本方案描述了一种用于纯化重组无标签钙结合蛋白S100A12及其离子诱导寡聚体的方法,以用于人单核细胞刺激实验。
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本方案描述了一种用于纯化重组无标签钙结合蛋白S100A12及其离子诱导寡聚体的方法,以用于人单核细胞刺激实验。
本方案描述了一种从大肠杆菌(Escherichia coli)培养物中纯化人钙结合蛋白 S100A12 及其离子诱导寡聚体并用于免疫细胞刺激的方法。该方案基于两步层析策略,包括在阴离子交换层析柱上进行蛋白质的初步纯化,随后在疏水相互作用层析柱上进行精细纯化。该策略可在可控成本下获得高纯度和高得率的 S100A12 蛋白。由于功能实验中免疫细胞对内毒素残留极为敏感,因此必须严格监测最终产物中的内毒素污染,并采取进一步清洁步骤以获得无内毒素蛋白。大部分内毒素污染可通过阴离子交换层析去除。为清除残留污染物,本方案还描述了使用离心过滤器进行去除的步骤。根据所处离子强度的不同,S100A12 可形成多种同源多聚体。为研究其结构与功能之间的关系,本方案进一步描述了对 S100A12 蛋白进行离子处理,继而采用化学交联法稳定其寡聚体结构,并通过尺寸排阻层析实现寡聚体的分离。最后,我们介绍了一种基于细胞的检测方法,用于验证纯化蛋白的生物学活性,并确认制备物中不含脂多糖(LPS)。
S100A12 是一种钙结合蛋白,主要由人粒细胞产生。在(系统性)炎症期间,该蛋白表达上调,其血清水平尤其可用于评估系统性幼年特发性关节炎(sJIA)、家族性地中海热(FMF)或川崎病(KD)等(自身)炎症性疾病的疾病活动度及对治疗的反应。根据模式识别受体(PRRs)(如Toll样受体(TLRs))的不同,固有免疫系统可被病原体相关分子模式(PAMPs)(如脂多糖(LPS))或损伤相关分子模式(DAMPs;也称为“警报素”)所激活。DAMPs 是内源性分子,例如细胞蛋白、脂质或核酸1。钙卫蛋白家族成员 S100A8/A9 和 S100A12 的 DAMP 功能已有充分描述2,这些蛋白还被报道可作为二价金属离子螯合的抗菌肽发挥作用3,4,5,6。与其他 S100 家族成员类似,S100A12 可根据可用的离子强度形成不同的同源多聚体,而 S100A12 寡聚化对 PRR 相互作用(特别是 TLR4)的影响在最近之前尚不清楚。
该蛋白的单体形式(92个氨基酸,10.2 kDa)由两个通过柔性连接区相连的EF-手型螺旋-环-螺旋结构组成。C端EF-手包含经典的Ca2+结合基序,而N端EF-手则具有S100蛋白特异性的延长环结构(“假EF-手”),并表现出降低的Ca2+亲和力。S100A12与Ca2+的结合可诱导该蛋白C末端发生显著的构象变化,导致每个单体暴露出一个疏水区域,从而形成二聚化界面。因此,在生理条件下,S100A12形成的最小四级结构是一个非共价结合的二聚体(约21 kDa),其中单体呈反向平行排列。当形成二聚体时,S100A12被报道能够以高亲和力螯合Zn2+以及其他二价金属离子,例如Cu2+7。这些离子由一个亚基中的H15和D25以及反向平行的另一个亚基中的H85和H89通过配位作用结合于S100A12二聚体界面8,9,10。尽管早期研究提出Zn2+结合的S100A12可能诱导蛋白组装成同源四聚体(44 kDa)并导致Ca2+亲和力升高11,12,但近期的金属滴定研究表明S100A12结合Ca2+后会增强其对Zn2+的亲和力6。一旦S100A12的EF-手完全被Ca2+占据,额外的Ca2+被认为会结合在二聚体之间,从而触发六聚体的形成(约63 kDa)。六聚体的四级结构明显不同于四聚体,据推测四聚体界面被破坏,形成新的二聚体-二聚体界面,从而促进六聚体的组装10。S100A12几乎专一性地在人粒细胞中表达,约占所有胞质蛋白的5%13。在发挥DAMP功能时,S100A12历史上被描述为晚期糖基化终产物受体(RAGE)的多配体激动剂,曾被称为细胞外新发现的RAGE结合蛋白(EN-RAGE)14。尽管我们早前报道过S100A12在生化水平上可结合RAGE和TLR415,但最近我们证明人单核细胞对S100A12的刺激响应依赖于TLR416。这一过程需要S100A12组装成由Ca2+/Zn2+诱导形成的六聚体四级结构16。
本文描述了一种用于纯化重组人源S100A12蛋白及其离子诱导寡聚体以进行免疫细胞刺激的实验流程16,17。该方法基于两步层析策略,首先采用阴离子交换柱分离并浓缩目标蛋白,同时去除大量污染物(例如内毒素/脂多糖)18。离子交换层析介质依据蛋白质表面净电荷的差异实现分离。对于S100A12等酸性蛋白(等电点为5.81),在pH 8.5条件下使用强阴离子交换树脂可实现良好的分离效果。结合在树脂上的蛋白质通过高盐缓冲液梯度洗脱。随着离子强度的增加,洗脱缓冲液中的阴离子与蛋白质竞争树脂表面的电荷位点,不同蛋白质根据其净电荷大小依次被洗脱。因此,本文所述缓冲体系可用于分离和富集过表达的S100A12蛋白。由于脂多糖分子含有带负电荷的基团,它们也能结合到阴离子交换树脂上,但因其具有更高的净负电荷,会在高盐梯度洗脱的后期被洗出。纯化流程的第二步为精纯步骤,利用S100A12的钙离子结合能力,通过疏水相互作用层析柱去除残留杂质。S100A12结合钙离子后发生构象变化,暴露出蛋白表面的疏水区域,从而与树脂的疏水表面结合。当加入EDTA螯合钙离子后,该相互作用被逆转,蛋白被洗脱下来。在钙离子和锌离子等金属离子存在的情况下,S100A12可组装成同源寡聚体。为了研究不同寡聚体的结构与功能关系,我们使用化学交联剂稳定了二聚体、四聚体和六聚体形式的重组S100A12,并通过凝胶过滤层析柱将这些复合物分离开来。最后,为分析纯化后的蛋白及其离子诱导寡聚体的功能性和生物学活性,可比较S100A12与LPS刺激单核细胞后细胞因子的释放情况。
