在HEK293细胞中以低成本表达含有Avi序列的重组BDNF(BDNFAvi),并通过亲和层析进行纯化。随后在离心管中利用BirA酶对BDNFAvi进行直接单生物素标记。与 commercially available BDNF 相比,BDNFAvi 及单生物素化BDNFAvi 均保持其生物学活性。
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在HEK293细胞中以低成本表达含有Avi序列的重组BDNF(BDNFAvi),并通过亲和层析进行纯化。随后在离心管中利用BirA酶对BDNFAvi进行直接单生物素标记。与 commercially available BDNF 相比,BDNFAvi 及单生物素化BDNFAvi 均保持其生物学活性。
在HEK293细胞中表达含有Avi序列的重组BDNF(BDNFAvi),然后通过亲和层析以较低成本进行纯化。已建立一种可重复的实验方案,可在离心管中利用BirA酶对BDNFAvi进行直接 单一位点生物素标记。在此反应中,单生物素标记的BDNFAvi仍保持其生物学活性。
神经营养因子是一类由靶细胞来源的生长因子,在神经元的发育和维持中发挥重要作用。它们需要通过内吞途径中的快速运输机制,以实现不同神经元区室之间的长距离信号传递。用于研究神经营养因子转运的分子工具的开发,使得在细胞内精确追踪这些蛋白质成为可能 体内 记录。在本方案中,我们开发了一种优化且经济高效的单生物素化BDNF制备流程。通过在HEK293细胞中表达一种含有可生物素化Avi序列的重组BDNF变体(BDNFAvi),以微克级产量生产目标蛋白,随后采用亲和层析技术进行易于放大的纯化步骤。纯化后的BDNF可通过直接单步反应实现均一的单生物素化修饰 体外 在离心管中通过BirA酶进行反应。单生物素化的BDNF(mbtBDNF)可通过链霉亲和素与不同荧光染料偶联而具备生物学活性。BDNFAvi和mbtBDNF均保留其生物学活性,分别通过Western blot检测下游磷酸化靶蛋白以及转录因子CREB的激活得以验证。利用链霉亲和素偶联的量子点,我们能够观察到mbtBDNF的内化过程,并同时检测到CREB的激活,后者使用特异性识别磷酸化CREB的抗体进行检测。此外,与链霉亲和素-量子点偶联的mbtBDNF适用于在微流控培养室中培养的皮层神经元的逆向运输分析。因此,在离心管中制备的mbtBDNF是研究神经元中生理信号内体动态行为与运输过程的可靠工具。
神经元是神经系统的基本功能单位,具有复杂且特化的形态,能够实现突触通信,从而针对多种刺激产生协调而复杂的行为反应。树突和轴突等神经元突起是参与神经元通信的关键结构特征,而神经营养因子在决定这些突起的形态与功能方面起着至关重要的作用1。神经营养因子是一类分泌型生长因子家族,包括NGF、NT-3、NT-4以及脑源性神经营养因子(BDNF)2。在中枢神经系统(CNS)中,BDNF参与多种生物学过程,如神经传递、树突分支形成、树突棘的成熟以及长时程增强等3,4。因此,BDNF在调控神经元功能中发挥着关键作用。
多种细胞过程调控 BDNF 的动态变化及其功能。在神经元表面,BDNF 结合并激活原肌球蛋白受体激酶 B(TrkB)和/或 p75 神经营养因子受体(p75)。BDNF-TrkB 和 BDNF-p75 复合物被内吞,并分选至不同的内吞细胞器5,6,7,8。BDNF/TrkB 复合物的正确胞内运输对于不同神经环路中 BDNF 信号传导的正常功能至关重要9,10,11。因此,深入理解 BDNF 运输动态及其在病理生理过程中的改变,对于阐明 BDNF 在健康与疾病状态下的信号机制具有重要意义。开发新型且特异性的分子工具以监测该过程,将有助于推动该领域的发展,并更深入地揭示其中涉及的调控机制。
