Method Article

Ekspresja, solubilizacja detergentu i oczyszczanie transportera błonowego, białka oporności wielolekowej MexB

DOI:

10.3791/2134

December 3rd, 2010

In This Article

Summary

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym protokole demonstrujemy ekspresję, solubilizację i oczyszczanie rekombinowanego białka błonowego, MexB, jako rozpuszczalnego kompleksu detergentów białkowych. MexB jest wielolekoopornym transporterem błonowym oportunistycznego patogenu bakteryjnego Pseudomonas aeruginosa.

Abstract

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Oporność na wiele leków (MDR), zdolność komórki nowotworowej lub patogenu do bycia odpornym na szeroki zakres strukturalnie i funkcjonalnie niepowiązanych leków przeciwnowotworowych lub antybiotyków, jest obecnie poważnym problemem w zdrowiu publicznym. Ta oporność wielolekowa jest w dużej mierze spowodowana zależnymi od energii pompami wypływu leków. Pompy wydalają leki przeciwnowotworowe lub antybiotyki do pożywki zewnętrznej, obniżając ich stężenie wewnątrzkomórkowe poniżej progu toksyczności. Badamy oporność wielolekową Pseudomonas aeruginosa, oportunistycznego patogenu bakteryjnego, który powoduje infekcje u pacjentów z wieloma rodzajami urazów lub chorób, na przykład oparzeniami lub mukowiscydozą, a także u pacjentów z nowotworami o obniżonej odporności, dializach i przeszczepach. Główne pompy wypływowe MDR u P. aeruginosa są trójdzielnymi kompleksami składającymi się z antyportera protonowo-lekowego z błoną wewnętrzną (RND), kanału błony zewnętrznej (OMF) i peryplazmatycznego białka łącznikowego (MFP) 1-8. Białka RND i OMF są białkami transbłonowymi. Białka transbłonowe stanowią ponad 30% wszystkich białek i stanowią 65% obecnych celów leków. Hydrofobowe domeny transbłonowe sprawiają, że białka są nierozpuszczalne w buforze wodnym. Zanim białko transbłonowe będzie mogło zostać oczyszczone, konieczne jest znalezienie warunków buforowych zawierających łagodny detergent, które umożliwiają rozpuszczenie białka w postaci kompleksu detergentu białkowego (PDC) 9-11. W tym przykładzie używamy białka RND, transbłonowego transportera P. aeruginosa MexB, aby zademonstrować, jak wyrazić rekombinowaną formę białka transbłonowego, rozpuścić ją za pomocą detergentów, a następnie oczyścić kompleksy detergentów białkowych. Ta ogólna metoda może być zastosowana do ekspresji, oczyszczania i rozpuszczania wielu innych białek błonowych o ekspresji rekombinowanej. Kompleksy detergentów białkowych mogą być później wykorzystane do charakterystyki biochemicznej lub biofizycznej, w tym do rentgenowskiego oznaczania struktury krystalicznej lub badań sieciowania.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Dzień 1:

MexB z Pseudomonas aeruginosa jest kodowany przez pFB101. Gen MexB amplifikowano z genomowego DNA P. aeruginosa i wstawiono do miejsc restrykcyjnych NdeI i XhoI wektora pET30b+. Konstrukt zawiera C-końcowy znacznik heksahistydyny.

  1. Plazmid służy do transformacji szczepu E. coli C43(DE3) 12, a transformanty są platerowane na agarze LB zawierającym 30 ug / ml kanamycyny.

2. Dzień 2: Nocne kultury:

  1. Wieczorem ze świeżych kolonii transformantów inokuluje się kultury 4 x 3 ml LB zawierające 30 ug/ml kanamycyny. Alternatywnie, kultury można zaszczepić z zamrożonego trwałego ondulacji.
    Te małe kultury są uprawiane na walcu w temperaturze 37°C przez noc.

3. Dzień 3: Uprawa 6-litrowych kultur:

  1. Rano użyj nocnych kultur do zaszczepienia 150 ml LB zawierającego 30 ug/ml kanamycyny. Hoduj kulturę w temperaturze 37 ° C na shakerze.
  2. Po południu użyj małej kultury do zaszczepienia 6 x 1 l pożywki 2XYT zawierającej 30 ug/ml kanamycyny w kolbach Fernbacha. (Użyj 25 ml na kulturę do rozcieńczenia 1:40). Hoduj kultury w temperaturze 37°C, aż osiągną OD600 0,4-0,6, około 1,5 godziny
  3. Gdy kultury osiągną odpowiednią gęstość, indukuj ekspresję białka, dodając 0,5 ml 1M IPTG. Włóż wszystkie kolby z powrotem do wytrząsarki i kontynuuj ich hodowlę w temperaturze 30°C przez noc.

