В данной работе мы представляем анализ теплового сдвига, высокопроизводительный флуоресцентный метод, используемый для исследования связывания малых молекул с белками, представляющими интерес.
Методическая статья
В данной работе мы представляем анализ теплового сдвига, высокопроизводительный флуоресцентный метод, используемый для исследования связывания малых молекул с белками, представляющими интерес.
Определение биологической важности белков с неизвестными функциями представляет собой значительное препятствие в понимании клеточных процессов. Несмотря на то, что биоинформатические и структурные прогнозы внесли свой вклад в изучение неизвестных белков, экспериментальные проверки in vitro часто затрудняются оптимальными условиями и кофакторами, необходимыми для биохимической активности. Связывание кофактора не только необходимо для активности некоторых ферментов, но также может повысить термическую стабильность белка. Одно из практических применений этого явления заключается в использовании изменения термической стабильности, измеряемой изменениями температуры плавления белка, для зондирования связывания лигандов.
Анализ теплового сдвига (TSA) может быть использован для анализа связывания различных лигандов с интересующим белком или для поиска стабилизирующего условия для проведения таких экспериментов, как рентгеновская кристаллография. Здесь мы опишем протокол ТСА с использованием псевдокиназы, селенопротеина О (SelO), для простого и высокопроизводительного метода тестирования связывания металлов и нуклеотидов. В отличие от канонических киназ, SelO связывается с АТФ в инвертированной ориентации, чтобы катализировать перенос АМФ к гидроксильным боковым цепям белков в посттрансляционной модификации, известной как АМПилирование белка. Используя сдвиг в температурах плавления, мы получаем важнейшее представление о молекулярных взаимодействиях, лежащих в основе функции SelO.
Большая часть протеома человека остается плохо охарактеризованной. «Эффект уличного фонаря», описанный Данхэмом и Кустатшером и др., относится к явлению, при котором широко исследованные белки получают больше внимания, оставляя малоизученные белки незамеченными 1,2. Факторы, способствующие этому эффекту, включают биологическую важность и актуальность определенных белков для заболевания. Более того, предварительные исследования, которые предлагают фундаментальные знания, а также наличие инструментов для функционального анализа, еще больше стимулируют исследования хорошо изученных белков 1,2. Такие проекты, как Understudy Proteins Initiative, Structural Genomics Consortium и Enzyme Function Initiative, направлены на характеристику малоизученных белков с использованием структурной и функциональной протеомики 2,3,4. Дополнительным подходом к идентификации молекулярных функций недостаточно изученных белков является изучение взаимодействий этих белков с малыми молекулами для получения ценной информации о регуляции и специфичности субстрата.
Связывание малых молекул может повысить термическую стабильность белка5. Это явление, известное как индуцированная лигандом конформационная стабилизация, часто приводит к увеличению температуры плавления белка, что дает измеримое указание на связывание лиганда6. Термическая стабильность белка может быть измерена с помощью дифференциальной сканирующей флуориметрии (DSF), также известной как термофтор, или анализа теплового сдвига (TSA)7,8,9,10. При АСП образец белка подвергают повышению температуры в присутствии экологически чувствительного красителя6. По мере того, как белок разворачивается и денатурируется, краситель связывается с обнаженными гидрофобными областями белка и излучает флуоресценцию. Внешние флуоресцентные красители, или экологически чувствительные красители, не имеют собственной флуоресценции и вместо этого флуоресцируют при взаимодействии со своей целевой молекулой 9,11,12. Наиболее часто используемый краситель, SYPRO Orange, обладает рядом преимуществ, таких как повышенная стабильность и минимальная фоновая флуоресценция 8,9,12. Примечательно, что SYPRO Orange совместим с системами полимеразной цепной реакции в реальном времени (ОТ-ПЦР), учитывая его длины волн возбуждения и излучения около 470 нм и 570 нм соответственно. Эта уникальная функция позволяет проводить высокопроизводительные, точные и чувствительные измерения, совместимые с системами обнаружения флуоресценции, обычно используемыми в системах ОТ-ПЦР8.
TSA является универсальным инструментом для исследования взаимодействия белков с потенциальными кофакторами или лекарственными препаратами, а также для определения стабилизирующих условий для кристаллографии. Некоторые из его преимуществ по сравнению с другими методами грохочения заключаются в относительной простоте настройки и высокой производительности при использовании 96- или 384-луночных планшетов 13,14,15. Разработка этого метода стала преобразующим для исследований по открытию лекарств, обеспечивая удобство и позволяя изучать различные добавки, такие как ионы, лиганды и лекарства 6,16. Более того, адаптивность TSA побудила ученых расширить его применение, облегчая измерение аффинностей связывания наряду со скрининговыми анализами17,18. TSA является эффективным инструментом в исследованиях структурной биологии для выявления условий, способствующих стабилизации белка, представляющего интерес для кристаллизации19. Таким образом, его гибкость и относительная легкость сделали TSA краеугольным камнем в определении характеристик белков. Здесь мы будем использовать TSA для анализа связывания металлов и нуклеотидов с малоизученной псевдокиназой, селенопротеином О (SelO), в качестве примера.
