タンパク質の分解や変性を最小限に抑える極低温冷凍工場を用いて、酵母や他の細胞から全細胞抽出物を調製するための信頼できる方法を説明します。細胞抽出物は、機能性タンパク質複合体の精製、プロテオミクス分析、共免疫沈降試験、不安定タンパク質修飾の検出に適しています。
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方法論記事
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タンパク質の分解や変性を最小限に抑える極低温冷凍工場を用いて、酵母や他の細胞から全細胞抽出物を調製するための信頼できる方法を説明します。細胞抽出物は、機能性タンパク質複合体の精製、プロテオミクス分析、共免疫沈降試験、不安定タンパク質修飾の検出に適しています。
遺伝子操作の容易さと出芽酵母 サッカロミセスセレビシエ における真核細胞機械の強力な進化的保全は、それを著名な遺伝モデル生物にしました。しかし、効率的なタンパク質の単離は細胞の最適な破壊に依存するため、細胞タンパク質の生化学的分析のための酵母の使用は、酵素的に消化するのに高価な細胞壁(リチケースまたはジモリアーゼを使用)によって妨げられ、サンプルの加熱を引き起こすことなく機械的に破壊することは困難です(伝統的なビーズビーター、フランスのプレスまたはコーヒー粉砕機を使用して)。乳鉢と害虫を使用した液体窒素(LN2)下の酵母細胞の手動粉砕はサンプルの過熱を避けますが、作業集約的であり、オペレータ間の細胞のリシスの変動を受けます。長年にわたり、自動冷凍工場で細胞の凍結粉砕を用いた高品質酵母エキスの調製に成功してきました。LN2 を用いて達成した-196 °Cの温度は、タンパク質、核酸および他の高分子の検索を可能にする、プロテアーゼおよびヌクレアーゼによる分解から生物学的材料を保護する。ここでは、LN2 への液滴添加を通じてライシスバッファー内の細胞の懸濁液を最初に凍結し、「ポップコーン」と呼ばれる細胞の凍結液滴を生成することを含む出芽酵母細胞について詳細に説明する。このポップコーンは、冷凍工場でLN2 の下で粉砕され、ゆっくりと解凍され、難解な破片を除去するために遠心分離によって明確化された凍結した「粉末」抽出物を生成します。得られた抽出物は、タンパク質または核酸の精製、プロテオミクス分析、または共免疫沈降試験などの下流の用途に対応できます。この技術は、様々な微生物、植物および動物組織、サンゴを含む海洋標本、ならびに法医学および永久凍土化石標本からDNA/RNAを単離する細胞抽出物に広く適用される。
酵母は、研究者が利用できる遺伝的および生化学的ツールが豊富にある単純な真核生物であるため、タンパク質研究に人気のモデル生物です。その頑丈な細胞壁のために、研究者が直面する1つの課題は、細胞の内容物を損なうことなく細胞を効率的にlysすることです。酵素リシス(zymolyase)2、3、化学液化4、凍結融解による物理的な液化5、圧力ベース(フレンチプレス)6、7、機械(ガラスビーズ、コーヒーグラインダー)8、超音波処理ベース10および低温2、11を含む酵母細胞の破壊を介してタンパク質抽出物を得るために利用可能な異なる方法が利用可能である。細胞のリシスの効率およびタンパク質収量は、使用される技術によってかなり異なり、したがって、ライセートの所望の下流アプリケーションの最終的な結果または適合性に影響を与える。不安定なタンパク質、翻訳後修飾のタイミング、または温度に敏感なタンパク質を研究する場合、調製中のサンプル損失や分解を最小限に抑える方法を使用することが特に重要です。
| 抽出準備技術 | 詳細 | 利点 | 欠点 | ダウンストリーム解析 | 参照 |
| フランスのプレス:ザイモリャーゼを使用した酵素処理による高圧ホモジナイザー(別名マイクロフルダイザー) | ザイモリアーゼ-20T、マイクロ流体化用高圧ホモジナイザー。ディスラプターは、空気駆動式高圧ポンプ(比1:250;必要な空気圧0.6-l MPa)と、追加のバックプレッシャーユニットを備えた特別な破壊室で構成されています。処理には、最小サンプルサイズ20 mLが必要です。 | 結合されたプロトコルを使用して得られた最終的な全破壊は、Zymolyaseなしで均質化のみを使用して95 MPaで4パスで32%の破壊と比較して、95 MPaの圧力で4パスで100%に近づいた。 | 小規模アプリケーションには適していません。酵素は、大規模な準備のために高価になる可能性があります。 | タンパク質精製 | 6 |
