Przedstawiamy protokół do szybkiej charakterystyki biomolekularnych oddziaływań fałdowania i wiązania z termolabilnymi ligandami za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiamy protokół do szybkiej charakterystyki biomolekularnych oddziaływań fałdowania i wiązania z termolabilnymi ligandami za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej.
Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) to potężna technika ilościowego określania parametrów termodynamicznych rządzących biomolekularnym fałdowaniem i oddziaływaniami wiązania. Informacje te mają kluczowe znaczenie przy projektowaniu nowych związków farmaceutycznych. Jednak wiele ligandów istotnych z farmaceutycznego punktu widzenia jest chemicznie niestabilnych w wysokich temperaturach stosowanych w analizach DSC. W związku z tym pomiar oddziaływań wiążących jest trudny, ponieważ stężenia ligandów i produktów przekształcanych termicznie w komórce kalorymetrycznej stale się zmieniają. W tym miejscu przedstawiamy protokół wykorzystujący ligandy termolabilne i DSC do szybkiego uzyskiwania informacji termodynamicznych i kinetycznych na temat procesów fałdowania, wiązania i konwersji ligandów. Zastosowaliśmy naszą metodę do aptameru DNA MN4, który wiąże się z termolabilnym ligandem kokainy. Korzystając z nowej globalnej analizy dopasowania, która uwzględnia konwersję termolabilnego liganda, uzyskuje się pełny zestaw parametrów fałdowania i wiązania z pary eksperymentów DSC. Ponadto pokazujemy, że stałą szybkości konwersji ligandów termolabilnych można uzyskać za pomocą tylko jednego dodatkowego zestawu danych DSC. Przedstawiono wytyczne dotyczące identyfikacji i analizy danych z kilku bardziej skomplikowanych scenariuszy, w tym nieodwracalnej agregacji biomolekuły, powolnego fałdowania, powolnego wiązania i szybkiego wyczerpywania się ligandu termolabilnego.
Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) to potężna metoda ilościowego określania interakcji wiązania i fałdowania biomolekularnego1,2,3. Do mocnych stron DSC należy jego zdolność do wyjaśniania mechanizmów wiązania i fałdowania oraz do uzyskiwania odpowiednich parametrów termodynamicznych2,3. Co więcej, DSC może być wykonywany w roztworze w warunkach zbliżonych do fizjologicznych i nie wymaga znakowania biomolekuły lub ligandu, np. fluoroforami, znacznikami spinowymi lub izotopami jądrowymi4. Przyrząd skanuje temperaturę, mierząc ilość ciepła potrzebną do denaturacji biomolekuły w obecności i bez ligandu. Otrzymane termogramy są wykorzystywane do wyodrębnienia parametrów termodynamicznych rządzących procesami wiązania i fałdowania ligandów. Informacje dostarczane przez DSC lub inne techniki termodynamiczne mają kluczowe znaczenie dla projektowania leków ukierunkowanych na biomolekuły1,5,6,7,8. Jednak wielokrotne skanowanie do wysokich temperatur (~ 60 - 100 °C) może być problematyczne. Na przykład wiele ważnych farmaceutycznie związków ulega przegrupowaniu lub rozkładowi pod wpływem długotrwałej ekspozycji na wysokie temperatury9,10,11, tj. są termolabilne. Badanie oddziaływań wiązania przez DSC zazwyczaj wymaga wielu skanów do przodu i do tyłu w celu zweryfikowania odtwarzalności termogramu do analiz termodynamicznych12. Termiczna konwersja początkowego liganda do formy drugorzędowej o zmienionej charakterystyce wiązania prowadzi do wyraźnych różnic w kształcie i położeniu kolejnych termogramów, ponieważ stężenie początkowego liganda zmniejsza się z każdym skanem, podczas gdy produkty konwersji termicznej gromadzą się. Te zbiory danych nie podlegają tradycyjnym analizom.
