本文介绍了一种利用天然细胞膜纳米颗粒系统结合电子显微镜技术测定膜蛋白寡聚状态的实验方案。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文介绍了一种利用天然细胞膜纳米颗粒系统结合电子显微镜技术测定膜蛋白寡聚状态的实验方案。
细胞膜系统中的蛋白质-蛋白质相互作用在多种生物过程中发挥着关键作用——从细胞间的相互作用到信号转导;从感知环境信号到产生生物学响应;从代谢调控到发育控制。准确的蛋白质-蛋白质相互作用结构信息对于理解膜蛋白复合物的分子机制以及设计高特异性分子来调控这些蛋白至关重要。目前已有多种体内和体外方法被开发用于检测和分析蛋白质-蛋白质相互作用。其中,结构生物学方法的独特之处在于能够提供原子水平上蛋白质-蛋白质相互作用的直接结构信息。然而,当前的膜蛋白结构生物学研究在很大程度上仍局限于基于去垢剂的方法。基于去垢剂方法的主要缺点是,当去垢剂分子移除膜蛋白原本所处的脂双层环境后,常常会导致膜蛋白复合物解离或变性。我们一直在开发一种 用于膜蛋白结构生物学研究的天然细胞膜纳米颗粒系统。在此,我们通过AcrB寡聚状态的案例研究,展示该系统在细胞膜上蛋白质-蛋白质相互作用分析中的应用。
蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)在生物学中发挥着关键作用,从维持蛋白质的结构与功能,到调控整个生物系统均离不开此类作用。PPI 具有多种不同形式,可根据其相互作用类型进行分类。其中一种分类方式是根据相互作用是否发生在相同亚基之间或作为亚基的不同蛋白质之间,将其分为同源寡聚体或异源寡聚体。另一种分类方式则基于相互作用的强度,即这些相互作用是否形成稳定的复合物或短暂存在的复合状态。关于蛋白质之间 PPI 的结构信息,对于理解蛋白质执行其功能的机制至关重要。据估计,超过 80% 的蛋白质依赖于复合物的形成来实现其功能作用1。鉴于大量蛋白质被发现依赖 PPI 实现正常固有功能,其在生物学中的重要性显而易见;然而,由于现有实验技术在观测蛋白质何时形成 PPI 方面存在局限性,对参与这些相互作用的蛋白质进行深入研究仍然具有挑战性。
由于目前许多蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)检测技术会产生大量噪声、假阳性和假阴性结果,导致针对许多实验测定的PPI结果之间存在高度不一致。这一问题在酵母双杂交(Y2H)系统、串联亲和纯化-质谱法(TAP-MS)和荧光共振能量转移(FRET)中尤为突出,这三种方法是目前最常用的PPI检测手段2,3,4,5,6,7。相比之下,蛋白质结构生物学技术,如核磁共振(NMR)、X射线晶体学和电子显微镜(EM),能够提供原子水平分辨率的蛋白质-蛋白质相互作用结构信息,并允许直接可视化验证目标蛋白之间的相互作用。目前所有非基于结构的PPI研究技术(例如Y2H、TAP-MS和FRET)均缺乏这种能力,且在识别蛋白质之间弱相互作用和瞬时相互作用方面存在困难5。当研究膜蛋白时,这些局限性更为显著,因为脂质环境这一额外变量增加了复杂性,影响了正确四级结构的形成以及异源复合物的组装。
膜蛋白构成了蛋白质组的很大一部分,已知在所有生物体的正常细胞功能中发挥着许多关键作用。尽管膜蛋白估计占人类基因组的27%,并构成了目前约60%的药物靶点,但已解析的膜蛋白结构模型数量却存在显著差异,仅占所有已发表蛋白质结构的约2.2%8,9,10。这种结构信息匮乏的主要原因在于膜蛋白自身的固有特性。由于其溶解性差、依赖与脂质环境的相互作用以维持天然结构和功能,以及脂质膜本身的各种理化性质,膜蛋白在应用结构生物学技术对其进行研究时仍构成重大挑战。在这些固有特性中,获取准确结构信息最关键的要素是膜蛋白必须与其天然脂质环境相互作用,才能维持其天然结构和功能。脂质环境对膜蛋白的结构与功能至关重要,以至于“膜蛋白”(memtein,即 membrane 与 protein 的组合)这一概念已被提出,作为膜蛋白结构与功能的基本单位11。尽管脂质-蛋白相互作用至关重要,但目前可用的基于结构的蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)检测技术通常要求被研究的蛋白质具有可溶性,或需使用去垢剂将其增溶。暴露于强效去垢剂可能导致蛋白质变性,或因脱脂作用引发假阳性与假阴性结果,进而导致蛋白聚集、变性、非共价相互作用解离以及人工寡聚状态的形成。鉴于必须维持天然脂质环境以准确测定膜蛋白的天然寡聚状态,我们开发了一种天然细胞膜纳米颗粒系统(Native Cell Membrane Nanoparticles, NCMNs)12,该系统基于先前报道的苯乙烯马来酸脂质颗粒(Styrene Maleic Acid Lipid Particles, SMALP)方法13。