| ビーズビーター:Zymolyase処理された細胞は、高速準備器具でガラスビーズで固着 | ほぼ同量の冷たい乾燥した酸洗浄0.5mmガラスビーズが、リシスバッファー内の所定の量の細胞ペレットに添加され、細胞は激しい手動攪拌によって破壊される。 | タンパク質精製のためではなく、アッサンの目的のために、多くの異なる小さな酵母培養物からの抽出物を作る場合に特に有用である。 | ガラスビーズの手順の間に、タンパク質は、タンパク質の変性につながる広範な発泡を引き起こす過酷な処理されます。細胞破断の量はさまざまですが、タンパク質の変質は機械的破損時に4°C以上の抽出物を加熱した結果として生じる可能性があります。 | 主にDNAとRNAの分析だけでなく、ウェスタンブロッティングの有無にかかわらず、ゲル電気フェオレシスを変性することによってタンパク質分析も行います。 | 8 |
| 続いて、浸透性ショックとDounce均質化の組み合わせを用いたリシスによるジモリアーゼ治療 | 細胞壁の酵素消化後、球状体は、Dounceホモジナイザーで15〜20ストロークの密着性害虫(クリアランス1〜3μm)でリセ化されます。 | BJ926やEJ101などのプロテアーゼ欠損株を用いることが有利である。これは、酵母細胞を破壊する最も穏やかな方法であり、したがって、複雑な酵素機能(例えば、翻訳、転写、DNA複製)を行うことができる抽出物を調製し、高分子構造(例えば、リボソーム、スプライスソーム)の完全性を維持する必要がある。クロマチン研究(ブルームとカーボン、1982)や核タンパク質抽出物(LueとKornberg、1987)に使用できる無傷の核を単離するのにも有用です。 | スフェロプラストのライシス手順の主な欠点は、特に大規模な調製物(>10リットル)では比較的面倒で高価であり、長いインキュベーション期間はタンパク質分解またはタンパク質修飾につながる可能性がある。 クロマチン製剤の場合、それらは(ヌクレオソームはしごの完全性に基づいて)差動遠心によって生成されるものよりも変化するか、または低い品質であるように見える。 | クロマチン研究のために無傷核を分離し、複雑な酵素機能を実行できる抽出物、完全性を必要とする抽出物 高分子構造、核タンパク質抽出物 | 2 |
| 乳鉢/乳棒またはブレンダーを使用して液体窒素を粉砕することにより、フラッシュ凍結細胞の細胞破壊 | 細胞は液体窒素で直ちに凍結し、次いで、乳鉢で手動で粉砕するか、液体窒素の存在下でワーリングブレンダーを使用して溶菌する。 | プロトコルは迅速かつ簡単です。それは非常に大きい培養物を含む酵母細胞の様々な量を収容できる。その主な利点は、細胞が積極的に成長している状態から液体窒素(−−196°C)にすぐに取られ、プロテアーゼやヌクレアーゼなどの分解酵素活性が低下し、タンパク質(例えば、ホスファターゼおよびキナーゼ)を修飾する活性である。これは、大規模なタンパク質精製のための単一の酵母培養物から全細胞抽出物を作るのに特に適しています。 | 不注意な捜査官にとって少し乱雑で潜在的に危険です。小さいサンプル(すなわち、10〜100ml酵母培養)は、ブレンダーで効果的に破壊するのに十分な凍結細胞塊の塊の質量がないため、容易に処理されない。個々のサンプルを処理し、使用間に機器をきれいにすることは時間がかかります。 | 大規模なタンパク質精製のための単一の酵母培養物からの全細胞抽出物。 | 2 |
| オートリシス、ビーズミル | pH 5.0、 50 °C、 24 時間、 200 rpm / Ø 0.5 mm、 5 × 3 分/3 分 | 迅速かつ効率的なリシス、特に小規模な抽出物の調製 | 熱の生成は、高分子の変性と分解につながります。ビーズの打ち装置が必要です。 | 小規模分析。 | 10 |
| 自動起き、超音波処理 | pH 5.0,50°C,24時間,200rpm,4×5分/2分,パルサー80%,パワー80% | 超音波処理装置は、通常、ほとんどの機関で利用可能です。 | 熱の生成は、高分子の変性と分解につながります。超音波処理装置が必要です。遅いリシスは24時間以上かかることがあります。 | 酵母細胞壁製剤。 | |
