生物膜融合由特化的融合蛋白催化。通过脂质混合实验可测定蛋白质的促融合特性。本文介绍了一种方法,用于纯化重组果蝇atlastin蛋白(一种介导内质网同型融合的蛋白),将其重组到预先形成的脂质体中,并检测其融合能力。
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生物膜融合由特化的融合蛋白催化。通过脂质混合实验可测定蛋白质的促融合特性。本文介绍了一种方法,用于纯化重组果蝇atlastin蛋白(一种介导内质网同型融合的蛋白),将其重组到预先形成的脂质体中,并检测其融合能力。
膜融合是真核细胞中的关键过程,需要特定蛋白质来催化该过程。Atlastin 是定位于内质网(ER)的蛋白质,参与内质网的同型融合。本文详细描述了一种通过两轮亲和层析纯化带有谷胱甘肽S-转移酶(GST)和多聚组氨酸标签的黑腹果蝇(Drosophila)atlastin的方法。体外研究融合反应需要将纯化的融合蛋白插入脂双层中。脂质体是理想的模型膜系统,因其脂质组成和大小均可调节。为此,我们介绍了一种通过去垢剂透析法将黑腹果蝇 atlastin 重组到预先形成的脂质体中的方法。尽管存在多种重组方法,但去垢剂去除法具有若干优势,使其特别适用于 atlastin 及其他类似蛋白。该方法的优势包括较高的重组效率以及重组蛋白的正确取向。此方法可推广至其他膜蛋白,以及需要蛋白脂质体的其他应用。此外,我们还描述了一种基于荧光共振能量转移(FRET)的脂质混合检测法,用于检测蛋白脂质体的膜融合程度。
膜融合是许多生物反应中的关键过程。在生物条件下,膜融合并非自发进行,需要特定的融合蛋白来催化此类反应1。在动物中,内质网同型膜融合由动力相关GTP酶atlastin介导2。atlastin在同型融合中的作用对于外周内质网中三向连接的形成至关重要,这些三向连接构成了贯穿整个细胞的广泛互联的管状网络。atlastin具有保守的结构域形态,包括一个较大的GTP酶结构域、一个由三段α螺旋组成的中间结构域、一个疏水性跨膜锚定区以及一个短的胞质C端尾部3。利用重组果蝇atlastin进行的体外研究表明,当将其重建至脂质体中时,其仍保持促融合活性。然而,其他atlastin蛋白(包括人源同源蛋白)尚未能在体外重现融合活性。本文描述了一种纯化带有GST和多聚组氨酸标签的重组果蝇atlastin、将其重建至脂质体并检测其融合活性的方法学。
在体外研究膜融合具有挑战性,因为促融合蛋白通常具有膜锚定结构。为了对其进行研究,必须将其重组到模型脂双层中。大单层囊泡(LUV)是研究脂质-蛋白质相互作用的有用工具。本文介绍一种制备不同脂质组成LUV的系统,用于蛋白质重组和融合检测。将整合膜蛋白重组到LUV中可通过多种方法实现,包括有机溶剂介导的重组、机械机制或去垢剂辅助重组4。本文介绍一种通过去除去垢剂将果蝇atlastin蛋白重组到预先形成的脂质体中的方法。该重组方法的优点包括较高的重组效率以及atlastin在脂双层中正确的取向。此外,该方法避免了蛋白质经历干燥或接触有机溶剂的过程,从而保持其结构与功能。其缺点在于,去垢剂的存在可能并非对所有蛋白质都理想,且最终的蛋白脂质体可能在脂双层中残留部分去垢剂。可通过进一步透析以去除更多去垢剂,但透析过程耗时较长,可能导致蛋白质活性丧失。
