Opisana jest dwuetapowa metoda chromatograficzna oczyszczania rekombinowanego białka Shadoo wyrażonego jako ciała inkluzyjne w Escherichia coli, a także protokół migotania oczyszczonego Shadoo do struktur amyloidowych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Opisana jest dwuetapowa metoda chromatograficzna oczyszczania rekombinowanego białka Shadoo wyrażonego jako ciała inkluzyjne w Escherichia coli, a także protokół migotania oczyszczonego Shadoo do struktur amyloidowych.
System ekspresji Escherichia coli jest potężnym narzędziem do produkcji rekombinowanych białek eukariotycznych. Używamy go do produkcji Shadoo, białka należącego do rodziny prionów. Opisano chromatograficzną metodę oczyszczania rekombinowanego Shadoo znakowanego (Jego)6 wyrażonego jako ciała inkluzyjne. Ciała inkluzyjne rozpuszcza się w 8 M moczniku i wiąże z kolumną naładowaną Ni2+ w celu przeprowadzenia chromatografii powinowactwa jonowego. Związane białka są eluowane przez gradient imidazolu. Frakcje zawierające białko Shadoo poddawane są chromatografii wykluczania wielkości w celu uzyskania wysoko oczyszczonego białka. W ostatnim etapie oczyszczony Shadoo jest odsalany w celu usunięcia soli, mocznika i imidazolu. Rekombinowane białko Shadoo jest ważnym odczynnikiem do badań biofizycznych i biochemicznych zaburzeń konformacji białek występujących w chorobach prionowych. Wiele doniesień wykazało, że prionowe choroby neurodegeneracyjne powstają w wyniku odkładania się stabilnych, uporządkowanych włókienek amyloidowych. Przedstawiono przykładowe protokoły opisujące sposób migotania Shadoo na fibryle amyloidowe przy pH kwaśnym i obojętnym/zasadowym. Metody produkcji i fibrylacji Shadoo mogą ułatwić badania w laboratoriach zajmujących się chorobami prionowymi, ponieważ pozwalają na produkcję dużych ilości białka w szybki i tani sposób.
Choroby neurodegeneracyjne prionów, do których zalicza się gąbczastą encefalopatię bydła u bydła, trzęsawkę owiec i chorobę Creutzfeldta-Jakoba u ludzi, są śmiertelne i nieuleczalne. Choroby prionowe charakteryzują się zmianami konformacyjnymi komórkowego białka prionowego składającego się głównie z α-helis, w konformer amyloidowy wzbogacony β krzyżowo 1,2. Struktury krzyżowe β zawierają gęsto upakowane i wysoce uporządkowane warstwy β przypominające kryształy, stabilizowane wiązaniami wodorowymi 3,4. Amyloidy prionowe mogą się samoreplikować dzięki β-niciom na krawędzi wzrostu, które stanowią matrycę do rekrutacji i przekształcania monomerycznej jednostki białkowej.
Zgodnie z hipotezą "tylko białko", jedynym czynnikiem zakaźnym jest konformer amyloidu białka prionowego. Zaproponowano jednak, że niektóre inne biomolekuły są niezbędne w zaburzeniach prionowych. Na przykład uważa się, że błony komórkowe są miejscem, w którym zachodzi konwersja, a niektóre ujemnie naładowane lipidy usprawniają proces konwersji 5,6. Ponadto niektóre białka mogą być również zaangażowane w patologie prionowe. W szczególności istnieją dwaj inni członkowie rodziny białek prionowych: Doppel i Shadoo 7,8. Doppel ma stosunkowo sztywną strukturę stabilizowaną mostkami dwusiarczkowymi i nie ulega samopolimeryzacji i agregacji do włókienek amyloidowych 9. W przeciwieństwie do białka prionowego, Shadoo może przyjąć strukturę wzbogaconą o β arkusz i samoasocjować się w struktury fibryli amyloidowych. Wykazano, że Shadoo może migotać w warunkach natywnych lub po związaniu ujemnie naładowanych błon 10,11. Konwersja Shadoo do włókien podobnych do amyloidu może być związana z patologiami. Rzeczywiście, mechanizmy, za pomocą których struktury podobne do amyloidu powodują chorobę, są słabo poznane.
Shadoo posiada domenę hydrofobową (HD) i serię tandemowych powtórzeń Arg/Gly podobnych do N-końcowej części białka prionowego (Rysunek 1A). Jako N-końcowa część białka prionowego, Shadoo jest wysoce dodatnio naładowany i wydaje się być natywnie nieustrukturyzowanym białkiem 11,12. Shadoo wydaje się być funkcjonalnie związany z zaburzeniami prionowymi, ponieważ może bezpośrednio wiązać białko prionowe. Ponadto jego ekspresja jest regulowana w dół podczas patologii prionów 13,14. Jednak rola Shadoo w chorobie prionowej nie została jeszcze ustalona.
