Summary
这里介绍的是一个协议，用于确定膜蛋白的寡头状态，该方案利用本地细胞膜纳米粒子系统与电子显微镜配合使用。
Abstract
细胞膜系统中的蛋白质-蛋白质相互作用在广泛的生物过程中起着至关重要的作用——从细胞到细胞相互作用到信号转导：从传感环境信号到生物反应;从代谢调节到发育控制。蛋白质-蛋白质相互作用的准确结构信息对于了解膜蛋白复合物的分子机制以及设计高特异性分子来调节这些蛋白质至关重要。已经开发出许多体内和体外方法，用于检测和分析蛋白质-蛋白质相互作用。其中结构生物学方法的独特之处在于，它可以在原子水平上提供蛋白质-蛋白质相互作用的直接结构信息。然而，目前的膜蛋白结构生物学仍然在很大程度上仅限于洗涤剂为基础的方法。基于洗涤剂的方法的主要缺点是，一旦洗涤剂分子去除其原生脂质双层环境，它们通常会分离或变性膜蛋白复合物。我们一直在开发一种用于膜蛋白结构生物学的原生细胞膜纳米粒子系统。在这里，我们演示了该系统在细胞膜上蛋白质-蛋白质相互作用的分析中的应用，以及AcrB的寡头状态的案例研究。
Introduction
蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）在整个生物学中起着关键作用，从蛋白质的结构和功能的维持到整个系统的调节。PPI 有多种不同的形式，可以根据它们形成的交互类型进行分类。其中一种分类是同质的还是异质的，基于是相同的亚单位之间的相互作用，还是作为亚单位的不同蛋白质之间的相互作用。另一个分类基于交互强度，如果相互作用导致稳定复合体或瞬态复合状态的形成。蛋白质之间PPI的结构信息对于理解蛋白质发挥其功能的机制至关重要。据估计，超过80%的蛋白质依靠复杂的形成来发挥其功能作用。鉴于观察到依赖PPI进行适当与生俱来的蛋白质在生物学中的重要性的百分比是显而易见的，但是能够正确研究参与这些相互作用的蛋白质仍然具有挑战性，因为可用于实验观察蛋白质何时形成PPI的技术存在限制。
由于目前许多可用的PPI确定技术产生的噪音、误报和假阴性，许多实验确定的PPI的结果存在高度的差异。对于酵母双混合（Y2H）系统、串联亲和力纯度-质谱（TAP-MS）和荧光共振能量转移（FRET）尤其如此，它们代表了PPI测定2、3、4、5、6、7三种最常用的方法。相比之下，蛋白质结构生物学技术，如核磁共振（NMR）、X射线晶体学和电子显微镜（EM），可用于获取有关蛋白质-蛋白质相互作用的高分辨率结构信息，直至原子水平，并允许直接直观地确认感兴趣的目标蛋白质发生的相互作用。所有目前可用的基于结构的PPI确定研究技术（例如Y2H、TAP-MS和FRET）都缺乏这种能力，此外还难以识别蛋白质5之间的弱和瞬态相互作用。这些缺点在研究膜蛋白时进一步增强，因为脂质环境的额外变量增加了复杂性，影响了适当的第四纪结构和异构复合组装的形成。
膜蛋白占蛋白质组的很大一部分，已知在所有生物体内的正常细胞功能中起着许多关键作用。尽管膜蛋白估计占人类基因组的27%，占目前所有药物靶点的60%，但膜蛋白的已解模型数量存在重大异常，仅占已公布的所有蛋白质结构8、9、10的2.2%。结构信息可用性差异的主要原因是膜蛋白本身的内在特性。由于其溶解性差，依赖与脂质环境的相互作用来维持原生结构和功能，以及脂膜本身的各种物理化学特性，膜蛋白在实施结构生物学技术研究时继续是一个实质性问题。在这些内在属性中，获取准确的结构信息最重要的是要求它们与其自然脂质环境相互作用，以保持其原生结构和功能。脂质环境是膜蛋白结构和功能不可分割的一部分，因此，膜素的概念（膜和蛋白质的组合）被提出为膜蛋白结构和功能的基本单位11。尽管脂蛋白相互作用很重要，但目前可用的基于结构的PPI测定技术往往要求所研究的蛋白质是可溶性的或用洗涤剂溶解的。暴露在苛刻的洗涤剂中会使蛋白质变质，或由于熟食而引起误报和阴性，从而诱发蛋白质的聚集、蛋白质的自然、非共价相互作用的分离以及人工寡头状态的形成。由于有必要保持一个自然脂质环境，以准确确定膜蛋白的原生寡聚状态，我们开发了一个原生细胞膜纳米粒子系统（NCMN）12基于先前报道的苯乙烯马累酸脂质颗粒（SMALP）13方法。