4. Dzień 4: Pobieranie komórek i oczyszczanie białka:

  1. Dodaj inhibitory proteazy, DNAzę i lizozym do roztworów buforowych w następujący sposób: Do 50 ml buforu do ponownego zawieszania komórek dodaj 10 mg DNazy I (0,1 mg / ml stężenia końcowego), 1 kompletną tabletkę inhibitora proteazy bez EDTA i szczyptę lizozymu. Do 60 ml buforu do sporządzania zawiesiny błonowej dodać 1 tabletkę inhibitora proteazy. Do kolejnych 50 ml buforu do sporządzania zawiesiny błonowej dodać 1 tabletkę inhibitora proteazy. Trzymaj wszystkie trzy roztwory na lodzie.
  2. Odwirować kultury przez 30 minut 5 000 obr./min w wirówce na dużą skalę w celu zebrania komórek.
  3. Ponownie zawiesić komórki w 100 ml buforu do resuspensji komórek (50 mM NaP, pH 7,0, 300 mM NaCl, 2 mM MgCl2, 1 kompletna tabletka inhibitora proteazy bez EDTA, 0,1 mg/ml DNAzy I, szczypta lizozymu)
  4. Przepuść roztwór ogniwa dwukrotnie przez francuską celę ciśnieniową przy ciśnieniu 12 000 psi (ciśnienie manometryczne 762). Zbierz lizat komórkowy do butelki chłodnej na lodzie.
  5. Przenieś lizat komórkowy do probówek wirówkowych SS34 i odwiruj w celu usunięcia resztek komórek przez 30 minut przy 10 000 obr./min w temperaturze 4°C w wirniku SS-34.
  6. Ostrożnie usunąć supernatant do probówek ultrawirówek Ti647.5. Wirować przez 50 minut przy 40 000 obr./min w temperaturze 4°C. Odrzucić supernatant.
  7. Zawiesić osad, który zawiera błony komórkowe, w ok. 25 ml buforu do rezawieszania błon (50 mM NaP, pH 7,0, 300 mM NaCl, 5% glicerolu, 1 kompletna tabletka inhibitora proteazy bez EDTA).
  8. Przenieść zawiesinę membranową do czystej probówki wirówkowej i odwirować z prędkością 40 000 obr./min w wirniku Ti647.5 przez 50 minut w temperaturze 4 °C.
  9. Odrzucić supernatant i ponownie zawiesić przemyty osad membranowy w 25 ml buforu do ponownego zawieszania membrany (50 mM NaP, pH 7,0, 300 mM NaCl, 5% glicerolu, 1 kompletna tabletka inhibitora proteazy bez EDTA).

5. Solublacja białek TM:

  1. Do zawieszonych membran (około 25 ml) dodać 6 ml 10% DDM (końcowe stężenie detergentu = 2% DDM) Rozdrabniać mieszaninę w temperaturze 4 °C przez 2 godziny.
  2. Odwirować mieszaninę z prędkością 40 000 obr./min przez 40 minut w temperaturze 4°C w wirniku Ti647.5 w celu oddzielenia rozpuszczalnych kompleksów detergentów białkowych od nierozpuszczalnych białek. Zachowaj supernatant, który zawiera kompleksy detergentów białkowych MexB.

6. IMAC:

  1. Zmieszać supernatant otrzymany z wirowania z dużą prędkością z kulkami powinowactwa do metalu szponowego zrównoważonymi w buforze do resuspensji. Inkubować przez 1 godzinę na wałku w temperaturze 4°C.
  2. Wlej gnojowicę do korpusu kolumny przepływu grawitacyjnego i wylej przepływ.
  3. Przepłukać kolumnę 20 ml (10 objętości kolumny) buforu wiążącego i płuczącego IMAC (50 mM NaP, pH 7, 300 mM NaCl, 5% glicerolu, 0,2% DDM)
  4. Eluować białko za pomocą buforu elucyjnego IMAC (50 mM NaP, pH 7,0, 300 mM NaCl, 5% glicerolu, 250 mM imidazolu, 0,2% DDM).
  5. Pobrać 15 μl próbek frakcji elucyjnych, wymieszać każdą z 15 μl buforu do próbek 2X SDS do analizy za pomocą elektroforezy w żelu poliakrylamidowym. Odwiruj 30 sekund w mikrowirówce. Przeanalizuj próbki na 10% poliakryloamidowym żelu SDS, aby oszacować ilość i czystość MexB w każdej frakcji.
  6. Zebrać frakcje zawierające kompleksy detergentów białkowych MexB i skoncentrować je w koncentratorze wirowym w temperaturze 4°C. Należy uważać, aby białko nie wytrąciło się na tym etapie.

