我々のGPCRの様々な標的位置に非天然アミノ酸p-アジド-L-フェニルアラニンを遺伝的に符号化し、異なる用途におけるアジド基の汎用性を示している。これらは、GPCRのリガンド結合ポケットに残基を同定するために目標と光架橋技術、およびペプチドエピトープタグまたは蛍光プローブでのGPCRの部位特異的バイオ直交修飾を含む。
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我々のGPCRの様々な標的位置に非天然アミノ酸p-アジド-L-フェニルアラニンを遺伝的に符号化し、異なる用途におけるアジド基の汎用性を示している。これらは、GPCRのリガンド結合ポケットに残基を同定するために目標と光架橋技術、およびペプチドエピトープタグまたは蛍光プローブでのGPCRの部位特異的バイオ直交修飾を含む。
複合体シグナル伝達Gタンパク質共役型受容体(GPCR)の構造的および動的研究を容易にするために、新しいアプローチは、受容体機能を撹乱しないで発現される受容体に有益なプローブ又は標識を導入するために必要とされる。我々は、遺伝的にエンコードにアンバーコドン抑圧技術を使用した非天然アミノ酸、異種哺乳動物細胞において発現されたGPCRの様々な標的位置でのp-アジド-L-フェニルアラニン(AZF)。アジド基の汎用性をネイティブな細胞環境や洗剤可溶化条件の下でのGPCRを研究するさまざまなアプリケーションで、ここに示されている。まず、トリチウム標識した小分子リガンドは、遺伝的にコードされたアジドアミノ酸に架橋されるGPCRのリガンド結合ポケット内の残基を同定するための細胞ベースの標的化光架橋技術を実証する。次に、バイオ直交シュタウディンガー·ベルトッツィライゲーションREACによるGPCRのサイト固有の変更を実証ホスフィン誘導体を用いたアジド基を標的たTiON。私たちは、全細胞ベースのELISA法を用いて標的ペプチドエピトープでの培養発現する膜タンパク質のタグ付けおよびその検出のための一般的な戦略を議論する。最後に、我々はAZF-GPCRが選択的蛍光プローブでタグ付けすることができることを示している。それらは原理的に活性なシグナル伝達複合体を調べるためにGPCRを発現したいずれかにおける任意のアミノ酸位置に適用することができるという点で論じ方法は、一般的である。
ヘプタヘリカルGタンパク質共役受容体(GPCR)は、重要かつ多様な細胞外シグナルを媒介する高度に動的な膜タンパク質のスーパーファミリーを含む。古典パラダイムでは、受容体の活性化は、リガンド誘導性立体構造変化に連結されている。1は、GPCRの構造生物学における2近年の進歩は膜貫通シグナル伝達の分子機構に重要な洞察を提供してきました。3-5が、より高い化学的精度で理解する作用機序およびGPCRシグナル伝達の構造力学は、アプローチのツールキットは、活性なシグナル伝達複合体を調べるために有益な分子や化学プローブを組み込むことが必要である。
この目的のために、我々は、具体的には、部位以前シュルツとCによって開拓アンバーコドン抑制技術を使用して非または非天然アミノ酸に基づいて発現する受容体への侵襲摂動プローブ(UAA)突然変異誘発を導入する方法を適応さoworkers。6私たちは、このような哺乳動物の細胞以外のほとんどの異種系の中で表現するのが難しいのGPCRなどのタンパク質のための高収量発現および変異誘発システムを実現するために、UAA突然変異誘発法を最適化した。直交設計サプレッサーtRNAを使用して、特定のUAAのためのアミノアシルtRNA合成酵素のペアを進化させ、我々は部位特異的に発現される標的GPCRをでUAAsを導入しました。 UAAsの成功した組み込みは、p-アセチル-L-フェニルアラニン(ACF)に、p-ベンゾイル-L-フェニルアラニン(BZF)、およびp-アジド-L-フェニルアラニン(AZF)は、我々のモデルのGPCRにおいて実証されている-ロドプシンおよびヒトCCケモカイン受容体、CCR5 図7、図8
