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Le proteine di membrana svolgono un ruolo cruciale nella trasduzione del segnale cellulare, nel trasporto dei metaboliti, nel mantenimento dell'integrità strutturale cellulare e nelle risposte immunitarie. La disregolazione delle proteine di membrana è implicata in varie malattie, rendendole bersagli importanti per lo sviluppo di farmaci1. L'avvento della criomicroscopia elettronica (crio-EM) ha permesso studi strutturali su proteine di membrana grandie dinamiche. Una delle principali difficoltà nell'ottenere strutture ad alta risoluzione risiede nell'estrazione di queste proteine dai loro bistrati lipidici nativi, preservando al contempo le loro conformazioni e funzioni biochimiche native. Inoltre, la conformazione altamente dinamica delle proteine di membrana e la complessità dello screening degli anticorpi rappresentano ulteriori ostacoli alla scoperta miratadi farmaci 3,4. I metodi tradizionali per l'estrazione delle proteine a membrana spesso impiegano detersivi per imitare le proprietà del bistrato lipidico idrofobo. Tuttavia, questo approccio spesso altera la stabilità delle proteine di membrana, portando all'aggregazione o allo sviluppoparziale 5. Inoltre, i detersivi possono rimuovere molecole lipidiche essenziali che sono fondamentali per stabilizzare la conformazione proteica, potenzialmente alterando la conformazione proteica o addirittura compromettendo la funzione, limitandone così l'applicazione nello screening degli anticorpi e in altre applicazionia valle 6.
La tecnologia dei nanodischi è stata introdotta per la prima volta da Sligar ecolleghi 7. Questa struttura autoassemblante è tipicamente formata da derivati apolipoproteine A1 (ApoA1), ovvero MSP, insieme a lipidi sintetici o naturali, fornendo un ambiente stabile per le proteine dimembrana 7,8,9. La MSP forma una struttura a disco circondando i bordi idrofobici del bistrato lipidico. Questa struttura presenta una superficie idrofobica che interagisce con le code dei lipidi acillici, stabilizzando la proteina di membrana, e una superficie idrofila rivolta verso l'esterno, permettendo alla proteina di membrana di rimanere solubile in soluzioniacquose 10. I nanodischi fungono da piattaforma versatile per studi sulle proteine di membrana. Conservando le proteine di membrana purificate in un ambiente lipidico quasi nativo, superano i limiti dei metodi tradizionali a base di detersivi e mantengono la conformazione e la funzione biologica delle proteine in vitro. Di conseguenza, questo metodo è diventato uno strumento potente per gli studi strutturali delle proteine di membrana. Rispetto agli ambienti tradizionali di detersivo, il bistrato lipidico nei nanodischi fornisce supporto strutturale alle proteine di membrana, stabilizzando la loro conformazione nativa—una caratteristica cruciale per le proteine soggette all'inattivazione, come i recettori accoppiati a proteine G e i canaliionici 11. Inoltre, la natura altamente uniforme delle particelle nanodisco dopo assemblaggio offre un supporto più solido per ottenere dati crio-EM di alta qualità e dati cinetici affidabili per risonanza plasmonica superficiale/interferometria bio-layer 12.
Nell'ultimo decennio, la tecnologia dei nanodischi è diventata uno strumento potente per studiare le proteine di membrana negli ambienti lipidici naturali. Ad esempio, Vilela e i suoicolleghi 13 hanno stabilito un quadro sistematico per l'assemblaggio dei nanodischi ottimizzando le condizioni di ricostituzione e verificando la qualità dei componenti finali. In particolare, hanno combinato la cromatografia di esclusione dimensionale (SEC) con indicatori quantitativi (inclusi efficienza di assemblaggio e simmetria di picco) per valutare oggettivamente l'omogeneità deicampioni 13. Attualmente, i nanodischi sono diventati una piattaforma versatile. Utilizzando la crio-EM a singola particella per rilevare le proteine assemblate e ricostituite con nanodischi, si possono ottenere strutture ad alta risoluzione delle proteine di membrana, e la loro applicabilità è stata saldamente stabilita. La caratteristica di densità a doppio anello della banda MSP è la prova strutturale decisiva per il successo del legame 10,14,15. Inoltre, i nanodischi rappresentano uno strumento prezioso sia per l'analisi funzionale delle proteine di membrana negli ambienti a bistrato lipidico, sia per la loro applicazione negli studi di risonanza magnetica nucleare insoluzione 16,17.
Questo protocollo descrive un metodo per assemblare la proteina umana della membrana Task2 in nanodischi. Human Task2 è un membro a pH-dipendente della famiglia di canali K+ (K 2P) a due pori18,19. Come altri canali K2P, Task2 è un omodimero scambiato a dominio, con ogni catena protomerica che contiene quattro eliche transmembrana (TM1–TM4), due eliche dei pori reentranti (PH1 e PH2), due filtri di selettività (SF1 e SF2) e due eliche extracellulari formanti cappuccio (CH1 e CH2). La proteina bersaglio era una forma troncata di Task2 priva dei 166 amminoacidi C-terminali — una regione prevista come in gran parte non strutturata — che si è scoperto migliorare l'espressione proteica e la stabilità biochimica. Il peso molecolare di Task2 ricombinato è di circa 72 kDa con un tag GFP. Era stato solubilizzato e purificato con un detersivo in precedenza. È stato combinato con lipidi e MSP con un rapporto stechiometrico calcolato con precisione. Dopo la rimozione del detersivo con Bio-Beads, il campione è stato ulteriormente purificato tramite cromatografia a esclusione di dimensioni (SEC) per ottenere una preparazione adatta alla crio-EM. Sono state quindi generate medie di classe bidimensionali (2D) da dati crio-EM a particella singola per convalidare l'integrità del campione.