この研究では、Gタンパク質共役型受容体(GPCR)の単一分子蛍光共鳴エネルギー移動(smFRET)実験を実行するための詳細な手順を示します 非天然アミノ酸(UAA)の取り込み による 部位特異的標識を使用します。このプロトコルは、smFRETサンプル調製、実験、およびデータ分析のためのステップバイステップガイドを提供します。
Method Article
この研究では、Gタンパク質共役型受容体(GPCR)の単一分子蛍光共鳴エネルギー移動(smFRET)実験を実行するための詳細な手順を示します 非天然アミノ酸(UAA)の取り込み による 部位特異的標識を使用します。このプロトコルは、smFRETサンプル調製、実験、およびデータ分析のためのステップバイステップガイドを提供します。
細胞が外部シグナルに応答する能力は、細胞の発生、成長、および生存に不可欠です。環境からの信号に応答するには、細胞がそれを認識して処理できなければなりません。この課題は主に膜受容体の機能に依存しており、その役割はシグナルを細胞の生化学的言語に変換することである。Gタンパク質共役型受容体(GPCR)は、ヒトにおける膜受容体タンパク質の最大のファミリーを構成しています。GPCRの中でも、代謝型グルタミン酸受容体(mGluRs)は、絶対二量体として機能し、リガンド結合部位を含む大きな細胞外ドメインを有するユニークなサブクラスです。mGluRの構造研究における最近の進歩は、それらの活性化過程の理解を改善しました。しかし、活性化および調節中のmGluRを介した大規模な立体配座変化の伝播はよくわかっていません。単一分子蛍光共鳴エネルギー移動(smFRET)は、生体分子の構造ダイナミクスを単一タンパク質レベルで視覚化および定量化するための強力な手法です。mGluR2活性化の動的プロセスを視覚化するために、非天然アミノ酸(UAA)の取り込みに基づく蛍光立体配座センサーが開発され、受容体の天然構造の摂動なしに部位特異的タンパク質標識が可能になりました。ここで説明するプロトコルでは、新しいUAAラベリングアプローチ、サンプル調製、smFRETデータの取得と分析など、これらの実験の実行方法について説明します。これらの戦略は一般化可能であり、さまざまな膜タンパク質の立体構造ダイナミクスを調べるために拡張することができます。
原形質膜を横切る情報の伝達は、膜受容体の機能に大きく依存しています1。受容体へのリガンド結合は、立体構造変化および受容体活性化をもたらす。このプロセスは、本質的にアロステリックであることがよくあります2。800を超えるメンバーを持つGタンパク質共役型受容体(GPCR)は、ヒトにおける膜受容体の最大のファミリーです3。ほぼすべての細胞プロセスにおける役割により、GPCRは治療薬開発の重要な標的となっています。GPCRシグナル伝達の標準モデルでは、アゴニストの活性化は受容体の立体構造変化をもたらし、続いてGαのヌクレオチド結合ポケットでGDPとGTPの交換を介してヘテロ三量体Gタンパク質複合体を活性化します。活性化されたGα-GTPおよびGβγサブユニットは、下流のエフェクタータンパク質の活性を制御し、シグナル伝達カスケードを伝播します4,5。このシグナル伝達プロセスは、本質的に、受容体の三次元形状を変化させるリガンドの能力に依存する。リガンドがこれを達成する方法の機構的理解は、新しい治療法を開発し、合成受容体とセンサーを設計するために重要です。
代謝型グルタミン酸受容体(mGluRs)は、クラスC GPCRファミリーのメンバーであり、グルタミン酸の遅い神経調節効果とニューロンの興奮性を調整するために重要です6,7。すべてのGPCRの中で、クラスCのGPCRは、それらが絶対二量体として機能するという点で構造的に独特である。mGluRには、ハエトリソウ(VFT)ドメイン、システインリッチドメイン(CRD)、膜貫通ドメイン(TMD)の3つの構造ドメインが含まれています8。活性化プロセス中の立体配座変化は複雑であり、12 nmの距離にわたって伝播する局所的およびグローバルな立体配座結合、および二量体の協調性が含まれます。中間的な立体配座、状態の時間的秩序、状態間の遷移速度は不明です。