Bicelles это липидные / амфифила смесей, которые поддерживают мембранных белков (депутатов) в пределах липидного бислоя, но имеют уникальное поведение фазы, что облегчает высокопроизводительного скрининга путем кристаллизации роботов. Эта методика успешно подготовила ряд с высоким разрешением структур с обеих прокариот и эукариот источников. Это видео описывает протоколы для создания липидной смеси bicelle, включая депутатов в смесь bicelle, создание кристаллизации испытаний (вручную, а также робота) и уборки кристаллов из среды.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Высокая пропускная способность кристаллизации мембранных белков, используя метод липидный Bicelle
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Мембранные белки (МБ) играют важнейшую роль во многих физиологических процессах, таких как перенос специфических молекул через непроницаемый мембранный бислой, который окружает все клетки и органеллы. Нарушения в функционировании МБ приводят к возникновению многих заболеваний и расстройств у человека, поэтому детальное понимание их структуры остается критически важной задачей биологических исследований. Однако определение структуры МБ по-прежнему представляет собой серьезную проблему, зачастую обусловленную их гидрофобностью.
Мембранные белки (МБ) имеют обширные гидрофобные области, встроенные в бислой. Для сольватации этих белков из бислоя часто используют детергенты, в результате чего образуется мицелла «белок-детергент», которой затем можно манипулировать аналогично растворимым белкам. Традиционно попытки кристаллизации проводятся с использованием смеси белка с детергентом, однако такие образцы часто оказываются устойчивыми к кристаллизации или образуют кристаллы низкого качества. Эти проблемы обусловлены воздействием детергента.′неспособность адекватно имитировать бислой, что приводит к низкой стабильности и гетерогенности. Кроме того, детергент экранирует гидрофобную поверхность мембранного белка (МБ), уменьшая площадь поверхности, доступную для образования кристаллической упаковки. Чтобы обойти эти недостатки, МБ могут кристаллизовать в липидных средах, которые более точно имитируют их эндогенное окружение; в последнее время этот подход стал новым методом кристаллизации МБ.
Липидная кубическая фаза (ЛКФ) представляет собой трехмерный липидный бислой, пронизанный системой взаимосвязанных водных каналов1. Хотя наиболее часто используемым липидом является моноолеин, для создания ЛКФ также применялись родственные липиды, такие как монопальмитолеин и моновакцинин2. МП встраиваются в ЛКФ, где они диффундируют в трех измерениях и питают зародыши кристаллов. Большим преимуществом ЛКФ является то, что белок остается в среде, более близкой к нативной, однако метод имеет ряд технических недостатков, включая высокую вязкость (требующую специального оборудования) и сложности при визуализации и манипуляциях с кристаллами3,4. Из-за этих технических сложностей для кристаллизации мы использовали другую липидную среду — бицеллы5,6 (Рисунок 1). Бицеллы представляют собой смеси липидов и амфифилов, образующиеся при смешивании липида фосфатидилхолина (DMPC) с амфифилом (CHAPSO) или короткоцепочечным липидом (DHPC). Внутри каждого диска бицеллы молекулы липидов формируют бислой, в то время как молекулы амфифила выстраиваются вдоль неполярных краев, обеспечивая полезные свойства как бислоев, так и детергентов. Важно отметить, что ниже температуры перехода смеси белков с бицеллами обладают пониженной вязкостью и позволяют проводить манипуляции аналогично МП, сольбубилизированным детергентами, что делает бицеллы совместимыми с роботами для кристаллизации.
Бицеллы были успешно использованы для кристаллизации нескольких мембранных белков5,7-11 (Таблица 1)Эта растущая коллекция белков демонстрирует универсальность бицелл для кристаллизации мембранных белков как с альфа-спиральной, так и с бета-складчатой структурой из прокариотических и эукариотических источников. Благодаря этим успехам и простоте высокопроизводительного внедрения бицеллы должны стать частью инструментария каждого кристаллографа мембранных белков.′в арсенале. В этом видео мы описываем методику использования бицелл и приводим пошаговый протокол подготовки высокопроизводительных экспериментов по кристаллизации очищенных мембранных белков (МБ) с использованием стандартной робототехники.
