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方法論記事

組換えタンパク質の発現、結晶化、および生物物理学的研究

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DOI:

10.3791/55576

⸱

2017年5月16日

 ,  , 
1Division of Biological Science and Technology, Yonsei University

この記事について

サマリー

Bacillus anthracisは致命的な吸入炭疽菌の必須病原体であるため、その遺伝子やタンパク質の研究は厳格に規制されています。代わりのアプローチは、オーソロガス遺伝子を研究することである。最小の実験装置を必要とし、重大な安全性の懸念がないB.セレウスの B. anthracisオルソログ（bc1531）の生物物理化学的研究を記載する。

要約

真の病原体から遺伝子やタンパク質を研究する際の安全規制や規制を克服するために、それらの同族体を研究することができます。 Bacillus anthracisは致命的な吸入炭疽菌を引き起こす必須の病原体である。 Bacillus cereusは、その近縁の進化的関係のためにB. anthracisを研究するための有用なモデルと考えられている。 炭疽菌の遺伝子クラスターba1554 - ba1558はバチルス ・セレウスの bc1531-bc1535クラスターならびにバチルス・チューリンゲンシスの bt1364-bt1368クラスターと高度に保存されており、 バチルス属の関連遺伝子の重要な役割を示している。この原稿ではB. cereusの bc1531のオルソログの組換えタンパク質を用いて炭疽菌の遺伝子クラスターからの第1遺伝子（ ba1554 ）のタンパク質産物を調製し特徴付ける方法を説明しています。

概要

組換えタンパク質発現は、限られたタンパク質量および有害な汚染などの天然のタンパク質源に関連する問題を克服するために広く使用されている。さらに、病原性遺伝子およびタンパク質の研究において、追加の安全予防措置を必要としない別の実験室株を利用することができる。例えば、 Bacillus cereusは、 Bacillus anthracisをそれらの近い進化的関係のために研究するための有用なモデルである1 。

炭疽菌はヒトや家畜の致命的な吸入炭疽菌を引き起こす必須の病原体であり、潜在的に生物兵器として使用することができる2 。したがって、 B. anthracisに関する実験室研究は、実験室領域が負の室内圧力で隔離されることを義務づけるバイオセーフティーレベル3（BSL-3）プラクティスを必要とする米疾病管理センター（NHS）によって厳格に規制されている。 B. anthracisとは対照的にB.セレウスはBSL-1剤に分類され、したがって安全性の懸念が最小限である。 B.セレウスは日和見病原体であり、感染時に食中毒を引き起こし、医学的援助なしに治療することができる。しかしB. cereusはB. anthracisと多くの重要な遺伝子を共有しているのでB. anthracisタンパク質の機能はB. cereus 1の対応する同族体を用いて研究することができる。

B. anthracisの ba1554 - ba1558遺伝子クラスターは、 bc1531 - bc1535クラスターと高度に保存されています Bacillus thuringiensisの bt1364-bt1368クラスターと同様に 、遺伝子構成および配列の点で、B。さらに、それぞれのクラスターの最初の遺伝子（ ba1554 、 bc1531 、およびbt1364 ）は、完全に保存されている（ すなわち、 100％のヌクレオチド配列同一性）、implyiBacillus種における遺伝子産物の重要な役割を担う。これらの遺伝子クラスターにおけるその位置のために、ba1554は、推定転写調節因子3として誤って同定された。しかしながら、 ba1554産物のアミノ酸配列分析は、それがヌクレオチドピロホスホヒドロラーゼ活性を有し、転写因子活性に関連しないMazGファミリーに属することを示している4,5。 MazGファミリーに属するタンパク質は、全配列および長さに関して多様であるが、EXXE 12-28EXXDモチーフによって特徴付けられる共通の約100残基のMazGドメインを共有する（「X」は任意のアミノ酸残基を表し、 X残基の数を示す）。

MazGドメインは、必ずしも特定の触媒活性を直接的に説明するとは限らない。 エシェリヒア・コリ （EcMazG） 由来の MazGメンバーは、2つのMazGドメインを有するが、C末端のMazGドメインは酵素的に活性である6 。さらに、MazG酵素の基質特異性は、非特異的ヌクレオシド三リン酸（EcMazGの場合）から特異的dCTP / dATP（インテグリン関連MazGの場合）およびdUTP（dUTPaseの場合）6,7,8,9まで変化する。したがって、そのNTPアーゼ活性を確認し、その基質特異性を解明するためには、BA1554タンパク質の生物物理化学的分析が必要である。