個々の受容体の立体構造をリアルタイムで追跡することにより、活性化中の一過性の中間状態と立体構造変化のシーケンスを特定することができます。これは、mGluR2 11の活性化中の立体構造変化の伝播を視覚化するために最近適用されたように、単一分子蛍光共鳴エネルギー移動9,10(smFRET)を適用することによって達成することができる。FRET実験の重要なステップは、目的のタンパク質にドナーおよびアクセプター蛍光色素を部位特異的に挿入することによるFRETセンサーの生成です。非天然アミノ酸(UAA)取り込み戦略が採用されました12,13,14,15システインレス変異体の作成または大きな遺伝的にコードされたタグの挿入を必要とする典型的な部位特異的蛍光標識技術の限界を克服するため。これにより、mGluR2のリガンド結合ドメインとシグナル伝達ドメインを結合した必須のコンパクトなアロステリックリンカーの立体構造再配列を観察することができました。このプロトコルでは、銅触媒によるアジ化環化反応を用いて蛍光色素を結合させるためのUAAによるmGluR2の部位特異的標識のアプローチなど、mGluR2でsmFRET実験を行うためのステップバイステップガイドを紹介します。さらに、このプロトコルは、膜タンパク質の直接捕捉およびデータ解析のための方法論を記述する。ここで概説したプロトコルは、他の膜タンパク質の立体構造ダイナミクスの研究にも適用できます。
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プロトコルの全体的なワークフローを 図 1 に示します。
1.サンプルチャンバーの準備
2. 非天然アミノ酸を組み込んだmGluR2の発現、蛍光標識、抽出
注:このプロトコルは、UAA 4-アジド-L-フェニルアラニン(AZP)を含むmGluR2を発現するための細胞の調製、試薬、および治療の概要を示しています。この手順は、18mmのガラスカバーガラス上で増殖させたHEK293T細胞を対象としています。この手順は、必要に応じてスケールアップできます。
3. 1分子フローチャンバーの組み立てと機能化
4. 単一分子バッファー

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UAAベースのFRETセンサーの発現と蛍光標識
本明細書では、mGluR2(548UAA)のCRD内へのUAA(AZP)の挿入および蛍光標識の例示的な結果が考察される11。前述のように、AZPをmGluR2に挿入するには、改変tRNA合成酵素と相補的tRNA(pIRE4-Azi)を含む改変翻訳機構と、突然変異誘発法を用いて作成された548位のアンバーコドンを含むmGluR2の共発現が必要です(図2A、B)。シアニン色素によるAZPの標識は、銅触媒による環化付加反応によって達成され(図2C)、548UAAの効果的な原形質膜標識をもたらします(図2D)。全長548UAAの翻訳および二量体受容体の完全性を検証するために、Cy5で標識された548UAAを発現するHEK293T細胞からの細胞ライセートに対してSDS-PAGE電気泳動を行った。250K...
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GPCRは、細胞膜上で作用してシグナル伝達を開始するタンパク質です。多くのGPCRは複数のドメインで構成されており、シグナリングはドメイン間の協調的相互作用に依存しています。これらの膜受容体の特性を調節するためには、複数のドメインの動的挙動を理解することが不可欠です。単一分子蛍光共鳴エネルギー移動(smFRET)は、タンパク質の立体構造とダイナミクスをリアルタイムで測定できる蛍光技術です11,32。ここでは、smFRET、単一分子プルダウン(SiMPull)、および全反射蛍光(TIRF)顕微鏡を組み合わせて、不動態化された表面に固定化された個々のタンパク質の再配列を直接視覚化するアプローチについて説明します5,11,33。FRETは距離に非常に敏感で、分子内変化(3-8 nm)のプローブに適したナノスケール定規として効果的に機能します。...