Niedawno opracowaliśmy globalną metodę dopasowania dla zestawów danych termolabilnych ligandów DSC, która dostarcza kompletny zestaw parametrów termodynamicznych rządzących biomolekularnymi oddziaływaniami fałdowania i wiązania z pojedynczego eksperymentu związanego z ligandem, odnoszącego się do wymaganego termogramu dla wolnej biomolekuły4. Analiza skraca czas eksperymentu i wymaganą próbkę ~ 10-krotnie w porównaniu ze standardowymi podejściami DSC. Uwzględniliśmy konwersję termiczną liganda, zakładając, że dzieje się to podczas części każdego skanowania o wysokiej temperaturze, w której termogram nie zależy od stężenia liganda. Dlatego stężenie liganda jest stałą w części termogramu, która jest używana do wyodrębniania parametrów termodynamicznych. Dodatkowo wykazaliśmy, w jaki sposób można uzyskać stałą szybkości konwersji termicznej ligandów, wykonując jeden dodatkowy eksperyment z dłuższym okresem równowagi w wysokiej temperaturze. W przypadku układów, w których konwersja termiczna ligandów jest w mniejszym stopniu zależna od temperatury (tj. zachodzi w znacznym stopniu we wszystkich temperaturach), analiza może być modyfikowana tak, aby obejmowała zmienne stężenia ligandów. Tutaj demonstrujemy tę procedurę dla aptameru DNA MN4 w obecności termolabilnego liganda kokainy, który szybko przekształca się w benzoiloekgoninę w wysokich temperaturach (>60 °C). Chinina jest stosowana jako kontrola ujemna termolabywalności ligandów, ponieważ nie ulega konwersji w tych temperaturach eksperymentalnych, a także wiąże się z MN4. Opisano pozyskiwanie zestawów danych DSC ligandów termolabilnych i ich analizę, uzyskując parametry termodynamiczne i kinetyczne procesów fałdowania, wiązania i konwersji ligandów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie próbki
2. Przygotowanie DSC
3. Zbieranie zestawów danych DSC dla ligandów termolabilnych
UWAGA: Minimalna procedura składa się z pięciu eksperymentów: eksperymentów z odniesieniem do bufora z ligandem i bez niego (używane do odejmowania linii bazowej, zobacz Dyskusję), próbnych eksperymentów z wolną biomolekułą, biomolekułą związaną z ligandem oraz biomolekułą związaną z ligandem z dłuższym okresem równowagi w wysokiej temperaturze.
4. Przetwarzanie danych
5. Analiza danych
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawiono reprezentatywne dane DSC dla liganda termolabilnego w Rycina 1Położenie i wysokość piku dla kompleksu z ligandem termolabilnym stopniowo przesuwają się w stronę piku dla wolnej biomolekuły w miarę wyczerpywania się ligandu termolabilnego z każdym skanem (Rysunek 1a). Profil wolnej denaturacji służy jako punkt odniesienia dla punktu końcowego konwersji ligandu termolabilnego (Rycina 1b)....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Modyfikacje i rozwiązywanie problemów
Szczegóły analizy dopasowania globalnego użytej na Rysunku 1 i Rysunku 2 opisano wcześniej4. Tutaj przedstawiamy praktyczne aspekty wykonywania i analizowania eksperymentów wiązania DSC z termolabilnymi ligandami. Należy zauważyć, że linia bazowa DSC uzyskana dla termolabilnego liganda samodzielnie jest odejmowana od zestawu danych ligand + biomolekuła, co sku...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
R. W. H. V był wspierany przez program szkoleniowy McGill Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) w zakresie bionanomaszyn. A. K. M. i P. E. J. byli wspierani przez granty NSERC 327028-09 (A. K. M) i 238562 (P. E. J.).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Chlorek sodu | Chem Impex | #00829 | |
| Fosforan sodu jednozasadowy dwuwodny | Sigma Aldrich | 71502 | |
| Fosforan sodu dwuzasadowy | Sigma Aldrich | S9763 | |
| Woda dejoinizowana do biologii molekularnej | Sterylne | Millipore H20MB1001 | |
| 0,2 mikrona | VWR | CA28145-477 | |
| Filtry odśrodkowe 3 kDa | Milipore | UFC900324 | |
| rurki do dializy 0,5-1,0 kDa odcięcie | Spectrum Laboratories | 131048 | |
| Rurki silikonowe | VWR | 89068-474 | |
| Plastikowe zaślepki kołnierzowe DSC | TA Instruments | 6111 | |
| Aptamer DNA MN4 | Zintegrowane technologie DNA | https://www.idtdna.com/site/order/menu | |
| Kokaina | Sigma Aldrich | C008 | |
| Chinina | Sigma Aldrich | 22620 | |
| Mikrokalorymetr NanoDSC-III | TA Instruments | http://www.tainstruments.com/nanodsc/ | |
| DSCRun oprogramowanie | TA Instruments | http://www.tainstruments.com/support/software-downloads-support/instruments-by-software/ | |
| Oprogramowanie NanoAnalyze | TA Instruments | http://www.tainstruments.com/support/software-downloads-support/instruments-by-software/ | |
| Contrad-70 | VWR | 89233-152 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.