Протокол
Bicelle основан кристаллизации состоит из четырех основных этапов (рис. 2): я) подготовка bicelle формирования липидного: амфифила смеси; II) включение очищенного белка в среду bicelle; III) кристаллизации испытаний (вручную или робота) и IV) визуализации, добычи кристаллов и замораживания. Эти шаги подробно описаны ниже
1. Подготовка Bicelles
Bicelles могут формироваться в различных липидов: амфифила комбинации и в широком диапазоне концентраций. Таким образом, первоначальный состав, основанную на предыдущих успешных условиях, рекомендуется (табл. 1). Самых успешных смесь ДМФХ: CHAPSO bicelle формулировка, которая может либо быть приобретены коммерчески как предварительно смешивают готовые к использованию формулировки (см. таблицу реагентов ниже) или подготовленные в лаборатории, как описано. Для этого упражнения мы будем готовить 1 мл 35% ДМФХ: CHAPSO смеси при молярном соотношении 2,8:1.
- Bicelle процент может колебаться в пределах 10% -40% с ДМФХ: CHAPSO молярном соотношении от 2.6-3.0:1 (табл. 1).
- Обратите внимание: чем выше концентрация bicelle труднее распустить липидного приводит к более высокой вязкости раствора. Тем не менее, сосредоточены формулировка bicelle может быть выгодным, когда концентрация белка низка.
- Растворения липидной для получения гомогенного раствора требует значительных усилий, делая этот шаг, больше всего времени в методе bicelle. Цикл через следующие шаги, пока ДМФХ полностью смешанным:
- Теплая смесь до ~ 40 ° С с использованием водяной бане или инкубатора и вихрь в течение ~ 1 минуты.
- Примечание: Чем больше циклов проводится, нагревая смесь приведет к гелеобразной консогласованность что затрудняет вихря.
- Охладите смесь на лед и вихрь в течение нескольких минут. Охлаждение помогает жидкое решение облегчая вихря.
- Примечание: Чем больше циклов выполняются, смесь мутнеет при охлаждении.
- Повторите шаги, описанные выше (1.2.1 и 1.2.2), пока липидного полностью не растворится.
- Примечание: Этот процесс может занять несколько часов. Bicelle образование обозначается изменением фазового поведения ДМФХ: CHAPSO формулировке. После завершения, смесь будет прозрачный гель при температуре не выше комнатной температуры и вязкой жидкости на льду.
- Теплая смесь до ~ 40 ° С с использованием водяной бане или инкубатора и вихрь в течение ~ 1 минуты.
- Смесь bicelle готов к использованию и может храниться при температуре -20 ° С в течение длительного хранения (до 5 лет). Из-за риска гидролиза руководитель группы фосфолипидов, не рекомендуется хранить bicelles при комнатной температуре в течение длительного периода.
2. Включение белка в bicelles
Большинство МП структур, получаемых от bicelles кристаллизовались в ДМФХ: CHAPSO bicelle концентрации от 2 до 8% с помощью концентрации белка от 8 до 12 мг / мл (табл. 1). Если это возможно, начальные экраны должны использовать эти руководящие принципы и дополнительные концентрации могут быть показаны на стадии оптимизации. По сравнению с методом LCP, белковые включения с bicelles это простой процесс (рис. 3), что должно быть сделано в тот же день, как кристаллизация испытаний.
- Оттепель ДМФХ: CHAPSO bicelle смесь при комнатной температуре до фазы изменения в прозрачный гель.
- Примечание: Несколько стоп-тает не повлияет bicelle поведения.
- Поместите смесь на лед в сжиженном и кратко вихрь, чтобы восстановить однородной фазы bicelle. При помещении на льду смесь мутнеет.
- FrОМ этого момента, держите bicelle смеси и очищенного белка на льду. Это будет держать bicelle в жидкой фазе, что делает его поддаются пипетки.
- Добавить bicelle смесь очищенного моющего средства растворяются белка 1:4 (V / V) соотношение.