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著者は競合する利益を宣言しません。
議論してくれたReza Vafabakhshラボのメンバーに感謝します。この作業は、国立衛生研究所の助成金R01GM140272(R.V.へ)、ノースウェスタン大学の生命科学のためのサールリーダーシップ基金、およびシカゴコミュニティトラストのサール基金(R.V.へ)の支援を受けたシカゴ生物医学コンソーシアムによって支援されました。B.W.L.は、国立総合医学研究所(NIGMS)のトレーニング助成金T32GM-008061の支援を受けました。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| (+)-Sodium L-Ascorbate | Sigma Aldrich | Cat # 11140-250G | |
| 4-azido-L-phenylalanine | Chem-Impex International | Cat # 06162 | |
| 548UAA | Liauw et al. 2021 | Transfected construct | |
| Acetic Acid | Fisher Chemical | 64-19-7 | |
| Acetone | Fisher Chemical | 67-64-1 | |
| Adobe Illustrator (2022) | https://www.adobe.com/ | RRID:SCR_010279 | ソフトウェア、アルゴリズム |
| アミノグアニジン (塩酸塩) | ケイマンケミカル | 81530 | |
| アミノシラン | アルドリッチ | 919-30-2 | |
| バス ソニケーター 2.8 L | フィッシャーサイエンティフィック | 超音波バス 2.8 L | |
| ビオチン-PEG | レイサン バイオ インク | アイテム#ビオチン-PEG-SVA-5000-100mg | |
| BTTES | クリックケミストリーツール | 1237-500 | |
| 硫酸銅 (II) シ | グマ・アルドリッチ | Cat # 451657-10G | |
| カバースリップ | VWR | 16004-306 | サンプルチャンバー |
| Cy3アルキン | クリックケミストリーツール | TA117-5 | |
| Cy5 アルキン | クリックケミストリーツール | TA116-5 | |
| DDM | Anatrace | Part# D310 1 GM | 洗剤 |
| DDM-CHS (10:1) | Anatrace | Part# D310-CH210 1 ML | コレクテロール含有洗剤 |
| 定義されたウシ胎児血清 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | SH30070.03 | |
| Di01-R405/488/561/635 | Semrock | ノッチフィルター | |
| DMEM | コーニング | 10-013-CV | |
| EMCCD | Andor | DU-897U | カメラ |
| ET542lp | クロマ | ロングパス エミッションフィルター | |
| FF640-FDi01 | Semrock | エミッションダイクロイックフィルター | |
| FLAG-tag 抗体 | Genscript | A01429 | |
| 蛍光ビーズ | Invitrogen T7279 | テトラスペック マイクロスフィア | 球状ビーズ |
| ガラススライド | フィッシャーファイネスト | 12-544-4 | サンプルチャンバー |
| グルタミン酸 | Sigma Aldrich | Cat # 6106-04-3 | |
| HEK 293T | Sigma Aldrich | Cat # 12022001 | 細胞株 |
| HEPES | FisherBioReagents | 7365-45-9 | |
| イメージスプリッター | OptoSplit II | ||
| KOH | Fluka | 1310-58-3 | |
| レーザー | Oxxius | 4ラインレーザーコンバイナー | |
| リポフェクタミン3000 トランスフェクション試薬 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | L3000015 | トランスフェクション試薬 |
| メタノール | フィッシャーケミカル | 67-56-1 | |
| 顕微鏡 | オ | リンパス オリンパス IX83 | |
| ミリQ水 | バーンステッド | 水 脱イオン装置 | |
| m-PEG | Laysan Bio Inc | Item# MPEG-SIL-5000-1g | |
| NF03-405/488/532/635 | Semrock | ダイクロイックミラー | |
| OptiMEM | Thermo Fisher Scientific | 51985091 | Reduced Serum Medium |
| OptiMEM/Reduced serum medium | Thermo Fisher Scientific | ||
| OriginPro (2020b) | https://www.originlab.com/ | RRID:SCR_014212 | データ解析・グラフ作成ソフトウェア |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | Gibco | 15140-122 | |
| pIRE4-Azi | Addgene | プラスミド # 105829 | トランスフェクトコンストラクト |
| Poly-L-リジン臭化水素酸塩 | Sigma Aldrich | Cat # P2636 | |
| プロトカテク酸 (PCA) | HWI グループ | 99-50-3 | |
| smCamera (Version 1.0) | http://ha.med.jhmi.edu/resources/ | Cameraソフトウェア | |
| 重曹 | FisherBioReagents | 144-55-8 | |
| 水酸化ナトリウム (NaOH) | Sigma | 1310-73-2 | |
| シリンジフィルター | Whatman UNIFLO | Cat#9914-2502 | 液体ろ過 |
| Trolox | Sigma | 53188-07 |
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