$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Membranproteine/Enzyme sind essentielle biologische Bestandteile von Zellen, da sie in verschiedenen Prozessen eine entscheidende Rolle spielen 1,2,3. Einige der Funktionen können den Transport von Ionen und Molekülen in und aus der Zelle/den inneren Kompartimenten (entweder aktiv/passiv), die Zell-Zell-Erkennung, die interzelluläre Bindung, die Verankerung/Bindung und die Wahrnehmung der äußeren Umgebung durch Integration mit der Signaltransduktionsmaschinerie unter normalen und rauen physikalischen und chemischen Bedingungen (hoher Salzgehalt, niedriger Wassergehalt, hohe Temperatur, Arzneimittelresistenz, usw.)3 Daher ist die Bestimmung der dreidimensionalen (3D) Struktur von Membranproteinen und/oder Enzymen sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die angewandte Forschung von großer Bedeutung geworden 4,7,6. Wichtig ist, dass Membranproteine/-enzyme in großem Umfang als Ziele für die Wirkstoffforschung (ob natürlich oder beabsichtigt) verwendet werden7,8,9. Das heißt, Membranproteine haben eine inhärente Bedeutung für die Gesundheit 9,10,11.
Der hydrophobe Charakter von Membranproteinen/-enzymen ist die technisch anspruchsvollste physikalisch-chemische Eigenschaft für das Experimentallabor 12,13,14, umso mehr bei der Arbeit mit oligomeren und/oder hochlabilen integralen Membranproteinen 15,16. Die Isolierung geeigneter Mengen des Membranproteins/Enzyms mit höchstmöglicher Qualität für funktionelle experimentelle Assays und Strukturstudien ist sehr wünschenswert17. Membranproteine, die von Natur aus hydrophob sind, sind sehr schwer zu reinigen, und die Wahl des Detergens ist in der Regel eines der wichtigsten Punkte, die berücksichtigt werden müssen 17,18,19,20. In dieser Hinsicht verursachen die Labormethoden, die zur Isolierung von Membranproteinen verwendet werden, typischerweise einen gewissen Grad an Schädigung der 3D-Strukturanordnung des Proteins21. Einige dieser Verfahren umfassen die Verwendung von (a) Beschallung (hochfrequente/energiereiche Ultraschallwellen), (b) proteinlösliche Detergenzien (entweder scharf, mittel oder schonend)22, (c) relativ hohe Drücke in der Säulenchromatographie und Hochgeschwindigkeits-Ultrazentrifugation23, (d) fällende Moleküle, (e) Verdauungsenzymeund andere 21. All diese Prozesse können zur Destabilisierung von Proteinen während der Reinigung beitragen oder die Hauptursache dafür sein21. In dieser Hinsicht scheinen einige Protokolle für ein bestimmtes Membranprotein relativ gut zu funktionieren. Eine Optimierung ist jedoch immer willkommen, wenn neue moderne Assays oder Methoden verwendet werden, die eine höhere Qualität der Membranproteinpräparation erfordern, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen24. Zu den Optimierungsschritten gehören unter anderem die Verbesserung des Konstruktdesigns, die Suche nach optimalen Bedingungen für die Expression von Membranproteinen, die Etablierung besserer Handhabungsbedingungen (d. h. pH-Wert, Temperatur usw.), die Suche nach dem am besten kompatiblen Detergensmittel, die Anpassung von Reinigungsschritten wie Beschallungszeit, Zentrifugationsgeschwindigkeit, Neuformulierung von Pufferlösungen durch Zugabe von Stabilisierungsmitteln usw.25,26,27. Daher ist jede Änderung der Reinigungsmethodik, die zu einer Steigerung der Qualität (Reinheit) und Aktivität des gereinigten Membranproteins/Enzyms führt, wichtig.
