这项工作详细介绍了如何制备同位素标记的膜蛋白样品并使用现代固体 NMR 波谱方法对其进行高分辨率分析的稳健基本例程。
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这项工作详细介绍了如何制备同位素标记的膜蛋白样品并使用现代固体 NMR 波谱方法对其进行高分辨率分析的稳健基本例程。
膜蛋白对细胞功能至关重要,因此是重要的药物靶标。固体核磁共振 (ssNMR) 波谱为探测日益复杂的生物膜中此类蛋白质的结构和动力学提供了一种独特的途径。在这里,我们提出了现代固体 NMR 波谱作为在天然脂质膜和原子尺度上研究蛋白质结构和动力学的工具。这种波谱研究受益于使用高灵敏度的 ssNMR 方法,即质子(1H)检测到的 ssNMR 和 DNP(动态核极化)支持的 ssNMR。使用细菌外膜 β 桶蛋白 BamA 和离子通道 KcsA,我们提出了制备同位素标记的膜蛋白并通过 ssNMR 获得结构和运动信息的方法。
在生理相关环境中对膜蛋白进行结构和运动研究对传统的结构生物学技术构成挑战1。现代固体核磁共振波谱 (ssNMR) 方法为膜蛋白的表征提供了一种独特的方法 2,3,4,5,6,7,长期以来一直用于研究膜蛋白,包括膜嵌入的蛋白质泵 8、通道 9、10、11 或受体12,13,14,15。超高磁场 >1,000 MHz、快速魔角旋转频率 >100 kHz 和超极化技术16 等技术进步使 ssNMR 成为在从脂质体到细胞膜甚至整个细胞的日益复杂的环境中研究膜蛋白的强大方法。例如,DNP 已成为此类实验的有力工具(参见参考文献 17,18,19,20,21,22,23,24,25)。最近,1H 检测到的 ssNMR 为以高光谱分辨率和灵敏度研究膜蛋白提供了越来越多的可能性 25,26,27,28,29。这项工作重点介绍了两种参与基本功能的细菌膜蛋白,即蛋白质插入和离子转运。相应的蛋白质 BamA 25,30,31,32,33 和 KcsA 23,27,28,34,35,36,37,38,39(或其嵌合变体 10,40)已通过 ssNMR 进行了检测方法十多年来一直有效。
这里介绍了细菌来源膜蛋白的制备和 ssNMR 表征的代表性方案。该协议的不同步骤如图 1 所示。首先,解释了 BamA 的表达、同位素标记、纯化和膜重构。然后,提出了通过 ssNMR 表征膜蛋白的一般工作流程;具体来说,使用 1H 检测到的 ssNMR 在快速魔角旋转下分配膜蛋白骨架。最后,详细介绍了动态核极化 (DNP) 支持的实验的基本设置和采集,这些实验显著提高了 ssNMR 信号灵敏度。
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1. 生产均匀标记的 2H、 13C、 15N 标记的 BamA-P4P5
注意:虽然该协议需要与非致病性革兰氏阴性菌一起工作,但必须遵守基本的生物安全程序,即佩戴安全眼镜、实验服、手套,并遵循与微生物一起工作的机构标准作程序。
2. 纯化、重折叠和 BamA-P4P5 蛋白质脂质体形成
注意:本节的所有步骤都应在通风橱中进行。离心后打开试管时必须特别小心,以限制有害气溶胶。
3. 填充 ssNMR 转子
4. 通过 2D 13C- 13C ssNMR 波谱进行样品表征
5. 通过 1个 H 检测到的 3D ssNMR 波谱进行主链分配
6. 通过 1H 检测的 ssNMR 波谱进行蛋白质动力学分析
7. 动态核极化
注:以下制备步骤与使用 3.2 mm 蓝宝石 MAS 转子的商业 DNP 设置有关(图 6)20。使用氧化锆转子或其他 DNP 设备可能会导致较低的 DNP 信号增强。
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图 2 显示了包涵体纯度(图 A)和包涵体复性(图 B3)的代表性凝胶。 图 2 证实了 13 C,15N 标记的 BamA-P4P5 的成功纯化。
图 3A 显示了有序膜蛋白的典型 2D 13 C-13C 光谱,图 3B 显示了全氘化膜蛋白的典型高质量 2D 15N1H 光谱25。请注意,这种膜蛋白表达为包涵体,因此跨膜部分也可以通过氘化进入。对于不在包涵体中表达的膜蛋白,通常需要使用基于 H2O 的生长培养基 27,55,56,57。
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膜蛋白是原核生物和真核生物中重要细胞功能调节的关键参与者;因此,在原子分辨率水平上了解它们的作用机制至关重要。现有的结构生物学技术将对膜蛋白的科学理解推得相当远,但严重依赖从没有膜的体外系统收集的实验数据。在本文中,提出了一种实验方法,该方法允许利用尖端的固体 NMR 技术(即 fast-MAS 和 DNP)获得对嵌入天然样膜中的两种细菌膜蛋白的结构和功能的原子见解。该方法广泛适用于其他细菌膜蛋白。
该协议首先描述了一种以高产量和纯度生产和纯化三重同位素标记的 BamA 的稳健方法 (图 2A) - 可以采用其他稳定同位素标记方案。纯化方案利用表面活性剂活性和超声处理之间的协同作用,从 BamA 包涵体中去除细胞碎片。随后的重折叠看到 BamA-LDAO 胶束的形成(图 2B)。进一步添加脂质和透析有助于去除 LDAO 和残留的表面活性剂分子,从而促进形成适合固体...