目前有多种工具可用于研究神经元中 BDNF 的运输。一种常用的方法是转染带有荧光分子(如绿色荧光蛋白(GFP)或GFP的单体红色荧光变体mCherry)标记的重组BDNF12,13。然而,BDNF过表达的一个主要缺点是无法递送已知浓度的这种神经营养因子。此外,它可能导致细胞毒性,从而干扰实验结果的解释14。另一种策略是转染带有表位标签的TrkB(如Flag-TrkB)。该方法可用于研究TrkB的内化动力学15,但也涉及转染过程,可能导致TrkB功能改变和细胞毒性。为了克服这些方法学上的局限性,研究人员开发了含有Avi序列(BDNFAvi)的重组NGF和BDNF变体,该序列可被生物素连接酶BirA单生物素化16,17。生物素化的重组BDNF可与多种链霉亲和素结合工具偶联,包括荧光染料、微珠、超顺磁性纳米颗粒等,用于检测。在活细胞成像方面,量子点(QD)已成为常用的荧光探针,与小分子荧光染料相比,其具有更高的亮度和抗光漂白能力,非常适合单颗粒追踪18。
利用BDNFAvi通过共转染表达BDNFAvi和BirA的质粒,成功制备了单生物素化BDNF(mbtBDNF),随后通过亲和层析纯化重组蛋白,每20 mL HEK293条件培养基可获得1–2 μg BDNF17. 此处,我们提出对该方案的改进,可从500 mL HEK293条件培养基中纯化BDNFAvi,旨在通过基于层析柱的纯化流程最大化蛋白回收率,同时便于操作。所使用的转染试剂聚乙烯亚胺(PEI)可在不牺牲转染效率的前提下实现低成本操作。单生物素标记步骤已调整为一种 体外 通过避免共转染带来的复杂性,确保BDNF标记的均一性。mbtBDNF的生物学活性已通过Western印迹和荧光显微镜实验得到验证,包括pCREB的激活以及利用微流控小室进行活细胞成像以研究BDNF的逆行轴突运输。该方案的使用可实现高产率、均一的单生物素化且具有生物学活性的BDNF的优化制备。
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所有实验均按照智利国家科学技术研究委员会(CONICYT)批准的指南进行。本研究中使用的方案已获得智利天主教大学生物安全、生物伦理与动物福利委员会的批准。涉及脊椎动物的实验已获得智利天主教大学生物伦理与动物福利委员会的批准。
注意:以下方案旨在从 HEK293 细胞产生的 500 mL 条件培养基总体积中纯化 BDNFAvi。用于纯化 BDNFAvi 的条件培养基的制备和处理量可根据需要进行放大或缩小。但在这些情况下,可能需要进一步优化。本方案中所用培养基和缓冲液的组成详见补充材料。
1. 从 HEK293 条件培养基中生产和纯化 BDNFAvi
2. 体外 利用BirA酶对BDNFAvi进行单生物素标记
3. mbtBDNF 生物学活性的验证
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基于层析柱的实验方案可实现对大量HEK293条件培养基的处理。在 图1,从500 mL条件培养基中纯化BDNFAvi的结果如图所示。连续从Ni-NTA琼脂糖珠上洗脱BDNFAvi,其浓度逐渐降低(图1A)。经过四次连续洗脱(每次持续15分钟)后,磁珠捕获的大部分BDNF得以回收。洗脱液的浓度范围为6至28 ng/μL,总产量约为 60 μg BDNFAvi的表1)。所产生的BDNFAvi随后通过一种高效的方式被生物素化 体外 由BirA-GST介导的反应,表现为上清液中缺乏非生物素化的BDNFAvi(图1B)请注意,此处介绍的生物素标记方法 图1B 对应于产生的总BDNF的一个等分试样,但反应可根据需要放大以适用于更大的体积。
随后,采用两种不同的实验方法评估了mbtBDNF的生物学活性。首先...