迄今为止,已有多种纯化S100A12的方法被报道。例如,Jackson等人19发表了一种通过阴离子交换柱和随后的尺寸排阻色谱进行纯化的方案。在尺寸排阻柱上进行的纯化精制步骤可获得良好的效果,但由于上样体积有限等原因,在放大生产方面灵活性较低。Kiss等人20发表的另一种方法则以Ni2+亲和柱纯化带标签蛋白作为第一步,随后通过酶切去除标签并进行进一步的纯化步骤。与前述研究19,20不同,本方案所制备的蛋白旨在用于免疫细胞实验。因此,来自细菌培养物的残留内毒素污染是一个挑战。尽管迄今为止已有多种内毒素去除方法被描述,但尚无一种通用方法可对所有蛋白溶液均实现同等高效的去内毒素效果21,22。
总之,我们的实验方案结合了在细菌系统中进行无标签表达的优势,以及高效的内毒素去除和高产量纯化蛋白的特点。
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注意:缓冲液和储备溶液的配制请参见补充表1。
1. 蛋白质表达在 E. coli
2. 蛋白质纯化
3. 内毒素的检测与去除
4. 化学交联与寡聚体分离
5. 单核细胞的功能检测
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经过阴离子交换柱(AIEX)预纯化(图1A-C)以及随后的钙离子依赖性疏水相互作用层析(HIC)(图2A,B)后,获得了高纯度的蛋白(图2C)。此外,内毒素检测结果显示脂多糖(LPS)被成功去除。AIEX步骤后的LPS含量在1:10稀释条件下高于检测限,即高于500 EU/mL。经过50 kDa滤膜的第一次过滤后,LPS含量降低至1 EU/mL。随后使用3 kDa滤膜进行浓缩,并再次通过50 kDa滤膜过滤,最终测得的LPS污染水平为0.08 EU/mL。
作为额外对照,用人源野生型蛋白刺激人单核细胞(图3A,B)。多粘菌素B处理可消除脂多糖(LPS)刺激单核细胞所引起的TNFα释放,但对S100A12无此作用。另一方面,对LPS和S100A12...
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在本方案中,我们描述了人源S100A12蛋白的无标签细菌表达、纯化,以及分离为不同离子诱导的寡聚体以用于免疫细胞刺激。与已发表的关于S100A12蛋白纯化的文献相比8,23,24,高浓度CaCl₂的使用2 据我们所知,使用25 mM CaCl₂进行疏水相互作用层析的方法是独特的。尽管已有若干采用1至5 mM浓度的方案能够获得纯化的蛋白质,但我们采用25 mM CaCl₂的策略所获得的蛋白产量显著更高。2 相反,这可能归因于蛋白质与柱材料相互作用的层级关系:S100A12 能够直接与柱材料结合,但过量的 Ca2+ 也可能促进S100A12二聚体与已结合在层析柱上的蛋白质之间的间接结合8因此,高 Ca2+ 浓度可能扩大可用于S100A12纯化的表面。疏水相互作用色谱(HIC)中S100A12的洗脱(采用线性梯度)呈现一个早...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究获得了明斯特大学医学院院内创新医学研究项目(Muenster University medical faculty intramural innovative medical research program,项目编号 KE121201,授予 C.K.)和德国研究基金会(DFG,项目编号 Fo354/3-1,授予 D.F.)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| pET11b 载体 | Novagen | ||
| BL21(DE3) 感受态 E. coli | 新英格兰生物实验室(New England Biolabs) | C2527 | |
| 100 倍非必需氨基酸 | 默克(Merck) | K 0293 | |
| 25% 盐酸 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | X897.1 | |
| 4−20% Mini-PROTEAN TGX 蛋白凝胶 | 伯乐(BioRad) | 4561093 | |
| 氨苄青霉素钠盐 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | HP62.1 | |
| BS3(双(磺基琥珀酰亚胺基)辛二酸酯)- 50 mg | 赛默飞世尔科技(ThermoFisher Scientific) | 21580 | |
| 氯化钙二水合物 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | 5239.1 | |
| 考马斯亮蓝 R250 脱色液 | 伯乐(BioRad) | 1610438 | |
| 考马斯亮蓝 R250 染色液 | 伯乐(BioRad) | 1610436 | |
| EasySep 人单核细胞富集试剂盒 | Stemcell | 19059 | 磁性阴性细胞分离试剂盒 |
| 乙二胺四乙酸二钠盐二水合物 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | 8043.1 | |
| EGTA | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | 3054.3 | |
| EndoLISA | Hyglos | 609033 | 内毒素检测试剂盒 |
| 无内毒素超纯水 | 西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich) | TMS-011-A | 用于配制无内毒素缓冲液的超纯水 |
| EndoTrap red | Hyglos | 321063 | 内毒素去除树脂 |
| FBS(热灭活) | 吉布科(Gibco) | 10270 | |