Opracowaliśmy plazmid przenoszący sekwencję kodującą mysi gen Shadoo. Plazmid został wykorzystany do transformacji E. coli do produkcji N-końcowego białka fuzyjnego His6 Shadoo. Ten system ekspresji jest dobrze przyjęty w naszym laboratorium i jest powszechnie stosowany w naszych bieżących projektach 6,15,16. Ważną kwestią dla ekspresji Shadoo jest wybór szczepu E. coli. Podczas gdy kompetentny szczep bakteryjny BL21 jest powszechnie stosowany do ekspresji rekombinowanych białek, Shadoo został z powodzeniem poddany ekspresji i oczyszczony tylko z przekształconego szczepu bakteryjnego SoluBL21. Kompetentna E. coli SoluBL21 jest ulepszonym mutantem szczepu gospodarza BL21 opracowanym do produkcji białek, których ekspresja w macierzystym BL21 nie dawała wykrywalnego rozpuszczalnego produktu. Wysoki poziom ekspresji Shadoo w SoluBL21 E. coli prowadzi do akumulacji białka w ciałach inkluzyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, gdy nienatywne białko jest silnie eksprymowane w E. coli, białko to ma tendencję do gromadzenia się w nierozpuszczalnych ciałach inkluzyjnych. Shadoo prawdopodobnie agreguje się poprzez niekowalencyjne oddziaływania hydrofobowe lub jonowe (lub kombinację obu) do wysoce wzbogaconych dynamicznych struktur utworzonych przez białko pofałdowane w różnym stopniu. W związku z tym oczyszczanie składa się z co najmniej dwóch etapów: (i) selektywnego oddzielenia białka od innych biomolekuł w pożywce denaturacyjnej oraz (ii) renaturacji oczyszczonego białka przy użyciu technik fałdowania in vitro.
Selektywne oddzielenie Shadoo zostało osiągnięte w roztworze buforowym zawierającym 8M mocznik (lub alternatywnie 6M guanidyna-HCl). Usuwanie mocznika i renaturyzację białka można przeprowadzić poprzez zastosowanie różnych protokołów: (i) renaturyzacji w roztworze o kwaśnym pH w celu uzyskania nieustrukturyzowanego monomerycznego białka Shadoo lub (ii) renaturacji w roztworze o pH ≥ 7 w celu uzyskania Shadoo spolimeryzowanego w stabilne włókna amyloidowe z charakterystycznymi motywami β krzyżującymi się arkuszami.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Generowanie plazmidu i ekspresja Shadoo
Uwaga: Gen kodujący mysie białko Shadoo (Shadoo25-122) został podklonowany do wektora ekspresyjnego pET-28 11. Klon ten wprowadzono do szczepu bakteryjnego E. coli SoluBL21 w celu ekspresji białka Shadoo z N-końcowym tagiem heksahistydynowym (HHHHHHHHHHSSGHIDDDDKHMKGGRGGARGSARGVRGGARGASRVRVRP APRYGSSLRVAAAGAAAGAAAGVAAGLATGSGWRRTSGPGELGLEDDENGAMGGNGTDRGVYSYWAWTSG), zgodnie z wcześniejszym opisem 11. Plazmid można zamówić od autorów. Masa cząsteczkowa Shadoo obliczona na podstawie sekwencji aminokwasowej wynosi 12 243,2 Da.
Uwaga: Wszystkie manipulacje z bakteriami należy przeprowadzać pod dygestorium z laminarnym przepływem powietrza lub w pobliżu palnika Bunsena.

Rysunek 1. Schemat konstruktu ekspresyjnego Shadoo, transformacji bakterii i indukcji ekspresji Shadoo (zgodnie z opisem w kroku 1). (A) Konstrukt ekspresyjny dla Shadoo koduje znacznik heksahistydynowy połączony z N-końcem białka, Nt. Schemat przedstawia, że białko Shadoo zawiera zasadowe powtórzenia argininy/glicyny (zielony cylinder), domenę hydrofobową (HD) oraz pojedynczą stronę N-glikozylacji (CHO), a następnie C-koniec (Ct). (B) Plazmid pET-28-His6-Shadoo jest transformowany do bakterii SoluBL21 metodą szoku termicznego przez 45 sec w 42 °C. Transformowane bakterie są wysiewane na selektywny agar zawierający 40 µg/ml kanamycyny. Pojedyncza kolonia z płytki jest wykorzystywana do zaszczepienia hodowli w kolbie wytrząsowej o pojemności 1,000-3,000 ml. Ekspresja białka rekombinowanego jest indukowana 1 mM IPTG. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
2. Oczyszczanie białka Shadoo za pomocą niskociśnieniowej chromatografii cieczowej (LPLC)

Rycina 2. Schemat oczyszczania ciał inkluzyjnych (zgodnie z opisem w kroku 2.1). Ztransformowane bakterie ekspresyjne Shadoo są zbierane przez wirowanie i resuspenderowane w buforze do lizy. Zawiesinę inkubuje się w temperaturze 37 °C przez 30 min, a następnie poddaje sonikacji w celu mechanicznego rozbicia komórek bakteryjnych. Sonikację przeprowadza się na lodzie, aby zapobiec nagrzewaniu się próbki. Rozbite komórki są zbierane przez wirowanie i resuspenderowane w buforze zawierającym 8 M mocznika w celu solubilizacji białek z ciał inkluzyjnych. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Rycina 3. Procedura oczyszczania (opisana w krokach 2.2-2.4). (A) Jony Ni2+ mogą być koordynowane przez reszty histydyny, co umożliwia selektywne oczyszczanie białek z tagiem polihistydynowym. Imidazol jest wykorzystywany do elucji białka dzięki zdolności do koordynacji z jonem Ni2+ i wyparcia związanego białka. (B) Białka o różnym promieniu hydrodynamicznym, które zostały zatrzymane na kolumnie Ni2+, są rozdzielane na kolumnie do wykluczania molekularnego. Białka są eluowane od największych do najmniejszych. (C) Przed użyciem frakcje zawierające Shadoo są łączone i odsalane w celu usunięcia mocznika, imidazolu i soli. Badania kontroli jakości obejmują SDS-PAGE z barwieniem Coomassie oraz Western blotting. Oczyszczone białko Shadoo może zostać poddane liofilizacji. Liofilizowane Shadoo jest stabilne przez wiele miesięcy przy przechowywaniu w temperaturze -20 °C. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
3. In Vitro Montaż białka Shadoo w amyloidowe włókna w pH fizjologicznym
Uwaga: Białko Shadoo agreguje i spontanicznie tworzy włókna przy pH ≥ 7 11.

