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방법 논문

세포 투과성의 Cys를 사용하여 포유 동물 세포에 직접 단백질 배달

9.8K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/52814

⸱

2015년 3월 25일

 , 
1Departments of Chemistry and Cell and Molecular Biology, The Scripps Research Institute, 2Shanghai Institute for Advanced Immunochemical Studies, ShanghaiTech University

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

징크 핑거 도메인은 본질적으로 세포 투과성 및 포유 동물 세포 유형 내로 다양한 단백질 전달을 매개 할 수있다. 여기서, 단백질의 세포 내 전달을위한 아연 핑거 기술을 구현하기위한 상세한 단계별 프로토콜이 제시된다.

초록

모듈성과 광범위한 DNA 염기서열을 인식하도록 재프로그래밍할 수 있는 능력으로 인해 Cys2-His 2 zinc-finger DNA 결합 도메인은 표적 게놈 엔지니어링에 유용한 도구로 부상했습니다. 다른 많은 DNA 결합 단백질과 마찬가지로 아연 손가락도 세포막을 교차하는 타고난 능력을 가지고 있습니다. 우리는 최근에 이러한 내재적 세포 투과성이 세포 내 단백질 전달에 활용될 수 있음을 입증했습니다. 아연-손가락 모티프의 유전적 융합은 단백질과 효소 화물을 광범위한 포유류 세포 유형으로 효율적으로 운반합니다. 다른 단백질 transduction 기술과 달리, zinc-finger domain을 통한 전달은 효소 활성을 억제하지 않으며 높은 수준의 cytosolic delivery를 유도합니다. 여기에서는 포유류 세포로의 단백질 전달을 위한 아연 핑거 기술의 구현에 대한 자세한 단계별 프로토콜이 제시되어 있습니다. 높은 수준의 세포 내 아연-손가락 매개 전달을 달성하기 위한 주요 단계가 강조되고 이 시스템의 성능을 극대화하기 위한 전략이 논의됩니다.

서론

고효율 및 다양한 단백질 전달 전략은 많은 기초 연구 및 치료 응용 프로그램에 대한 중요합니다. 세포에 정제 된 단백질의 직접 배달이를 달성하기위한 가장 안전하고 가장 쉬운 방법 중 하나. 1, 2 핵산에서 유전자 발현에 의존하는 전략을 달리 표현, 3-5 단백질 배달에서 삽입 돌연변이 유발의 위험을 제기하지 무관 세포의 전사 / 번역 기계 및 즉각적인 효과를 할 수 있습니다. 그러나 단백질에 세포 침투 활동을 부여하는 대한 단순하고 일반화 방법의 부족은 정기적으로 세포에 직접적인 항목을 혼동. 단백질의 세포 내 전달을 용이하게하기위한 현재의 방법은 천연 또는 6-8 설계된 세포 침투 펩타이드 9-12 과급 전달 도메인, 13, 14 및 15 나노 리포좀 16 바이러스 입자 17,18 발생의 사용에 기초 과 고분자 미세 물질. (19) 불행하게도, 이러한 방법의 대부분이 낮은 세포 흡수 속도, 20, 21 가난한 안정성, (22) 실수로 세포 형 특이도, 23 낮은 엔도 좀 탈출 등록 (24)과 또한 독성. (25)에 의해 방해된다, 많은 ​​단백질 전달 기술은 전달 단백질의 생체 활성을 감소시킨다. (14)

우리 연구소는 이전에 아연 손가락 핵산 분해 효소를 증명 (ZFN) 단백질 - 키메라 제한이 프로그램의 Cys 2 - 그의 두 아연 손가락 DNA 결합 단백질과 FokI 제한 엔도 뉴 클레아 제 26 ~ 28의 절단 도메인으로 구성된 엔도 뉴 클레아 제 - 본질적으로 세포 - 아르 투과. (29)이 놀라운 세포 침투 활동은 맞춤 디자인 아연 손가락 도메인, 대상 게놈 엉위한 강력한 도구로 떠오르고있다 DNA 결합 플랫폼의 고유 재산 것으로 나타났다공학에, 30-32 간주은 단백질 표면에 양전하 여섯 잔기의 콘 스텔 레이션의 결과 일 수있다. 실제로, C 6 월 및 N-DEK 비롯한 여러 DNA 결합 단백질이. 세포막을 건너 타고난 능력을 갖는 것으로 밝혀졌다 (33)은보다 최근에, 본 연구실은 이러한 결과를 확장하고 입증하는 아연의 셀 관통 활동 손가락 (ZIF) 도메인은 세포 내 단백질 전달을 위해 활용 될 수있다. 많은 기존의 세포 침투 펩타이드 전달 시스템을 초과 효율성을 빨아들이는 관 주도 특정 단백질화물에 1 또는 2 손가락 ZIF 도메인 중 하나의 유전자 융합. (34) 가장 주목할만한, ZIF 매개 배달 융합 효소화물의 활동을 손상시키고 용이하지 않았다 세포질 전달의 높은 수준. 종합적으로, 이러한 결과는 단백질의 효율적이고 용이 한 전달을 용이하게하기 위해 도메인의 ZIF 가능성을 입증하고, 매크로 잠재적으로보다 다양한 종류의세포에 분자.

