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Les protéines membranaires jouent un rôle crucial dans la transduction des signaux cellulaires, le transport des métabolites, le maintien de l’intégrité structurelle cellulaire et les réponses immunitaires. La dysrégulation des protéines membranaires est impliquée dans diverses maladies, ce qui en fait des cibles majeures pour le développement de médicaments1. L’avènement de la cryomicroscopie électronique (cryo-EM) a permis des études structurales de protéines membranaires grandeset dynamiques 2. Un défi majeur pour obtenir des structures à haute résolution réside dans l’extraction de ces protéines de leurs bicouches lipidiques natives tout en préservant leurs conformations et fonctions biochimiques natives. De plus, la conformation très dynamique des protéines membranaires et la complexité du criblage des anticorps posent des obstacles supplémentaires à la découverte cibléede médicaments 3,4. Les méthodes traditionnelles d’extraction des protéines membranaires utilisent souvent des détergents pour imiter les propriétés de la bicouche lipidique hydrophobe. Cependant, cette approche perturbe souvent la stabilité des protéines membranaires, conduisant à l’agrégation ou au dépliementpartiel 5. De plus, les détergents peuvent éliminer les molécules lipidiques essentielles qui sont essentielles pour stabiliser la conformation des protéines, ce qui peut modifier la conformation des protéines ou même altérer la fonction, limitant ainsi leur application dans le criblage des anticorps et d’autres applications enaval 6.
La technologie des nanodisques a été introduite pour la première fois par Sligar et sescollègues 7. Cette structure auto-assemblante est généralement formée par des dérivés d’apolipoprotéines A1 (ApoA1), à savoir des MSP, ainsi que des lipides synthétiques ou naturels, offrant un environnement stable pour les protéinesmembranaires 7,8,9. Le MSP forme une structure en forme de disque en entourant les bords hydrophobes de la bicouche lipidique. Cette structure possède une surface hydrophobe qui interagit avec les queues lipidiques de l’acyle, stabilisant la protéine membranaire, et une surface hydrophile orientée vers l’extérieur, permettant à la protéine membranaire de rester soluble dans des solutionsaqueuses 10. Les nanodisques servent de plateforme polyvalente pour l’étude des protéines membranaires. En préservant les protéines membranaires purifiées dans un environnement lipidique proche du niveau native, elles surmontent les limites des méthodes traditionnelles à base de détergent et maintiennent la conformation et la fonction biologique des protéines in vitro. Par conséquent, cette méthode est devenue un outil puissant pour les études structurales des protéines membranaires. Comparé aux environnements traditionnels de détergent, la bicouche lipidique des nanodisques fournit un support structurel aux protéines membranaires, stabilisant leur conformation native — une caractéristique cruciale pour les protéines sujettes à l’inactivation, telles que les récepteurs couplés aux protéines G et les canauxioniques 11. De plus, la nature très uniforme des particules de nanodisques après assemblage offre un soutien renforcé pour l’obtention de données cryo-EM de haute qualité et de données cinétiques fiables sur la résonance plasmonique de surface/interférométriede la biocouche 12.
Au cours de la dernière décennie, la technologie des nanodisques est devenue un outil puissant pour étudier les protéines membranaires dans les environnements lipidiques naturels. Par exemple, Vilela et sescollègues 13 ont établi un cadre systématique pour l’assemblage des nanodisques en optimisant les conditions de reconstitution et en vérifiant la qualité des composants finaux. Plus précisément, ils ont combiné la chromatographie d’exclusion de taille (SEC) avec des indicateurs quantitatifs (y compris l’efficacité d’assemblage et la symétrie de pic) pour évaluer objectivement l’homogénéité deséchantillons 13. Actuellement, les nanodisques sont devenus une plateforme polyvalente. En utilisant la cryo-EM à particule unique pour détecter les protéines assemblées par nanodisques, il est possible d’obtenir des structures à haute résolution des protéines membranaires, et leur applicabilité a été solidement établie. La caractéristique de double densité d’anneaux de la bande MSP constitue la preuve structurelle décisive de la réussite de la liaison10, 14, 15. De plus, les nanodisques constituent un outil précieux tant pour l’analyse fonctionnelle des protéines membranaires dans les environnements de bicouches lipidiques que pour leur application dans les études de résonance magnétique nucléaireen solution 16,17.
Ce protocole décrit une méthode d’assemblage de la protéine membranaire humaine Task2 en nanodisques. Human Task2 est un membre pH-dépendu de la famille de canaux K+ (K 2P) à deux pores18,19. Comme les autres canaux K2P, Task2 est un homodimère échangé de domaine, chaque chaîne protomère contenant quatre hélices transmembranaires (TM1–TM4), deux hélices réentrantes dans les pores (PH1 et PH2), deux filtres de sélectivité (SF1 et SF2) et deux hélices extracellulaires formant des capuchons (CH1 et CH2). La protéine cible était une forme tronquée de Task2 dépourvue des acides aminés C-terminaux 166 — une région prédite largement non structurée — qui s’est avérée améliorer l’expression des protéines et la stabilité biochimique. Le poids moléculaire de Task2 recombiné est d’environ 72 kDa avec une étiquette GFP. Il avait été solubilisé et purifié à l’aide d’un détergent auparavant. Elle a été combinée avec les lipides et le MSP selon un ratio stœchiométrique précisément calculé. Après le retrait du détergent à l’aide de Bio-Beads, l’échantillon a été purifié par chromatographie d’exclusion de taille (SEC) afin d’obtenir une préparation adaptée à la cryo-EM. Des moyennes de classe bidimensionnelles (2D) ont ensuite été générées à partir de données cryo-EM à particule unique pour valider l’intégrité de l’échantillon.