SMALP使用苯乙烯雄性酸共聚物作为膜活性聚合物提取和溶解膜蛋白。聚（苯乙烯共马力酸）（SMA）是一种独特的两栖聚合物，因为它的疏水苯乙烯潮湿和截然相反的亲水性马力酸莫伊蒂。它通过吸收、破坏稳定和破坏pH依赖机制14中的细胞膜来形成纳米粒子。SMA的这种功能活性使得它能够被用作膜蛋白提取和溶解的无洗涤剂系统。NCMN 系统在几个方面与 SMALP 系统不同。NCMN系统最独特的特点是，它有一个膜活性聚合物库，具有多种聚合物，具有独特的特性，使它们适合分离许多不同的膜蛋白，需要不同的条件，以稳定性和原生功能。与SMALP方法相比，NCMN系统在制备纳米粒子方面也有不同的协议。其中一个例子是，NCMN使用单步镍亲和力柱纯化进行高分辨率结构测定：在比较产生 3.2 和 3.0 é 低温 EM AcrB 结构的 NCMN 协议时，可以观察到这些不同协议的效果，并使用 SMALP 方法进行类似的研究，结果在 8.8 分辨率12、15分辨率下形成了低温 EM AcrB 结构。NCMN 系统的这些独特功能是以前建立的 SMALP 方法的改进，使其成为 PPI 研究的理想候选者。
多药排泄物运输器AcrB在大肠杆菌12中作为功能性同质体存在。诱变分析表明，单个 P223G 点突变位于负责 AcrB 修剪器稳定的环上，破坏修剪器状态的稳定性，并在用洗涤剂 DDM 制备时产生 AcrB 单体，可使用原生蓝胶电泳16检测。然而，FRET对AcrB-P223G突变体的分析表明，当在原生细胞膜脂质双层环境中，大多数突变的AcrB-P223G仍以修剪器形式存在，野生型AcrB和AcrB-P223G的表达水平相似。然而，尽管FRET的分析结果，对突变运输机的活动分析表明，与野生16型相比，活动急剧减少。虽然FRET技术已被普遍用于蛋白质-蛋白质相互作用的分析，但研究表明，它经常会产生误报17、18、19、20。
最近，通过使用NCMN12，确定了AcrB修剪器的高分辨率低温-EM结构，这表明AcrB与其相关的原生细胞膜脂双层的相互作用。原则上，NCMN可以很容易地用于分析在原生细胞膜上发现的蛋白质-蛋白质相互作用。在该系统的测试中，利用原生细胞膜纳米粒子和负染色电子显微镜进行实验，直接观察AcrB-P223G的寡头状态。为了与野生型AcrB纳米粒子进行比较，我们使用了相同的膜活性聚合物（SMA2000在我们的实验室中制造，在NCMN库中索引为NCMNP1-1），用于高分辨率低温-EM结构测定AcrB和NCMN库12中发现的替代聚合物。根据先前报告的结果，预计大多数AcrB-P223G突变体将以三元原生细胞膜纳米粒子21的形式存在。然而，在样品中未发现 AcrB 修剪器，例如与野生型 AcrB 一起观察到的修剪器。这表明大多数AcrB-P223G不会像先前建议的那样在原生细胞膜上形成修剪器。
在这里，我们报告与使用 NCMN 的野生大肠杆菌 AcrB 型相比，对突变大肠杆菌 AcrB-P223G 进行了详细分析。AcrB的这一案例研究表明，NCMN是蛋白质-蛋白质相互作用分析的良好系统。
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Protocol
1. 蛋白质表达
