March 5th, 2017
많은 단백질이 막 표면에 부착될 때 기능을 수행합니다. 나노 디스크 막에 대한 외인성 단백질의 결합은 투과 전자 현미경에 의해 간접적으로 이미지화될 수 있습니다. 우리는 음성 염색 인산 텅스텐 산 나트륨에 의해 유도 된 나노 디스크의 특징적인 적층 (rouleau)이 외인 단백질의 결합에 의해 방지된다는 것을 보여줍니다.
이 절차의 전반적인 목표는 단백질의 고해상도 구조 측정을 위한 첫 번째 단계로 음성 염색 투과 전자 현미경을 통해 나노 디스크 멤브레인 표면에서 외인막 단백질의 결합을 시각화하는 것입니다. 이 방법은 세포막 내부 및 세포막에서 발생하는 단백질 활동과 관련하여 여러 연구 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 단백질이 멤브레인에 결합할 수 없는 경우 나노 디스크 형태의 특징적인 스택입니다.
이러한 스택은 투과 전자 현미경으로 명확하게 볼 수 있습니다. 이 기술의 의미는 멤브레인 단백질 상호 작용을 차단하거나 가능하게 하는 능력에 대해 화합물을 쉽게 스크리닝할 수 있기 때문에 약물 개발로 확장됩니다. 이 방법은 단일주제 단백질이 멤브레인에 결합하기 위한 최적의 조건에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만 단백질 나노디스크 복합체의 저해상도 구조도 제공합니다.
절차를 시작하려면 MSP1E3D1와 같은 멤브레인 스캐폴딩 단백질을 발현하고 정제합니다. 다음으로, 금속 바늘이 달린 유리 주사기를 사용하여 클로로포름으로 POPC를 1밀리리터당 25밀리그램 305마이크로리터를 유리 둥근 바닥 플라스크에 분배합니다. 흄 후드의 부드러운 질소 가스 흐름 아래에서 클로로포름을 증발시킵니다.
남은 지질을 진공 데시케이터에서 밤새 건조시킵니다. 그런 다음 건조된 지질 케이크를 100밀리몰 나트륨 콜레이트가 세제로 농축된 200마이크로리터의 MSP 표준 완충액에 용해시킵니다. 완충액에서 50 밀리몰 POPC의 현탁액을 얻기 위해 투명해질 때까지 혼합물을 와류로 만듭니다.
다음으로, 5g의 소수성 비드를 30ml의 100% 메탄올로 세척한 다음 40ml의 초순수로, 마지막으로 10ml의 MSP 표준 버퍼로 세척합니다. 비드를 섭씨 4도에서 15ml의 표준 버퍼로 보관하십시오. 그런 다음 190 마이크로 리터의 MSP1E3D1 0.124 밀리 몰 용액과 61.5 마이크로 리터의 50 밀리 몰 현탁액 POPC를 완충액에 결합하여 MSP와 POPC의 1-130 몰 비율과 25 밀리 몰의 나트륨 콜레이트 농도를 얻습니다.
MSP당 지질의 이상적인 비율은 지질 유형 및 MSP 렌즈의 각 선택에 따라 다르며 나노 디스크의 균일한 제제를 얻기 위해 최적화해야 합니다. 혼합물을 젖은 얼음에서 1시간 동안 배양합니다. 그런 다음 재구성 혼합물 밀리리터당 세척된 소수성 콩 0.5g을 포함하는 튜브에 용액을 첨가하여 나노디스크 자체 조립을 시작합니다.
혼합물을 섭씨 4도에서 분당 7-8 회전으로 16 시간 동안 배양합니다. 배양 후 구슬이 중력에 의해 가라앉도록 합니다. 크기 배제 크로마토그래피를 수행할 준비가 될 때까지 상층액을 제거하고 섭씨 4도에서 보관합니다.
크기 배제 크로마토그래피를 사용하기 전에 혼합물을 섭씨 4도에서 10분 동안 13, 000g으로 원심분리합니다. 상등액을 디캔팅하고 펠릿을 버립니다. 280나노미터의 기준선이 안정될 때까지 크기 배제 크로마토그래피 컬럼을 MSP 표준 버퍼로 평형을 이룹니다.
상층액을 컬럼에 주입하고 생성물을 0.5ml 분획으로 수집합니다. UV vis 분광 광도계로 280 나노미터에서 분획의 흡광도를 측정합니다. 선택한 MSP에 대한 몰 흡광 계수를 사용하여 나노 디스크의 농도를 계산합니다.
비변성 겔 전기영동을 수행하려면 먼저 15마이크로리터의 샘플을 5마이크로리터의 적절한 로딩 버퍼와 혼합합니다. 음극 탱크를 가벼운 음극 버퍼로 채우고 양극 탱크를 러닝 버퍼로 채웁니다. 샘플을 4-16%의 Bis-Tris 겔에 넣고 실행을 시작합니다.
젤 제조업체의 지침에 따라 젤을 염색합니다. 5개의 리폭시게나제를 단백질로 사용하는 나노디스크 단일종 단백질 복합체의 준비를 시작하려면 1.5 밀리몰의 염화칼슘이 풍부한 MSP 표준 완충액 배치를 준비합니다. 5LO 단백질을 발현하고 정제합니다.