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本文描述了一种基于亲和层析技术的mbtBDNF蛋白制备与纯化流程的优化方法,该方法基于Sung及其合作者的研究工作17。优化内容包括使用一种成本较低的转染试剂(PEI),同时保持了脂质体转染试剂(如lipofectamine)等更昂贵转染方法的高效性。这一优化显著降低了实验方案的整体成本,实现了可扩展性的同时保持了高性价比。该方案还考虑了操作便利性,例如可将条件培养基冷冻保存长达2个月。这些优化使该流程能够适应不同实验室的具体需求,提升成本效益,并获得均一且具有生物活性的重组BDNF蛋白。此外,该方案也可通过将层析装置替换为在锥形管中利用重力沉降磁珠的方式,适用于小规模生产。尽管这是一种可行的方法,但其耗时较长,且根据我们的经验,产量较低。随后,生物素标记的BDNF可偶联至多种链霉亲和素结合探针,包括荧光染料和超顺磁性纳米颗粒,从而成为研究BDNF内吞后运输过程的有力工具。因此,这一经过优化且操作简便的蛋白制备方案对于从事该领域研究的实验室具有重要应用价值。
在原核系统中表达具有复杂翻译后修饰的重组蛋白(如BDNF
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者衷心感谢以下机构提供的经费支持:Fondecyt(1171137)(FCB)、科学与技术基础卓越中心(AFB 170005)(FCB)、千禧年中心(P07/011-F)(FCB)、惠康信托资深研究员奖(107116/Z/15/Z)(GS)以及英国痴呆症研究中心基金会资助(GS)。本研究得到了天主教大学先进显微镜单元(UMA UC)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 二通旋塞阀 | BioRad | 7328102 | 层析装置组件 |
| 2-巯基乙醇 | Sigma | M6250 | BDNF 洗脱缓冲液 |
| 丙烯酰胺/双丙烯酰胺 | BioRad | 1610154 | SDS-PAGE 凝胶制备 |
| Amicon Ultra-15 10K | Millipore | UFC901024 | BDNF 浓缩 |
| 过硫酸铵 | Sigma | A9164 | SDS-PAGE 凝胶制备 |
| 抗 B-III-微管蛋白抗体 | Sigma | T8578 | 用于检测 BDNF 生物活性的 Western 印迹实验 |
| 抗 BDNF 抗体 | Alomone | AGP-021 | 用于定量 BDNF 的 Western 印迹实验 |
| 抗 BDNF 抗体 | Alomone | ANT-010 | 用于定量 BDNF 的 Western 印迹实验 |
| 抗 ERK 抗体 | Cell Signaling | 9102 | 用于检测 BDNF 生物活性的 Western 印迹实验 |
| 抗 pCREB 抗体 (S133) | Cell Signaling | 9198 | 用于检测 BDNF 生物活性的 Western 印迹实验 |
| 抗 pERK 抗体 (T202, Y204) | Cell Signaling | 4370 | 用于检测 BDNF 生物活性的 Western 印迹实验 |
| 抗 pTrkB 抗体 (Y515) | Abcam | ab109684 | 用于检测 BDNF 生物活性的 Western 印迹实验 |
| 抗生素/抗真菌剂 | Gibco | 15240-062 | HEK293 细胞维持 |
| ATP | Sigma | A26209 | BDNF 单生物素化缓冲液 |
| B-27 添加剂 | Gibco | 17504-044 | 神经元维持 |
| 双(2-羟乙基)亚氨基三乙酸(Bicine) | Sigma | B3876 | BDNF 单生物素化缓冲液 |
| BirA-GST | BPS Bioscience | 70031 | 用于 BDNF AviTag 单生物素化的酶 |
| 胎牛血清 | HyClone | HC.SH30396.02 | HEK293 细胞维持 |
| 牛血清白蛋白 | Jackson ImmunoResearch | 001-000-162 | BDNF 缓冲液修饰组分,Western 印迹和免疫荧光实验的封闭缓冲液 |
| D-生物素 | Sigma | B4639 | BDNF 单生物素化缓冲液 |
| DMEM 高糖培养基 | Gibco | 11965-092 | 神经元接种 |
| DMEM 培养基 | Gibco | 11995-081 | HEK293 细胞维持 |
| Econo 柱漏斗 | BioRad | 7310003 | 层析装置组件 |
