$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Aquí se presenta un protocolo detallado para la producción de la proteína miosina-7a humana recombinante a partir de células de insectos. Aunque el sistema Sf9/baculovirus se ha utilizado para producir una variedad de miosinas 40,41,42,43, sólo recientemente la miosina-7a de mamíferos se ha purificado con éxito utilizando el sistema de baculovirus MultiBac 14. Se ha descubierto que la miosina-7a de los mamíferos se asocia con tres tipos de cadenas ligeras, todas las cuales son esenciales parala integridad estructural y funcional de la proteína. Esto contrasta con su homólogo invertebrado y la mayoría de las otras miosinas, que generalmente se unen a solo uno o dos tipos de cadenas ligeras44,45. Esto significa que para sintetizar la holoenzima miosina-7a humana, al menos cuatro genes diferentes deben expresarse simultáneamente en cada célula Sf9. En este caso, el sistema MultiBac ofrece beneficios significativos sobre la coinfección con múltiples baculovirus, ya que garantiza proporciones reproducibles de las subunidades del complejo miosina-7a en cada célula infectada. De hecho, Belyaev et al. lo han demostrado estadísticamente: a medida que aumenta el número de tipos de virus, la probabilidad de que las células reciban una proporción igual de virus disminuye drásticamente46. Por ejemplo, con dos tipos de virus, solo el 12,78% de las células alcanzan una proporción igual, mientras que este porcentaje se reduce al 0,29% cuando se utilizan cuatro tipos de virus, suponiendo que cada tipo de virus se distribuya entre las células de forma independiente. Esta variabilidad puede ser problemática cuando las proteínas de la subunidad necesitan ensamblarse en una proporción constante para producir el rendimiento máximo del complejo. Si bien este artículo se centra en la miosina-7a de los mamíferos, es cada vez más evidente que el sistema MultiBac ofrece un enfoque más optimizado para la producción de complejos multiméricos que el método de coinfección, particularmente para proteínas con más subunidades y producidas con bajos rendimientos.
Varios factores son críticos para lograr una producción de alto rendimiento de la proteína miosina-7a utilizando este método. En primer lugar, es crucial determinar el momento óptimo para la recolección de células Sf9 . Esto permite la máxima producción de proteínas al tiempo que minimiza los efectos perjudiciales de la lisis celular y la muerte causada por el virus. La producción de complejos proteicos basados en MultiBac a menudo exhibe un pico retardado en la expresión en comparación con los sistemas monocistrónicos de baculovirus o cuando se expresan proteínas más pequeñas. Descubrimos que el mejor momento para recolectar células infectadas con el virus MultiBac de miosina-7a es entre 60 y 65 horas después de la infección. Se recomienda encarecidamente la monitorización continua de los niveles de expresión de proteínas durante todo el proceso. Esto se puede lograr mediante microscopía fluorescente si se fusiona una marca de proteína fluorescente o mediante el análisis SDS-PAGE en caso contrario. Además, es importante monitorear la viabilidad celular simultáneamente para identificar el momento óptimo para lograr el mayor rendimiento de proteínas con una muerte celular mínima.
La miosina-7a es una miosina monomérica de gran tamaño susceptible a la degradación de proteínas14. Para evitar la degradación durante el proceso de purificación, es importante asegurarse de que todos los tampones estén preenfriados y que todos los procedimientos se realicen a 4 °C. Además, es fundamental minimizar la exposición de la miosina-7a a las proteasas. Además de utilizar cócteles de inhibidores de la proteasa, recomendamos mantener la incubación del lisado celular con resina FLAG a solo 1 h. No se ha demostrado que la prolongación de esta duración mejore significativamente la unión de la resina o aumente el rendimiento total de proteínas, y puede suponer un mayor riesgo de degradación de las proteínas.
Una característica distintiva de la miosina-7a de los mamíferos, en comparación con las isoformas de la especieinferior 44, es su combinación de componentes únicos de cadena ligera. Estas cadenas ligeras desempeñan importantes papeles reguladores en la función de la miosina-7a. Por ejemplo, la calmodulina interactúa dinámicamente con la cadena pesada de miosina de una manera dependiente de Ca2+ 47, modulando su motilidad y salida mecánica, un mecanismo que parece específicamente adaptado a las células ciliadas auditivas de los mamíferos14. Si bien las afinidades exactas de unión de la calmodulina a los motivos IQ individuales aún no se han determinado en el contexto de la molécula completa, hemos observado que parte de la calmodulina se disocia gradualmente a medida que se eliminan el exceso de cadenas ligeras en el lisado celular durante la purificación. Esto puede alterar las propiedades mecánicas de la miosina-7a. Para mitigar esto, empleamos columnas de centrifugación combinadas con una centrifugación suave para la etapa de elución. Esto permite que las proteínas se eluyan en un volumen pequeño y a una alta concentración, lo que puede obviar la necesidad de pasos de concentración. Esta práctica acorta el proceso total de purificación de proteínas y minimiza el riesgo de disociación de cadenas ligeras. En los ensayos de deslizamiento de actina, incluimos el exceso de proteínas de cadena ligera en el tampón final para garantizar que las cadenas ligeras nativas permanezcan unidas con la cadena pesada de miosina-7a.