여기, 포유 동물 세포에서 단백질 전달을위한 ZIF 기술을 구현하는 방법에 대한 자세한 단계별 프로토콜이 제공됩니다. 우리는 이전의 제품군을 구성 액형, 2 차원, 3 ~, 네살, 다섯 자리와 여섯 손가락 인해 α 나선 DNA 결합 잔류 각각의 대체 선수로, DNA를 결합하는 능력이 부족 ZIF 도메인 만 셀 (34) (도 1)로 단백질을 제공 할 수있다. 두 손가락 ZIF 도메인을 이용하여 HeLa 세포에 GFP 에메랄드 (EmGFP)의 제작 및 형질 도입에 대해서 설명한다. 이 프로토콜은 대장균에서의 발현 및 수용성 거의 모든 포유 동물 세포 유형 가능한 거의 모든 단백질로 확장 가능하다. 예상되는 결과가 제공되며,이 시스템의 성능을 최대화하기위한 전략도 논의된다.

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프로토콜

1. 복제

  1. 애완 동물-28 발현 벡터 시스템에 클로닝 SUB 요청 (PET-2F-ZIF)에 따라 사용할 수 있습니다되었습니다 알라닌 치환 두 손가락 ZIF 도메인을 가져옵니다. (34)
  2. PCR은 프라이머 플라스미드 에메랄드 pBAD에서 EmGFP를 증폭 5 'XmaI-EmGFP (5'-GGAAATTG CCCGGG ATGGTGAGCAAGGGCGAGGAGCTGTTCAC-3'; 굵게 XMA I 사이트) 및 3 '를 SacI-EmGFP (5'-CGGATCT GAGCTC TTACTTGTACAGCTCGTCCATGCCGAG-3' ; 굵게 골목 I 사이트).
    1. 주형 DNA 5 ng를 10 배 중합 효소 완충액 10 μL, 증류 / 탈 이온수로 이루어진 하나의 Taq DNA 중합 효소, 0.2mM의 각각의 dNTP의 단위 (U)와 나머지 부피 100 μL 용액에서 각 프라이머의 0.2 μM 사용 . 사이클링 조건을 사용하여 5 분 동안 95 ° C를; 30 초 동안 95 ° C의 30주기, 30 초 동안 55 ° C에서 1 분 72 ° C; 10 분 동안 72 ° C에서. 겔 extracti 의해 PCR 생성물을 정제하여에와 애비 260 × 50 ㎍ / ml의 측정 분광 광도계를 사용하여 DNA 농도를 결정한다.
  3. 다이제스트 애완 동물 2F-ZIF 및 제한 EmGFP을 코딩하는 삽입 DNA의 1 μg의 당 효소 10 U를 사용하여 37 ° C에서 3 시간 동안 권장 버퍼에 XMA I과 골목 I 효소. 이러한 티듐 브로마이드 인터 형광 염료를 이용한 아가로 오스 겔 전기 영동에 의해 DNA를 시각화.
  4. 젤 추출 키트에 의해 소화 DNA를 정화하고 복근 260 × 50 ㎍ / ml의 측정 분광 광도계에 의해 DNA 농도를 결정한다.
  5. 실온에서 최소 1 시간 동안 T4 DNA 리가 제 1 U를 사용하여 애완 동물 2F-ZIF의 50 ~ 100 NG로 정제 EmGFP 인코딩 DNA를 결찰. 인서트 한 투 벡터 몰비 : 최상의 결과를 위해,도 6을 사용하여 연결 반응을 수행한다.
  6. 얼음에 어떤 화학적으로 유능한 XL-1 블루 대장균 세포의 50 μl를 해동 및 10 ~ 20 ng의 결찰 애완 동물 2F-ZIF-EmGFP의 가볍게 섞는다.
  7. 3 얼음에 보관0 분. 열 충격 90 초 동안 42 ° C에서 혼합물은 진탕 37 ° C에서 1 시간 동안 Catabolite 탄압 (SOC) 슈퍼 최적 배지 2 ml의 세포를 복구 할 수 있습니다.
  8. 50 ㎍ / ㎖의 카나마이신과 원성 국물 (LB) 한천 접시에 복구 문화의 100 μl를 확산하고 37 ° C에서 O / N을 배양한다.
  9. 다음 날, 슈퍼 국물 (SB) 또는 50 ㎍ / ㎖의 카나마이신 37 ° C에서 LB 한천 플레이트와 문화 O / N에서 한 식민지 포함하는 LB 문화의 6 ml에 접종.
    주 : 콜로니 PCR 프라이머는 5 'XmaI-EmGFP 및 3'SacI로-EmGFP 미니 프랩을 사용하는 것은 이전에 양성 클론을 식별하는데 사용될 수있다.
  10. 미니 프렙에 의하여 애완 동물-2F-ZIF-EmGFP을 정화하고 T7 프로모터를 사용하여 DNA 염기 서열에 의해 플라스미드를 확인 (5'-TAATACGACTCACTATAGGG-3 ').

