Tutaj znajduje się szczegółowy opis protokołu wdrożonego w laboratorium do akwizycji i analizy profili dyspersji relaksacyjnej 15N za pomocą spektroskopii NMR roztworu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj znajduje się szczegółowy opis protokołu wdrożonego w laboratorium do akwizycji i analizy profili dyspersji relaksacyjnej 15N za pomocą spektroskopii NMR roztworu.
Dynamika konformacyjna białek odgrywa fundamentalne role w regulacji katalizy enzymatycznej, wiązania ligandów, allosterii i sygnalizacji, które są ważnymi procesami biologicznymi. Zrozumienie, w jaki sposób równowaga między strukturą a dynamiką rządzi funkcjami biologicznymi, stanowi nową granicę we współczesnej biologii strukturalnej i zapoczątkowało szereg osiągnięć technicznych i metodologicznych. Wśród nich metody NMR z roztworem dyspersji relaksacyjnej CPMG dostarczają unikalnych informacji o rozdzielczości atomowej na temat struktury, kinetyki i termodynamiki równowag konformacyjnych białek zachodzących w skali czasu μs-ms. W pracy przedstawiono szczegółowe protokoły akwizycji i analizy eksperymentu z dyspersją relaksacyjną 15N. Jako przykład pokazano potok analizy dynamiki μs-ms w domenie C-końcowej bakterii Enzym I.
Eksperymenty dyspersji relaksacyjnej (RD) Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) są rutynowo stosowane do charakteryzacji równowag konformacyjnych zachodzących w skali czasowej µs-ms przy użyciu spektroskopii NMR w roztworach1,2,3,4,5. W porównaniu z innymi metodami badania dynamiki konformacyjnej, techniki CPMG są stosunkowo łatwe do wdrożenia na nowoczesnych spektrometrach NMR, nie wymagają specjalistycznych etapów przygotowania próbek (np. krystalizacji, zamrażania lub orientowania próbek i/lub kowalencyjnego sprzęgania z markerem fluorescencyjnym lub paramagnetycznym) oraz zapewniają kompleksową charakteryzację równowag konformacyjnych, dostarczając informacji strukturalnych, kinetycznych i termodynamicznych o procesach wymiany. Aby eksperyment CPMG mógł dostarczyć informacji o równowadze konformacyjnej, muszą zostać spełnione dwa warunki: (i) obserwowane spiny NMR muszą posiadać różne przesunięcia chemiczne w stanach podlegających wymianie konformacyjnej (mikrostanach) oraz (ii) wymiana musi zachodzić w skali czasowej od ~50 µs do ~10 ms. W tych warunkach obserwowana szybkość relaksacji poprzecznej (
) jest sumą wewnętrznej R2 (R2 mierzonej w przypadku braku dynamiki µs-ms,
) oraz wkładu wymiany w relaksację poprzeczną (Rex). Wkład Rex do R2obs można stopniowo wygaszać poprzez zmniejszanie odstępu między impulsami 180° tworzącymi blok CPMG w sekwencji impulsowej, a otrzymane krzywe RD można modelować w oparciu o teorię Blocha-McConnella, aby wyznaczyć różnicę przesunięć chemicznych między mikrostanami, ułamkową populację każdego mikrostanu oraz szybkości wymiany między mikrostanami (Rycina 1)1,2,3.