Киназы являются одним из наиболее целевых семейств белков в Drug Discovery20. Предполагается, что примерно 10% киназ человека являются неактивными и называются псевдокиназами, поскольку в них отсутствуют ключевые каталитические остатки, необходимые для катализа21,22. Селенопротеин О (SelO) является эволюционно консервативной псевдокиназой, в которой отсутствует консервативный аспартат, присутствующий в каталитическом мотиве HRD23. У эукариот SelO локализуется в митохондриях и защищает клетки от окислительного стресса24,25. Структурный и биохимический анализы показывают, что SelO переносит аденозинмонофосфат (АМФ) из АТФ в белковые субстраты в посттрансляционной модификации, известной как АМПилирование25. Недавние исследования показывают, что ферменты, катализирующие АМПиляцию, могут связываться с альтернативными нуклеотидами, такими как UTP in vitro26,27. В частности, исследования показали, что гомолог SelO из Salmonella typhimurium катализирует белковое UMPylation, или перенос UMP, марганец-зависимым образом28. Учитывая эти интригующие наблюдения, мы протестировали связывание SelO с АТФ и УТФ в присутствии магния и марганца, что служит репрезентативным примером применения TSA. Следующий протокол может быть легко адаптирован для оптимизации и изучения взаимодействий других белков и добавок, представляющих интерес.
1. Экспериментальная установка
2. Определение оптимальной концентрации красителя (рисунок 2А)
3. Определение оптимальной концентрации белка (рисунок 2В)
4. Постановка эксперимента TSA (Рисунок 3A)
ПРИМЕЧАНИЕ: После оптимизации концентрации белка и оранжевого красителя SYPRO, анализ может быть выполнен с добавлением желаемых малых молекул для анализа связывания.
5. Анализ данных
Эукариотический SelO состоит из N-концевой митохондриальной последовательности, киназоподобного домена и высококонсервативного селеноцистеина на С-конце белка23. Этот митохондриально-резидентный фермент кодирует домен псевдокиназы, который сохраняется от бактерий к человеку23. Структурный анализ гомолога SelO из Pseudomonas syringae выявил аминокислотные изменения в активном центре, которые способствуют связыванию АТФ в инвертированной ориентации по сравнению с каноническими киназами25. Соответственно, SelO катализирует АМПилирование, а не фосфорилирование нескольких белков, участвующих в антиоксидантной сигнализации, для защиты клеток от окислительного повреждения и гибели клеток. В дополнение к АМПиляции, было показано, что некоторые прокариотические и эукариотические АМПилазы катализируют UMPylation27,28.
Мы использовали очищенный рекомбинантный E . coli SelO в TSA для изучения связывания нуклеотидов АТФ и UTP с SelO в присутствии двухвалентных катионов. Подобно каноническим киназам, SelO содержит мотив DFG, в котором аспартат связывает ион металла с координирующим нуклеотидом в активном центре. Во-первых, мы оптимизировали концентрацию белка и красителя для надежных флуоресцентных измерений в TSA, определив, что от 5 мкМ до 10 мкМ E. coli SelO является оптимальным при использовании 5x SYPRO Orange (рис. 2). Кроме того, мы показали, что безбелковые белки, как и контрольные группы без красителей, имели низкий флуоресцентный сигнал, который не реагировал на повышение температуры. Мы обнаружили повышение термической стабильности E. coli SelO примерно на +4 °C и +12 °C в присутствии ATP-Mg2+ и ATP-Mn2+ соответственно (рис. 3). Тем не менее, мы не наблюдали сдвига в термической стабильности при инкубации с UTP, что указывает на то, что E. coli SelO может не проявлять обнаруживаемого связывания с UTP.