SMALP 利用苯乙烯-马来酸共聚物作为膜活性聚合物,用于提取和增溶膜蛋白。苯乙烯-马来酸共聚物(SMA)是一种独特的两亲性聚合物,因其含有疏水性的苯乙烯部分和与之性质截然相反的亲水性马来酸部分。SMA 通过吸附、破坏并瓦解细胞膜,在依赖 pH 的机制下形成纳米颗粒14。正是 SMA 的这种功能活性使其能够作为无去垢剂系统,用于膜蛋白的提取与增溶。NCMN 系统在多个方面与 SMALP 系统不同。NCMN 系统最显著的特点在于其拥有一个包含多种聚合物的膜活性聚合物文库,这些聚合物具有独特性质,适用于在不同稳定条件和天然功能需求下分离多种不同的膜蛋白。此外,在纳米颗粒制备流程方面,NCMN 系统也采用了与 SMALP 方法不同的实验方案。例如,NCMN 可使用单步镍亲和层析进行纯化,以实现高分辨率结构解析;比较两种方法时可观察到这些不同操作带来的影响:采用 NCMN 方案获得了分辨率为 3.2 Å 和 3.0 Å 的 AcrB 蛋白冷冻电镜结构,而使用 SMALP 方法的类似研究仅得到分辨率为 8.8 Å 的 AcrB 冷冻电镜结构12,15。NCMN 系统的这些独特特性是对已有 SMALP 方法的改进,使其成为研究蛋白质相互作用(PPIs)的理想选择。
多药外排转运蛋白 AcrB 在 E. coli 中以功能性同源三聚体形式存在12。一项诱变分析表明,位于负责 AcrB 三聚体稳定性的环状结构上的单个 P223G 点突变,在使用去垢剂 DDM 制备时会破坏三聚体状态,形成可被天然蓝色凝胶电泳检测到的 AcrB 单体16。然而,对 AcrB-P223G 突变体的 FRET 分析表明,在天然细胞膜脂双层环境中,大多数 AcrB-P223G 突变体仍以三聚体形式存在,且野生型 AcrB 与 AcrB-P223G 的表达水平相似。尽管如此,转运蛋白活性检测结果显示,该突变体的活性相较于野生型显著降低16。虽然 FRET 技术已被广泛用于蛋白质-蛋白质相互作用的研究,但已有研究显示其常产生假阳性结果17,18,19,20。
最近,利用NCMNs12解析出了AcrB三聚体的高分辨率冷冻电镜结构,揭示了AcrB与其相关的天然细胞膜脂双层之间的相互作用。原则上,NCMNs可被直接用于分析天然细胞膜上存在的蛋白质-蛋白质相互作用。在对该系统的测试中,实验利用天然细胞膜纳米颗粒和负染电子显微镜技术,直接观察了AcrB-P223G的寡聚状态。为了与野生型AcrB纳米颗粒进行比较,我们采用了相同的膜活性聚合物(实验室自制的SMA2000,在NCMN文库中编号为NCMNP1-1),该聚合物此前曾用于AcrB高分辨率冷冻电镜结构的解析,同时也使用了NCMNs文库中收录的其他替代性聚合物12。根据先前报道的结果,预期大多数AcrB-P223G突变体将以三聚体形式存在于天然细胞膜纳米颗粒中21。然而,在样品中并未发现如野生型AcrB中所观察到的AcrB三聚体。这表明,大多数AcrB-P223G在天然细胞膜上并不像此前推测的那样形成三聚体。
此处我们报告对突变体的详细分析 E. coli AcrB-P223G 与野生型的比较 E. coli 使用NCMNs研究AcrB。该AcrB案例研究表明,NCMNs是进行蛋白质-蛋白质相互作用分析的良好系统。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 蛋白质表达
2. 细胞裂解与膜分离
3. 天然细胞膜纳米颗粒的制备
4. SDS-PAGE 凝胶电泳
5. 使用 DDM 进行蛋白质纯化
注意:进行此纯化过程的目的是作为利用膜活性聚合物的实验的对照。
6. 负染网格制备
7. 透射电子显微镜成像
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