- 用BL21（DE3）plysS细胞特异性质粒的抗生素接种15 mL的"了不起的肉汤"（TB）介质，在37°C的50mL管中过夜表达质粒，在250 rpm时摇晃。
- 检查 600 nm （OD 600） 的隔夜文化的光学密度，并确保其超过 2.0。
- 将5毫升的细胞培养物稀释成1升含有质粒特异性抗生素的结核病介质，并在37°C下孵育，摇晃至OD 600=0.8，然后诱导最终浓度为1mM的IPTG。
- 在20°C下进行感应，震动20小时。
- 在4°C和4000 x g时，使用离心将细胞切除15分钟。
2. 细胞裂解和膜分离
- 将细胞颗粒重新悬在缓冲区 A（表 1 中， 根据接下来的净化方案使用 DDM 缓冲区 A 或 NCMN 缓冲区 A），每 20 克细胞颗粒使用 80 mL。
- 在4°C时使用玻璃双离子同质化剂，或者如果在室温下，一定要立即将冰上，使重新悬浮的细胞颗粒同质化。
- 将样品转移到冰上的金属烧杯中，然后通过在4°C和1，500 bar下将样品装入高压同质化剂中，将细胞液化。
- 重复将细胞加载到同质化物中的过程，并允许它们通过同质化器进行3-4个周期，或直到解液开始澄清。
- 离心在15，000 x g 30分钟，在4°C。
- 收集超纳坦，在 4 °C 下以 215，000 x g 的 1 小时装载到超中心离心管和离心机中。
- 丢弃超纳坦，从超中心管中收集膜颗粒。将任何多余的膜颗粒存储在-80°C。
3. 本地细胞膜纳米粒子的制备
- 在10 mL NCMN缓冲区A（表1）中重新悬念1克膜颗粒。
- 在 20 °C 下用玻璃 Dounce 同质化剂将重新悬浮的细胞膜样本同质化。
- 将悬浮膜样品转移到 50 mL 聚丙烯管中，并添加膜活性聚合物库存溶液和额外的 NCMN 缓冲区 A，使样品最终浓度达到 2.5% （w/v） 膜活性聚合物 （NCMNP1-1 或 NCMNP5-2）。
注：膜活性聚合物的库存溶液应在双蒸馏水中制成，可保持不同浓度，但通常为 10%（w/v）。 - 在20°C下摇动样品2小时。
- 将样品加载到超中心，在 20 °C 下以 150，000 x g 旋转 1 小时。
- 当样品被超离心时，开始平衡一个5mL Ni-NTA柱与25 mL的NCMN缓冲区A。
- 在超中心化完成后收集超纳坦，并在室温下将其加载到 5 mL 的 Ni-NTA 柱上，使用注射器泵的流速为 0.5 mL/min。
- 用足够的 NCMN 缓冲区 B （表 1）清洗快速蛋白质液体色谱 （FPLC） 线条，以完全冲洗系统，然后将柱子连接到 FPLC 机器。
- 用 30 mL 的 NCMN 缓冲区 B 清洗柱子，流速为 1 mL/min，并收集流通过。
- 用 30 mL 的 NCMN 缓冲区 C （表 1）清洗柱子，流速为 1 mL/min，并收集流经。
- 以0.5 mL/min的流速使用20 mL的NCMN缓冲区D（表1）来收集蛋白质，并使用分数收集器收集样本，每个样本的分数设置为1.0 mL。
- 将蛋白质样本储存在4°C。
- 运行 SDS-PAGE 凝胶电泳检测，以检查与 FPLC 排泄图上观察到的峰值相对应的样本。
4. SDS-页凝胶电泳
- 将玻璃夹在铸造装置上，准备铸造室。
- 根据表 1 中列出的配方准备 12%分离凝胶。
注：添加TEMED后，凝胶将快速聚合，因此只需添加一次即可倒入凝胶。 - 倒入凝胶，在梳底下方2厘米处用于堆叠凝胶。
- 通过用 100% 异丙醇分层凝胶顶部来去除任何气泡，并等待分离凝胶聚合。
- 去除异丙醇，用蒸馏水洗掉异丙醇的任何痕迹。
- 根据 表 1中列出的配方准备堆叠凝胶。
注：添加TEMED后，凝胶将快速聚合，因此只需添加一次即可倒入凝胶。 - 将堆叠凝胶倒在分离凝胶上。
- 在腔室中加入梳子以形成油井，并等待堆叠凝胶完全聚合。