2. 발현 및 정제

  1. 화학적으로 유능한 BL21 E.의 50 μl를 해동 얼음에 대장균 세포와 PL 애완 동물 2F-ZIF-EmGFP 100 NG로 가볍게 혼합asmid. 단계 1.7-1.8에 설명 된대로 변환.
  2. 다음날, 단일 콜로니로 50 ㎍ / ㎖의 카나마이신을 함유하는 LB 배지 10 ㎖에 접종하고 진탕하면서 37 ℃에서 O / N 성장.
  3. 다음 날, 50 ㎍ / ㎖의 카나마이신, 0.2 % 글루코스 및 100 μM ZnCl이 보충 된 LB 배지 1 L로 O / N 배양의 10 mL로 희석. 0.8의 600 nm의 (OD 600)에서 광학 밀도에 진탕 37 ° C에서 문화를 성장과 2 mM의 이소 프로필-β-D-1-D- 티오 갈 락토 피 라노 시드 (IPTG)와 단백질 발현을 유도한다. 4 ° C에서 10 분 동안 5,000 XG에 원심 분리하여 37 ° C에서 성장의 6 시간, 수확 세포 후.
    참고 : 유도 조건이 매우 다양하고 표현되는 단백질의 안정성에 따라 달라집니다. 0.8 (600)에 도달 할 때까지 OD OD 600 매 30 분을 모니터링합니다.
  4. 용해 완충액 5 ㎖ (50 mM의 트리스 -HCl, 500 mM의 염화나트륨에서 세포 펠렛을 재현 탁, 100 μM ZnCl 2, 1mM 디티 오 트레이 톨 (DTT), 1 ㎜의 MgCl 2, 1 mM의 페닐 메틸 설 포닐 플루오 라이드 (PMSF) 및 10 mM의 이미 다졸, pH를 8.0). 다음과 같은 설정으로 초음파에 의해 얼음에로 용해는 세포 : 50 % 전원 출력 / 10 초 오프 간격으로 5 초와 4 분의 처리 시간. 솔루션을 과열하지 마십시오.
  5. 4 ° C에서 30 분 동안 25,000 XG에서 세포 용 해물을 원심 분리기와 신선한 수집 관에 뜨는을 전송합니다. 최상의 결과를 위해, 4 ° C에서 다음의 모든 단계를 수행합니다.
  6. 열 평형의 Ni-NTA 슬러리의 1 ml로 미리 포장을 통해 상층 액을 실행합니다. 세척 버퍼의 20 ㎖ (50 mM 트리스 - 염산, 500 mM의 NaCl을, 100 μM ZnCl 2, 1 mM의 DTT, 1 ㎜의 MgCl 2, 30 mM의 이미 다졸, 산도 8.0)와 수지 씻으십시오.
  7. 5 용출 완충제 ㎖ (50 mM의 트리스 -HCl, 500 mM의 NaCl을 100 μM ZnCl 2, 1 mM의 DTT, 1 ㎜의 MgCl 2, 300 mM의 이미 다졸, pH를 8.0)으로 용출시켰다.
  8. 버퍼 저장 버퍼와 용출 된 단백질 (50 mM의 교환트리스 -HCl, 500 mM의 NaCl을 100 μM ZnCl 2, 1 mM의 DTT, 1 ㎜의 MgCl 2, 10 % 글리세롤, pH를 8.0) 및 제조자의 지시에 따라 원심 분리하여 회전 농축기를 이용하여 적어도 40 μM로 단백질을 농축시켰다.
  9. BCA 또는 브래드 포드 분석에 의해 단백질 농도를 결정합니다. 10 분 동안 95 ° C에서 2 μL 2 × SDS-PAGE 로딩 염료, 종기와 정제 된 단백질의 2 μl를 혼합 한 후 4 %에 단백질 순도 (그림 2) 평가 20 % 트리스 - 글리신 SDS-PAGE를 해결.