In der Familie der P-Typ-ATPase scheint die Hefe-Plasmamembran H+-ATPase eines der labilsten Mitglieder zu sein28,29. Die H+-ATPase verliert ihre hydrolysierende ATP-Aktivität bei Dehydratisierung (Gefriertrocknung), Hitzeschock usw.28,29. Die Verwendung von Trehalose als Proteinstabilisator wurde bei der Isolierung der Plasmamembran H+-ATPase aus der Hefe K. lactis30,31 getestet; Das erhaltene H+-ATPase-Präparat war von hoher Reinheit und katalytisch aktiv. Wichtig ist, dass dies ermöglichte, den oligomeren Zustand des Enzyms durch biochemische Methoden aufzulösen, wodurch es sich als Hexamer entpuppte und später durch Kryo-Elektronenmikroskopie bestätigt wurde 31,32,33,34,35. Daher scheint es wahrscheinlich, dass die empfindliche dreidimensionale (3D) Anordnung von Membranproteinen unter relativ rauen Bedingungen während der Reinigung verloren gehenkann 36. Eine biphasische Inaktivierungskinetik wird für H+-ATPase während der hitzevermittelten Inaktivierung beobachtet29. In Hefezellen, wie in vielen anderen Organismen, reichert sich das Disaccharid Trehalose in hohen Konzentrationen unter Umweltstressbedingungen an 37,38,39. Trehalose erhält die Integrität der Membran und die Transportfunktion aufrecht, indem sie Proteine (sowohl membraneingebettete als auch zytosolische) und Zellmembranen stabilisiert40,41. Der stabilisierende Mechanismus von Trehalose wurde von mehreren Gruppen und von unserem Labor ausführlich untersucht 42,43,44,45. Experimente mit der H+-ATPase und anderen Enzymen haben gezeigt, dass Trehalose der effektivste Proteinstabilisator unter den Mono- und Disacchariden ist28,29. Dies führte zur Aufnahme in das H+-ATPase-Aufreinigungsprotokoll30. In jüngster Zeit wurde Trehalose auch bei der Reinigung des sarkoplasmatischen Retikulums Ca2+-ATPase (SERCA) aus schnell zuckenden Kaninchenmuskeln mit guten Ergebnissen in Bezug auf Proteinreinheit und -aktivität verwendet46. Daher scheint Trehalose ein gutes und geeignetes Additiv für die Aufreinigung von P-Typ-ATPasen und wahrscheinlich anderen Membran- und zytosolischen Proteinen zu sein.
Für P-ATPasen ist das Vorhandensein struktureller zytoplasmatischer Domänen ein experimenteller Vorteil, insbesondere für Substrat/Liganden-Interaktionsstudien47; Die ATP-Bindung wurde in hochreinen rekombinanten N-Domänen untersucht 47,48,49, wodurch die technischen Überlegungen zur Reinigung ganzer Membranenzyme 47,48,50 u.a. 51 entfallen. Leider benötigen einige funktionelle (katalytische/Energieumwandlung) und strukturelle (Anordnung der Untereinheiten und Wechselwirkung mit anderen Proteinen) Studien immer noch die gesamte P-ATPase52,53. In dieser Hinsicht wurde die Reinigung von SERCA von mehreren Forschungsgruppen erreicht 54,55,56,57,58. Es können jedoch immer noch Verbesserungen umgesetzt werden46, z. B. die Erhöhung der Unversehrtheit der gereinigten ATPase59, die Vermeidung der Denaturierung/Zerstörung von Proteinkomplexen25, die Erhöhung der Solubilisierung ohne Denaturierung des Membranproteins (d. h. die Vermeidung der Bildung makromolekularer Aggregate)60, die zu einer besseren Kompatibilität mit Assays und anderen nachgelagerten Analysemethodenführen 61 Darüber hinaus müssen neue experimentelle Strategien, Additive, Enzyminhibitoren usw. in der wissenschaftlichen Literatur 61,62,63,64,65,66 manchmal mit der gesamten P-ATPase getestet werden. Diese Arbeit beschreibt das Protokoll für die Aufreinigung von SERCA und die Verwendung von Trehalose als Additiv zur Stabilisierung der Proteinstruktur und der ATPase-Aktivität; D.h. neben der Erhöhung der (strukturellen) Qualität des Enzyms trägt Trehalose dazu bei, den Verlust der Enzymstruktur und -aktivität während der Enzymisolierung und -lagerung zu verhindern, was dazu beiträgt, biologisches Material zu sparen und somit die Anzahl der Enzymreinigungen zu reduzieren.