Рисунок 1: Настройка термоамплификатора. Пример программы термоамплификатора, используемой для повышения температуры образца на +0,5 °C/мин при измерении флуоресценции SYPRO Orange с помощью канала FRET. Рекомендация также включает инкубацию при температуре окружающей среды в начале и в конце протокола. Аббревиатура: FRET = резонансная передача энергии Фёрстера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Оптимизация концентраций белка и красителя. (A) Репрезентативные результаты оптимизации концентрации оранжевого красителя SYPRO с использованием 5 мкМ Escherichia coli SelO. (B) Репрезентативные результаты оптимизации концентрации E. coli SelO с использованием 5-кратного оранжевого красителя SYPRO. Кривая термической денатурации отображает относительные единицы флуоресценции (ось y) по отношению к температуре (ось x). Результаты представляют собой среднее значение ± SD из тройных скважин (n = 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3:Кривые термической денатурации и ΔTm анализ SelO в присутствии нуклеотидов и двухвалентных катионов. (A) Исходные данные кривых термической денатурации образцов (5 мкМ Escherichia coli SelO в присутствии 200 мкМ катионов АТФ или УТФ и 2 мМ двухвалентных катионов, 5x SYPRO Orange), экспортированных с помощью аппарата ОТ-ПЦР и построенных графиков. SelO ATP-Mg представляет образцы с SelO, ATP и MgCl2, SelO ATP-Mn представляет образцы с SelO, ATP и MnCl2, SelO UTP-Mg представляет образцы с SelO, UTP и MgCl2, SelO UTP-Mn представляет образцы с SelO, UTP и MnCl2. Обратите внимание, что контрольные группы без красителей и белков демонстрируют низкую флуоресценцию. Результаты представляют собой среднее значение ± SD из тройных скважин (n = 3). (B) Кривые термической денатурации, построенные с максимальной интенсивностью и соответствующие сигмоидальному уравнению Больцмана. Несмотря на то, что ЮТП не влияла на термическую денатурацию SelO, мы наблюдали заметный сдвиг в термической денатурации в присутствии АТФ (фиолетовые кривые). Результаты представляют собой среднее значение ± SD из тройных скважин (n = 3). (C) Гистограмма, отображающая значения Tm, полученные из сигмоидальной аппроксимации Больцмана данных, представленных на рисунке 3B. Результаты представляют собой среднее значение ± SD из тройных скважин (n = 3). SelO 39,2 °C ± 0,085, SelO ATP-Mg 43,3 °C ± 0,133, SelO ATP-Mn 50,9 °C ± 0,085, SelO UTP-Mg 39,1 °C ± 0,056, SelO UTP-Mn 39,9 °C ± 0,087. (D) Гистограмма, отображающая изменение температуры плавления ΔTm (добавка Tm - буфер Tm). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Дополнительная таблица S1: Примеры данных для TSA SelO в присутствии металлов и нуклеотидов. Электронная таблица исходных данных, экспортированных с аппарата ОТ-ПЦР, и данных, обработанных для удаления значений после максимальной интенсивности РФИ, как описано в шагах протокола 5.1 и 5.2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Анализ теплового сдвига (TSA) служит эффективным методом скрининга белок-лигандных взаимодействий, в том числе с кофакторами и ингибиторами. В этом протоколе мы использовали TSA для измерения связывания псевдокиназы SelO с нуклеотидами и двухвалентными катионами. Наши результаты показывают, что SelO проявляет повышенную термическую стабильность в присутствии АТФ и Mg2+/Mn2+. Это наблюдение согласуется с предыдущими сообщениями, указывающими на то, что гомологи SelO из E. coli, S. cerevisiae и H. sapiens катализируют перенос АМФ из АТФ в гидроксильную боковую цепь белковых субстратов25,29. Несмотря на то, что TSA дает ценную информацию о связывании нуклеотидов, она может не идентифицировать субстрат in vivo. Другие молекулы, а не только субстрат, также могут влиять на термическую стабильность белка. Чтобы точно идентифицировать субстрат, необходимо учитывать такие факторы, как концентрация клеток и аффинность связывания. Тем не менее, TSA является отличным инструментом для скрининга большого количества условий, таких как связывание малых молекул, с использованием термостабилизации в качестве считывания.
Полезность TSA выходит за рамки его применения при анализе связывания малых молекул с активными или регуляторными центрами белков. TSA внесла значительный вклад в биофизическую характеристику белков, обеспечив стабилизирующие условия, которые делают белок более подходящим для экспериментов по кристаллографии. Примечательно, что TSA имеет ряд преимуществ, в том числе простую настройку и высокую пропускную способность с использованием общедоступных лабораторных материалов, таких как планшеты для ПЦР и машины для ОТ-ПЦР. Эти преимущества позволяют тестировать многочисленные условия, которые могут быть невыполнимыми или простыми при использовании других методов. В многочисленных исследованиях АСК использовался для измерения термической стабильности рекомбинантных белков с библиотекой соединений для определения оптимальных условий кристаллизации белка19,33.
