Общие системные подходы к скринингу состояний с помощью FSEC, представленные здесь, позволяют быстро оптимизировать параметры солюбилизации и очистки для производства мембранных белков. Это означает, что стабильные и функционально активные мембранные белки могут быть быстро получены для биофизических и структурных исследований. Кроме того, FSEC можно проводить с использованием лабораторного оборудования, которое, вероятно, уже установлено в лабораториях мембранных белков, и, таким образом, нет необходимости в покупке специального инструмента для проведения анализов.
Критические шаги
Время, прошедшее между точкой солюбилизации из клеток в моющем средстве и точкой, в которой образец проходит вниз по столбцу SEC (этапы 2.1.5-3.2.5), является критическим по времени, и между этими шагами не должно быть пауз. Все шаги должны выполняться при температуре 4 ° C или на льду, а время, необходимое для выполнения этих шагов, должно быть сведено к минимуму. Эти временные и температурные ограничения необходимы для того, чтобы записать профиль FSEC для мембранного белка до того, как произойдет какое-либо потенциальное развертывание или деградация. После того, как мембранный белок был солюбилизирован, существует больший риск развертывания, агрегации и деградации даже при 4 ° C. В идеале любые образцы, для которых должны быть сравнены трассы FSEC, должны проходить вниз по столбцу SEC через тот же промежуток времени после этапа солюбилизации. На практике это сложно, особенно если образцы передаются последовательно вниз по одному столбцу, но можно собрать до пяти следов SEC с интервалом в 3 часа друг от друга, и в этот период времени не должно быть значительного ухудшения.
Устранение неполадок
Если при проведении эксперимента FSEC наблюдается низкий флуоресцентный сигнал или его отсутствие, возможно, интересующий мембранный белок не экспрессировал выбранную клеточную линию, имеет очень низкую экспрессию выбранной клеточной линии или не был солюбилизирован в выбранном детергенте. Если образцы были разбавлены перед сбором флуоресцентного сигнала и записью следа FSEC, простым первым шагом было бы попробовать более низкое разбавление или отсутствие разбавления фракций SEC. Если это все еще не дает интерпретируемого следа FSEC, следует проверить экспрессию и солюбилизацию белка.
Анализ экспрессии белка может быть достигнут путем проверки флуоресценции образца после шага 2.2.2. Если в этом образце очень низкий флуоресцентный сигнал или его отсутствие (например, сигнал очень близок к фону), вероятно, существует проблема с экспрессией белка. Могут быть предприняты шаги для улучшения уровней экспрессии мембранного белка, такие как переключение на альтернативную клеточную линию или корректировка условий роста, индукции экспрессии и времени между индукцией/инфекцией/трансфекцией и сбором. Однако особенно плохая экспрессия белка может указывать на нестабильный мембранный белок и, следовательно, на плохой выбор конструкции.
Если экспрессия была проверена и имеется четкий флуоресцентный сигнал над фоном до FSEC, эффективность солюбилизации может быть проверена путем измерения оставшегося флуоресцентного сигнала образца после этапа 2.4.3 (растворимый мембранный белок) по сравнению с образцом после этапа 2.2.2 (общий белок). Обычно эффективность солюбилизации составляет 20-30% и при этом позволяет успешно анализировать и очищать мембранный белок. Однако, если эффективность солюбилизации составляет менее 20%, может потребоваться другое моющее средство для солюбилизации или другие условия солюбилизации. Если попытки улучшить солюбилизацию не увенчались успехом, это может указывать на особенно нестабильный мембранный белок и, следовательно, на плохой выбор конструкции.
Если в следе FSEC наблюдается очень поздний пик элюирования (например, 18-24 мл), это указывает на то, что флуоресцентный белок имеет молекулярную массу белка, которая намного ниже, чем ожидалось. Это может быть вызвано деградацией интересующего мембранного белка, что приводит к образованию «свободного» GFP. Следует проверить, не поврежден ли белок до и после солюбилизации, используя флуоресценцию GFP в геле. Если интересующий белок, по-видимому, разлагается или подвергается протеолизу, количество ингибитора протеазы может быть увеличено в два-четыре раза. Однако высокая чувствительность к протеазам или деградированному белку еще до солюбилизации может указывать на особенно нестабильный белок и, следовательно, на плохой выбор конструкции.
Модификации и дальнейшее применение FSEC
Как правило, флуоресцентная метка, используемая в FSEC, представляет собой GFP или eGFP, как описано в этом протоколе. Тем не менее, существует множество различных флуоресцентных белковых меток. Выбор флуоресцентной метки, которая будет использоваться, зависит от наличия считывателя пластин, который может достичь правильных параметров возбуждения и излучения для записи флуоресцентного сигнала для выбранной флуоресцентной метки, и наличия флуорофора с незначительным изменением квантового выхода в различных условиях окружающей среды. Кроме того, FSEC не ограничивается флуоресцентными белками, но также может одинаково хорошо работать с белком, который был помечен флуоресцентным красителем. Например, можно использовать краситель NTA, который будет благоприятно связываться с мембранными белковыми конструкциями, меченными гистидином. Кроме того, либо флуоресцентно меченное антитело, химически меченное флуоресцентным красителем и специфичное для связывания интересующего мембранного белка, либо метка очистки, включенная в конструкцию мембранного белка, может косвенно маркировать мишень для FSEC.