7. Kolumna filtracji żelowej:

  1. Wstępnie zrównoważyć kolumnę Superose 12 HL 30/10 z 24 ml buforem bieżącym (50 mM NaP, pH 7,0, 300 mM NaCl, 5% glicerolu, 0,2% beta-oktyloglukozydu) i poczekaj na płaską linię podstawową.
  2. Przepłucz pętlę ładowania systemu Akta za pomocą uruchomionego bufora.
  3. Przefiltrować roztwór białkowy za pomocą filtra strzykawkowego przed nałożeniem go na kolumnę.
  4. Załadować do 240 μl roztworu białkowego na kolumnę, o stężeniu białka do 5 mg/ml.
  5. Uruchom 1,5 objętości kolumny (36 ml) buforu, zbierz frakcje 0,25 ml. Kompleksy detergentów białkowych MexB powinny eluować się w postaci piku przy około 10 - 15 ml objętości elucji.
  6. Pobrać 5 μl próbek frakcji pikowych. Wymieszaj każdą próbkę 1:1 z buforem do próbek 2X SDS. Analizuj próbki na 10% żelu poliakrylamidowym, aby oszacować ilość i czystość MexB w każdej frakcji
  7. Zbierz frakcje zawierające czysty MexB.

8. Reprezentatywne wyniki:

Rysunek 1 przedstawia żel poliakrylamidowy z połączonymi frakcjami kolumny z kolumny IMAC i pojedynczymi frakcjami z kolumny filtracyjnej żelu. Po żelowej kolumnie filtracyjnej białko wydaje się czyste przez barwiony żel poliakrylamidowy Coomassie. Rysunek 2 zawiera ślad z żelowej kolumny filtracyjnej, pokazujący główny pik eluującego z kolumny kompleksu białkowego detergentu. Średnia wydajność białka MexB wynosi około 2 mg na 6 litrów kultury 2XYT.

figure-protocol-1
Rysunek 1. SDS-PAGE żel do oczyszczania PDC MexB. Tor 1, Markery masy cząsteczkowej. 2, Połączone frakcje IMAC. 3-7, Frakcje żelowej kolumny filtracyjnej.

figure-protocol-2
Rysunek 2. Przykład wyników filtracji żelowej dla kompleksów detergentów białkowych MexB (PDC).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Oprócz oporności wielolekowej, wiele istotnych czynności komórkowych, w tym transport jonów, komunikacja komórka-komórka, transport pęcherzyków, utrzymanie struktury komórkowej i interakcje gospodarz-patogen, obejmuje białka osadzone w błonie komórkowej. Białka transbłonowe stanowią ponad 30% znanych białek i są celem większości stosowanych obecnie farmaceutyków. Nieprawidłowe fałdowanie lub aktywność białek transbłonowych prowadzi do ważnych chorób genetycznych, w tym mukowiscydozy i cukrzycy. Pomimo ogromnego znaczenia...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Acknowledgements