| HBSS,无钙,无镁 | 赛默飞世尔科技(ThermoFisher Scientific) | 14175053 | |
| Hepes | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | 9105 | |
| Hepes(高纯度,经内毒素检测) | 西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich) | H4034 | |
| 人 TNF-α - OptEia ELISA 试剂盒 | BD | 555212 | |
| IPTG(异丙基-ß-D-硫代半乳糖吡喃糖苷) | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | CN08.1 | |
| L-谷氨酰胺(200 mM) | 默克(Merck) | K 0282 | |
| LB 培养基 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | X968.1 | |
| 来自 E. coli O55:B5 的脂多糖 | 默克(Merck) | L6529 | |
| Pancoll,人源 | PAN Biotech | P04-60500 | 分离液(密度梯度离心) |
| 青霉素/链霉素(10,000 U/mL) | 默克(Merck) | A 2212 | |
| 苯基 Sepharose 高性能树脂 | GE 医疗(GE Healthcare) | 17-1082-01 | 疏水相互作用层析用树脂 |
| 多粘菌素 B | Invivogen | tlrl-pmb | |
| 蛋白酶抑制剂片剂 | 罗氏(Roche) | 11873580001 | |
| Q Sepharose 快速流树脂 | GE 医疗(GE Healthcare) | 17-0510-01 | 阴离子交换层析用树脂 |
| RoboSep 缓冲液 | Stemcell | 20104 | 细胞分离缓冲液(第 5.1.4 节) |
| RPMI 1640 培养基 | 默克(Merck) | F 1215 | |
| 氯化钠(NaCl) | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | 3957.2 | |
| 氢氧化钠 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | P031.1 | |
| Tris 碱 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | 4855.3 | |
| 氯化锌 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | T887 | |
| 实验耗材 | |||
| 0.45 µm 注射器滤器 | 默克(Merck) | SLHA033SS | |
| 14 mL 圆底管 | BD | 352059 | |
| 2 L 锥形瓶 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | LY98.1 | |
| 24 孔悬浮培养板 | Greiner | 662102 | |
| 5 L 量杯 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | CKN3.1 | |
| 50 mL 圆锥形离心管 | 康宁(Corning) | 430829 | |
| 50 mL 高速离心管 | 艾本德(Eppendorf) | 3,01,22,178 | |
| Amicon Ultra-15 离心过滤单元,截留分子量 3 kDa | 默克(Merck) | UFC900324 | |
| Amicon Ultra-15 离心过滤单元,截留分子量 50 kDa | 默克(Merck) | UFC905024 | |
| 培养皿(100 mm) | Sarstedt | 83.3902 | |
| 透析袋夹 | Spectrum | 132738 | |
| EasySep 磁力架“Big Easy” | Stemcell | 18001 | |
| 组分收集管(5 mL) | Greiner | 115101 | |
| Lumox 膜,25 µm,305 mm × 40 m | Sarstedt | 94,60,77,316 | 单核细胞培养板用膜 |
| Spectra/Por 透析膜(3.5 kDa) | Spectrum | 132724 | |
| Steritop 滤器单元 | 默克(Merck) | SCGPT01RE | |
| 仪器设备 | |||
| 37 °C 摇床培养箱 | New Brunswick Scientific | Innova 42 | |
| ÄKTA purifier UPC 10 | GE 医疗(GE Healthcare) | FPLC 系统 | |
| 组分收集器 | GE 医疗(GE Healthcare) | Frac-920 | |
| 离心机(配备 A-4-81 转子) | 艾本德(Eppendorf) | 5810R | |
| 固定角转子 | 艾本德(Eppendorf) | F-34-6-38 | |
| Mini Protean Tetra 电泳槽 | 伯乐(BioRad) | 1658000EDU | |
| NanoPhotometer | Implen | P330 | |
| 超声破碎仪 | Brandelin | UW2070 | |
| 荧光读板仪 | Tecan | infinite M200PRO | |
| pH 计 | Knick | 765 |
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