原理的には、UAAは、遺伝的にタンパク質配列内の任意の位置で符号化することができ、それは、標的GPCRの単一コドン走査を可能にするように、このプロパティは、貴重な生化学的ツールである。私たちは、反応性庵治を持つUAA、AZFの汎用性に特に焦点を絞り部分を行う。ユニークな赤外線(IR)プローブ、8として機能することに加えて、9 AZFはまた、隣接する第一級アミンまたは脂肪族の水素と反応して光架橋基として機能することができる。さらに、生物学的に不活性なアジド基は、バイオ直交標識反応における選択的化学ハンドルとして参加することができます。ここでは、そのようなトラップに目標と光架橋受容体 - リガンド複合体、およびバイオ直交エピトープ標識、蛍光標識ストラテジーによるGPCRの変更などのGPCRの中にAZFの部位特異的組み込みの有用な応用を説明するための例を紹介します。
光活性化試薬は、1960年代から生物学的システムを研究するために使用されてきた。10この間、受容体-リガンド架橋実験の存在量は、光親和性リガンドの使用を含むほとんどがGPCR複合体を研究することが報告されている。11、12しかし、これらの彼らはrequirなどのアプリケーションでは、技術的に限られている架橋性基を有する配位子の電子合成。13-15また、リガンド中の架橋部分では、GPCR上の架橋の位置を特定するために挑戦している。部位特異的に抑制技術アンバーコドンを使用して蛋白質にUAAsとして光架橋基を導入することは、貴重な進歩です。16、17我々は内受容体-リガンド複合体の形成に関与している受容体に結合界面を識別するために、光架橋技術を開発GPCRの中に光解離性基を導入することによって、細胞を生き。18,19ここでは、小分子リガンドの結合部位、CCR5にトリチウム化マラビロックを識別するために、この標的化光架橋技術を適用するための実験プロトコルおよびデータ分析の方法を記載している。この方法は、天然のリガンドの化学構造を保持することに加えて、放射性リガンド上のハンドルの正確な定量化を利用する。
蛍光ベースの技術は、直接、受容体の立体配座状態をプローブすることによって受容体活性化の構造的基盤を正確に理解してサポートしています。20は、21しかし 、GPCRの中に蛍光標識を導入する柔軟性を有する技術は部位特異的に限られている。我々は、GPCRのシグナル伝達複合体の単一分子検出(SMD)を容易にするために、バイオ直交化学修飾戦略を採用することに興味を持っている。22アジド基は、シュタウディンガー·ベルトッツィライゲーション、23、24銅を含まない株をプロモートアジドなどのバイオ直交化学反応に参加することができますアルキン環(SpAAC)25、銅触媒によるアジド-アルキン環(CuAAC)。26我々は、アジドとホスフィンとの間の特定の反応を含むシュタウディンガー·ベルトッツィライゲーション反応にここに焦点を当てています。我々は、ペプチドエピトープ(FLAGペプチド)または蛍光標識に結合つの異なるホスフィン誘導体の使用を示すGPCRのサイト固有の変更を達成するために(フルオレセイン)。
