Heptahelikalen G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) eine Superfamilie von hochdynamischen Membranproteine, die wichtige und vielfältige extrazelluläre Signale zu vermitteln. In der klassischen Paradigma wird Rezeptor-Aktivierung mit Liganden-induzierter Konformationsänderungen gekoppelt. 1, 2 Jüngste Fortschritte in der Strukturbiologie von GPCRs haben bedeutende Einblicke in die molekularen Mechanismen der Transmembran-Signalisierung zur Verfügung gestellt. 3-5 jedoch mit größerer Präzision der chemischen verstehen Funktionsmechanismus und Strukturdynamik von GPCR-Signalisierung wird ein Toolkit Ansätze erforderlich, um informative molekulare und chemische Sonden enthalten, um aktive Signalkomplexe zu verhören.
Zu diesem Zweck angepasst wir eine Methode, um ortsspezifisch einzuführen nicht oder minimal störenden Sonden in exprimierten Rezeptoren basierend auf unnatürliche Aminosäure (LF) Mutagenese mit Amber-Codon Unterdrückung Technologie zuvor von Schultz und c Pionieroworkers. 6 Wir optimierten die UAA-Mutagenese-Methode, um eine High-Yield-Expression und Mutagenese-System für Proteine, wie zB GPCRs, die nur schwer in anderen als den meisten Säugetierzellen heterologen Systemen zum Ausdruck zu erzielen. Mit einem orthogonalen entwickelt Suppressor-tRNA und entwickelte sich Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paar für eine bestimmte UAA, wir ortsspezifisch eingeführt UAAs ausgedrückt Ziel GPCRs. Der erfolgreiche Einbau UAAs, p-Acetyl-L-Phenylalanin (ACF), p-Benzoyl-L-phenylalanin (BzF) und p-Azido-L-phenylalanin (AZF) wurde in unserem Modell GPCRs nachgewiesen - Rhodopsin und Menschen CC-Chemokin-Rezeptor CCR5. 7, 8
Im Prinzip kann ein UAA genetisch an beliebigen Stellen innerhalb der Proteinsequenz codiert werden, und diese Eigenschaft ist ein unschätzbares Werkzeug, wie es biochemische ermöglicht Single-Codon Abtastung eines Ziel GPCR. Wir konzentrieren uns hier speziell auf die Vielseitigkeit der UAA, AZF, die eine reaktive azi hatEinheit zu tun. Zusätzlich zur Funktion als eine einzigartige Infrarot (IR)-Sonde, 8, 9 AZF kann auch als photoaktivierbare Vernetzer dienen, indem sie mit benachbarten primären Aminen oder aliphatische Wasserstoffe dienen. Zusätzlich kann das biologisch inert Azidogruppe als selektive chemische Griff in bioorthogonalen Markierungsreaktionen teilnehmen. Hier präsentieren wir Ihnen Beispiele, die die nützlichen Anwendungen von ortsspezifischen Einbau von AZF in GPCRs, wie gezielte Photofalle zu einem Rezeptor-Liganden-Komplex, und Modifikation von GPCRs durch bioorthogonale Epitop-Tagging und Fluoreszenzmarkierungsstrategien.
Photoaktivierbare Reagenzien sind verwendet worden, um biologische Systeme untersuchen seit den 1960er Jahren. 10 In diesem Zeitraum sind eine Fülle von Rezeptor-Ligand-Vernetzungsexperimente wurde berichtet, GPCR-Komplexe zu untersuchen, von denen die meisten bei dem durch Verwendung von Photoaffinitätsliganden. 11, 12 jedoch, diese Anwendungen sind technisch begrenzt, da sie requirE Synthese von Liganden mit einer Vernetzungsgruppe. 13-15 Zudem mit dem Vernetzer-Einheit in dem Liganden, es ist eine Herausforderung, die Position der auf der Querverbindung GPCR identifiziert. Ortsspezifisch Einführen Photogruppen UAAs in Proteine unter Verwendung der Amber-Codon Unterdrückungstechnik ist ein wertvoller Fortschritt. 16, 17. Wir entwickelten eine Phototechnik, um die Bindungsschnittstelle an einen Rezeptor, der in der Bildung eines Rezeptor-Ligand-Komplex beteiligt ist, zu identifizieren lebende Zellen durch die Einführung von photolabilen Gruppen in GPCRs. 18, 19 Hier beschreiben wir die Versuchsprotokoll und Methode der Datenanalyse für die Anwendung dieses gezielte Photo Technologie, um die Bindungsstelle eines niedermolekularen Liganden, tritiiertes Maraviroc, auf CCR5 identifizieren. Dieses Verfahren nutzt die genaue Quantifizierung der radioaktiven Griff auf dem Liganden, die neben Beibehaltung der nativen chemischen Struktur des Liganden.