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作者没有什么可披露的。
这项工作是研究计划 ECHO、TOP、TOP-PUNT、VICI 和 VIDI 的一部分,项目编号为 723.014.003、711.018.001、700.26.121、700.10.443 和 718.015.00,由荷兰研究委员会 (NWO) 资助。本文由 iNEXT-Discovery(项目编号 871037)提供支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 铵态铵 | 默克 | 277908 | |
| 氯化铵-15N 氯化 | Cortecnet | CN80P50 | |
| 氨苄青霉素 | Sigma Aldrich | A9518 | |
| AMUpol | Cortecnet | C010P005 | |
| Benzonase | EMD Millipore Corp | 70746-3 | |
| 硼酸 | 默克 | B6768 | |
| 溴酚蓝 | Sigma | B0126 | |
| 二氯化钙 | 默克 | 499609 | |
| 氯化胆碱 | Sigma | C-1879 | |
| 氯化钴 | 默克 | 449776 | |
| 硫酸铜 | 默克 | C1297 | |
| D-生物素 | 默克 | 8512090025 | |
| 氧化氘 | Cortecnet | CD5251P1000 | |
| 二甲基亚砜 | 默克 | D9170 | |
| 乙二胺四乙酸 | Sigma Aldrich | L6876 | |
| 叶酸 | Sigma | F-7876 | |
| 葡萄糖 13C + 2H | Cortecnet | CCD860P50 | |
| 甘油 | 霍尼韦尔 | G7757 | |
| 甘油 (12C3,99.95% D8, 98%) | 欧洲同位素 | CDLM-8660-PK | |
| 甘油(未富集) | 霍尼韦尔 | G7757-1L | |
| 甘氨酸 | Sigma Aldrich | 50046 | |
| 盐酸胍 | Roth Carl | NR.0037.1 | |
| 硫酸铁 | 默克 | 307718 | |
| 异丙基 &β;-D-1-硫代吡喃半乳糖苷 | Thermofisher | R0392 | |
| 溶原肉汤 | Merck | L3022 | |
| 溶菌酶 | Sigma Aldrich | L6876 | |
| 氯化镁 - 六水合 | Fluka | 63064 | |
| 硫酸镁 | Merck | M5921 | |
| 磷酸二氢钾 | Merck | 1051080050 | |
| 肌醇 | Sigma | I-5125 | |
| n-十二烷基-B-D-麦芽糖苷 | Acros 有机物 | 3293702509 | |
| N,N-二甲基十二胺 N-氧化物 | 默克 | 40236 | |
| 烟酰胺 | Sigma | N-3376 | |
| 泛烯酸 | Sigma | 21210-25G-F | |
| 蛋白酶抑制剂 | Sigma | P8849 | |
| 吡哆醛-盐酸 | Sigma Aldrich | P9130 | |
| 核黄素 | Aldrich | R170-6 | |
| 氯化钠 | Merck | K51107104914 | |
| 磷酸二氢钠 - 一水合 | Sigma Aldrich | 1,06,34,61,000 | |
| 十二烷基硫酸钠 | Thermo-scientific | 28365 | |
| 氢氧化钠 | Merck | 1,06,49,81,000 | |
| 蔗糖 | Sigma 生命科学 | S9378 | |
| 盐酸硫胺素 | 默克 | 5871 | |
| Tris-HCl | 西格玛奥尔德里奇 | 10,70,89,76,001 | |
| 氯化锌 | 默克 | 208086 | |
| 大肠杆菌 BL21 DE3* | New England Biolabs | C2527 | |
| 1.5 mL 超管 | 贝克曼库尔特 | 357448 | |
| 30 kDa 离心过滤器 | Amicon | UFC903024 | |
| 3.2 mm 蓝宝石 DNP 转子,带盖 | Cortecnet | H13861 | |
| 3.2 mm 特氟龙插件 | Cortecnet | B6628 | |
| 3.2 mm 样品装填器/解包器 | Cortecnet | B6988 | |
| 3.2 mm 常规壁 MAS 转头 | Cortecnet | HZ16913 | |
| 3.2 mm 常规壁 MAS 转子 | Cortecnet | HZ09244 | |
| 用于 3.2 mm 薄壁转子 | Cortecnet | B136904 | |
| 1.3 mm MAS 转子 + 瓶盖 | Cortecnet | HZ14752 | |
| 1.3 mm 进样工具 | Cortecnet | HZ14714 | |
| 1.3 mm 样品装瓶器 | Cortecnet | HZ14716 | |
| 1.3 mm 瓶盖去除器 | Cortecnet | HZ14706 | |
| 1.3 mm 帽组工具 | Cortecnet | HZ14744 | |
| 透析管 12-14 kDa | Spectra/Por | 132703 | |
| Sharpie - 黑色 | Merck | HS15094 |
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