W literaturze opisano kilka różnych sekwencji impulsów i protokołów analizy dla eksperymentów CPMG dla 15N. W niniejszym materiale opisano protokół wdrożony w laboratorium. W szczególności przedstawione zostaną kluczowe etapy przygotowania próbki do NMR, konfiguracji i akwizycji eksperymentów NMR oraz przetwarzania i analizy danych NMR (Rysunek 2). Aby ułatwić przeniesienie protokołu do innych laboratoriów, program impulsowy, skrypty do przetwarzania i analizy oraz jeden przykładowy zestaw danych zostały udostępnione jako Pliki uzupełniające i są dostępne do pobrania pod adresem (https://group.chem.iastate.edu/Venditti/downloads.html). Dostarczona sekwencja impulsów zawiera czterostopniowy cykl fazowy w bloku CPMG w celu stłumienia artefaktów zależnych od przesunięcia6 i jest zaprogramowana do akwizycji kilku przeplatających się eksperymentów. Eksperymenty te mają identyczny okres relaksacji, ale różną liczbę impulsów refokusejących w celu uzyskania różnych pól CPMG7. Należy również zauważyć, że opisany program impulsowy mierzy 15N R2 komponentu TROSY sygnału NMR8. Ogólnie rzecz biorąc, protokół ten został z powodzeniem zastosowany do charakteryzacji wymiany konformacyjnej w białkach średnich i dużych4,5,9,10. W przypadku mniejszych układów (<20 kDa) zaleca się stosowanie sekwencji impulsów opartej na heterojądrowej pojedynczej korelacji kwantowej (HSQC)11,12.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie próbki do NMR
2. Pierwsze przygotowanie eksperymentu NMR
3. Rutynowa konfiguracja eksperymentu NMR
4. Przetwarzanie i analiza danych NMR
, gdzie I0 i Id30 to odpowiednio intensywność widm NMR referencyjnego (vc = 0) i relaksacyjnego (vc > 0).5. Dopasowanie krzywych RD
.
i
czy R2 prędkości zmierzone przy najniższej i najwyższej wartości νCPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) w liście vclist.
i
.Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisany tutaj protokół pozwala na pozyskanie profili RD dla każdego piku w widmie 1H-15N TROSY (Rysunek 3A). Na podstawie uzyskanych profili RD można oszacować wkład wymiany w relaksację poprzeczną 15N każdej grupy amidowej szkieletu (Rysunek 3A,3B). Poprzez naniesienie wartości Rex na strukturę 3D badanego białka możliwe jest zidentyfikowanie regionów strukturalnych podlegających wymianie konformacyjn...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W artykule opisano protokół zastosowany w laboratorium w celu pozyskiwania i analizy danych 15N RD dotyczących białek. W szczególności omówiono kluczowe etapy przygotowania próbki NMR, pomiaru danych NMR i analizy profili RD. Poniżej omówiono kilka ważnych aspektów dotyczących pozyskiwania i analizy eksperymentów RD. Jednak w celu bardziej szczegółowego opisu eksperymentu i analizy danych zaleca się dokładne przestudiowanie oryginalnej literatury 3,8,11,15,16.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszyscy autorzy zapoznali się z manuskryptem i go zatwierdzili. Oświadczamy, że nie występujemy w przypadku konfliktu interesów.
Ta praca była wspierana przez fundusze z NIGMS R35GM133488 oraz z Roy J. Carver Charitable Trust dla V.V.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Sonda kriogeniczna | Bruker | 5 mm TCI 800 H-C/N-D Kriosonda | Poprawa czułości |
| Tlenek deuteru | Sigma Aldrich | 756822-1 | >99,8% czysty, stosowany do przygotowywania próbek NMR i kultur deuterowanych |
| Wirówka z napędem ręcznym | Scientific dostarcza | CENTFG1 | Służy do usuwania wszelkich pęcherzyków powietrza lub resztek cieczy, które utknęły na ściankach rurki NMR. |
| Spektrometr NMR wysokiego pola | Bruker Bruker Avance II 600, Bruker Avance 800 | Akwizycja danych NMR | |
| MATLAB | MathWorks | https://www.mathworks.com/products/get-matlab.html | Modelowanie danych NMR |
| Pasteur Pipeta NMR Corning | Incorporation | 7095D-NMR | Pipeta pastuer ze szkła Pyrex do przenoszenia próbki cieczy w probówce NMR |
| Rurka NMR | Willmad Precyzja | 535-PP-7 | 5mm cienkościenna 7-calowa cylindryczna szklana rurka |
| NMRPipe | Badania Instytutu Nauk Biologicznych i Biotechnologii | https://www.ibbr.umd.edu/nmrpipe/install.html | Przetwarzanie danych NMR |
| SPARKY | Uniwersytet Kalifornijski, San Francisco | https://www.cgl.ucsf.edu/home/sparky/ | Analiza danych NMR |
| Tospin 3.2 (lub nowszy) | Bruker | Oprogramowanie do akwizycji |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.