Fluoreszenz-basierte Techniken unterstützen die präzise Kenntnis der strukturellen Basis der Rezeptor-Aktivierung durch direkte Erforschung der Konformation des Rezeptors. 20, 21 jedoch ortsspezifisch sind Techniken, die über die Flexibilität, um Fluoreszenzmarkierungen in GPCRs vorstellen begrenzt. Wir interessieren uns für den Einsatz bioorthogonale chemische Modifikation von Strategien zur Einzelmoleküldetektion (SMD) der GPCR-Signalkomplexe zu erleichtern. 22. Die Azidogruppe in bioorthogonale Chemikalien wie Staudinger-Ligation Bertozzi, 23, 24 kupferfreien Stamm-Azid-Teilnahme Alkin-Cycloaddition (SPAAC) 25 und Kupfer-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) 26 Wir konzentrieren. hier auf der Staudinger-Bertozzi Ligationsreaktion, die die spezifische Reaktion zwischen einem Azid und einem Phosphin beinhaltet. Wir zeigen die Verwendung zweier unterschiedlicher Phosphin-Derivate, ein Peptid-Epitop (FLAG-Peptid) oder einer fluoreszierenden Markierung konjugiert(Fluorescein), um ortsspezifische Modifikation von GPCRs zu erreichen.
Wir haben bereits optimiert die Bedingungen für die ortsspezifische Markierung von Rhodopsin AZF-Varianten mit Hilfe der Röntgenkristallstruktur und dynamische Simulationen, um Zielstellen, die Lösungsmittel ausgesetzt sind, zu wählen. 27, 28 Wir veranschaulicht auch die Möglichkeit, Hintergrundfreie Kennzeichnung zu erreichen durch Staudinger- Bertozzi Ligation. 29. Wir zeigen hier eingesetzt, um die Fluoreszenzmarkierung von einem Reinigungsmittel mit gelöstem Rezeptor, der auf einer Immun Matrix immobilisiert wird und anschließend durch in-Gel-Fluoreszenz sichtbar zu erzielen allgemeine Verfahren. Außerdem zeigen wir eine sinnvolle Erweiterung auf dieser Kennzeichnungsstrategie zu Positionen zugänglich Kennzeichnung auf einem Rezeptor unbekannter Struktur, CCR5 identifizieren. Dies wird unter Verwendung einer Zielpeptid-Epitop-Tagging-Strategie, die auf bioorthogonalen Modifikation AZF-GPCR-Varianten in einem zellbasierten semiHochDurchSatzFormat durchgeführt stützt. 30 DieserVerfahren nutzt die mehrstufige Detektionseigenschaften eines Zelloberflächen-ELISA zur Kennzeichnung Ereignisse überwachen.
Die Methoden wir hier diskutieren, sind die allgemeinen und im Prinzip kann auf jeden GPCR mit AZF mit der Amber-Codon Unterdrückung Technologie integriert angewendet werden. In den Protokollen hier präsentierten wir detailliert die Schritte in Säugerzell Expression von Rezeptoren mit UAAs wie AZF mit der unnatürlichen Aminosäure-Mutagenese-Methode und ihre Folgeanträge auf strukturelle und dynamische Studien von GPCRs erleichtern eingebaut beteiligt.