El requisito de exceso de cadenas ligeras representa una de varias diferencias entre el ensayo de deslizamiento de actina con miosina-7a y el de otras miosinas bien estudiadas como la miosina-2. Los ensayos de miosina-2 se realizan normalmente con una fuerza iónica baja (por ejemplo, 50 mM). A medida que la fuerza iónica se eleva hacia la fisiológica (150 mM), los filamentos de actina tienden a desprenderse y la motilidad se ralentiza. En el caso de la miosina-7a, la motilidad se detiene a baja fuerza iónica y el deslizamiento solo se observa a una velocidad mayor o igual a 150 mM. Debido a la autoinhibición de la miosina-7a de longitud completa, se aplica al cubreobjetos en una solución de alta fuerza iónica de una manera similar a cómo se disuelven los filamentos de miosina antes de la aplicación para permitir que las proteínas se unan en una orientación y conformación que permita el deslizamiento posterior.
La baja velocidad observada en los ensayos de deslizamiento de actina con miosina-7a presenta algunos desafíos en la adquisición y análisis de datos de motilidad. De hecho, la translocación es varios órdenes de magnitud más lenta en comparación con la miosina del músculo esquelético, que se utilizó cuando se desarrolló originalmente este ensayo30. Esta baja velocidad puede provocar dificultades en la medición precisa y una sobreestimación de la velocidad que escala con la velocidad de fotogramas48. La precisión de localización de cualquier método de seguimiento es finita, e incluso un objeto estático tiene un cambio aparente de posición entre imágenes sucesivas. A medida que aumenta la frecuencia de muestreo, esto conduce a un valor artificialmente alto para la velocidad. Este efecto es válido para cualquier tipo de ensayo de motilidad, pero el efecto relativo es muy pequeño para los ensayos en los que se produce un gran movimiento de varios píxeles entre fotogramas. Al tomar puntos de datos a intervalos muy largos (cada 60 s, 90 s, etc.), se puede verificar que la velocidad medida es precisa, ya que el valor no debe verse afectado por la frecuencia de muestreo. Dado que el intervalo de grabación de la miosina-7a es tan largo, se puede aprovechar el retardo para grabar desde varias posiciones durante la misma adquisición. Esto permite efectivamente la grabación de varias películas a la vez. Una desventaja de este método es que las imperfecciones mecánicas de la platina provocarán una deriva adicional debido al cambio de posiciones. Esto se puede explicar utilizando la estabilización de imagen como se describe anteriormente.
En la versión original Python2 del software FAST (github.com/turalaksel/FASTrack), cada punto de datos de salida representa una velocidad para un filamento dentro de una ventana de N fotogramas (5 fotogramas por defecto). Una versión modificada de Python3 del software (github.com/NeilBillington/FASTrack3) incluye una salida adicional en la que los puntos de datos se basan en filamento por filamento. Los gráficos predeterminados producidos por el software se basan en el conjunto de datos de tipo ventana N. Ambos tipos de salida son igualmente válidos, y aunque la salida original producirá muchos más puntos de datos por película, normalmente utilizamos los datos basados en filamentos, ya que son más directamente comparables con los métodos existentes para cuantificar el deslizamiento del filamento y proporcionan información más intuitiva sobre el número de filamentos con velocidades específicas en una película en particular. Tenga en cuenta que incluso en este análisis de tipo filamento, el número de puntos de datos no se corresponderá exactamente con el número real de filamentos, ya que el seguimiento se detiene cuando los filamentos se cruzan, y luego se detectan nuevas pistas a medida que emergen después de cruzar.
Las limitaciones de los métodos descritos en este trabajo son que la proteína de los mamíferos se expresa en las células de los insectos. Aunque muchas de estas proteínas, incluida esta, se han expresado con éxito de esta manera, existen otros sistemas de expresión que pueden imitar más de cerca el entorno nativo de la proteína. Los sistemas de expresión de los mamíferos podrían introducir importantes modificaciones postraduccionales en la proteína que están ausentes en el sistema de los insectos. Lo mismo es cierto en mayor medida para la expresión en un sistema bacteriano, como se usa aquí para producir cadenas ligeras de miosina. Sin embargo, creemos que la relativa simplicidad y el alto rendimiento en estos casos superan las posibles limitaciones. El ensayo de motilidad in vitro que se utiliza para caracterizar la proteína está limitado en la cantidad de información que puede proporcionar sobre la proteína. Por ejemplo, muchos aspectos de la regulación de la miosina están enmascarados o eludidos por el ensayo y, por lo tanto, no se pueden investigar con esta técnica. Existen muchos otros tipos de ensayos, como la motilidad de una sola molécula, el atrapamiento óptico y las técnicas bioquímicas y biofísicas, para investigar las propiedades de la miosina in vitro, pero el ensayo de deslizamiento de filamentos se elige aquí como método para medir la actividad de la miosina porque requiere menos proteínas que muchos ensayos bioquímicos, es fácil de realizar y donde se puede demostrar una motilidad exitosa. nos dice que la proteína es tanto bioquímica como mecánicamente activa.
El flujo de trabajo descrito aquí representa una serie de métodos para producir proteína de miosina-7a de alta calidad y caracterizar sus propiedades mecánicas. Aunque estos métodos están específicamente diseñados para esta clase de miosinas, los procedimientos de expresión y purificación son más útiles en general como guía sobre cómo producir este tipo de proteína lábil, que consta de varios polipéptidos distintos y con tendencia a la disociación y degradación. Además, los métodos de caracterización son útiles para todos los tipos de proteínas motoras y, en particular, las consideraciones sobre los parámetros de adquisición y análisis de datos están destinadas a ser útiles para cualquier persona que mida la tasa de translocación de motores moleculares de baja velocidad.