このプロトコルは、小麦無細胞系およびリポソームを用いた二重層透析法による高品質のプロテオリポソームの効率的な無細胞生産法を記載する。この方法は、膜タンパク質の機能解析、創薬標的のスクリーニング、および抗体開発に適した手段を提供します。
方法論記事
このプロトコルは、小麦無細胞系およびリポソームを用いた二重層透析法による高品質のプロテオリポソームの効率的な無細胞生産法を記載する。この方法は、膜タンパク質の機能解析、創薬標的のスクリーニング、および抗体開発に適した手段を提供します。
膜タンパク質は、さまざまな細胞プロセスにおいて重要な役割を果たし、重要な機能を果たします。膜タンパク質は、すべての薬剤の半分以上の標的であるため、創薬において医学的に重要です。膜タンパク質の生化学的、生物物理学的、構造的研究、および抗体開発を行う上での障害は、正しい立体構造と活性を有する高品質の膜タンパク質を大量に生産することの難しさでした。ここでは、小麦胚芽無細胞系、リポソーム、透析カップを用いて、膜タンパク質を効率よく合成し、精製プロテオリポソームを短時間で高成功率で調製する「二重層透析法」について述べる。膜タンパク質は、GPCR、イオンチャネル、トランスポーター、テトラスパニンなど、数ミリグラム単位で産生することができます。この無細胞法は、高品質なプロテオリポソームを調製するための時間、コスト、労力の削減に貢献し、膜タンパク質の機能解析、創薬ターゲットスクリーニング、抗体開発に適した手段を提供します。
膜タンパク質は、診断および治療において最も重要な薬物標的の1つです。実際、標的とする低分子化合物の半分は、Gタンパク質共役型受容体(GPCR)やイオンチャネル1などの膜タンパク質です。長年にわたり、研究者は膜タンパク質の構造と機能を解明するために、膜タンパク質の生化学的、生物物理学的、および構造的研究に取り組んできました2,3。膜タンパク質に対するモノクローナル抗体の開発も、機能的および構造的研究を加速し、治療および診断アプリケーションを開発するために積極的に行われています4,5,6,7,8,9。これらの研究はすべて、大量の高品質の膜タンパク質を必要とします10。例えば、抗体開発には、天然の立体配座を有する数ミリグラムの精製膜タンパク質が必要です。X線結晶学には、はるかに大量の高度に精製された膜タンパク質が必要です。しかし、膜タンパク質の大量生産は、膜タンパク質研究のボトルネックとして残っています11。膜タンパク質は、1つまたは複数の膜貫通ヘリックスを有する複雑な構造を有し、細胞の恒常性において重要な役割を果たします。膜タンパク質の異種過剰発現は、高局所濃度で蓄積する膜タンパク質の凝集や細胞シグナル経路の乱れなど、複数の障害を引き起こします。発現が成功したとしても、サンプル調製の後続のステップも困難に直面します。例えば、プロテオリポソームの調製には、膜タンパク質の可溶化、精製、安定化における高度なスキルと専門的な経験が必要であり、同様に多くの労力と時間が必要です12,13。
一方、生細胞を使用せずにタンパク質を生産するために、ここ数十年でいくつかの高度な技術が出現しました14、15、16、17、18。無細胞タンパク質合成技術は、試験管内で翻訳反応を再構成します。細胞発現系には制限がないため、無細胞系は、細胞内で発現が困難な、または毒性を示す様々なタンパク質を合成できる可能性がある。精製された細胞抽出物または再構成された翻訳機構は、鋳型mRNA、アミノ酸、およびエネルギー源と混合され、組換えタンパク質が短時間で合成されます。膜タンパク質合成に関しては、無細胞反応にリポソーム、バイセル、ナノディスク、コポリマーなどの脂質または両親媒性物質からなるある種の足場が付加される19、20、21、22、23、24。合成された膜タンパク質は足場と相互作用し、水中で安定化することができます。無細胞合成膜タンパク質は、機能研究および抗体産生において広く使用されている25、26、27、28、29、30、31。