- Например: 100 мкл белка bicelle смесь получается путем смешивания 80 мкл белка с 20 мкл bicelle. Если концентрация белка составляет 15 мг / мл и bicelle концентрация составляет 35%, это даст bicelle-включен белковая смесь с концентрацией белка 12 мг / мл и bicelle концентрации 7%.
- Смешать, осторожно пипеткой содержимого вверх и вниз, пока раствор не становится ясным и однородной.
- Примечание: Если появятся пузырьки, быстро спина (30-60 секунд, 13000 оборотов в минуту, 4 ° С) с настольной центрифуге может помочь устранить их.
- Выдержите смесь на льду в течение по крайней мере 30 минут для содействия полной включение белка Intо bicelles. Белок-bicelle смесь готова к кристаллизации испытаний.
3. Настройка кристаллизации испытаний
Другие липидного кристаллизации таких методов, как LCP требует специального оборудования из-за высокой вязкости среды, но уникальное поведение фазы bicelles позволяет осуществлять практически в любом стандартном формате кристаллизации в том числе робототехнику (рис. 3). Кристаллизация испытания могут проводиться в любом повешение или сидя падение с использованием стандартных форматов коммерчески доступных экранов.
- Независимо от создания лотки вручную или с помощью кристаллизации робота, поддерживать белок-bicelle смеси на льду. Это позволит сохранить белка bicelle смесь холодной и убедитесь, что вязкость раствора минимален.
- Руководство Испытания Кристаллизация - Использование стандартной пипетки, белка-bicelle смесь может быть смешана с резервуаром решение таким же образом, как это обычно выполняютред для растворимых или моющим средством, растворяются белки мембраны.
- Примечание: Следует белка bicelle смеси на льду во время испытаний.
- Испытания робота Кристаллизация - У нас есть с учетом этих испытаний для Mosquito робот кристаллизации, но в принципе (по той же меры предосторожности) техника должна быть совместимой со всеми кристаллизации роботов. Следующие советы будет гарантировать, что белок-bicelle смесь остается холодной и точно пипеткой на робота:
- Предварительно охлаждать Пластина удержания белка bicelle смеси, разместив его на лед.
- Внесите белка bicelle смесь в тарелку и продолжать держать пластину на льду. Эта пластинка должна быть последним пунктом идти на роботу, прежде чем начать работать.
- Настройка лотка резервуара и кристаллизации крышки на платформе 3 и 5 соответственно, комаров робота.
- Место пластины, содержащей белок-bicelle смесь на платформе 4от комаров робота. Это гарантирует, белка-bicelle смесь в последнюю очередь подобрал роботом, и это немедленно освобожден.
- Для предотвращения нагрева и повышенной вязкостью, не следует смешивать резервуар с белком bicelle смеси.
- При выполнении нескольких экранах, немедленно вернуться bicelle-белковые пластину лед для охлаждения, как только работа будет завершена.
- Объем падения и отношения (белка: водохранилища) может быть выбрана, как для обычного испытания кристаллизации. Например, начальные испытания кристалл использования Mosquito робот может быть настроен с помощью 0,25 мкл белка: bicelle смесь плюс 0,25 мкл водохранилище.
- Инкубируйте кристалл испытаний в камере при температуре 20 ° C. Температура является хорошим отбора и оптимизации параметров, поскольку фазовое поведение bicelles зависит от температуры.
- Более высокие температуры вызывают ламеллярной фазы 12 (рис. 1), который имеет то преимущество, предварительно организациибелка в слоях. Температура ниже 20 ° C могут быть проверены, но вы не должны опускаться ниже 4 ° С, так как это может привести к липидов для осаждения в течение длительных периодов времени.
- Таким же образом, как традиционные испытания кристаллизации, bicelle испытаний должны быть проверены на регулярной основе для кристально появления и роста. Мы рекомендуем проверить лотки по 1-й и 3-й день после установки следуют еженедельные инспекции.
- Кристалл оптимизация может быть проведена с использованием методов обычно используются для моющих средств основано кристаллов, включая сетку скрининга, добавка скрининга, изменение температуры и т. д. Кроме того, bicelle процента и белка: bicelle соотношение может меняться. Кроме того, bicelles может быть, легированных специфические липиды, которые могут быть необходимы для стабильности белка или функции.