칼슘이 풍부한 MSP 표준 완충액에 0.8 마이크로몰 5LO 및 0.8 마이크로몰 나노디스크의 100 마이크로리터 혼합물을 즉시 준비합니다. 단일주제 단백질분해효소 5 리폭시게나제의 예는 막에 결합하는 칼슘의 양에 의존합니다. 5LO는 매우 민감하므로 준비 후 몇 시간 이내에 사용해야 합니다.
혼합물을 얼음 위에서 10분 동안 배양합니다. 이렇게 생성된 나노디스크 단백질 복합체 시료를 섭씨 4도에서 최대 1개월 동안 보관합니다. TEM 분석을 준비하기 위해 포스포텅스텐 산염 1g을 실온에서 초순수 50ml에 용해시킵니다.
수산화나트륨 1몰 용액으로 용액 pH를 7.4로 조정합니다. 0.22 마이크로미터 주사기 필터를 통해 포스포텅스텐 산염 나트륨 용액을 여과하고 용액을 실온에서 보관합니다. 다음으로, 400 메쉬 탄소 코팅 구리 그리드를 30 밀리 암페어에서 20 초 동안 글로우 방전하여 그리드 표면을 친수성으로 만듭니다.
2.5 - 5 마이크로리터의 나노디스크 단일주제 단백질 복합체 샘플을 그리드에 놓고 샘플을 30초 동안 그대로 둡니다. 그런 다음 여과지를 사용하여 그리드에서 초과 용액을 닦아냅니다. 즉시 포스 포 텅스텐 산염 나트륨 용액 한 방울을 바르고 용액을 30 초 동안 그대로 두십시오.
여분의 용액을 닦아내고 그리드를 자연 건조시킵니다. 120-200kV의 가속 전압으로 투과 전자 현미경을 수행합니다. 긴 스택을 보여주는 이미지를 후속 이미지 처리에서 제외합니다.
선택한 이미지에 대해 표준 처리 방법을 사용하여 클래스 평균을 결정하고 나노디스크 단일종 단백질의 저해상도 3D 모델을 생성합니다. 이 방법을 사용하여 빈 나노 디스크를 1:130의 비율로 막 스캐폴딩 단백질과 지질로 준비했습니다. 크기 배제 크로마토그래피 동안 단 하나의 주요 피크만 관찰되었으며 파란색 네이티브 겔 전기영동에서는 하나의 밴드만 관찰되었습니다.
빈 나노 디스크를 포스 포 텅스텐 산염 나트륨 염 용액으로 처리하면 적층이 유도됩니다. 그런 다음 TEM에서 이러한 긴 스택을 관찰할 수 있습니다. 이 적층은 포스 포 텅스텐 산염 나트륨 용액을 적용하기 전에 나노 디스크 용액에 칼슘 이온을 포함함으로써 중단되지 않았습니다.
five lipoxygenase와 같은 단일주제 단백질이 나노디스크 표면에 결합되면 단백질에 의한 스테아르 폐색으로 인해 적층이 방해를 받습니다. 나노 디스크의 양면은 결합에 사용할 수 있어 1-1 및 2:1 5LO 나노디스크 복합체를 형성할 수 있습니다. 2:1 5LO 나노디스크 복합체의 샘플은 1:1 샘플보다 적층이 적었습니다.
5LO 결합에는 칼슘 이온이 있어야 합니다. 이는 칼슘이 없는 5LO와 나노디스크의 혼합물에서 적층을 관찰함으로써 확인되었으며, 이는 5LO가 멤브레인 표면에 결합하지 않았음을 나타냅니다. 단일주제 단백질과 나노디스크가 준비되면 멤브레인에 대한 단백질 결합에 대한 평가가 제대로 수행되면 오후 내에 완료할 수 있습니다.
이 절차를 시도하는 동안 올바른 MSP 길이를 선택하기 위해 나노 디스크의 단백질 면적을 추정하는 것이 중요합니다. 크기가 잘 일치하는 경우, 최대 2개의 외인성 단백질이 디스크의 각 측면에 하나씩 결합할 수 있습니다. 또한 phosophotungsten 의 나트륨 염을 네거티브 스탠드에 사용하여 단일 주제 단백질이없는 샘플의 긴 스택과 스택의 부재를 비교하여 결합이 확인됨에 따라 최대 적층을 보장하는 것이 중요합니다.
리포솜 대신 나노디스크를 사용하면 동적 광 산란, 소각 X선 산란을 사용하여 시료 균질성, 크기 또는 분자 구조에 대한 추가 질문에 답할 수 있습니다. 나노 디스크에 결합된 단일주제 막 단백질의 저해상도 3D 구조는 결합된 단백질의 고해상도 구조로 가는 길에서 쉽게 접근할 수 있는 첫 번째 단계가 될 수 있습니다.
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이 연구는 음성 염색 투과 전자 현미경을 사용하여 외부 막 단백질이 나노디스크 막에 결합하는 방법을 시각화하는 방법을 보여줍니다. 이 기술은 단백질 결합이 나노디스크의 특징적인 쌓임을 방지할 수 있는 방법을 보여주며, 단백질-막 상호작용에 대한 통찰력을 제공합니다.
This method enables visualization of extrinsic membrane protein binding to nanodiscs via negative stain TEM, where protein binding prevents characteristic nanodisc stacking. It provides a rapid, low-resolution structural readout to de-risk target validation and inform early-stage drug screening for membrane-associated proteins. The approach supports go/no-go decisions by confirming binding under defined lipid and ionic conditions before committing resources to high-resolution structural work.
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical mechanistic studies, offering a bridge between biochemical binding assays and high-resolution structure determination.