| 沸騰および凍結解凍プロセス | 標準の冷凍庫と暖房ブロックまたは温水風呂以外に特別な設備は必要ありません。 | 効率的、再現性、シンプルで安価。 | 熱の生成は、高分子の変性と分解につながります。 | PCRによるDNA分析。 | 5 |
表1:酵母エキスの調製に利用可能な方法の比較。
極低温粉砕(別名極低温粉砕/極低温粉砕)は、定量的または定性的な分析のために信頼性の高い方法で温度に敏感なサンプルから核酸、タンパク質または化学物質を取り出すために一般的に使用されます。バイオテクノロジー、毒物学、法医学12、13、環境科学、植物生物学14、食品科学など、さまざまな分野での複数の用途に成功しています。無傷の生体高分子の単離は、通常、温度に重大に依存する。非常に低い温度は、プロテアーゼとヌクレアーゼが不活性のままであることを保証し、その後の分析のために無傷のタンパク質、核酸および他の高分子の信頼できる単離をもたらす。実際、冷凍工場は通常、-196 °C(LN2の沸点)のサンプル温度を維持し、DNA/RNAまたはタンパク質の変性および分解を最小限に抑えます。
冷凍工場は、ステンレス鋼のエンドプラグ間で粉砕されるサンプルを含むバイアル内で固体金属バーまたはシリンダーを迅速に前後に移動する電磁粉砕室を採用しています。この装置は、粉砕チャンバー内の磁場を作成し、迅速に反転させます。磁場が前後にシフトすると、磁石はプラグに対してサンプルを押しつぶし、「クライオグラインディング」とポップコーンの粉砕を達成します。フリーザーミルは乳鉢と害虫を置き換え、複数のサンプル(または最大4個の小さいサンプルを同時に)の順次処理を可能にし、手動研削に伴うユーザー間の変動を回避します。サンプルが処理されると、セル抽出物をさまざまなダウンストリーム アプリケーションに使用できます。
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1. 酵母ポップコーンの調製

図1:酵母ポップコーン調製(A)酵母「ポップコーン」は、LN2における細胞懸濁液の滴下凍結によって作られる。ゴムバンドと一緒に保持し、ドライアイスで満たされたアイスバケツに入れた1〜3本の50 mLチューブを使用しています。チューブは、リムのすぐ下までLN2で満たされ、すべての細胞懸濁液がポップコーン(B)に作られるまで、液体窒素を頻繁にトッピングして、ほとんど満杯に保ちます(B)ポップコーンの大きさは、最適な研削効率の重要な決定要因です。ポップコーンのサイズ範囲は直径0.3~0.5cmの範囲にする必要があります。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
2. クライオグラインド

図2:遠心管内の層を抽出します。20分間16,000gでの遠心分離後のチューブ内の全細胞抽出物の主要な目に見える特徴が示されている。各特徴の相対的な存在量は、サンプルの種類、細胞の増殖期(指数対静止)、細胞の再懸濁に使用されるリシスバッファーの量およびリシス効率に依存する。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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酵母細胞のリシスの2つの異なる方法、すなわち4°Cのガラスビーズ粉砕と-196°Cの自動凍結粉砕法を比較し、両方の方法で調製された細胞抽出物中の相対的な回復タンパク質を評価した。この研究のために、私たちは出芽酵母株YAG 1177(MAT a lys2-810 leu2-3,-112 ura3-52 his3-Δ200 trp1-1[am] ubi1-Δ1::TRP1 ubi2-Δ2:ura3 ubi3-Δub-を使用することを選択しました。 2 ubi4-Δ2:::LEU2 [pUB39] [pUB221])16タン デムHIS-MYCタグ付きユビキチン(HIS-MYC-Ub)を発現する高コピープラスミドを運ぶので、アフィニティー精製後の抽出物からのタグ付きユビキチン化タンパク質の回収効率を評価できる。
ガラスビーズミリングを使用して4°Cで酵母細胞9 を...