4. Визуализация, добыче хрусталя и замораживания
Так как кристалл испытания с белком bicelle смеси имеют вязкость похожи на белок-моющих средств капель, визуализации и добычи кристаллов является обычным и осуществляется как традиционный набор окон.
- Визуализация: В отличие от LCP СМИ, что часто требуется высококачественное освещение при нормальных и поляризованном свете для обнаружения кристаллов, визуализации не мешают bicelles. Цветные, а также бесцветные капли белковых кристаллов можно легко проанализировать с использованием стандартных микроскопов и никакого специального оборудования не требуется.
- Bicelles, как и другие липидные средства массовой информации, как правило, производят высокий процент ложных срабатываний. УФ микроскоп очень помогает в дифференциации белка из кристаллов соли (рис. 4).
- Добыча и замораживания: Crystal добычи и замораживания относительно проста и не требует роспуска окружающей среды bicelle. Кроме того, фаза bicelle сама предоставляет некоторые умеренные крио-защиту.
5. Представитель Результаты:
п "> Как правило, занимает 2-3 дня для кристаллов появляться и около недели или больше, пока они вырастут, чтобы их максимальный размер. Это был случай для бактериородопсина и мышь напряжение зависит от аниона канала 1 (mVDAC1) кристаллов 4,8 . Для других мембранных белков может потребоваться несколько недель для роста кристаллов, поэтому важно продолжать мониторинг кристалл испытаний далеко за пределами первой недели.Как и в других липидных СМИ, bicelles склонны к образованию форм, которые могут оказаться кристаллическими. Было также отмечено, что они приводят к более высокий процент соли и моющих средств кристаллов. УФ-микроскоп, который обнаруживает триптофан флуоресценции может значительно помочь устранить такие небелковые ложных срабатываний. Рисунок 4 показывает липидных форм, соль и белковых кристаллов, если смотреть в видимом и УФ-света, чтобы помочь отличить разные результаты, которые могут быть соблюдены.
83fig1.jpg "/>
Рисунок 1. Bicelle схемы. Bicelles состоят из двухслойной липидной формирования молекулы, такие как ДМФХ (синий) и амфифила таких как CHAPSO (зеленый), который защищает гидрофобные края бислоя. Когда температура повышается, дискообразных bicelles пройти этап превращения в перфорированной пластинчатые 12 листов.
Рисунок 2. Блок-схема для bicelle методом кристаллизации изложением четырех основных шагов.
Рисунок 3. Кристалл испытаний настройки схемы. Очищенная моюще-солюбилизированного мембранных белков может быть непосредственно смешанные с bicelles на льду просто пипетки содержимое вместе. После инкубации белка / bicelle смеси на льду в течение ~ 30 минут, судебные процессы кристаллизацииможет быть настроено с помощью любого стандартного формата, включая робототехнику.
Рисунок 4. Визуализация кристаллической испытаний. Видимое изображение (верхняя панель) и УФ-изображения (нижняя панель) (А) игольчатые кристаллы наблюдаются в соль-единственное условие. Нет флуоресценции можно обнаружить по кристаллов, указание ложных срабатываний. (B) палочковидные кристалла, образованного в MPD состоянии. Кристалл fluoresced слабо, но оказалось небелковые с помощью рентгеновской дифракции. (C) Кристалл наблюдается примерно через четыре недели после установки испытаний. Сильная флуоресценция в УФ-свете подтверждает это белковых кристаллов.