При проведении скрининга моющих средств с использованием FSEC можно сделать выбор относительно того, должен ли буфер, используемый для запуска колонки SEC, содержать соответствующее моющее средство, в котором белок был солюбилизирован, или стандартное моющее средство следует использовать во всех циклах. Более точное представление о поведении белка будет получено, если весь эксперимент будет выполнен с соответствующим моющим средством. Тем не менее, это может занять много времени и расточительно моющее средство, если колонна должна быть перебалансирована в новом моющем средстве перед каждым запуском. Кроме того, поскольку основной целью скрининга моющих средств является сравнение следов, тенденции останутся в следах, даже если условия не идеальны. Таким образом, может быть достигнут компромисс, в соответствии с которым белок растворяется в интересующем детергенте, но колонка проходит в стандартном буфере с одним моющим средством на всех ходах (например, DDM)11, что может сэкономить время и расходные материалы для моющего средства.
Модифицируя используемое оборудование FLPC, можно значительно увеличить пропускную способность протокола FSEC и свести к минимуму требования к образцам. Например, система FPLC или HPLC может быть оснащена автоподатчиком, аналитической колонкой меньшего объема слоя (например, аналитической колонкой SEC объемом 3,2 мл) и встроенным флуоресцентным детектором для мониторинга непрерывных следов FSEC непосредственно из колонки. Результирующая установка позволит выполнять больше прогонов FSEC за более короткий промежуток времени и устранит этап ручного построения графика, что позволит протестировать большее количество условий в более короткие сроки. Кроме того, потребность в выборке будет еще более снижена, поскольку для каждого прогона потребуется готовить и загружать в колонку FSEC меньшее количество проб. Это открыло бы возможности для сведения культур экспрессии к формату на основе пластин, поскольку для анализа потребовалось бы так мало материала.
Сильные и слабые стороны FSEC по сравнению с другими методами
Недостатком FSEC является то, что конструкции мембранного белка должны быть спроектированы таким образом, чтобы вводить флуоресцентную метку, и при введении существует небольшая вероятность того, что размещение метки может помешать функции или сворачиванию интересующего мембранного белка. Кроме того, протокол FSEC, как описано здесь, контролирует характеристики мембранного белка в присутствии клеточного лизата, который представляет собой сырую смесь белков. Поведение мембранного белка в этой среде может отличаться от того, когда интересующий мембранный белок подвергается препаративной колонке SEC в конце очистки, когда он полностью изолирован от других белков. Кроме того, FSEC обеспечивает несколько качественную меру качества белка. Однако, преобразуя след FSEC в индекс монодисперсности, как описано на шаге 4.3.3 протокола, можно получить количественную меру качества белка.
FSEC — не единственный метод, который можно использовать для раннего анализа конструкций мембранных белков, условий солюбилизации и состава буфера очистки. Альтернативные подходы имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с FSEC. Например, существуют анализы термостабильности на основе фторофора, в частности, использование красителя 7-диэтиламино-3-(4'-малеимидилфенил)-4-метилкумарина (CPM)16,17. Преимущество этого метода заключается в том, что, в отличие от FSEC, который обеспечивает качественную меру качества белка, анализы термостабильности обеспечивают количественную меру в виде относительной температуры плавления. Кроме того, нет необходимости вводить флуоресцентную метку на белковую конструкцию. Однако недостатки анализов термостабильности по сравнению с FSEC заключаются в том, что необходимо использовать очищенный белок и что анализ не совместим со всеми белковыми конструкциями, поскольку он опирается на выгодное положение нативных остатков цистеина в свернутом белке.
Другим методом, который имеет сходство как с FSEC, так и с анализами термостабильности на основе флуорофора, является анализ, который измеряет температурную чувствительность мембранного белка. В этом анализе белок подвергается воздействию различных температур, и обнаруживается белок, который остается в растворе после центрифугирования. Детектирование в этом способе проводилось несколькими способами, включая измерение флуоресценции в растворе18, флуоресценции гелевой полосы19 SDS-PAGE или интенсивности сигнала в вестерн-блоттинге20. Однако существенным недостатком этих подходов является то, что анализ очень трудоемкий и подвержен высокому уровню шума в результатах, так как каждая отдельная температурная точка должна собираться независимо.
Наконец, несколько более продвинутых биофизических методов могут быть использованы для оценки качества мембранного белка аналогично FSEC, например, проточный дисперсионный анализ21, микромасштабный термофорез22 или SPR. Несмотря на то, что эти методы являются очень мощными, недостатком этих методов является потребность в узкоспециализированных инструментах для проведения анализа.
В заключение, FSEC предоставляет бесценный инструмент для использования в кампаниях по производству мембранного белка, и, хотя это не единственный вариант, он имеет несколько явных преимуществ по сравнению с другими методами, перечисленными выше. Всегда рекомендуется перекрестная проверка результатов ортогональными анализами, и ни один из рассмотренных выше методов не является взаимоисключающим друг для друга.