使用本文所述方法,可制备样品 E. coli AcrB 野生型和 E. coli 突变型AcrB-P223G被纯化后,将样品吸附至碳支持膜负染电镜载网上,采用乙酸铀酰通过侧向滤纸吸除法进行染色22负染色图像采用透射电子显微镜采集。使用DDM纯化的AcrB野生型样品的负染色图像显示,溶液中颗粒均一且分散,蛋白呈现出结构清晰的三聚体四级结构。图1A)。这些三聚体结构在纯化后与观察到的尺寸排阻色谱结果相对应(补充图1)。相比之下,观察使用 DDM 纯化的 AcrB-P223G 突变体的负染图像时,可发现溶液中含有多种粒径的纳米颗粒,呈多分散状态,并倾向于聚集,但未观察到明显的天然三聚体图1B)。这些结果也得到了尺寸排阻色谱(size exclusion chromatography)过程中观察到的洗脱曲线的支持。补充图1)。为了确定突变体缺乏三聚体状态蛋白是由于去垢剂处理所致...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
蛋白质-蛋白质相互作用对于膜蛋白的结构完整性和功能至关重要。已有多种方法被开发用于研究蛋白质-蛋白质相互作用。与可溶性蛋白相比,由于膜蛋白自身独特的内在特性,膜蛋白及其蛋白质相互作用(PPIs)更难研究。这一困难主要源于膜蛋白需要嵌入天然脂双层环境中才能维持其结构稳定性和功能活性。这带来了一个问题:为了获得蛋白质的高分辨率结构,必须将其从细胞膜中提取出来。FRET 是一种常用于研究细胞膜上蛋白质-蛋白质相互作用的技术,然而其分辨率较低,且常产生假阳性结果17,18,19,20。本文首次证明,可通过在天然细胞膜上对野生型 AcrB 三聚体和 AcrB-P223G 单体进行结构分析,并与先前基于 FRET 的分析结果进行比较,利用 NCMNs 研究膜蛋白的蛋白质-蛋白质相互作用。通过比较野生型 AcrB 与 AcrB-P223G 的电子显微镜单颗粒图像,结果表明,在使用膜活性聚合物(如 ...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
Y.G 被列为膜活性聚合物 NCMNP5-2 和 NCMN 系统的发明人。
本研究由弗吉尼亚联邦大学(VCU)启动资金(资助编号:Y.G.)以及美国国立卫生研究院(NIH)下属国家普通医学科学研究所资助(资助编号:R01GM132329,Y.G.)。本研究内容仅由作者负责,不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。我们感谢Montserrat Samso和Kevin McRoberts在视频录制方面提供的大力支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 化学试剂 | |||
| 30% 丙烯酰胺/BIS 溶液 (37.5:1) | Bio-Rad | 161-0158 | |
| 4x Laemmli 上样缓冲液(上样缓冲液) | Bio-Rad | 1610747 | |
| 冰醋酸 | ThermoFisher Scientific | A38S-212 | |
| 过硫酸铵(APS) | Bio-Rad | 161-0700 | |
| 氯霉素 | Goldbio | C-105-5 | |
| 考马斯亮蓝 R-250 蛋白染色粉 | Bio-Rad | 161-0400 | |
| DTT(二硫苏糖醇)(> 99% 纯度)无蛋白酶 | Goldbio | DTT10 | |
| 甘油 | ThermoFisher Scientific | G33-4 | |
| HEPES | ThermoFisher Scientific | BP310-1 | |
| 咪唑 | Affymetrix | 17525 1 KG | |
| IPTG | Goldbio | I2481C100 | |
| 卡那霉素 | Goldbio | K-120-25 | |
| 六水合氯化镁 | ThermoFisher Scientific | AA3622636 | |
| 甲醇 | ThermoFisher Scientific | A412-4 | |
| N,N-二甲基乙二胺(EDTA) | Merck | 8.03779.0100 | |