| EDTA | Merck | 108418 | |
| EZ-ECL 试剂盒 | Biological Industries | 1633664 | 通过 Western 印迹检测蛋白质 |
| Glutamax | Gibco | 35050-061 | 神经元和 HEK293 细胞维持 |
| 甘油 | Merck | 104094 | BDNF 洗脱缓冲液,Western 印迹实验的裂解缓冲液 |
| Hettich Rotina 46R 离心机 | Hettich | 已停产 | 用于清除培养基中碎片的离心机 |
| Hettich Universal 32R 离心机 | Hettich | 已停产 | 用于蛋白浓缩器离心的离心机 |
| 马血清 | Gibco | 16050-122 | 神经元接种 |
| ImageQuant LAS 500 | GE Healthcare Life Sciences | 29005063 | Western 印迹图像采集 |
| 咪唑 | Sigma | I55513 | BDNF 缓冲液修饰组分 |
| KCl | Winkler | BM-1370 | PBS 组分 |
| KH2PO4 | Merck | 104873 | PBS 组分 |
| 层粘连蛋白 | Invitrogen | 23017-015 | 用于分隔式神经元的盖片包被 |
| Luer 接头管适配器 | BioRad | 7323245 | 层析装置组件 |
| Luminata™ Forte Western HRP 底物 | Millipore | WBLUF0100 | 通过 Western 印迹检测蛋白质 |
| Mg(CH3COO)2 | Merck | 105819 | BDNF 单生物素化缓冲液 |
| Mowiol 4-88 | Calbiochem | 475904 | 免疫荧光实验的封片试剂 |
| MyOne C1 链霉亲和素磁珠 | Invitrogen | 65001 | 生物素化验证 |
| Na2HPO4 | Merck | 106586 | BDNF 缓冲液修饰组分 |
| NaCl | Winkler | BM-1630 | PBS 组分,BDNF 缓冲液修饰组分 |
| NaH2PO4 | Merck | 106346 | BDNF 缓冲液修饰组分 |
| Neurobasal 培养基 | Gibco | 21103-049 | 神经元维持 |
| Ni-NTA 琼脂糖珠 | Qiagen | 30210 | BDNF AviTag 纯化 |
| Nikon Ti2-E | Nikon | 用于荧光成像的显微镜 | |
| 硝酸纤维素膜 | BioRad | 1620115 | Western 印迹中的蛋白转膜 |
| ORCA-Flash4.0 V3 数字 CMOS 相机 | Hamamatsu | C13440-20CU | 用于落射荧光成像的相机 |
| P8340 蛋白酶抑制剂混合物 | Sigma | P8340 | BDNF 缓冲液修饰组分 |
| 多聚甲醛 | Merck | 104005 | 免疫荧光实验的固定剂 |
| 青霉素/链霉素 | Gibco | 15140-122 | 神经元维持 |
| 多聚-D-赖氨酸 | Corning | DLW354210 | 用于分隔式神经元的盖片包被 |
| 多聚-L-赖氨酸 | Millipore | P2363 | 用于非分隔式神经元的盖片包被 |
| Poly-Prep 层析柱 | BioRad | 7311550 | 层析装置组件 |
| 聚乙烯亚胺 25K | Polysciences Inc. | PLY-0296 | HEK293 转染 |
| 量子点 655 链霉亲和素偶联物 | Invitrogen | Q10121MP | 用于活细胞和固定细胞实验的单生物素化 BDNF AviTag 标记 |
| 皂苷 | Sigma | S4521 | 免疫荧光实验用去垢剂 |
| Syldgard 184 硅酮弹性体基质 | Poirot | 4019862 | 微流控腔室制备 |
| TEMED | Sigma | T9281 | SDS-PAGE 凝胶制备 |
| Tris | Winkler | BM-2000 | 裂解缓冲液组分 |
| Triton X100 | Merck | 108603 | 免疫荧光和 Western 印迹实验中的细胞通透化 |
| 0.5% 胰蛋白酶-EDTA | Gibco | 15400-054 | HEK293 传代 |
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