可通过脂质混合实验评估atlastin的融合活性,方法如前所述2。本文详细阐述了一种利用N-(7-硝基苯并-2-氧杂-1,3-二唑-4-基)(NBD)/丽丝胺罗丹明-B磺酰基(罗丹明)标记脂质来检测atlastin介导融合的方法。该实验需要供体(标记)蛋白脂质体与受体(未标记)蛋白脂质体之间的融合。在膜融合过程中,随着脂质混合,供体-受体对从“标记”脂质体稀释 到“未标记”脂质体,可检测到荧光共振能量转移(FRET)信号的释放(图1)5。尽管该实验可作为膜融合的间接指标,但在区分完全膜融合与半融合(仅外小叶混合的状态)方面存在局限性。为解决此问题,可采用连二亚硫酸盐对外小叶的NBD进行淬灭。在沿用NBD/罗丹明脂质混合实验相同方法的基础上,当外小叶被淬灭后,任何由融合引起的NBD FRET信号释放均源于内小叶的混合8。
通过检测内水相内容物混合的替代性融合实验仅能反映完全融合过程5。此类实验的实例包括铽(Tb)/二吡啶甲酸(DPA)检测法以及8-氨基萘-1,3,6-三磺酸(ANTS)/对二乙烯基联吡啶溴化物(DPX)检测法。在Tb/DPA检测中,将包裹有Tb的一组脂质体与包裹有DPA的另一组脂质体混合并促使其融合;融合后,在[Tb(DPA)3]3-螯合复合物内部,DPA向Tb发生能量转移,从而增强荧光信号6。相比之下,在ANTS/DPX检测中,ANTS的荧光会被DPX淬灭7。尽管这些方法可用于检测内腔内容物的混合,但需要更复杂的脂质体制备步骤,以去除未包封的试剂,并避免荧光探针之间发生非特异性相互作用。
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1. GST-DAtl-His8 的纯化
2. 将重组 Atlastin 重构至脂质体中

D总计 是总去垢剂浓度,D水 是单体去污剂浓度(在存在去污剂的情况下,TX-100 和 Anapoe X-100 为 0.18 mM)4,11.3. 脂质混合实验
4. 脂质体在碘海醇不连续梯度中的漂浮12
5. 通过凝血酶蛋白水解分析重组蛋白的取向
注意: 本文报道的 atlastin 融合蛋白在 N 端 GST 标签末端与 atlastin 起始端之间含有一个凝血酶切割位点。正确取向的 atlastin 可使该切割位点暴露于蛋白酶,而错误取向的蛋白则因被脂双层保护而无法被切割。
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atlastin 重构效率如图2所示。将重构后的蛋白脂质体在碘克沙醇不连续梯度中上浮。未整合的蛋白质沉降至底层(B)或中层(M),而重构后的蛋白质则上浮至顶层(T)。收集梯度各层样品,并通过SDS-PAGE和考马斯亮蓝染色进行分析。通过密度测定法对凝胶进行定量,结果显示重构效率极高,损失可忽略不计:总蛋白中有96%以蛋白脂质体形式上浮至顶层(T);少于1%的蛋白未重构并存在于中层(M),仅有3%的蛋白未重构或发生聚集并沉降至底层(B)。
除了描述重构程度外,还通过凝血酶切割实验对atlastin重构后的取向进行了定量分析14。重构后的蛋白质可能处于错误的取向,即朝向脂质体的腔内空间。处于错误取向的蛋白质应受到脂双层的保护而免于蛋白水解。在N端GST标签的末端与atlastin的起始端之间编码有一个凝血酶切割位点。漂浮的蛋白脂质体在37 °C下与凝血酶孵育1小时,随后加入不含EDTA的蛋白酶抑制剂孵育30分钟以终止反应。样品通过SDS-PAGE电泳和考马斯亮蓝染色进行分析,并采...