- 将 1 μL 的 1 M DTT 放入微中心管中，用于需要在凝胶上运行的每个分数样本。
- 在每个管子中添加 7 μL 的 4 倍加载缓冲区。
- 从需要在凝胶上运行的分数中添加 20 μL 样本到每个微中心管。
- 使含有样品的管子漩涡。
- 使用桌面微中心将样品管旋转 3 s，并确保所有样品都返回到试管底部。
- 通过固定一个12%的聚丙烯酰胺凝胶盒来准备凝胶电泳细胞，并用三酯-醋酸盐-EDTA（TAE）缓冲器（表1）填充细胞的内腔和外腔。
- 将分子量标记加载到凝胶的第一车道，并按其说明要求的相应体积。
- 从每个管子中加载 28 μL 的样品，与 DTT 和加载缓冲区混合。
- 将电泳电池的盖子放在盒子顶部，并将盖子插入电源。
- 打开电源并将其设置为 100 V，并允许其运行 20 分钟。
- 20 分钟后，将电源电流增加到 140 V，并继续运行 30-40 分钟，或直到加载缓冲剂染料带到达凝胶盒的底部。
- 完成电磷污渍并去污凝胶后，可视化凝胶中所含的蛋白质带。
5. 使用 DDM 进行蛋白质纯化
注：进行这种净化过程的目的是作为利用膜活性聚合物进行实验的控制。
- 使用 5 mL/g 膜颗粒在 DDM 缓冲区 A （表 1） 中从步骤2.6中重新悬出 6-10 克膜颗粒。
- 在 4 °C 或室温下，如果在室温下，请立即将重新悬浮的样品与玻璃 Dounce 同质化剂同质化。
- 将样品转移到 50 mL 聚丙烯管中，并添加 DDM 和额外的 DDM 缓冲区 A，使样品最终浓度达到 2% DDM。
- 在4°C下摇动样品2小时。
- 在 4 °C 和 150，000 x g下将样品加载到超中离心管和离心机中 1 小时。
- 当样品被超离心时，开始用25mL的DDM缓冲区A（表1）清洗来准备5mL的Ni-NTA柱。
- 超中心化完成后，收集超正弦，并将其加载到 5 mL Ni-NTA 柱子上，在 4 °C 下，使用注射器泵的流速为 0.5 mL/min。
- 用足够的 DDM 缓冲区 B = 0.05% DDM （表 1） 清洗 FPLC 线，以完全冲洗系统，然后将柱子连接到 FPLC 机器上。
- 用 30 mL 的 DDM 缓冲区 B = 0.05% DDM 清洗柱子，流速为 1 mL/min，并收集流经。
- 用 30 mL 的 DDM 缓冲区 C = 0.05% DDM （表 1）清洗柱子，流速为 1 mL/min，并收集流经。
- 用 20 mL 的 DDM 缓冲区 D + 0.05% DDM （表 1） 以 0.5 mL/min 的流速将蛋白质电化，并使用分数收集器收集流，每个分数设置为 1.0 mL。
- 选择包含排泄峰值的分数，使用离心集中器，在 4，000 x g 和 4 °C 下离心，直到达到 500 μL，进行汇集和集中。
- 使用 500 μL 循环将样品加载到 FPLC 机器中，然后在 4 °C 下加载到 25 mL 大小的排除柱上。 以0.5 mL/min的流速使用30 mL的DDM缓冲区E + 0.05%DDM（表1），并收集为分数，分数大小设置为每分之一0.5 mL。
- 以分数为例，使用 280 nm 吸收度测量蛋白质浓度，以从 FPLC 精英图中确认紫外线-视曲线。
- 从每个样本分数中收集 20 μL，这些样本分数与 FPLC 分置图上观察到的峰值相对应，并在吸收测试中确认为准确。
- 使用液氮或干冰冷冻这些样本的其余部分，并将蛋白质样本储存在 -80 °C。
- 运行 SDS-PAGE 凝胶电泳检测，如前所述，以检查与 FPLC 排泄图上观察到的峰值相对应的样本。
6. 负污渍网格准备
- 将用于样品准备的网格放在用滤纸包裹的玻璃滑梯上，碳面朝上。
