効率的な哺乳動物細胞発現および結晶化のための細胞外糖タンパク質のシングルステップの精製
Summary
This is a quick, cost-efficient protocol for the production of secreted, glycosylated mammalian proteins and subsequent single-step purification with sufficient yields of homogenous protein for X-ray crystallography and other biophysical studies.
Abstract
Production of secreted mammalian proteins for structural and biophysical studies can be challenging, time intensive, and costly. Here described is a time and cost efficient protocol for secreted protein expression in mammalian cells and one step purification using nickel affinity chromatography. The system is based on large scale transient transfection of mammalian cells in suspension, which greatly decreases the time to produce protein, as it eliminates steps, such as developing expression viruses or generating stable expressing cell lines. This protocol utilizes cheap transfection agents, which can be easily made by simple chemical modification, or moderately priced transfection agents, which increase yield through increased transfection efficiency and decreased cytotoxicity. Careful monitoring and maintaining of media glucose levels increases protein yield. Controlling the maturation of native glycans at the expression step increases the final yield of properly folded and functional mammalian proteins, which are ideal properties to pursue X-ray crystallography. In some cases, single step purification produces protein of sufficient purity for crystallization, which is demonstrated here as an example case.
Introduction
原子レベルでタンパク質の構造を理解することは、生物学的経路および疾患の分子基盤を解明する鍵となります。 X線タンパク質結晶学は、高分子構造を決定するための最も広く使用される/適用可能な方法です。この方法の主な課題は、適切に折り畳まれた、純粋なタンパク質の十分な量を得ることです。これは、特に、特定の翻訳後修飾を受ける哺乳類分泌タンパク質を扱う問題となります。
細菌発現タンパク質は、タンパク質データバンク1に堆積し結晶化するタンパク質の主要な源です。それらは安価、高速であり、典型的にはタンパク質の高収量を産生するための細菌発現系は、主に好ましいです。しかし、細菌中で発現哺乳動物タンパク質の細胞外ドメインは、多くの場合、適切にケースがリフォールディングし、大規模な精製工程をfoを均一に得るために必要とされる、折り畳まれていませんldedタンパク質。さらに、多くの哺乳動物タンパク質は、適切なフォールディング2を達成するために 、翻訳後グリコシル化を必要とします。酵母または昆虫細胞での発現およびグリコシル化は、フォールディングの問題を克服することができるが、グリコシル化を含む翻訳後修飾は、不正確なまたは不均一な修飾を有するタンパク質をもたらす、哺乳動物細胞3のものとは大きく異なります。
哺乳動物細胞は、適切な翻訳後修飾や折りたたみを確保するために必要なすべての分子機構を表現します。しかしながら、これらの発現系は、典型的には、限られた収率及び試薬および消耗品のコスト高のために、ほとんどの研究室で好ましくない。ポリエチレンイミン（PEI）は、標準的なトランスフェクション試薬は、比較的安価であるが、細胞培地、DNA、及び培養装置におけるコストの増加をもたらす、かなりの細胞毒性および低いトランスフェクション効率を課します。 PEIへの多くの選択肢が非常に高価です。我々は対処します改善された細胞培養ツールの組み合わせを記述し、化学的に単一工程精製し、分泌された哺乳動物タンパク質の発現のための迅速で比較的安価な方法に対するPEI修飾することによって、これらの問題。この強力な方法は、機能的および生化学的研究4のために十分な収率を与え、場合によっては、さらに精製せずに結晶化を受けやすいタンパク質をもたらします。
このプロトコルは、懸濁液中で増殖させたヒト胚腎臓（HEK）293F細胞における分泌哺乳動物タンパク質のための発現と歩留まりを最大化するために、いくつかの手法について説明します。トランスフェクション効率（及び費用）、タンパク質産生および精製は、すべて非常にこのプロトコルに従うことによって強化されます。シングルステップ開環反応（文献5に詳細に記載さPEI-TMC-25、合成および特性）を介してカルバメートの付加により修飾PEIが大きく、カチオン性の細胞毒性を減少させ、トランスフェクション効率を向上させます膜破壊し、それに応じて、実験のコストを削減します。さらに、細胞生存率およびタンパク質の発現が大幅にグルコースおよびビタミンを供給するための培養栄養補助食品の添加によって改善されます。重要なことには、グリコシル化タンパク質の産生、キフネンシンによる治療、マンノシダーゼIの非毒性の化学阻害剤のための代わりに単一のN-アセチルグルコサミンを有するタンパク質を生成するためにエンドグリコシダーゼEndoHfによって除去することができる定義された、未成熟グリカンを有するタンパク質を生成します完全長のN-結合グリカン6。最後に、無血清、化学的に定義された培地中へのタンパク質の分泌は、構造的および生化学的研究のための迅速かつ容易な精製を可能にします。シングルステップニッケル – ニトリロ三酢酸（Ni-NTA）樹脂精製上清中の種の汚染の大部分を除去し、ある場合には、結晶化のために十分な純度のタンパク質を得ることができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
HEK 293F細胞は、翻訳後修飾を必要とするタンパク質の強固な生産を提供しています。このシステムは、それ以外の場合は、より日常的表現のツールを使用して存在しないことになるジスルフィド、グリコシル化、およびリン酸化を含むネイティブに折りたたまれたタンパク質の迅速かつスケーラブルな発現を可能にします。また、このシステムは、単に複数のプラスミドの同時トランスフェ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by NIH R01-HL119813 (to T.J.B.), American Lung Association RG-196051 (to T.J.B.), a CIMED Pilot and Feasibility grant (to T.J.B.), American Heart Association Predoctoral Fellowships 14PRE19970008 (to Z.Y.) and 15PRE22110004 (to D.L.K.).
Materials
| Culture Flasks | GeneMate | F-5909B | |
| 293 Freestyle Media | Gibco/Life Technologies | 12338-018 | |
| GlutaMAX | Gibco/Life Technologies | 35050-061 | Use in place of Glutamine |
| Hype 5 transfection reagent | Oz Biosciences | HY01500 | |
| 293fectin transfection reagent | Life Technologies | 12347019 | |
| PEI transfection reagent | Sigma-Aldrich | 408727 | |
| Maxiprep Kit | Qiagen | 12162 | |
| Ni-NTA Superflow | Qiagen | 30430 | |
| Endo Hf | NEB | P0703L | |
| Amylose Resin | NEB | E8021S | |
| Cell Boost R05.2 | HyClone | SH30584.02 | Cell Culture Supplement |
| GlucCell | CESCO Bioengineering | DG2032 | Glucose Monitoring System |
| Opti-MEM | Life Technologies | 519850.91 | Serum Free Medium for DNA transfection |
| Luria Broth (LB Media) | Life Technologies | 10855-001 | |
| GC10 Competent Cells | Sigma-Aldrich | G2919 |
References
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