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As proteínas de membrana desempenham um papel crucial na transdução de sinais celulares, transporte de metabólitos, manutenção da integridade estrutural celular e respostas imunológicas. A desregulação das proteínas de membrana está implicada em várias doenças, tornando-as alvos proeminentes para o desenvolvimento de medicamentos1. O advento da criomicroscopia eletrônica (crio-EM) possibilitou estudos estruturais de proteínas de membrana grandes edinâmicas 2. Um dos principais desafios para obter estruturas de alta resolução está em extrair essas proteínas de suas bicamadas lipídicas nativas, preservando suas conformações nativas e funções bioquímicas. Além disso, a conformação altamente dinâmica das proteínas de membrana e a complexidade da triagem de anticorpos representam obstáculos adicionais à descoberta de fármacosdirecionados 3,4. Métodos tradicionais para extração de proteínas de membrana frequentemente utilizam detergentes para imitar as propriedades da bicamada lipídica hidrofóbica. No entanto, essa abordagem frequentemente prejudica a estabilidade das proteínas de membrana, levando à agregação ou desdobramentoparcial 5. Além disso, detergentes podem remover moléculas lipídicas essenciais que são críticas para estabilizar a conformação proteica, podendo alterar a conformação proteica ou até mesmo prejudicar a função, limitando assim sua aplicação em triagem de anticorpos e outras aplicaçõesposteriores.
A tecnologia de nanodiscos foi introduzida pela primeira vez por Sligar ecolegas 7. Essa estrutura auto-assemblante é tipicamente formada por derivados da apolipoproteína A1 (ApoA1), nomeadamente MSPs, juntamente com lipídios sintéticos ou naturais, proporcionando um ambiente estável para proteínas de membrana 7,8,9. O MSP forma uma estrutura em formato de disco ao envolver as bordas hidrofóbicas da bicamada lipídica. Essa estrutura possui uma superfície hidrofóbica que interage com as caudas dos lipídios acila, estabilizando a proteína de membrana, e uma superfície hidrofila voltada para fora, permitindo que a proteína de membrana permaneça solúvel em soluçõesaquosas 10. Nanodiscos servem como uma plataforma versátil para estudos de proteínas de membrana. Ao preservar proteínas de membrana purificadas em um ambiente lipídico próximo ao nativo, elas superam as limitações dos métodos tradicionais baseados em detergente e mantêm a conformação e a função biológica das proteínas in vitro. Consequentemente, esse método tornou-se uma ferramenta poderosa para estudos estruturais de proteínas de membrana. Comparado aos ambientes tradicionais de detergente, a bicamada lipídica nos nanodiscos fornece suporte estrutural para proteínas de membrana, estabilizando sua conformação nativa — uma característica crucial para proteínas propensas à inativação, como receptores acoplados à proteína G e canaisiônicos 11. Além disso, a natureza altamente uniforme das partículas de nanodisco após a montagem oferece um suporte mais forte para obtenção de dados crio-EM de alta qualidade e dados cinéticos confiáveis de ressonância de plasmon/interferometria de biocamadana superfície 12.
Na última década, a tecnologia de nanodiscos tornou-se uma ferramenta poderosa para estudar proteínas de membrana em ambientes lipídicos naturais. Por exemplo, Vilela e colegas13 estabeleceram uma estrutura sistemática para a montagem de nanodiscos, otimizando as condições de reconstituição e verificando a qualidade dos componentes finais. Especificamente, eles combinaram cromatografia de exclusão de tamanho (SEC) com indicadores quantitativos (incluindo eficiência de montagem e simetria de pico) para avaliar objetivamente a homogeneidade dasamostras 13. Atualmente, os nanodiscos se tornaram uma plataforma versátil. Ao usar crio-EM de partícula única para detectar as proteínas reconstituídas em nanodiscos montadas, é possível obter estruturas de alta resolução de proteínas de membrana, e sua aplicabilidade foi firmemente estabelecida. A característica de densidade de anel duplo da banda MSP é a evidência estrutural decisiva para a ligaçãobem-sucedida 10,14,15. Além disso, os nanodiscos servem como uma ferramenta valiosa tanto para a análise funcional de proteínas de membrana em ambientes de bicamada lipídica quanto para sua aplicação em estudos de ressonância magnética nuclearem solução 16,17.
Este protocolo descreve um método para montar a proteína de membrana humana Task2 em nanodiscos. A Human Task2 é um membro dependente de pH da família de canais K+ (K2P) de domínio de dois poros18,19. Como outros canais K2P, Task2 é um homodímero trocado de domínio, com cada cadeia de protómero contendo quatro hélices transmembranas (TM1–TM4), dois helices de poros reentrantes (PH1 e PH2), dois filtros de seletividade (SF1 e SF2) e dois hélices extracelulares formadores de capas (CH1 e CH2). A proteína-alvo era uma forma truncada da Task2, sem os aminoácidos C-terminais 166 — uma região prevista como em grande parte não estruturada — que foi descoberto melhorar a expressão proteica e a estabilidade bioquímica. O peso molecular da Task2 recombinada é aproximadamente 72 kDa com uma etiqueta GFP. Ele havia sido solubilizado e purificado com detergente antes. Foi combinado com lipídios e MSP em uma razão estequiométrica precisamente calculada. Após a remoção do detergente usando Bio-Beads, a amostra foi ainda mais purificada por cromatografia de exclusão de tamanho (SEC) para obter uma preparação adequada para crio-EM. Médias de classe bidimensionais (2D) foram então geradas a partir de dados crio-EM de partícula única para validar a integridade da amostra.