このプロトコールでは、小麦無細胞系とリポソームを用いた効率的なプロテオリポソーム生産法を記載する。小麦無細胞タンパク質合成系は、小麦胚芽15,32,33からの抽出物を用いた強力なin vitro翻訳系である。小麦胚芽には大量の翻訳機構が含まれており、翻訳阻害剤はほとんどありません。真核生物の一員であるコムギの翻訳機構は真核生物タンパク質の翻訳に適しており、その翻訳効率は鋳型mRNAのコドン使用にほとんど影響されない。コムギ無細胞系を用いて、プロテインキナーゼ34,35、ユビキチンリガーゼ36、転写因子37、膜タンパク質など様々なタンパク質を高い成功率で合成しています。膜タンパク質の生産のために、脂質小胞リポソームを足場として翻訳混合物に加えます19,38。膜タンパク質の疎水性ドメインは脂質二重層と相互作用し、リポソームと自発的に統合されます。密度勾配遠心分離は、プロテオリポソーム20の単純な精製には翻訳反応混合物の一般的な遠心分離で十分であるにもかかわらず、内因性小麦タンパク質からプロテオリポソームを厳密に分離するために使用されます。コムギ無細胞系を用いて多くの種類の内在性膜タンパク質が合成され、様々な研究開発に応用されている25,38,39,40,41,42,43,44。さらに、大規模生産のための「二重層透析法」を開発しました45,46。この方法では、カップ型透析装置を基板供給バッファーに浸漬し、図1に示すようにカップ内に翻訳反応混合物と基質供給バッファーの2層を形成する。基質の連続供給と副生成物の除去は、反応混合物の上部と下部の両方で長時間効率的に行うことができ、優れた翻訳効率につながります(図2Aおよび図2B)45。
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1. pEU発現プラスミドの調製
注:pEU発現プラスミドには、開始コドン、標的膜タンパク質のオープンリーディングフレーム、およびフラグメント内の終止コドンを含める必要があります( 図1を参照)。必要に応じて、検出/精製タグ配列を適切な位置に追加します。制限酵素消化またはシームレスクローニングのいずれかがサブクローニングに適用できます。ここでは、シームレスクローニング法を用いたプロトコルについて説明する。
2.インビトロ転写
注意: 転写および翻訳のステップでは、DNaseおよびヌクレアーゼフリーのプラスチックチューブとチップを使用してください。汚染を防ぐために、プラスチック製品のオートクレーブは避けてください。
3. 翻訳資料の作成
4.リポソームの調製
注:ここでは、リポソームの調製のための2つのプロトコルについて説明します。1つはすぐに使用できる凍結乾燥リポソームを使用し(セクション4.1)、もう1つは薄い脂質膜を水和することによってリポソームを生成します(セクション4.2)。
5. インビトロ翻訳
6. プロテオリポソームの精製
7. SDS-PAGEおよびCBB染色
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このプロトコールを用いて、部分的に精製されたプロテオリポソームを短時間で得ることができる。代表的な結果を 図2Aに示す。クラスA、B、Cの25個のGPCRを二層透析法(小規模)で合成し、遠心分離とバッファー洗浄によって部分的に精製することに成功しました。タンパク質の種類によって合成されるタンパク質の量は異なりますが、大型の透析カップを使用すると、通常、反応ごとに50〜400μgの膜タンパク質を合成できます。小麦無細胞系の高いスケーラビリティにより、反応回数を増やすことで数ミリグラムの膜タンパク質を簡単に生成できます。二重層透析法における標的タンパク質の産生効果を判断するには、小型の透析カップを使用した事前試験で十分です。得られた生産性に応じて、大型の透析カップを用いて産生される標的タンパク質の量を推定することができる。
このプロトコルは、膜タンパク質の発現、特に複数の膜貫通ヘリックスを持つタンパク質に適しています。ほとんどの場合、3つ以上の膜貫通ヘリックスを有する膜タンパク質は、合成後にプロテオリポソームに容易に取り込まれ...