- 将带有电子显微镜网格的玻璃滑梯放入两个电极之间的发光放电器室中，并更换玻璃盖，确保玻璃盖处于中心位置并密封良好。
- 运行发光放电机，确保等离子体产生的紫色光可见。
- 机器运行完后，等到机舱达到大气压力后再取下玻璃盖，然后将带网格的滑梯返回到将样品加载到机架上的台面。
- 通过用适当的缓冲器稀释样品或使用离心集中器集中，将纯化蛋白样品的浓度调整到0.1毫克/mL左右。
- 将 3.5 μL 的蛋白质样本加载到 10 nm 厚的碳网格上，等待 1 分钟。
- 用滤纸从 EM 网格表面取出液体。
- 用网格拾取 3 μL 水滴，在拾取每个水滴之间用滤纸从电网中取出水，将电网表面洗净 3 倍。
- 通过拾取 3 μL 液滴（过滤 2% 的醋酸铀）来洗净电网表面 2 倍，并在拾取每个液滴之间用滤纸取出网格上的洗涤溶液。
- 用 3 μL 液滴新鲜过滤的 2% 醋酸铀污渍电网 1 分钟。
- 用滤纸取出 EM 网格表面的醋酸铀溶液，空气使网格干燥至少 1 分钟。
- 将网格存储在网格框中供以后使用。
7. EM 成像
- 在安全工作台将准备好的网格加载到网格支架中。
- 将显微镜放入聚苯乙烯盒中，将德瓦尔3/4装满液氮，准备显微镜。
- 确认显微镜窗口的橡胶盖覆盖它，然后通过将铜线放入德瓦尔，直到它适合平台，将德瓦尔加载到显微镜上。
- 用液氮填充剩下的德瓦尔，并在德瓦尔的上面盖上一顶盖子。
- 打开高压，调节显微镜，等待显微镜预热并建立安全真空水平供使用。
- 显微镜准备好后，打开柱阀，通过移除显微镜窗口上的橡胶盖来确认光束的存在。
- 通过调整光束的强度来检查光束的污名。如果存在散光，光束将有一个椭圆形，因为一个人远离交叉，光束应该是相同的椭圆形两侧。
- 根据观察者的眼睛调整显微镜双筒望远镜，以达到正确的高度和距离。
- 通过循环通过所有三种模式检查光束定位的 搜索、 对焦和 曝光 模式，直到光束位于每个模式的中心。
- 关闭柱阀，然后继续将网格支架加载到电子显微镜中。
- 使用显微镜摆动功能将显微镜调整到欧心高度，使用 Z 轴调整舞台的运动，直到中心样本没有侧向运动。
- 使用显微镜上的低剂量 搜索 模式在网格上搜索与样品分子存在合理对比的理想区域，以聚焦于样品。
- 在 Focus 模式下，使用高步数来聚焦样本，直到看到样本，然后减少步骤以找到正确的对焦级别。
- 零和空白的光束，然后确保橡胶垫覆盖显微镜窗口。
- 使用 曝光 模式，以 62，000 倍的放大倍数拍摄所需网格区域的 1 s 曝光图像，并检查获得的图像。
- 成像后，网格关闭柱阀，并将网格持有人从柱子上移开。
- 成像完成后，所有感兴趣的电网关闭显微镜，关闭灯丝电源，从显微镜上去除液氮去瓦尔。
- 在德瓦尔坐的支架上放置一些吸收水分的东西，从显微镜的铜线圈中捕捉凝结物。
- 激活 低温循环 模式，并确保涡轮泵关闭。
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Representative Results
使用此处介绍的程序，纯化了 大肠杆菌 AcrB野生型和 大肠杆菌 突变AcrB-P223G的样品。然后，样品被吸附到碳负污渍电子显微镜网格和染色使用尿素醋酸盐与侧印方法22。使用传输电子显微镜收集负污渍图像。用DDM纯化的AcrB野生型样品的负污渍图像揭示了单分散颗粒的同质溶液，蛋白质显示一个定义明确的三角结构（图1A）。这些修剪结构与净化时观察到的大小排除色谱相符（补充图1）。相比之下，当观察AcrB-P223G突变体的负污渍图像时，人们可以观察到多分散纳米粒子的异质溶液，具有聚合倾向，但没有可观察到的原生修剪器（图1B）。