| Нет. | Белок | Источник | Разработка Bicelle | Белки Concentratiна | Моющее средство 1 | Разрешение (Å) | Ссылка |
| 1 | Бактериородопсин 2 | Halobacterium salinarum | 8% ДМФХ: CHAPSO (2,8:1) | 8 мг / мл | 2,0 | Faham и Боуи, 2002 | |
| 8% DTPC: CHAPSO (3:1) | 8 мг / мл | 1,8 | Faham и соавт., 2005 | ||||
| 2 | β2-адренергических рецепторов / Fab комплекс | Человек разумный | 8,3% ДМФХ: CHAPSO (3:1) | 10 мг / мл | DDM | 3.4/3.7 | Расмуссен и соавт., 2007 |
| 3 | Напряжение зависит от аниона канала 1 | Муз мышцы | 7% ДМФХ: CHAPSO (2,8:1) | 12 мг / мл | LDAO | 2,3 | Ujwal и соавт., 2008 |
| 4 | Xanthorhodopsin | Salinibacter Ruber | 4,2% ДМФХ, 5% Н.М. | 4 мг / мл | DDM | 1,9 | Luecke и соавт., 2009 |
| 5 | Ромбовидной протеазы | Кишечная палочка | 2% ДМФХ: CHAPSO (2.6:1) | 9 мг / мл | Нонил глюкозид | 1,7 | Vinothkumar, 2011 |
1 Моющее средство для очистки мембранных белков
2 Родные липидов из пурпурных мембран может осуществляться наряду во время очистки
Таблица 1. Резюме условий кристаллизации для структур мембранных белков решена с помощью bicelles.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Bicelles являются уникальными липидный средств массовой информации, которые предлагают родной бислой-среде в то время как себя так, будто растворяются на моющие средства. Это свойство дает bicelles явное преимущество перед другими на основе липидов методы кристаллизации, так как нет обучения или специализированного оборудования, необходимого для этой техники. После bicelles имеются в наличии, либо коммерческой или подготовленные в лаборатории, они могут быть непосредственно смешивается с очищенным белком и с этого момен...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Нет конфликта интересов объявлены.
Благодарности
Мы хотели бы поблагодарить д-ра. Джеймс Боуи и Салем Faham за предоставление технической экспертизы и рекомендации по методу bicelle и д-р Авив-Пас за полезные обсуждения. Мы признаем, Ле Дю для экспериментальной поддержки. Rachna Ujwal имеет финансовый интерес в MemX Biosciences LLC, которая, однако, не поддержал эту работу. Эта работа была частично поддержана грантами NIH (RO1 GM078844).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Ссылки
- Landau, E. M., Rosenbusch, J. P. Lipidic cubic phases: A novel concept for the crystallization of membrane proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences. 93, 14532-14535 (1996).
- Caffrey, M., Lyons, J., Smyth, T., Hart, D. J. Chapter 4 Monoacylglycerols: The Workhorse Lipids for Crystallizing Membrane Proteins in Mesophases. Current Topics in Membranes. 63, 83-108 (2009).
- Nollert, P., Landau, E. M. Enzymic release of crystals from lipidic cubic phases. Biochem. Soc. Trans. 26, 709-713 (1998).
- Cheng, A., Hummel, B., Qiu, H., Caffrey, M. A simple mechanical mixer for small viscous lipid-containing samples. Chem. Phys. Lipids. 95, 11-21 (1998).
- Faham, S., Bowie, J. U. Bicelle crystallization: a new method for crystallizing membrane proteins yields a monomeric bacteriorhodopsin structure. J. Mol. Biol. 316, 1-6 (2002).
- Faham, S., Ujwal, R., Abramson, J., Bowie, J. U. Chapter 5 Practical Aspects of Membrane Proteins Crystallization in Bicelles. Current Topics in Membranes. 63, 109-125 (2009).
- Faham, S. Crystallization of bacteriorhodopsin from bicelle formulations at room temperature. Protein Science. 14, 836-840 (2005).
- Luecke, H. Crystallographic structure of xanthorhodopsin, the light-driven proton pump with a dual chromophore. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 16561-16565 (2008).
- Ujwal, R. The crystal structure of mouse VDAC1 at 2.3 Å resolution reveals mechanistic insights into metabolite gating. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 17742-17747 (2008).
- Vinothkumar, K. R. Structure of rhomboid protease in a lipid environment. J. Mol. Biol. 407, 232-247 (2011).
- Rasmussen, S. G. F. Crystal structure of the human [bgr]2 adrenergic G-protein-coupled receptor. Nature. 450, 383-387 (2007).
- Prosser, R. S., Hwang, J. S., Vold, R. R. Magnetically aligned phospholipid bilayers with positive ordering: a new model membrane system. Biophys. J. 74, 2405-2418 (1998).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
Теги