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提示されたプロトコルは、高い成功率で膜タンパク質を生産する方法を提供する。このプロトコルはシンプルで再現性が高く、スケールアップも簡単です。また、膜タンパク質を大量に消費する実験の時間とコストを削減できる可能性もあります。二重層透析法は、二分子膜法または透析法と比較して生産性を4〜10倍向上させます(図2B)45。極端な場合、イオンチャネルとトランスポーターの収率は、二層透析法の場合よりも二重層透析法でそれぞれ30倍と20倍増加しました(データ示さず)。このプロトコールの高い生産性は、免疫化のための抗原産生における利点である。プロテオリポソームは、抗膜タンパク質抗体開発のための免疫抗原としてよく使用されます。プロテオリポソームに埋め込まれた高濃度および精製された膜タンパク質は、免疫応答を効果的に刺激し、抗体を誘導する41,47。この二重層透析法を用いると、免疫目的で数ミリグラムの膜タンパク質を担持したプロテオリポソ...
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著者は開示するものは何もありません。
本研究は、AMEDの創薬・ライフサイエンス研究支援プラットフォームプロジェクト(革新的創薬・ライフサイエンス研究支援基盤(BINDS))の支援を受けて、JP20am0101077の支援を受けて行われました。本研究の一部は、JSPS科研費20K05709の支援も受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ×3 SDS-PAGEサンプルバッファー | 10% 2-メルカプトエタノール | ||
| 5-20%グラジエントを含む SDS-PAGEゲル | ATTO | E-D520L | |
| 70%エタノール | 超純水で希釈したエタノール。 | ||
| アガロース | タカラバイオ | ||
| 酢酸アンモニウム | Nakalai tesque | 02406-95 | この試薬は潮解性であるため、開封後は全て水に溶かし、-30°Cで保存してください。 |
| アンピシリンナトリウム | Nakalaiテスク | 02739-74 | |
| アソレクチンリポソーム、凍結乾燥 | CellFree科学 | CFS-PLE-ASL | バイアルは凍結乾燥リポソームの10 mgを含んでいます。 |
| BSA標準 | 1000 ng、500 ng、250 ng、125 ng BSA / 10 & マイクロ;L&タイムズ;1 SDS-PAGEサンプル | ||
| バッファーCBBゲル染色目的の | |||
| cDNAクローン | プラスミドcDNAクローンまたは合成DNAフラグメントを抱くプラスミド | ||
| クロロホルム | ナカライテスク | 08402-84 | |
| キュベーター | 0〜40°Cの範囲の温度;C以上。 | ||
| クレアチンキナーゼ | Roche Diagnostics | 04524977190 | |
| 透析カップ (0.1 mL) | Thermo Fisher Scientific | 69570 | Slide-A-Lyzer MINI 透析装置、10K MWCO、0.1 mL |
| 透析カップ (2 mL) | Thermo Fisher Scientific | 88404 | Slide-A-Lyzer MINI 透析装置、10K MWCO、2 mL |
| DNA ラダーマーカー | Thermo Fisher Scientific | SM0311 | GeneRuler 1 kb DNAはしご |
| DpnI | サーモフィッシャーサイエンティフィック | FD1703 | FastDigest DpnI |
| 大腸菌株 JM109 | |||
| 電気泳動チャンバー | ATTO | ||
| エタノール (99.5%) | Nakalai tesque | 14713-95 | |
| 臭化 | |||
| 蒸発フラスコ、100 mL | |||
| ゲルイメージャー | |||
| ゲルスキャナー | 代わりにドキュメントスキャナーとLED免疫器を使用しています。 | ||
| LBブロス | |||
| 関心のある脂質 | Avanti Polar Lipids | ||
| マイクロ遠心分離機 | TOMY | MX-307 | |
| NTP mix | CellFree Sciences | CFS-TSC-NTP | ATP、GTP、CTP、UTP の混合物、各 25 mM |
| ヌクレアーゼフリー 25 mL チューブ | IWAKI | 362-025-MYP | |
| ヌクリーズフリープラスチックチューブ | ワトソンバイオラボ | オートクレーブはしないでください。他の実験とは別に使用してください。 | |
| 核なしのヒント | ワトソンバイオラボ | オートクレーブしないでください。他の実験とは別に使用してください。 | |
