Recettori accoppiati alla proteina G (GPCR Heptahelical) comprendono una superfamiglia di proteine di membrana altamente dinamici che mediano i segnali extracellulari importanti e diverse. Nel paradigma classico, l'attivazione del recettore è accoppiato con i cambiamenti conformazionali ligando-indotta. 1, 2 recenti progressi nel campo della biologia strutturale di GPCR hanno fornito informazioni significative sui meccanismi molecolari della segnalazione transmembrana. 3-5 Tuttavia, per comprendere con maggiore precisione chimica meccanismo funzionale e dinamica strutturale della segnalazione GPCR, un toolkit di approcci sono necessari per incorporare sonde molecolari e chimiche informativi per interrogare complessi di segnalazione attiva.
A tal fine, abbiamo adattato un metodo per sito-specifico di introdurre non o poco sonde perturbanti nella recettori espressi sulla base di aminoacidi innaturale (SAU) mutagenesi con ambra codone tecnologia di soppressione precedentemente introdotta da Schultz ecoworkers. 6 Abbiamo ottimizzato la metodologia mutagenesi SAU per ottenere una espressione ad alto rendimento e sistema di mutagenesi per proteine come GPCR, che sono difficili da esprimere in sistemi eterologhi più diversi dalle cellule di mammifero. L'utilizzo di un silenziatore costruito ortogonale tRNA e si è evoluta-tRNA sintetasi pair per una specifica SAU, noi del sito specificamente introdotto UAAs in GPCR bersaglio espresse. L'incorporazione di successo UAAs, p-acetil-L-fenilalanina (ACF), p-benzoil-L-fenilalanina (BZF), e p-azido-L-fenilalanina (AZF) è stata dimostrata nei nostri GPCR modello - rodopsina e umana recettore CC chemochine, CCR5. 7, 8
In linea di principio, una SAU può essere geneticamente codificato in qualsiasi posizione all'interno della sequenza della proteina e questa proprietà è uno strumento biochimico prezioso in quanto consente la scansione singolo codone di un GPCR bersaglio. Ci concentriamo qui in particolare sulla versatilità della SAU, AZF, che ha una azi reattivafare parte. Oltre a servire come infrarossi (IR) sonda unico, 8, 9 AZF può anche servire come un photoactivatable reticolante per reazione con ammine primarie vicini o idrogeni alifatici. Inoltre, il gruppo azido biologicamente inerte può partecipare come un manico chimica selettiva nelle reazioni di etichettatura bioorthogonal. Qui vi presentiamo esempi che illustrano le applicazioni utili del sito-specifica incorporazione di AZF in GPCR, come photocrosslinking mirato ad intrappolare un complesso recettore-ligando, e la modifica dei GPCR da bioorthogonal codifica epitopo e le strategie in materia di etichettatura fluorescenti.
Photoactivatable reagenti sono stati utilizzati per studiare i sistemi biologici dal 1960. 10 In questo periodo, l'abbondanza di esperimenti reticolazione recettore-ligando sono stati segnalati per studiare complessi GPCR, la maggior parte dei quali ha coinvolto l'uso di leganti fotoaffinità. 11, 12 Tuttavia, questi applicazioni sono tecnicamente limitati, in quanto Require sintesi di leganti recanti un gruppo reticolante. 13-15 Inoltre, con la frazione di reticolante nel ligando, è impegnativo per identificare la posizione della reticolazione sul GPCR. Sito-specifico introducendo photocrosslinking gruppi come UAAs in proteine utilizzando la tecnologia di soppressione ambra codone è un avanzamento importante. 16, 17 Abbiamo sviluppato una tecnica photocrosslinking per identificare l'interfaccia di legame su un recettore che è coinvolto nella formazione di un complesso recettore-ligando in cellule vive introducendo gruppi fotolabili in GPCR. 18, 19 Qui si descrive il protocollo sperimentale e metodo di analisi dei dati per applicare questa tecnologia photocrosslinking mirato per identificare il sito di legame di un ligando piccola molecola, maraviroc triziata, su CCR5. Questo metodo sfrutta la quantificazione precisa del manico sul ligando radioattivo, oltre ad avere la struttura chimica nativa del ligando.
Tecniche basate fluorescenza supportano la precisa comprensione della base strutturale del recettore sondando direttamente lo stato conformazionale del recettore. 20, 21 Tuttavia, le tecniche che hanno la flessibilità necessaria per introdurre etichette fluorescenti in GPCR sito-specifica sono limitati. Siamo interessati a impiegare strategie di modificazione chimica bioorthogonal per facilitare l'individuazione singola molecola (SMD) di complessi di segnalazione GPCR. 22 Il gruppo azido può partecipare a chimiche bioorthogonal come Staudinger-Bertozzi legatura, 23, 24 strain-promosso azide-senza rame cicloaddizione alkyne (SpAAC) 25 e azide-alchino cicloaddizione rame-catalizzato (CuAAC) 26. Ci concentriamo qui sulla reazione legatura Staudinger-Bertozzi che coinvolge la reazione specifica tra un azide e fosfina. Abbiamo dimostrato l'utilizzo di due differenti derivati fosfina, coniugati ad un epitopo peptide (peptide FLAG) o un'etichetta fluorescente(Fluoresceina) per raggiungere sito-specifica modifica del GPCR.
Abbiamo già ottimizzato le condizioni per l'etichettatura sito-specifica della rodopsina varianti AZF utilizzando la struttura cristallina ai raggi X e simulazioni dinamiche di scegliere siti di destinazione che sono solventi esposte. 27, 28 Abbiamo anche illustrato la possibilità di conseguire l'etichettatura libero-background da Staudinger- Bertozzi legatura. 29 dimostriamo qui la procedura generale impiegato per raggiungere marcatura fluorescente di un recettore detergente-solubilizzato che viene immobilizzato su una matrice immunoaffinità e seguito evidenziata in-gel fluorescenza. Inoltre, abbiamo dimostrato un utile estensione di questa strategia di etichettatura per identificare le posizioni suscettibili di etichettatura su un recettore di struttura sconosciuta, CCR5. Questo avviene tramite una mirata strategia di codifica-peptide epitopo che si basa sulla modificazione bioorthogonal di AZF-GPCR varianti in un formato semi-high throughput base cellulare. 30 Questometodo sfrutta le proprietà di rilevamento multi-step di un ELISA superficie cellulare per monitorare gli eventi di etichettatura.
Le metodologie di cui parliamo qui sono generali e in linea di principio può essere applicato a qualsiasi GPCR incorporata con AZF usando l'ambra codone tecnologia di soppressione. Nei protocolli qui presentati dettaglio i passi necessari per l'espressione cellulare di mammifero di recettori incorporato con UAAs come AZF utilizzando il metodo di mutagenesi amminoacido non naturale e successive applicazioni di facilitare studi strutturali e dinamiche di GPCR.