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本文所述方法提供了一种高效纯化、重建并测定重组atlastin融合活性的方案。为确保获得高产量的功能性atlastin,必须注意若干关键步骤。atlastin的表达需在低温(16 °C)下进行,以避免蛋白聚集,且最终蛋白浓度应控制在0.4–1.5 mg/mL之间。若蛋白浓度过低,则在1:400的蛋白与脂质比例下无法实现最佳重建效果。重建效率可选择性地通过本文所述的浮力梯度离心法进行分析(图2)。脂质体浮力梯度离心法的优势之一在于,该方法可拓展用于分析与脂双层结合的可溶性蛋白13。此外,也可通过蛋白酶消化法分析重建后蛋白的取向14,但该方法可能无法区分错误折叠或聚集的重建蛋白与方向错误的重建蛋白(图3)。本方法制备的蛋白脂质体可用于膜融合活性检测,或用于在模型脂双层体系中研究atlastin的功能。尽管重建过程相对简单,但去垢剂和脂质浓度若稍偏离最优值,均可能导致重建效率下降。例如,过量的去垢剂可能引起脂质体溶解。
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 Michael Stern 博士及其实验室团队对与 atlastin 相关项目提供的见解和反馈。本研究由美国国立普通医学科学研究所 [R01GM101377] 和美国国立神经疾病与卒中研究所 [R01NS102676] 提供资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10 mL 聚合层析柱 | Biored | 731-1550 | |
| 10 mm x 75 mm 茄形玻璃管 | VWR | 608225-402 | |
| 47 mm 直径,0.45 μm 孔径 Whatman 无菌膜滤器 | Whatman | 7141 104 | |
| 96 孔白色板 | NUNC | 437796 | |
| Anapoe X-100 | Anatrace | 9002-931-1 | |
| 细胞破碎仪 | Avestin | Avestin Emulsiflex C3 | |
| DOPS(1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸-L-丝氨酸(钠盐)) | Avanti | 840035P-10mg | DOPS |
| EDTA | Research organics inc. | 6381-92-6 | 乙二胺四乙酸 |
| 无 EDTA 蛋白酶抑制剂混合物 | Roche | 11873580001 | Complete 蛋白酶抑制剂 |
| 挤出器 | Sigma Aldrich | Z373400 | Liposofast Basic 挤出器 |
| GE Akta Prime 液相色谱系统 | GE Pharmacia | 8149-30-0006 | |
| 谷胱甘肽琼脂糖珠 | Sigma aldrich | G4510-50ml | |
| 甘油 | EMD | GX0185-5 | |
| GTP | Sigma Aldrich | 36051-31-7 | 鸟苷-5'-三磷酸钠盐水合物 |
| HEPES,无酸型 | Omnipur | 5330 | |
| 咪唑 | fluka | 5670 | |
| 固定化金属亲和层析(IMAC)树脂柱 | GE Healthcare | 17040801 | 1 mL HiTrap Chelating HP 固定化金属亲和层析柱 |
| 碘海醇 | Accurate chemical and scientific corporation | AN 7050 BLK | Accudenz/Nycodenz |
| IPTG | Research products international corp. | I56000-100.0 | IPTG,无二噁烷 |
| 还原型 L-谷胱甘肽 | Sigma-Aldrich | G4251-5g | |
| 氯化镁 | Fisher | 7791-18-6 | |
| 甲醇 | Omnisolv | MX0488-1 | |
| NBD-DPPE(1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷脂酰乙醇胺-N-(7-硝基-2-1,3-苯并噁二唑-4-基)(铵盐)) | Avanti | 236495 | NBD-DPPE |
| n-十二烷基-β-D-麦芽糖苷 | Chem-Impex International | 21950 | |
| 非极性聚苯乙烯吸附珠 | BioRad | 152-3920 | SM2 Biobeads |
| Nuclepore 蚀刻聚碳酸酯膜,19 mm,0.1 μm 孔径 | Whatman | 800309 | |
| Optima LE80K 超速离心机 | Beckman Coulter | ||
| 磷脂酰胆碱,L-α-二棕榈酰基 [甲基-3H-胆碱] | ARC | ART0284 | 放射性标记脂质 |
| 酶标仪 | TECAN | TECAN infinite M200 酶标仪 | |
| POPC(1-棕榈酰基-2-油酰基-甘油-3-磷脂酰胆碱) | Avanti | 850457C-25mg | POPC |
| 氯化钾 | MP | 151944 | |
| Rh-DPPE(1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷脂酰乙醇胺-N-(罗丹明B磺酰基)(铵盐)) | Avanti | 236495 | Rh-DPPE |
| 闪烁液 | National Diagnostics | LS-272 | 适用于水相或非水相样品的 Ecoscint XR 闪烁液 |
| 闪烁瓶 | Beckman | 592928 | 快旋盖 Mini Poly-Q 瓶 |
| 凝血酶 | Sigma | T1063-1kU | 人血浆来源凝血酶 |
| Triton X-100 | Fisher | BP151-500 | |
| 超透明离心管 5 mm x 41 mm | Beckman | 344090 | |
| 9 至 13 mm 试管涡旋适配器 | VWR | 58816-138 | 用于涡旋茄形玻璃管的插入件 |
| 涡旋管架固定器 | VWR | 58816-132 | 涡旋管架所需固定件 |
| 涡旋振荡器 | VWR | 2.235074 | Vortex Genie 2 型号 G560 |
| β-巯基乙醇,分子生物学级 | Calbiochem | 444203 |
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