AAA+-Proteasen sind konservierte, ATP-abhängige molekulare Maschinen, die zentrale Rollen bei der Proteinqualitätskontrolle und der regulatorischen Proteolysespielen. Diese Maschinen enthalten einen hexameren Ring aus AAA+ ATPasen-Domänen, die ATP hydrolysieren, erkennen, entfalten und in die kompartimentale Proteasedomäne translokieren, um Abbau1 zu ermöglichen. Während zytoplasmatische AAA+-Proteasen wie ClpXP3 und Lon4 umfassend mit gut etablierten In-vitro-Tests charakterisiert wurden, sind membrangebundene AAA+-Proteasen vergleichsweise wenig verstanden. Diese Lücke spiegelt weitgehend die technischen Herausforderungen wider, die mit der Rekonstituierung von Membranproteinen in definierten Lipidumgebungen und der quantitativen Messung ihrer proteolytischen Aktivität in vitro verbunden sind. Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, sensible, quantitative Tests zur Untersuchung der proteolytischen Aktivität membrangebundener Proteasen zu etablieren.
FtsH ist die einzige essentielle AAA+-Protease in Escherichia coli und dient als prototypisches membrangebundenes AAA+-Protease 5,6,7. An der inneren Membran durch N-terminale Transmembranhelixen verankert, baut FtsH eine vielfältige Reihe von zytoplasmatischen und membranassoziierten Substraten ab und reguliert so die Qualitätskontrolle der Membranproteine, Stressreaktionen und die Lipidhomöostase 8,9,10,11. Eines seiner am besten charakterisierten Substrate ist LpxC, eine lösliche Deacetylase, die den ersten festgelegten Schritt in der Biosynthese der Lipopolysaccharid (LPS)katalysiert 12,13. Für den effizienten Abbau von LpxC durch FtsH ist das Membranprotein LapB erforderlich, das als Adapter fungiert, um LpxC gezielt zu erkennen und an die Protease 14,15,16,17,18 zu liefern.
Trotz ihrer physiologischen Bedeutung war die quantitative Analyse der FtsH-vermittelten Proteolyse in vitro begrenzt, insbesondere bei zytoplasmatischen Substraten wie LpxC. Traditionelle in vitro Abbautests verwenden FtsH, gereinigt in Detergent-Micellen13,19, die nicht die Membranumgebung für die membranverankerte Protease bieten. Darüber hinaus basieren die Abbautests oft auf SDS–PAGE-basierter Erkennung des Substratverschwindens13, der arbeitsintensiv, niedrigdurchsetzt und für kinetische Analysen nicht ausreichend empfindlich sein kann. In jüngerer Zeit wurde FtsH, das zu Bizellen rekonstituiert wurde, zur Untersuchung des Abbaus von Membransubstraten eingesetzt, wie es von Heedeok Hongs Gruppe20 entwickelt wurde; ein vergleichbares System zur Analyse zytoplasmatischer Substrate fehlt jedoch weiterhin. Hier passen wir Heedeok Hongs Bicelle-Rekonstitution an die Proteoliposom-Rekonstitution an, um die Membranumgebung nachzuahmen. Darüber hinaus ist das wasserlösliche Substrat LpxC fluoreszenzmarkiert, was eine sensible und quantitative Messung der Kinetik der FtsH/LapB-abhängigen Degradierung von LpxC in vitro ermöglicht.
Diese Methode sollte verwendet werden, wenn Forscher die FtsH-vermittelte Proteolyse wasserlöslicher Substrate quantitativ messen müssen. Sie bietet mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Ansätzen. Erstens verbessert die fluoreszenzbasierte Detektion proteolytischer Produkte statt des Substratverschwindens die Empfindlichkeit und den dynamischen Bereich erheblich und erleichtert quantitative Vergleiche der proteolytischen Aktivität. Zweitens erhält die Verwendung von Proteoliposomen den für die Funktion erforderlichen Membrankontext und ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Protein- und Lipidzusammensetzung18. Schließlich ist dieses Protokoll, obwohl es mit dem FtsH–LapB–LpxC-System entwickelt wurde, leicht an andere membrangebundene AAA+-Proteasen und deren zytoplasmatische Substrate anpassbar, die membranassoziierte Abbaumaschinen erfordern.