Включение соответствующих средств контроля необходимо для того, чтобы избежать неправильной интерпретации кривых плавления, при этом автофлуоресценция от пластин или добавок является распространенной проблемой. TSA может не подходить для соединений, которые проявляют автофлуоресценцию или гасят флуоресценцию оранжевого SYPRO. Потенциальным решением является скрининг альтернативных красителей, описанных в пункте 12. Изложенный здесь протокол TSA может быть легко адаптирован для других белков и добавок, представляющих интерес. Добавки не ограничиваются только водорастворимыми соединениями, как показано в нашем протоколе с нуклеотидами и двухвалентными катионами. Вместо этого добавки могут охватывать широкий спектр состояний, таких как переменный pH, лиганды или препараты, растворяемые в ДМСО8. Кроме того, преинкубация лиганда с белком может обеспечить более воспроизводимые результаты за счет уменьшения интерференции и артефактов от красителя. Добавки, такие как липиды и моющие средства, могут привести к высокой флуоресценции из-за их взаимодействия с SYPRO Orange. Пример кривой денатурации показан на рисунке 3А , который показывает низкую фоновую флуоресценцию в сочетании со значительным увеличением флуоресценции при термической денатурации белка. Оптимальная концентрация красителя и белка обеспечит максимальное соотношение сигнал/шум при сохранении постоянного флуоресцентного сигнала между репликами.
TSA предлагает преимущество простоты благодаря минимальному количеству компонентов, что сокращает количество переменных для оптимизации. Важнейшие шаги включают определение оптимальных концентраций как красителя, так и белка. Важно отметить, что для ТСА требуется очищенный, «хорошо ведущийся» белок. Белок и добавка должны быть стабильными в буфере при концентрациях, используемых в TSA. Белки или состояния, склонные к агрегации или олигомеризации, могут приводить к ошибочным показаниям флуоресценции. Агрегированные или развернутые белки могут проявлять высокую флуоресценцию первоначально с небольшим увеличением при денатурации. Олигомеризация белков также может привести к множественным переходным состояниям, что усложняет анализ10. Концентрация белка может быть точно настроена для предотвращения агрегации.
TSA совместим с широким спектром буферов и солей, что позволяет оптимизировать стабилизирующие условия для белка и добавки11. Объемы растворов белка и добавок могут быть скорректированы для преодоления ограничений концентраций белка и добавок. Например, более низкие концентрации добавки, такие как 5x, могут быть использованы вместо 10x раствора, используемого в репрезентативных результатах. Примечательно, что относительное количество белка и добавки, необходимых для проведения анализа, является низким, поскольку 384-луночные ПЦР-планшеты могут вмещать объемы до 10 мкл общего образца.
Учитывая сильные стороны TSA, он идеально подходит для исследования малоизученных белков, таких как псевдокиназы. Псевдоферменты представляют собой каталитически неактивные белки, которые структурно гомологичны активным ферментам34. Недавние структурные и биохимические исследования показали, что некоторые псевдоферменты являются активными ферментами, в то время как большинство из них имеют некаталитические функции35,36. Несмотря на то, что псевдоферменты каталитически неактивны, они участвуют в различных заболеваниях и играют важную роль, включая скаффолдинг и аллостерическуюмодуляцию. Однако механизм действия и функциональное значение многих псевдоферментов неизвестны. Активность некоторых псевдоферментов регулируется связыванием лигандов, что приводит к повышению термической стабильности, что связано с конформационными изменениями белка14. Мы предполагаем, что TSA является ценным инструментом для изучения связывания лигандов с псевдоферментами для определения оптимального лиганда по функциональной активности.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
А.С. является научным сотрудником У.В. Карута-младшего в области биомедицинских исследований, стипендиатом Института профилактики рака и исследований Техаса (CPRIT), а также научным сотрудником факультета Центра минерального метаболизма и клинических исследований Чарльза и Джейн Пак. Эта работа была поддержана NIH Grant K01DK123194 (A.S.), CPRIT Grant RR190106 (A.S.), Welch (I-2046-20200401) и Welch (I-2046-20230405).
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Аденозин 5′-трифосфат динатриевая соль | гидрат Sigma Aldrich | A2383-10G | используется для получения репрезентативных результатов, но не требуется для выполнения TSA |
| Avanti J-15R с микропланшетом в сборе носителя | Beckman Coulter | C19416 | |
| CFX Opus 384 Система для ПЦР в реальном времени | Bio-Rad | 12011452 | |
| Hard-Shell 384-луночные ПЦР-планшеты, тонкостенные, с юбкой, прозрачные/белые | Bio-Rad | HSP3805 | |
| хлорид магния | Sigma Aldrich | M8266-100G | используется для получения репрезентативных результатов, но не требуется для выполнения TSA |
| тетрагидрат хлорида марганца (II) | Sigma Aldrich | M3634-500G | используется для получения репрезентативных результатов, но не требуется для выполнения TSA |
| Microseal 'B' PCR Plate Герметизирующая пленка, адгез, оптический | Bio-Rad | MSB1001 | |
| SYPRO Orange Protein Gel stain | Sigma Aldrich | S5692-500UL | |
| Uridine 5′-трифосфат тринатрия соль | гидрат Sigma Aldrich | U6625-100MG | используется для получения репрезентативных результатов, но не требуется для выполнения TSA |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение