纯化中最常用的亲和标签——His标签。尽管初始洗脱组分中存在杂质,但通过镍亲和层析、充分的洗涤以及后续的凝胶过滤层析(SEC)纯化相结合,可获得高纯度的蛋白质。10-His标签允许使用更严格的咪唑梯度洗涤,因此能够比8-His或6-His标签在允许的洗涤条件下去除更多的非特异性结合蛋白。我们在选择纯化组分时倾向于保守地选取纯度最高的凝胶电泳条带,这些条带对应于SEC洗脱曲线的主峰组分。通过合并并浓缩更多洗脱组分,可以提高最终蛋白质的得率,但代价是蛋白质纯度略有下降。本文所述方法成功实现了AtBor1蛋白的大量纯化,从而获得了其晶体结构7;与之前方法的差异在于切除了His标签,并将转运蛋白置换到另一种去垢剂中,以改善晶体衍射质量7。
本方案在同源蛋白的选择以及用于溶解和纯化的去垢剂方面提出了重要考虑因素。DDM 是去垢剂的常用首选,因其相对温和,通常能有效实现蛋白溶解,并已被广泛应用于多种膜蛋白的结构与功能研究中。判断一种去垢剂是否适用于特定膜蛋白的常见评估方法是:目标蛋白在尺寸排阻色谱(SEC)图谱中是否呈现单一且单分散的峰,而不是在空体积处出现大峰或出现一系列多分散峰,后者通常提示蛋白发生错误折叠或不稳定。我们在纯化 ScBor1 的过程中提出了一个更为细致的问题。该蛋白能够大量纯化,并在 SEC 图谱中呈现良好且单分散的峰形,表明其可能是结构研究的理想候选目标。然而,我们的交联实验显示,纯化后的 ScBor1 为单体形式。尽管 ScBor1 在细胞内天然存在形式可能为单体 ,但已有研究表明 SLC4 转运蛋白及其同源蛋白通常以二聚体形式存在7,8,9,10。我们在完成 AtBor1 的结晶并解析其结构之后才建立了该交联实验。然而,若我们早先能够利用交联实验将 ScBor1 与 AtBor1 进行比较,则可能将宝贵的时间和研究资源重新导向 AtBor1 而非 ScBor1,因为后者最终未能成功获得可用于衍射实验的晶体。因此,该实验方法可帮助研究人员在开展结构研究时,区分不同同源蛋白或去垢剂的适用性,从而优先选择能够维持蛋白预期天然构象的实验条件。此外,该方法还可用于探究哪些氨基酸对多聚化至关重要,进而寻找破坏多聚化界面、导致蛋白形成强制性单体的氨基酸替换。此类策略已被用于研究膜转运蛋白同源多聚组装的功能意义16,17,18。
本方法的一个普遍优势在于,酵母已被证明能够表达多种功能各异且具有挑战性的膜蛋白1。此外,其低成本和较短的培养周期使其更易于被广泛的研究工作所采用,尤其适用于那些难以使用需要组织培养或昂贵培养基的表达策略的研究。本文所介绍的实验流程成本相对较低,可在一周内完成,突显了该方法的可行性。这些方案的实施有助于推动对其他难表达膜蛋白的结构与功能研究。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究得到了戴维森学院启动资金的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich | M3148 | |
| 4-吗啉乙磺酸水合物(MES) | Acros | 172591000 | |
| Äkta Pure 25 L FPLC | GE Healthcare | 29018224 | |
| Amicon Ultra 15 mL,50 kDa 分子量截留浓缩管 | Millipore | UFC905024 | 用于浓缩镍柱洗脱组分 |
| Amicon Ultra 4 mL,50 kDa 分子量截留浓缩管 | Millipore | UFC805024 | 用于浓缩 S200 洗脱组分 |
| 蛋白胨 | BD Diagnostics | 211677 | |
| 酵母提取物 | BD Diagnostics | 288620 | |
| 玻璃锥形瓶,2L | Sigma-Aldrich | CLS44442L | |
| 台式离心机 | Sorvall | Legend RT | |
| 瓶顶滤器 | Nalgene | 595-4520 | 滤膜被移除后用于过滤玻璃珠 |
| 溴酚蓝 | Sigma-Aldrich | 114391 | |
| 不含组氨酸的完全补充混合物 | Sunrise Science | 1006-100 | |
| D-半乳糖 | Sigma-Aldrich | G0750 | |
| D-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | RDD016 | |
| 乙醇,200 证明 | Pharmco-Aaper | 111000200 | |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | Sigma-Aldrich | EDS-500G | |
| 凝胶电泳槽 SDS-PAGE 系统 | Bio-Rad | 1658004 | |
| 玻璃珠破碎细胞裂解仪 | BioSpec | 1107900 | |
| 玻璃珠,0.5 mm | BioSpec | 11079105 | |
| 戊二醛 | Electron Microscopy Sciences | 16019 | 以氮气保护的 8% 溶液形式提供 |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | G7893 | |
| HiTrap IMAC FF 柱,1 mL | GE Healthcare | 17-0921-02 | 已负载镍离子 |
| 盐酸 | Sigma-Aldrich | 258148 | |
| 咪唑 | Acros | 12202 | |
| Instant Blue 蛋白染色液 | Expedeon | ISB1L | |
| JA-10 转子 | Beckman | 369687 | |
| JA-14 转子 | Beckman | 339247 | |
| 微量离心管,1.5 mL | Thermo Scientific | 3451 | |
| 制冷微量离心机 | Fisher | 13-100-676 | |
| Mini-Protean Tris-甘氨酸凝胶,4-20% | Bio-Rad | 456-1096 | |
| Minipuls 3 蠕动泵 | Gilson | F155005 | 用于将裂解液上样至亲和柱 |
| n-十二烷基-β-D-麦芽糖苷(DDM) | Inalco | 1758-1350 | |
| 硫酸镍六水合物 | Sigma-Aldrich | 227676 | |
| 带温度控制的轨道摇床培养箱 | New Brunswick | C24 | |
| 含硼酸转运蛋白插入片段的 p423 GAL1 质粒 | 可向作者索取 | ||
| 苯甲基磺酰氟(PMSF) | Acros | 215740050 | |
| 聚碳酸酯超速离心管 | Beckman | 355618 | |
| 聚丙烯瓶,250 mL | Beckman | 356011 | |
| 聚丙烯瓶,500 mL | Beckman | 355607 | |
| Precision Plus Protein Kaleidoscope 标准蛋白 | Bio-Rad | 1610375 | |
| S. cerevisiae 表达菌株 DSY-5 | 可向作者索取 | ||
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| 十二烷基硫酸钠 | Sigma-Aldrich | L3771 | |
| 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | S8045 | |
| 带 0.2 µm 滤膜的离心柱,0.5 mL | Millipore | UFC30GV0S | 用于蛋白上样 Superdex 200 柱前的过滤 |
| 无菌 Falcon 管,15 mL | Lab Depot | TLD431696 | |
| 无菌 Falcon 管,50 mL | Lab Depot | TLD431698 | |
| Superdex 200 10/300 GL 柱 | GE Healthcare | 17-5175-01 | 用于尺寸排阻层析(SEC)纯化 |
| 注射器滤器,5µm | Pall | 4650 | 用于亲和柱上样前裂解液的过滤 |
| Tris 碱 | Sigma-Aldrich | T1503 | |
| Type 70 Ti 转子 | Beckman | 337922 | |
| 超速离心机 | Beckman | L8-70M | |
| 不含氨基酸的 YNB+氮源培养基 | Sunrise Science | 1501-500 |