ここでは、BSL-3機能を持たない大部分の研究室が分子レベルでB. anthracis ba1554のオルソログであるB. cereus bc1531遺伝子のタンパク質産物を特徴づけることができる段階的プロトコールを提供する。簡潔には、組換えBC1531（rBC1531）を大腸菌で発現させ、親和性タグを用いて精製した。 X線結晶学実験のために、結晶rBC1531タンパク質のzation条件をスクリーニングし最適化した。 rBC1531の酵素活性を評価するために、NTPアーゼ活性を比色分析して、従来使用されていた放射性標識ヌクレオチドを回避した。最後に、得られた生物物理化学的データの分析により、rBC1531のオリゴマー化状態および触媒パラメータを決定することができ、ならびにrBC1531結晶からX線回折データを得ることができた。

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プロトコル

1. rBC1531の組換えタンパク質産生および精製

  1. 組換えBC1531タンパク質（rBC1531） - 発現プラスミドの調製
    1. B. cereus 10のゲノムDNAを調製する。
    2. BamHIおよびSalI制限酵素部位をそれぞれ作製するために、フォワードおよびリバースプライマー（材料リストを参照）を用いて、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）によってB.セレウスゲノムDNAの鋳型からbc1531遺伝子を増幅する。
    3. PCR産物と改変pET49bベクター（pET49bm）をBamHIとSalIを用いて消化し 、 11 。
    4. 記載されているように、10μLの反応液中のT4 DNAリガーゼを用いて、ステップ1.1.3からの消化されたPCR産物およびベクター（3：1比）を混合する。 18℃で30分間インキュベートする。
    5. ライゲーション反応3μLをケミカ50μLにピペット大腸菌 DH5α細胞をチューブ内に1回通す。ピペットで上下に穏やかに混合し、氷上に30分間置く。 42℃で45秒間の熱ショック。 Luria-Bertani（LB）培地1 mLを添加し、激しく振盪しながら細胞を増殖させる（250 rpm、37℃、45分間）。
    6. ステップ1.1.6からの形質転換された細胞100μLを取り出し、100μg/ mLカナマイシン（Kan）を含むLB-寒天プレート上にそれらを広げる。 37℃で約18時間インキュベートする。
    7. 滅菌チップを使用してコロニーを選び、100μg/ mLのKanを含む3mLのLB培地で細胞を増殖させる;激しく振盪する（250rpm、37℃、18時間）。
    8. 記載されているように、アルカリ性SDS溶解法を用いてプラスミドDNAを調製する。10 。
    9. DNAシーケンシング12を使用して、rBC1531発現コンストラクトのヌクレオチド配列を確認する。
  2. rBC1531タンパク質の過剰発現
    1. 大腸菌 BL21（DE3）株をrBC1531-expで再形質転換する過剰発現のために、工程1.1.5-1.1.6に記載されているように、レシジョンプラスミド。
    2. コロニーを選択し、50μg/ mLカン（LB + Kan）を含む10mLのLB培地で増殖させる。 37℃で18時間激しく振盪する。
    3. 1LのLB + Kan培地に一晩培養した10mLを接種し、OD 600 （600nmでの光学密度）が〜0.7に達するまで37℃で増殖させる。
    4. 培養物を氷冷水中に約15分間浸漬して温度を18℃に冷却し、イソプロピルβ-D-1-チオガラクトピラノシド（IPTG）を最終濃度1mMで培養液に添加して組換えタンパク質を発現させる。 18〜18℃でさらに16〜18時間培養する。
  3. rBC1531の精製
    1. 遠心分離（5,000×g、4℃、30分）により細胞を回収する。細胞を乱さないように注意深く上清を捨てる。 10 mMイミダゾールを含む50 mLのリン酸緩衝食塩水（PBS）溶液に細胞を再懸濁する。
    2. 細胞ライセートの過熱（時間：2分30秒;サイクルオン：5秒;サイクルオフ：10秒;振幅：38％）を防止するために、氷上で超音波処理することによって細胞を2回溶解する。
    3. 遠心分離（約25,000×g、4℃、30分）により細胞溶解物を除去する。
    4. ニッケルビーズ3mLと10mMイミダゾールを含む60mLのPBSを混合し、余分な緩衝液を重力流して、平衡化したニッケルビーズを2.5×10cmガラスクロマトグラフィーカラムに沈殿させる。
    5. ピペットを用いて、ステップ1.3.3の上清を予め平衡化されたニッケルビーズを有するカラムに移し、低速（約20rpm）で回転ホイール上で4℃で2時間インキュベートする。
    6. 上清を重力により排出させ、10mMイミダゾールを含有する100mLのPBSでカラム中のニッケルビーズを3回洗浄する。
    7. 250mMイミダゾールを含有する4×5mLのPBSを適用することにより、rBC1531タンパク質を溶出する。
    8. ステップ1.3.7から15μLの溶出液を取り出し、15％SDS-PAGEで溶出する。タンパク質バンドを可視化するクーマシーブルー染色を用いたゲル10 。
  4. トロンビンタンパク質分解によるrBC1531タンパク質の親和性タグの除去
    1. この画分を透析チューブ（分子量カットオフ：3kDa）にピペットで入れ、4Lのトロンビン切断適合性緩衝液（20mM HEPES、pH7.4,150mM NaCl、および1.5mMβ-メルカプトエタノール）を含むビーカーに入れ、 4℃で一晩インキュベートする。
    2. 画分をピペットで取り出し、コニカルチューブに移す。
    3. 280nmでの吸光度を測定し、記載されているようにrBC1531タンパク質濃度を推定する。
    4. 0.5 mLのチューブで50μgのrBC1531を取り、様々な量のトロンビン（ すなわち、 2,1,6、および0.3単位）を加える。 rBC1531とトロンビン反応を20℃で約3時間インキュベートして、N末端アフィニティタグを切断するのに必要なトロンビンの量を最小限に抑えます。
    5. rBC1531およびトロンビン反応を15％SDS-PAGEで分析し、N末端アフィニティータグを完全に消化し、タグを含まないrBC1531を産生するトロンビンの最も少ない量（ 例えば、 50単位のrBC1531あたり0.3単位のトロンビン）を決定する。
    6. 10mgのrBC1531タンパク質と60ユニットのトロンビンを15mLチューブに加え、トロンビン - タンパク質分解反応のために20℃で約3時間インキュベートする。
    7. 分子量および溶出量の標準曲線を作成するために、サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）カラムにゲルろ過標準を適用する（ 13） 。
    8. ステップ1.4.6のトロンビン消化rBC1531タンパク質を遠心フィルターチューブ（分子量カットオフ：3kDa）に入れ、4℃で3000gで遠心分離して、5mL未満の体積に減少させる。
    9. 濃縮したrBC1531タンパク質をSECカラムにアプライし、溶出画分60個をチューブ1本あたり0.5 mLずつ集めます。
    10. それぞれの画分15μLをとり、15％SDS-PAGE上でそれらを実行し、記載の10のクマシー染色溶液（0.15％（w / v）クーマシーブリリアントブルー、40％（v / v）メタノール、および10％（v / v）氷酢酸）を用いたゲル。
    11. rBC1531を含む画分をピペットで取り出し、1本のチューブに集めます。