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten projekt był wspierany przez granty dla CJJ od National Science Foundation i Society for Biomolecular Sciences.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Bufor do próbek SDSBio-Rad161-0737
C43(DE3) Szczep E. coliLucigen60345-1
siarczan kanamycynySigma-AldrichK4378
Pożywka 2XYTFisher ScientificBP2466-2
LB FisherScientificAC61189-5000
IPTGSigma-AldrichI6758
DNaseIFisher ScientificBP3226-1
LizozymSigma-AldrichL7651
Kompletne tabletki inhibitora proteazy wolne od EDTAGrupa Roche11 873 580 001
NaP jednozasadowySigma-AldrichS6566
NaP dwuzasadowySigma-AldrichS5136
NaClSigma-AldrichS6191
MgCl2Sigma-AldrichM1028
GlycerolFisher ScientificBP229-1
n-dodecyl-β-D-maltopyranozydAnatraceD310
15ml tubkiCorning430052
Huśtawka FisherScientificSSL 4
Żywica powinowactwa do metali TalonClontech Laboratories635503
imidazolSigma-AldrichI5513
10% poliakrylamid SDS PAGE żeleBio-Rad161-1454
Tris/glicyna/SDS PAGE bufor biegowyBio-Rad161-0732
Kaleidascope wstępnie barwione markery masy cząsteczkowejBio-Rad161-0324
Kolumna Superose 12 30/10GE Healthcare12 10/300 GL
Koncentrator odśrodkowy AmiconEMD MilliporeUFC801024
Filtr strzykawkowyFisher ScientificSLFG R04 NL
Kolby FernbachFisher Scientific09-552-39
Wytrząsarka do mocowania kolbFernbach Fisher Scientific
System AktaGE Healthcare
J6 Wirówka wielkoskalowa z wirnikiem JLA-8.1000Beckman Coulter Inc.
Butelki wirówkowe 1 l BeckmanCoulter Inc.
Wirówka RC-5Thermo Fisher Scientific, Inc.
Wirnik i rury o stałym kącie nachylenia SS34Thermo Fisher Scientific, Inc.
Model podłogi Sorvall UltrawirówkaThermo Fisher Scientific, Inc.
Wirnik i rurki T647.5 z nasadkamiThermo Fisher Scientific, Inc.08322
Francuska komórka ciśnieniowaThermo Fisher Scientific, Inc.FA-032
969329 (wersja angielska)

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Eda, S., Maseda, H., Nakae, T. An elegant means of self-protection in gram-negative bacteria by recognizing and extruding xenobiotics from the periplasmic space. J. Biol. Chem. 278, 2085-2088 (2003).
  2. Li, X. Z., Ma, D., Livermore, D. M., Nikaido, H. Role of efflux pump(s) in intrinsic resistance of Pseudomonas aeruginosa: active efflux as a contributing factor to beta-lactam resistance. Antimicrob. Agents Chemother. 38, 1742-1752 (1994).
  3. Li, X. Z., Nikaido, H., Poole, K. Role of MexA-MexB-OprM in antibiotic efflux in Pseudomonas aeruginosa. Antimicrob. Agents Chemother. 39, 1948-1953 (1995).
  4. Masuda, N., Sakagawa, E., Ohya, S., Gotoh, N., Tsujimoto, H., Nishino, T. Substrate specificities of MexAB-OprM, MexCD-OprJ, and MexXY-oprM efflux pumps in Pseudomonas aeruginosa. Antimicrob. Agents Chemother. 44, 3322-3327 (2000).
  5. Okusu, H., Ma, D., Nikaido, H. AcrAB efflux pump plays a major role in the antibiotic resistance phenotype of Escherichia coli multiple-antibiotic-resistance (Mar) mutants. J. Bacteriol. 178, 306-308 (1996).
  6. Srikumar, R., Kon, T., Gotoh, N., Poole, K. Expression of Pseudomonas aeruginosa multidrug efflux pumps MexA-MexB-OprM and MexC-MexD-OprJ in a multidrug-sensitive Escherichia coli strain. Antimicrob. Agents Chemother. 42, 65-71 (1998).
  7. Tikhonova, E. B., Zgurskaya, H. I. AcrA, AcrB, and TolC of Escherichia coli Form a Stable Intermembrane Multidrug Efflux. Complex. J. Biol. Chem. 279, 32116-3224 (2004).
  8. Yoneyama, H., Ocakatan, A., Tsuda, M., Nakae, T. The role of mex-gene products in antibiotic extrusion in Pseudomonas aeruginosa. Biochem. Biophys. Res. Commun. 233, 611-618 (1997).
  9. Berger, B. W., Gendron, C. M., Robinson, C. R., Kaler, E. W., Lenhoff, A. M. The role of protein and surfactant interactions in membrane-protein crystallization. Acta. Crystallogr. D Biol. Crystallogr. 61, 724-730 (2005).
  10. Jones, M. Surfactants in membrane solubilisation. Int. J. Pharm. 177, 137-159 (1999).
  11. Maire, M. le, Champeil, P., Moller, J. V. Interaction of membrane proteins and lipids with solubilizing detergents. Biochim. Biophys. Acta. 1508, 86-111 (2000).
  12. Miroux, B., Walker, J. E. Over-production of proteins in Escherichia coli: mutant hosts that allow synthesis of some membrane proteins and globular proteins at high levels. J. Mol. Biol. 260, 289-298 (1996).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

MexB ProteinMembrane TransporterDetergent SolubilizationProtein PurificationGel Filtration ChromatographyIMAC PurificationSDS PAGE AnalysisMembrane IsolationFrench Pressure CellUltracentrifugation

Related Articles