Rycina 4. Schemat refoldingu Shadoo do włókien amyloidowych (opisany w kroku 3). Oczyszczone Shadoo samoistnie przekształca się we włókna amyloidowe po rozpuszczeniu w buforze o pH ≥ 7. W roztworze kwasowym Shadoo przekształca się we włókna amyloidowe podczas inkubacji z 1 M Gdn-HCl przy wstrząsaniu. Analizy kontroli jakości obejmują mikroskopię elektronową i barwienie ThT. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
4. Montowanie Shadoo do włókien amyloidowych in vitro przy niskich wartościach pH

Rycina 5. Reprezentatywne wyniki. Frakcje białek eluowane z kolumny chelatującej naładowanej Ni2+ (A) oraz kolumny do wykluczania rozmiarowego (B) przeanalizowano za pomocą SDS-PAGE i barwienia Coomassie. Identyfikację oczyszczonego białka Shadoo oceniono z użyciem przeciwciała anty-Shadoo SPRN (C). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Z jednego litra hodowli bakteryjnej uzyskuje się około 5-10 mg oczyszczonego białka Shadoo. Aby otrzymać rekombinowane Shadoo o wysokiej czystości, konieczne jest dwuetapowe oczyszczanie. Pierwszy etap polega na chromatografii powinowactwa z użyciem kolumny naładowanej Ni2+, która zatrzymuje białka z etykietą His. Eluowane frakcje poddawane są elektroforezie SDS-PAGE i barwieniu błękitem Coomassie Brilliant Blue (Rycyna 5A). Frakcje zawierające białko Shadoo są łączone i dalej oczyszczane meto...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawiono łatwy i skuteczny protokół zarówno do ekspresji, jak i oczyszczania dużej ilości rekombinowanego białka Shadoo myszy. Opisana metoda pozwala na pomyślne rozpuszczanie i oczyszczanie rekombinowanego białka Shadoo znakowanego (His6). Ważne jest, jak wskazano w tytule, że po ekspresji w bakterii prokariotycznej E. coli Shadoo gromadzi się w ciałach inkluzyjnych. Przed oczyszczeniem Shadoo, bakterie muszą zostać poddane lizie przez sonikację w buforze zawierającym Triton X-100. Następnie cia...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy chcieliby podziękować Natalie Doude i Davidowi Westerwayowi (University of Alberta) za dostarczenie nam Sho cDNA, Christophe'a Chevaliera (INRA) za budowę plazmidu, Michela Brémonta (INRA) za dostarczenie nam bakterii BL21Sol; Christine Longin (INRA) za pomoc w TEM oraz Edith Pajot-Augy (INRA) za komentarze i korektę.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| AKTA FPLC | GE, Amersham | # 1363 | |
| HiLoad 16/60 Superdex | GE Healthcare | 17-1069-01 | |
| HiTrap IMAC | GE Healthcare | GE17-0920-05 | |
| HiPrep26/10 Kolumna odsalająca | GE Healthcare | GE17-5087-01 | |
| SoluBL21 Kompetentny E. coli | Genlantis | C700200 | |
| pET-28b+ | Novogen | 69865-3 | |
| IPTG | Sigma-Aldrich | I6758 | |
| LB-Bulion | medium Sigma-Aldrich | L3022 | |
| Eppendorf Biophotometar | Eppendorf | 550507804 | |
| Trito X-100 | Life Technologies | 85111 | |
| NiSO4 | Sigma-Aldrich | 656895 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E6758 | |
| Tris-HCl | Sigma-Aldrich | RES3098T | |
| Inhibitor proteazy Tabletki koktajlowe | Roche | 4693116001 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 746398 | |
| Imidazol | Sigma-Aldrich | I5513 | |
| Gdn-HCl | Sigma-Aldrich | G4505 | |
| marker wielkości białka | Thermo Fisher Naukowy | 26620 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.