ロドプシンAZFの部位特異的標識が露出し、溶剤である標的部位を選択するためにX線結晶構造と動的シミュレーションを用いて変異体についての我々は以前の条件を最適化した。27、28我々はまた、シュタウディンガー·バックグラウンドのないラベルを達成するための実現可能性を示すベルトッツィライゲーション。29ここでは、免疫親和性マトリックス上に固定し、その後、ゲル内の蛍光により可視化された界面活性剤で可溶化受容体の蛍光標識を達成するために使用の一般的な手順を示しています。さらに、私たちは未知の構造、CCR5の受容体上の標識に適した位置を特定するため、このラベル戦略に関する有用な拡張を示しています。これはAZF-GPCRは、細胞ベースの半ハイスループット形式で変異体のバイオ直交修飾に依存している標的化ペプチド-エピトープタギング戦略を用いて行われる。30本この方法は、標識事象を監視するために細胞表面ELISAの多段階検出特性を利用するものである。
我々はここで議論する方法論は一般的なものであり、原則的に抑制技術アンバーコドンを使用してAZFを組み込んだ任意のGPCRに適用することができます。我々の詳細を非天然アミノ酸突然変異誘発法を用いて、例えばAZFとしてUAAsとGPCRの構造的および動的な研究を促進するそれらの後続のアプリケーションに組み込まれた受容体の哺乳動物細胞発現に関与する工程、ここで提示されたプロトコルである。
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1。 GPCRの中に非天然アミノ酸の部位特異的な遺伝子の組み込み
2。ターゲット光架橋を使用して、リガンド結合部位のマッピング
3。エピトープタギングおよび細胞表面酵素結合免疫吸着アッセイ(ELISA)を標的化
4。 GPCRのバイオ直交蛍光標識
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私たちは、部位特異的抑制技術コドン琥珀を使用して、GPCRに分子プローブを導入する非天然アミノ酸の変異導入方法論を採用。 図1の方式では、方法論の主要なステップとのGPCRに、汎用性のUAA、p-アジド-L-フェニルアラニン(AZF)を組み込む様々なアプリケーションの概要を説明します。哺乳動物細胞におけるAZF-GPCRの発現は、リガンドをターゲットに光架橋を可能にし、バイオ直交ラベルの化学薬品を介して、ペプチド-エピトープタギングやGPCRの蛍光修正を対象とした。
光架橋技術は、生きた細胞( 図1a)におけるGPCR-リガンド複合体の構造的側面 を調べるために使用することができる。そのような実験から得られた代表的なデータを図2に示す。19ここでは、その結合座るを同定するために、放射性標識された小分子リガンド、トリチウム化マラビロックを用いCCR5上のE。この例では、AZF-CCR5を発現する細胞に対するUV照射は、リガ...
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我々のGPCRに、ここでは反応性プローブ、AZFの部位特異的組み込みのための強固な方法論を記述し、GPCRの構造やダイナミクスを研究するために、このツールの便利な3つのアプリケーションを示しています。部位特異的に本手法UAAsを組み込むには、化学的に32、33をラベルまたは単一アクセス可能なシステイン変異体に光架橋34を取り付けるに基づく代替戦略の基本的な問題を回避する。システインのチオール基を標的とする化学物質が蛍光プローブを取り付けるために使用されている、が、そのような戦略は、システインを含まないタンパク質のバックグラウンドの生成を必要とする。全てのGPCRが適切な受容体機能を維持するために必須であり得る、その多くが複数のシステインを有するので、これは限定的であることができる。したがって、化学修飾を受けやすい又はUV光によって活性化することができるUAAを導入する可能性は非常に魅力的である。
PHOTの共有結合反応標的分子とoactivatable架橋剤は、距離や近隣の側鎖に依存している。したがって、これらのプローブは、例えば、...