2. rBC1531の結晶スクリーニングおよび最適化

  1. rBC1531タンパク質の結晶化のスクリーニング条件
    1. ステップ1.4.11のrBC1531を遠心フィルターチューブを使用して〜18.5 mg / mLまで濃縮します（1.4.8項を参照）。
    2. 各結晶化スクリーニング溶液（セクション2.2を参照）14μLを96ウェルシッティングドロップ結晶化プレートのウェルに加える。 18.5mg / mLのrBC1531タンパク質溶液0.5μLを座位ベッド上に置く。 0.5μLのウェル溶液とタンパク質溶液を混合し、プレート全体のプロセスを繰り返します。
    3. 透明な接着フィルムでプレートを覆う。96ウェルプレートを18℃に置き、蒸気拡散を可能にする。
    4. 光学顕微鏡を用いて20〜40倍の倍率で液滴をスキャンし、結晶形成を毎日2-3週間モニターする。
    5. 得られたrBC1531タンパク質結晶を用いてX線回折データ12を収集する。
  2. rBC1531結晶化条件の最適化
    1. 選択した初期結晶化条件溶液（ 例えば、 0.1Mカコジル酸ナトリウム、pH6.5および1.0Mクエン酸ナトリウム）500μLを調製し、シッティングドロップ用の24ウェル結晶化プレートを充填する。
    2. 0.5μLの18.5mg / mL rBC1531タンパク質溶液を座布団に添加し、ウェル溶液0.5μLと混合し、すぐに透明な接着フィルムでプレートを覆う。 18℃にプレートを置きます。
    3. 1週間、光学顕微鏡下で結晶成長を観察する。
    4. pHを変化させることによって様々な結晶化条件を最適化する（ すなわち、pH 5.5〜6.8）を用いて、そしてクエン酸ナトリウムの塩濃度（ すなわち、 0.9〜1.2M）を変化させて単結晶を得ることによって調製した。 〜1週間の結晶成長をモニターし、X線回折データを収集する12 。