3. 단백질 저장

  1. -80 ° C에서 액체 질소와 저장소에 농축 된 단백질, 플래시 동결 나누어지는. EmGFP 융합 단백질, 단백질 빛으로부터 보호하기 위해 알루미늄 호일로 커버 튜브.
  2. 반복 동결 단백질 용액의 해동을 피하십시오. 참고 : ZIF - 융합 단백질이 1 개월 이상 이러한 조건에서 안정하다. 부적절한 또는> 4개월 스토리지 될 수 있습니다단백질 침전 또는 EmGFP의 광표백에.

4. 단백질 전달

  1. 10 %를 함유하는 둘 베코 변형 이글 배지 (DMEM)에서 HeLa 세포를 유지 (v / v)의 소 태아 혈청 (FBS), 1 % 항생제 - 항진균제 5 % CO 2와 완전히 가습 분위기에서 37 ℃.
    참고 : 세포는 30 개 이상의 시간이 단백질 전달하지 않는 것이 좋습니다 계대.
  2. 사전 코트 25 ° C에서 30 분 60에 대한 폴리 라이신의 50 μg의 / ㎖의 500 μL와 24 웰 플레이트. 웰 당 2 × 105 세포의 밀도로 24 웰 플레이트 상에 종자 세포. 세포가 80 % 사이에 -90 %의 합류 일단 파종 후 24 시간에서, 또는, 각 웰에서 미디어를 제거하고 예열 된 무 혈청 DMEM 500 μL (SFM)로 세척한다.
  3. 각 웰에, SFM의 250 μL가 ZIF-EmGFP 단백질의 2 μM, 100 μM ZnCl 2를 포함하는 추가합니다. 1 시간 동안 37 ℃에서 세포를 배양한다. 참고 : ZIF 도메인은 세포를 입력 홍보imarily 에너지에 의존하는 메커니즘입니다 macropinocytosis, (34)를 통해. 따라서, 단백질의 효율적인 세포 내재화 37 ° C에서 배양해야한다.
  4. 칼슘과 마그네슘이없는 500 μL로 3 회 세포에서 미디어를 제거하고 세척 둘 베코의 인산염 완충 식염수 헤파린의 0.5 ㎎ / ㎖로 보충 (DPBS). 참고 : 헤파린은 다운 스트림 분석을 복잡하게 할 수 표면에 결합 된 단백질을 제거 할 필요가있다.
  5. 향상된 배달 3 회까지 (선택 사항) 반복 치료.
  6. 바로 2 분 37 ° C에서 0.05 % 트립신 EDTA와 소화에 의해 세척 헤파린 후 처리 된 세포를 분리합니다. 1 % FBS가 보충 된 0.5 ㎖의 DPBS에서 분리 된 세포를 다시 일시.
  7. 형광 염료 (FITC)의 채널 (도 3)을 이용하여 유세포 분석기 (35)에 의해 각 시료의 형광 강도를 측정한다. 의 인구를 배치 앞으로 분산 형 (FSC)와 측면 산란 (SSC)를 조정서로 다른 특성을 가진 집단이 서로 해결을 보장 규모에 관심.
  8. 각 샘플에 대한 10,000 라이브 이벤트를 수집 및 처리 만 SFM 해당 셀에 ZIF-EmGFP로 처리 된 HeLa 세포로부터의 데이터 분석 소프트웨어. 36 정규화 유세포 형광을 사용하여 데이터를 분석한다.