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著者らは、開示することは何もありません。
我々は、いくつかの財団や慈善ドナーの寛大な支援を(SakmarLab.orgを参照)に感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| プラスミドpSVB。Yam | (Ye et al., 2008) | ||
| Plasmid pcDNA.RS for azF | (Ye et al., 2009) | ||
| プラスミド pMT4.Rho and pcDNA 3.1.CCR5 | オプションで、琥珀色の終止コドン (TAG) を所望の位置に含みます | ||
| HEK 293T 細胞 | 接着細胞 | ||
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | Gibco | 10566 | |
| リン酸緩衝生理食塩水 | Gibco | 14200 | |
| ウシ胎児血清 | ジェミニバイオ製品 | 100-106 | |
| リポフェクタミンプラス | Invitrogen | リポフェクタミン: 18324-012 Plus: 11514-015 | |
| p-アジド-L-フェニルアラニン | Chem-Impex International | 6162 | |
| 表 1. GPCR材料への非天然アミノ酸の部位特異的な遺伝的取り込み | |||
| Maxima ML-3500S UV-A lamp | Spectronics Corporation | azF is activated by 365-nm light | |
| Hank's Buffered Salt Solution (HBSS) | Gibco | 14065 | |
| HEPES | アーバインサイエンティフィック | 9319 | |
| ウシ血清アルブミン | ロシュ | 3117405001 | |
| トリチウム標識配位子 | 共同研究者 (Grunbeck et al., 2012) | ||
| 1% (w/v) n-dodecyl-β-D-maltoside | Anatrace | D310LA | |
| CNBr活性化セファロース上に固定化された1D4 | -セファロース樹脂 | ||
| 1%(w / v)ドデシル硫酸ナトリウム(SDS) | Fisher Scientific | BP166 | |
| NuPAGE Novex 4 - 12% SDS ゲル | Invitrogen | NP0322BOX | NuPAGE 装置で行われた SDS-PAGE |
| トランスブロット SD 装置 | Biorad | 半乾燥転写装置 | |
| イモビビロン ポリビニリデン二フッ化物 (PVDF) 膜 | ミリポア | IPVH00010 | |
| 無脂肪牛乳 | フィッシャー・サイエンティフィック | NC9934262 | |
| Tween-20 | アルドリッチ | 274348 | |
| Ecoscint A | National Diagnostics | LS-273 | シンチレーション液 |
| シンチレーションバイアル | フィッシャーサイエンティフィック | 333726 | |
| LKB Wallac 1209 Rackbeta 液体シンチレーションカウンター | Perkin Elmer | ベータシンチレーションカウンター | |
| アンチロドプシン 1D4 mAb | 国立細胞培養センター | カスタム | |
| 西洋わさびペルオキシダーゼ(HRP)結合抗マウスIgG | KPL株式会社 | 〒474-1806 | |
| SuperSignal West Pico 化学発光基質 | Thermo Scientific | 34080 | |
| ハイブロットCL ARフィルム | デンビル | E3018 | |
| 表 2. ターゲット光架橋材料 | |||
| 0.25% Trypsin | Invitrogen | 15050065 | |
| FLAG-トリアリールホスフィン | Sigma | GPHOS1 | |
| M2 FLAG mAb | Sigma | F1804 | |
| 抗CCR5 2D7 mAb | BD Biosciences | 555990 | |
| ポリD-リジン | シグマ | P6407 | |
| 96ウェルプレート | Costar | 3601 | クリアボトム、高結合 EIA/RIA |
| リン酸緩衝生理食塩水 (カルシウム、マグネシウム) | Gibco | 14040 | |
| 16%パラホルムアルデヒドEMS | 28908 | ||
| HRP共役 | KPL株式会社 | 474-1516 | |
| 抗ウサギIgG | KPL株式会社 | 474-1516 | |
| アンプレックス レッド | Invitrogen | A12222 | |
| 過酸化水素 | DEヘルスケア製品 | 97-93399 | |
| CytoFluor II 蛍光マルチウェルプレートリーダー | Perseptive Biosystems | ||
| 表 3. 標的ペプチド-エピトープのタグ付けと細胞表面 ELISA 材料 | |||
| フルオレセイン-ホスフィン | (Huber et al., submitted 2012) | ||
| Nonapeptide (C9 peptide) | AnaSpec | 62190 | Peptide mimicking the 1D4-epitope NH2-TETSQVAPA-COOH |
| 1% (w/v) n-dodecyl-β-D-maltoside | Anatrace | D310LA | |
| 1D4-セファロース樹脂 | 1D4 mAb を CNBr 活性化セファロース上に固定化 2B 樹脂 | ||
| NuPAGE Novex 4 - 12% SDS ゲル | Invitrogen | NP0322BOX | NuPAGE 装置で SDS-PAGE を |
| Confocal Typhoon 9400 蛍光スキャナー | GE ヘルスケア | 販売終了 | 波長 488nm レーザー付きスキャナー |
| <ストロング>表4.<・ストロング>蛍光標識材料 |
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