rBC1531のヌクレオシドトリホスファターゼ（NTPアーゼ）活性の特徴付け

  1. 無機リン酸依存性比色分析の検証
    1. ピロリン酸（100mM）のストックを調製し、200μLの反応緩衝液（20mM HEPES、pH7.4; 150mM）中に0.1,0.25,0.5,1.0,5.0,10,50,100および250μMの最終濃度に希釈する。 mM NaCl;および2mM MgCl 2 ）で2回洗浄した。コントロールとして最初のプレートを使用してください（これにはピロホスファターゼが含まれていません）。第2プレートには、ステップ3.1.2の指示に従って、作業プレートとしてピロホスファターゼが含まれていることを確認してください。
    2. Saccharomyces cerevisiae無機p 0.01単位を加える。ヨウ化ホスファターゼ（1μL）を作用プレートのウェルに添加し、20℃で30〜60分間インキュベートする。
    3. モリブデン酸アンモニウム（0.86％v / v）とアスコルビン酸（14％v / v）の溶液を7：3の比で混合することにより、モリブデン酸溶液を調製する。モリブデン酸溶液16μLを作業ウェルと対照ウェルの両方に加え、15分間待つ。
    4. 690 nm（OD 690 nm）の光学濃度を読み取ります。
  2. 比色NTPアーゼアッセイ
    1. 100mMのヌクレオシド三リン酸（NTP）基質のストックを調製し、180μLのアッセイ緩​​衝液（20mM HEPES、pH7.4）中で所望の濃度（ 例えば、 0,0.2,4.4,11,22,44,88または132μM） pH7.4; 150mM NaCl;および2mM MgCl 2 ）で洗浄した。
    2. 96ウェルプレートで20μgのrBC1531（1.5mM）と3.2.1ステップのNTP基質を200μLまで加え、ピペットで上下にピペットでよく混合します。蓋でプレートを覆い、37℃のインキュベーターに30分間置く基質加水分解反応を実施する。
    3. プレートを70℃の水浴に移し、rBC1531媒介触媒反応を停止させるために15分間放置する。
    4. S.cerevisiae無機ピロホスファターゼ（1μL）0.01単位を反応プレートの各ウェルに加え（ステップ3.2.3から）、20℃で30分間インキュベートする。 16μLのモリブデン酸溶液を反応プレートに加えて発色させる（約15分）。 OD 690nmで読んでください。
    5. 12に記載されているようにMichaelis-Menten方程式を用いて解析する。

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結果

この研究における目的のタンパク質の特徴付けは、好ましくは数ミリグラム以上の十分な量の組換えバチルスセレウスbc1531 （rBC1531）タンパク質を調製することによって開始した。 ba1554と同一のオルソロガス遺伝子を含むので、 BセレウスのゲノムDNAを鋳型としてPCRを行い、BC1531タンパク質をコードするDNA断片を調製した。 rBC1531は大腸菌細胞において可溶性タンパク質として過剰発現された 。 rBC1531タンパク質は、6'-ヒスチジンタグおよびそのN末端12にトロンビン切断部位で発現された。精製の第一段階として、rBC1531をニッケル - アフィニティークロマトグラフィー（ 図1A ）により精製した。次に、rBC1531（ 図1A ）からの親和性タグの完全消化に必要なトロンビンの最低量を決定するために、トロンビン消化試験を行った。私たちの手には、0.3単...