| NCMNS-P5-2 | 尚未商业化供应 | 请向通讯作者提交获取申请 | |
| Precision Plus Protein 双色标准蛋白 Marker | Bio-Rad | 161-0374 | |
| SDS(十二烷基硫酸钠) | Bio-Rad | 161-0301 | |
| SMA2000 | Cray Valley | 请向通讯作者提交获取申请 | |
| 氯化钠 | ThermoFisher Scientific | S271-10 | |
| TCEP-HCl | Goldbio | TCEP25 | |
| TEMED | Bio-Rad | 161-0800 | |
| 优质肉汤培养基(Terrific Broth Media) | Affymetrix | 75856 1 KG | |
| Tris 碱 | Bio-Rad | 161-0719 | |
| 醋酸铀酰 | Ambinter | Amb22348393 | |
| 设备 | |||
| Avanti J-26S XPI | Beckman Coulter | B14538 | |
| Avanti JXN-30 | Beckman Coulter | B34193 | |
| 碳支持膜电镜铜网(10 nm) | Electron Microscopy Sciences | CF300-Cu-TH | |
| Con-Torque 组织匀浆器 | Eberbach | E7265 | |
| Corning LSE 小型微量离心机 | ThermoFisher Scientific | 07-203-954 | |
| EmulsiFlex-C3 | Avestin | ||
| 自动组分收集器 F9-R | GE Healthcare Life Sciences | 29003875 | |
| Mini-PROTEAN Tetra 垂直电泳槽 | Bio-Rad | 165-8004 | |
| NanoDrop 2000 分光光度计 | ThermoFisher Scientific | ND-2000 | |
| Optima L-90K 超速离心机 | Beckman Coulter | PN LL-IM-12AB | |
| PELCO easiGlow 电晕放电清洗系统 | Ted Pella | 91000S-230 | |
| Potter-Elvehjem 安全研磨组织研磨器 | Wheaton | 358013 | |
| PowerPac Basic 电源供应器 | Bio-Rad | 164-5050 | |
| Razel R99-E 可调速注射泵 | Razel Scientific Instruments | ||
| Superdex 200 Increase 10/300 GL | GE Healthcare Life Sciences | 28990944 | |
| Tecnai F20 200kV 透射电子显微镜 | FEI | ||
| Type 70 Ti 固定角转子 | Beckman Coulter | ||
| 通用耗材 | |||
| 1.5 ml 微量离心管 | ThermoFisher Scientific | 05-408-129 | |
| 4 ml Amicon Ultra-4 30 kDa 超滤管 | Millipore Sigma | UFC803024 | |
| AKTA pure 25 L1 FPLC 系统 | GE Healthcare Life Sciences | 29018225 | |
| BL21(DE3)pLysS 感受态细胞 | ThermoFisher Scientific | C606003 | |
| Falcon 50 ml 圆锥形离心管 | ThermoFisher Scientific | 14-959-49A | |
| HisTrap HP 5 ml 层析柱 | GE Healthcare Life Sciences | 17524802 | |
| pET-24a 质粒 | EMD Biosciences | 69749-3 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。