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酵母由来の天然タンパク質の研究の限界は、その硬い細胞壁による酵母細胞の非効率的なリシスである。いくつかの方法が開発されていますが、私たちの手の中で最も一貫した効率的な方法は、ポップコーンとして凍結された酵母細胞の凍結粉砕です。この方法は、他のリシス法と比較して出芽酵母からの高品質の全細胞抽出物の信頼性の高い調製を可能にする。代表的な結果は、クリオグラインドが4°Cでビーズ粉砕を採用する酵母リシスに対する一般的な機械的方法よりも優れていることを示した(図3Aおよび3B)。サンプルがLN2浴中で-196 °Cの温度で処理されている間、酵母細胞を効率的に分解し、他の多くの抽出調製方法で起こる熱誘発タンパク質の変性および分解を大幅に制限することによってタンパク質の完全性を維持する。これにより、サンプル中の非常に不安定な高分子の分析が可能になり、機能的なタンパク質複合体の精製が可能になります。さらに、冷凍工場の使用はまた、より速く、効率的なサンプル処理を可能にするモルタルで酵母ポップコーンの非常に労働集約的な従来の手動粉砕を置き換え...
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著者らは開示するものは何もない。
グンジャン研究所の研究は、国立衛生研究所、国立科学財団、フロリダ州保健省からの資金によって支援されています。学部生のジョン・パーカーに技術支援を感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| スクリューキャップ付き50mLポリカーボネートチューブ | ベックマン | 357002 | 遠心分離チューブ |
| BDバクトペプトン | BD Biosiences | 211677 | 酵母YPD培地成分 |
| BDバクト酵母エキス | BD Biosiences | 212750 | 酵母YPD培地成分 |
| ベックマンアバンティ遠心分離機 | ベックマン | B38624 | 高速遠心分離機 |
| ベックマンJLA-9.1000 | ベックマン | 366754 | ローター |
| D-(+)-デキストロース 無水 | MP バイオメディカルズ | 901521 | 酵母 YPD 培地成分 |
| エッペンドルフ A-4-44 | エッペンドルフ | 22637461 | スイングバケットローター |
| エッペンドルフ冷蔵遠心分離機 5810 R | エッペンドルフ | 22625101 | 冷蔵遠心分離機 |
| グリセロール | SIGMA-ALDRICH | G5150-1GA | ボリュームエクスクルーダーおよび凍結保護剤 |
| HEPES | FisherBiotech | BP310-100 | バッファー |
| HIS6抗体 | Novagen | 70796 | HISタグ用抗体 |
| KCl | SIGMA-ALDRICH | P9541-1KG | イオン強度を維持するための塩 |
| MG-132 | CALBIOCHEM | 474790 | プロテアソーム阻害剤 |
| ホスファターゼ阻害剤 | ThermoFisher科学 | 的なA32957 | ホスファターゼ阻害剤カクテル |
| ポンソーS | シグマ | P7170-1L | タンパク質染色 |
| プロテアーゼ阻害剤カクテル | サーモフィッシャーサイエンティフィック | A32963 | プロテアーゼ阻害剤カクテル |
| ローターJLA 25.500 | ックマン | JLA25.500 | |
| 酪酸ナトリウム | EM科学 | BX2165-1 | ヒストン脱アセチル化酵素阻害剤 |
| フッ化ナトリウム | Sigma-Aldrich | S6521 | ホスファターゼ阻害剤 |
| バナジウム酸ナトリウム | MP Biomedicals | 159664 | ホスファターゼ阻害剤 |
| ナトリウム &β;-グリセロリン酸 | Alfa Aesar | 13408-09-8 | ホスファターゼ阻害剤 |
| Spex Certiprep 6850 冷凍庫ミル | SPEX サンプル調製 | 6850 | 冷凍庫ミル |
| TALON金属親和性樹脂 | BDバイオシエンセス | 635502 | HISタグ付きタンパク質 |
| Tween20VWR | インターナショナル | VW1521-07 | 非イオン性洗剤 |
| &β;-メルカプトエタノール | 還元剤 |
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