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ディスカッション

真の病原体の研究は、安全性の制限と規制により制限されています。あるいは、進化的に関連する非病原体または病原性の低い種を使用して病原体を研究することもできます。 ba1554 遺伝子は、 炭疽菌の重要な遺伝子と考えられています。幸いなことに、非臨床的なB .セレウス には同一の遺伝子が存在します。したがって、重大な安全性の懸念なしに、組換えBC1531タンパク質を生物物理学的および酵素的特性評価に使用できます。ここでは、遺伝子から精製された組換えタンパク質に移行する詳細な手順について説明しました。組換えタンパク質を使用して生物物理学的特性評価分析を実施し、四量体 rBC1531 が NTP 加水分解を触媒して NMP と PPi にすることを明らかにしました。

SECは、rBC1531とは異なるサイズの細胞ライセートに由来するタンパク質汚染物質を除去するために、タンパク質精製の最終ステップとして使用されました。また、四量体であるrBC1531のオリゴマー化状態を決定するためにSECカラムを使用しました。rBC1531の結晶構造は...

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開示事項

著者は何も開示することはない。

謝辞

X線回折データセットは、浦項加速器研究所（韓国）のビームライン7Aで収集した。この研究は、科学技術省、将来計画（2015R1A1A01057574〜MH）の資金提供を受けて、韓国国立研究財団（NRF）が運営する基礎科学研究プログラムの支援を受けて行われた。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Bacillus cereus ATCC14579韓国の組織培養コレクション3624
ゲノムDNA調製キットGeneAll106-101ゲノムDNA調製
フォワードプライマーMacrogenGAAGGATCCGGAAGCAAAAA
CGATGAAAGATATGCA		BamHI サイトには下線が引かれています
リバースプライマーMacrogenCTTGTCGACTTATTCTCTCTCTT
CCCTCATCAATACGTG		SalIサイトには下線が引かれています
nPfu-ForteEnzynomicsP410PCRポリメラーゼ
BamHIEnzynomicsR003S
SalIEnzynomicsR009S
pET49b expression vectorNovagen71463発現ベクターを改変し、アフィニティータグとBamHI/SalI部位10
sup>T4 DNAリガーゼEnzynomicsM001S
透析ミームブレーンサーモフィッシャー18265017
Dry block heaterJSRJSBL-02T
LBブロス (Luria-Bertani)LPS溶液LB-05
LB Agar, Miller (Luria-Bertani)Becton, Dickinson and Company
KanamycinLPS solutionKAN025
Mini-prep kitFavorgenFAPDE300Plasmid DNA preparation
BL21(DE3) コンピテントセルNovagen69450-3CN
イソプロピル &β;-D-1-チオガラクトピラノシド (IPTG)Fisher BioReagents50-213-378
塩化ナトリウム大中7548-4100PBS材料
塩化カリウム大中6566-4405PBS材料
リン酸カリウムバイオベーシック株式会社PB0445PBS材料
リン酸ナトリウムバイオベーシック株式会社S0404PBS素材
イミダゾールバイオベーシック株式会社IB0277
ソニケーターソニックスVCX 130
Ni-NTA agarosQiagen30210ニッケルビーズ
RotatorFinepcrAG
Precision Plus Protein Dual Color StandardsBio-rad1610374SDS-PAGE タンパク質標準
Coonmassie Brilliant Blue R-250Fisher BioReagentsBP101-25Coomassie 染色液
メチルアルコールSamchun化学M0585クマシー染色液
酢酸大中1002-4105クマシー染色液
透析 memebraneサーモフィッシャー68035
2-メルカプトエタノールシグマアルドリッチM6250
トロンビンメルクミリポア605157-1KUCN20 μ;L (1単位 μL)で保存し、70°で保管します。Cと解凍 使用前に
Superdex 200 16/600ゼネラル・エレクトリック28989335サイズ排除クロマトグラフィー
ゲルろ過標準バイオ・ラッド151-1901
遠心フィルターアミコンUFC800396
Crystralization プレートハンプトン研究HR3-08396ウェル 座っているドロッププレート
JCSGコアスイート I-IVQiagen130924-130927化secreeningの解決
の顕微鏡のニコンSMZ745T
のCryschemの版ハンプトンの研究HR3-15824井戸の坐ったドロップ版
無機ピロホスファターゼΣ 10108987001
モリブデン酸アンモニウムの解決Σ13106-76-8
Lアスコルビン酸シグマ50-81-7
NTP基板Startagene200415-51
分光光度計BiotekSynergyH1マイクロプレートリーダー
GraphPad プリズム 5GraphPad プリズム 5 ウィンドウ
解凍 結晶用

参考文献

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