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결과

두 손가락 ZIF-EmGFP 융합 단백질은 E.으로 표현 될 수있다 대장균> 95 % 동질성과 높은 수율 (> 25 ㎎ / ㎖) (그림 2). 일반적으로 단일 및 두 손가락으로 ZIF 융합 단백질은 야생형 변성 단백질의 것과 거의 동일한 양으로 제조 할 수있다. 그러나 어떤 상황에서, 다섯 자리와 여섯 손가락 ZIF 융합 단백질은 다운 스트림 응용 프로그램을위한 충분한 높은 수율로 제조 할 수 없습니다.

37 ° C에서 90 분 동안 HeLa 세포 상에 두 개의 손가락 ZIF-EmGFP 단백질의 직접 적용은 EmGFP 형광 (도 3A)에서 용량 의존적으로 증가를 이끈다. 결정적으로, 형광은 ZIF 도메인의 부재하에 관찰되지 않는다. 우리는 이전에 세포의 거의 100 %가 단지 2 μM 두 손가락 ZIF-EmGFP 단백질로 처리 한 후 형광성 관찰하고 ZIF 융합 단백질로 처...

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토론

여기, 세포 투과성 아연 손가락 (ZIF) 도메인을 사용하여 단백질 전달을위한 단계별 프로토콜이 제공됩니다. ZIF 도메인 융합 효소화물 (34)의 활성을 감소시키지 않는다; 생산 및 수정되지 않은 단백질과 관찰 된 것과 거의 동일한 수익률 단백질의 정제 할 수 있습니다; 전통적인 세포 투과 펩티드 또는 단백질 전달체 시스템 효율성을 초과하여 세포 유형 내로 다양한 단백질 및 효소를 운반 할 수있다. 함께, 이러한 연구 결과는 다양한 유형의 애플리케이션에 직접 단백질을 세포 내로 전달을 매개하는 ZIF 도메인 넓은 전위를 나타낸다.

최대 단백질 전달은 이전보다 양전하를 운반 3-4 손가락 ZIF 도메인의 배열을 연장하는 사실에도 불구하고, 오직 두 손가락 ZIF 도메인을 사용하여 달성 하였다. 이러한 결과는 세포 - 매개 ZIF 항목 전하, INC 이외의 요인에 의해 영향을받을 수 있음을 나타낸다단백질 안정성 또는 구조적 강성을 luding. ZIF 도메인...

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공개 사항

저자가 공개하는 게 없다.

감사의 글

이 작품은과 ShanghaiTech 대학, 상하이, 중국 (DP1CA174426 카를로스 F. 바스 (Barbas)로) (JL에) 건강의 국립 연구소에 의해 지원되었다. 분자 그래픽 파이 몰을 이용하여 생성 하였다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
XmaINew England BiolabsR0180L
SacINew England BiolabsR0156L
고충실도 PCR 시스템 확장Roche11759078001
dNTP NewEngland BiolabsN0446S
4%-20% Tris-Glycine Mini 단백질 젤, 1.5mm, 10웰Life TechnologiesEC6028BOX
2x Laemmli 샘플 버퍼BioRad161-0737
T4 DNA LigaseLife Technologies15224-017
BL21 (DE3) 유능한 E. coliNew England BiolabsC2527I
IPTGThermo ScientificR0391
염화아연Sigma-Aldrich208086-5G
카나마이신 설페이트Fisher ScientificBP906-5
포도당Sigma-AldrichG8270-100G
Tris BaseFisher ScientificBP152-25
염화나트륨Sigma-AldrichS9888-25G
DTTFisher ScientificPR-V3151 
PMSFThermo Scientific36978
Ni-NTA Agarose 수지QIAGEN30210
글리세롤Sigma-AldrichG5516-500ML
이미다졸시그마-알드리치I5513-25G
Amicon Ultra-15 원심 필터 유닛EMO MilliporeUFC900324
DMEMLife Technologies11966-025
소 태아 혈청Life Technologies10437-028
항생제-항진균제 Life Technologies15240-062
24-Well Flat Floor PlateSigma-AldrichCLS3527-100EA
폴리-라이신Sigma-AldrichP7280
DPBS, 칼슘 없음, 마그네슘 없음Life Technologies21600010
Heparan SulfateSigma-AldrichH4777
TrypsinLife Technologies
HeLa 세포ATCCCCL-2
나노 드롭 ND-1000 분광 광도계 Thermo Fisher Scientific
QIAquick PCR 정제 키트,QIAGEN28104
QIAquick 겔 추출 키트,QIAGEN28704
25300054,

참고문헌

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