Heptahélice G récepteurs couplés aux protéines (RCPG) comprennent une superfamille de protéines de la membrane hautement dynamiques qui assurent la médiation des signaux extracellulaires importantes et variées. Dans le paradigme classique, l'activation du récepteur est couplé à des changements de conformation induites par le ligand. 1, 2 Les récents progrès dans la biologie structurale des RCPG ont permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires de la signalisation transmembranaire. 3-5 Cependant, pour comprendre avec plus de précision chimique du mécanisme fonctionnel et dynamique des structures de signalisation des RCPG, une boîte à outils d'approches sont nécessaires pour incorporer des sondes moléculaires et chimiques d'information pour interroger des complexes de signalisation actifs.
À cette fin, nous avons adapté une méthode de site spécifiquement introduire non ou minimalement sondes perturbateurs dans des récepteurs exprimés sur la base de contre nature acide aminé (SAU) de mutagenèse utilisant codon ambre technologie de suppression précédemment mis au point par Schultz et c. oworkers 6 Nous avons optimisé la méthode de mutagenèse SAU pour obtenir une expression à haut rendement et d'un système de mutagenèse pour les protéines telles que les GPCR, qui sont difficiles à exprimer dans des systèmes hétérologues plus que d'autres cellules de mammifères. L'utilisation d'un suppresseur orthogonal conçu ARNt et évolué aminoacyl-ARNt synthétase pour une SAU spécifique, nous place spécifiquement introduit SAU dans RCPG cibles exprimées. L'incorporation réussie de SAU, la p-acétyl-L-phénylalanine (ACF), p-benzoyl-L-phénylalanine (BZF), et le p-azido-L-phénylalanine (AZF) a été démontrée dans les RCPG modèle - rhodopsine humaine et le récepteur de la chimiokine CC, CCR5. 7, 8
En principe, une SAU peut être génétiquement encodés à n'importe quelle position dans la séquence de la protéine et cette propriété est un outil biochimique inestimable, car elle permet de numériser un seul codon d'un GPCR cible. Nous nous concentrons ici spécifiquement sur la polyvalence de la SAU, AZF, qui a un azi réactivefaire partie. En plus de servir en tant que l'infrarouge (IR) sonde unique, 8, 9 AZF peut aussi servir comme un agent de réticulation photo-activable par réaction avec des amines primaires aliphatiques voisins ou des atomes d'hydrogène. En outre, le groupe azido biologiquement inerte peut participer en tant que poignée chimique sélective en réactions de marquage bioorthogonal. Ici, nous présentons des exemples illustrant les applications utiles de l'incorporation spécifique du site de l'usine AZF en GPCR, comme photoréticulation ciblées pour piéger un complexe récepteur-ligand, et la modification des RCPG par bioorthogonal marquage d'épitope et les stratégies de marquage fluorescent.
Des réactifs photo-activables ont été utilisées pour étudier les systèmes biologiques depuis les années 1960. 10 Durant cette période, une abondance d'expériences de reticulation récepteur-ligand ont été rapportés pour étudier des complexes de GPCR, dont la plupart impliquaient l'utilisation de ligands de photo-affinité 11, 12 Cependant, ceux-ci. applications sont techniquement limités, car ils Requirla synthèse de l'e de ligands portant un groupe de reticulation. 13-15 En outre, avec le groupement réticulant dans le ligand, il est difficile d'identifier l'emplacement de la réticulation sur le GPCR. L'introduction du site-spécifique groupes photoréticulation que SAU en protéines en utilisant le codon ambre technologie de suppression est un progrès important. 16, 17 Nous avons développé une technique de photoréticulation pour identifier l'interface de fixation sur un récepteur qui est impliqué dans la formation d'un complexe récepteur-ligand dans cellules vivantes en introduisant des groupes photolabiles dans les RCPG. 18, 19 Nous décrivons ici le protocole expérimental et la méthode d'analyse des données pour l'application de cette technologie de photoréticulation ciblée pour identifier le site de liaison d'un ligand à petite molécule, le maraviroc tritiée, sur le CCR5. Ce procédé tire parti de la quantification précise de la poignée sur le ligand radioactif, en plus de conserver la structure chimique du ligand natif.
Des techniques basées sur la fluorescence en charge la compréhension précise de la base structurelle de l'activation du récepteur en sondant directement l'état conformationnel du récepteur. 20, 21 Cependant, les techniques qui possèdent la flexibilité d'introduire des marqueurs fluorescents dans les GPCR sont site spécifiquement limité. Nous sommes intéressés à utiliser des stratégies de modification chimique bioorthogonal pour faciliter la détection de molécule unique (SMD) de GPCR complexes de signalisation. 22 Le groupe azido peut participer à des chimies bioorthogonal tels que Staudinger-Bertozzi ligature, 23, 24 sans cuivre souche promu azoture cycloaddition alcyne (SpAAC) 25 et de l'azoture-alcyne cycloaddition catalysée par le cuivre (CuAAC). 26 Nous nous concentrons ici sur la réaction de ligature Staudinger-Bertozzi qui implique la réaction spécifique entre un azoture et une phosphine. Nous démontrons l'utilisation de deux dérivés de phosphine, les différents conjugués à un épitope de peptide (peptide FLAG) ou un marqueur fluorescent(Fluorescéine) afin de réaliser la modification spécifique d'un site de GPCR.
Nous avons déjà optimisé les conditions d'étiquetage spécifique du site de la rhodopsine variantes AZF en utilisant la structure cristalline aux rayons X et des simulations dynamiques de choisir des sites cibles qui sont exposés au solvant. 27, 28 Nous avons également illustré la faisabilité d'atteindre étiquetage sans fond par Staudinger- ligature Bertozzi. Nous démontrons ici 29 le mode opératoire général utilisé pour réaliser le marquage fluorescent d'un récepteur de détergent solubilisé qui est immobilisé sur une matrice d'immuno-affinité et ensuite visualisés par fluorescence dans le gel. En outre, nous démontrons une extension utile à cette stratégie d'étiquetage pour identifier les positions se prêtant à l'étiquetage sur un récepteur de structure inconnue, CCR5. Ceci est réalisé en utilisant une stratégie de marquage peptide-épitope cible qui repose sur une modification de bioorthogonal AZF-GPCR variants dans un format semi-haut débit à base de cellules. Cette 30méthode exploite les propriétés de détection multi-étapes d'un test ELISA de surface cellulaire pour surveiller les événements en matière d'étiquetage.
Les méthodes que nous discutons ici sont générales et peuvent en principe être appliquées à tout GPCR incorporé avec AZF utilisant le codon ambre technologie de suppression. Dans les protocoles présentés ici nous détaillons les étapes impliquées dans l'expression de cellules de mammifères avec des récepteurs intégrés SAU tels que AZF en utilisant le procédé de mutagenèse de l'acide aminé non naturel et leurs applications ultérieures pour faciliter les études structurales et dynamiques de GPCR.