| PBSバッファーPCR | |||
| 精製キット | MACHEREY-NAGEL | 740609 | NucleoSpin Gel and PCR Clean-up |
| pEU-E01-MCS vector | CellFree Sciences | CFS-11 | |
| Phenol/chloroform/isoamyl alcohol (25:24:1) | Nippon Gene | 311-90151 | |
| Plasmid prep Midi kit | MACHEREY-NAGEL | 740410 | NucleoBond Xtra Midi |
| プライマー 1 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | カスタムオリゴ合成 | 5'-CCAAGATATCACTAGnnnnnnnnnn-3' 遺伝子特異的プライマー、フォワード。大文字は、シームレスなクローニングのために追加されるオーバーラップシーケンスを示しています。小文字の nnnn….(20-30 bp)は遺伝子特異的な配列を示す。 |
| プライマー 2 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | カスタムオリゴ合成 | 5'-CCATGGGACGTCGACnnnnnnnn-3' 遺伝子特異的プライマー、リバース。大文字は、シームレスなクローニングのために追加されるオーバーラップシーケンスを示しています。小文字の nnnn….(20-30 bp)は遺伝子特異的な配列を示す。 |
| プライマー 3 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | カスタムオリゴ合成 | 5'-GTCGACGTCCCATGGTTTTGTATATAGAAT-3' ベクター線形化のためのフォワードプライマー。下線は、シームレスクローニングでオーバーラップとして機能します。 |
| プライマー 4 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | カスタムオリゴ合成 | 5'-CTAGTGATATTCTTGGTGATGTAGATAGGTG-3' ベクター線形化用リバースプライマー。下線は、シームレスクローニングでオーバーラップとして機能します。 |
| プライマー 5 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | カスタムオリゴ合成 | 5'-CAGTAAGCCAGATGCTACAC-3' シーケンシングプライマー、フォワード |
| プライマー 6 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | カスタムオリゴ合成 | 5'- CCTGCGCTGGGAAGATAAAC-3' シーケンシングプライマー、リバース |
| タンパク質サイズマーカー | バイオ・ラッド | 1610394 | プレシジョンプラス プロテイン スタンダード |
| ロータリーエバポレーター | |||
| シームレスクローニング酵素混合物 | ニューイングランド バイオラボ | E2611L | ギブソンアセンブリ マスターミックス その他のシームレスクローニング試薬もご用意しています。 |
| SP6 RNAポリメラーゼ&RNase Inhibitor | CellFree Sciences | CFS-TSC-ENZ | |
| 海底電気泳動システム | |||
| TAEバッファー | |||
| 転写バッファー LM | CellFree Sciences | CFS-TSC-5TB-LM | |
| 翻訳バッファー | CellFree Sciences | CFS-SUB-SGC | SUB-AMIX SGC (×40)ストックソリューション(S1、S2、S3、S4). 準備×ストックS1、S2、S3、S4ストックと超純水を混合して使用する前に、1つのトランスレーションバッファー。 |
| 超純水 | 実験を行うたびに超純水製造装置を使用して超純水を準備することをお勧めします。オートクレーブ処理をしないでください. Milli-Q ReferenceとElix10システムを使用して超純水を調製しました. 市販のヌクレアーゼフリー水(DEPC処理水ではない)を代用できます。ボトルを開けた後は汚染に注意してください。 | ||
| 超音波ホモジナイザー | ブランソン | SONIFIERモデル450D-アドバンスド | 超音波洗浄機は、代替品として使用することができます。 |
| UVトランスイルミネーター | |||
| 真空デシケーター | |||
| 小麦胚芽抽出物 | CellFree Sciences | CFS-WGE-7240 | WEPRO7240 |
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