在进行大小排除色谱（补充图1）时，观察到的排出剖面也支持这些结果。为了确定突变体缺乏三聚体状态蛋白是由于洗涤剂的治疗还是完全由P223G的不稳定突变引起，蛋白质也使用NCMNP1-1进行纯化，NCMN库中的膜活性聚合物之一。用NCMNP1-1纯化的AcrB野生型样品的阴性污渍图像再次揭示了单分散颗粒的同质溶液，蛋白质显示一个定义明确的四角结构（图1C）。就像DDM净化一样，当AcrB-P223G突变体与NCMNP1-1一起纯化时，负污渍图像显示了多分散纳米粒子的异质溶液，具有聚合倾向，但没有可观察到的原生修剪器（图1D）。为了进一步确认P223G突变会破坏细胞膜上的AcrB修剪器，从专有的NCMN膜活性聚合物库中选择了不同的聚合物（NCMNP5-2）。NCMNP5-2可以形成更大尺寸的原生细胞膜纳米粒子，从而允许在单个原生细胞膜颗粒中成像多个AcrB修剪器。结果，观察到单个粒子中含有多个野生类型的 AcrB 修剪器（图1E）：然而，没有观察到像野生型AcrB形成的AcrB那样的AcrB-P223G修剪颗粒，即使观察到大型原生细胞膜双层贴片（图1F）。这表明AcrB-P223G不存在作为修剪器的细胞膜上，如先前建议的21， 并提供了一个合乎逻辑的解释，为什么AcrB-P223G显示活动急剧下降时，检测16。为了确认样品的纯度和正确蛋白质的存在，所有纯蛋白样品都运行电磷凝胶。由此产生的污渍确认所有样品中均存在 AcrB，纯度 >95%，污渍的位置与 AcrB （图 1G）的预测分子量相对应。我们的研究结果与先前描述的FRET检测结果不一致，以确定膜蛋白AcrB-P223G16的寡头状态。通过利用协议中描述的膜活性聚合物和电子显微镜，可以直接观察到蛋白质的原生寡聚态。更准确地确定蛋白质的单体如何相互作用，需要确定高分辨率低温-EM结构。
图1：纯化AcrB结构的负污渍和电磷凝胶图像。（A） 用 DDM 纯化的野生型 AcrB 的负污渍图像。（B） 用 DDM 纯化的 AcrB-P223G 蛋白质结构拍摄的负污渍图像。（C） 用NCMNP1-1纯化的野生型AcrB拍摄的负污渍图像。（D） 用NCMNP1-1净化的AcrB-P223G结构拍摄的负污渍图像。（E） 用NCMNP5-2纯化的野生AcrB型的负染色图像（红色盒子突出了图像中观察到的一些修剪纳米粒子）。（F） 用NCMNP5-2纯化AcrB-P223G拍摄的负污渍图像（绿色框突出显示了在图像中观察到的NCMNP5-2捕获的部分脂质斑块）。（G） SDS-PAGE 凝胶使用最终产品从净化 AcrB-P223G 与 DDM （车道 1）， NCMNP1-1 （车道 2），（H） SDS-PAGE 凝胶运行使用最终产品从 AcrB-P223G 净化与 NCMNP5-2.（I） 放大缩小字体功能 放大缩小字体功能图 1 中的所有负污渍图像具有 50 nm 的相同比例条。请点击这里查看此数字的较大版本。
| DDM 净化缓冲区 | 聚合物净化缓冲区 | 凝胶电泳缓冲区 | |||
| 缓冲区 A | 50 mM 海佩斯， pH 7.8 | NCMN缓冲区A | 50米海普斯，pH 8.4 | 泰缓冲区 | 40米特里斯基地 |
| 300米纳克 | 500米纳克 | 1米埃德塔 | |||
| 5% 甘油 | 5% 甘油 | 20 mM 醋酸 | |||
| 20米伊米达佐尔 | 20米伊米达佐尔 | ||||
| 1 mm 毫克2-6 H2O | 0.1米采特普 | ||||
| 0.1米采特普 | |||||
| 缓冲区 B | 50 mM 海佩斯， pH 7.8 | NCMN缓冲区B | 25米海普斯，pH 7.8 | 去污缓冲区 | 40% 甲醇 |
| 300米纳克 | 500米纳克 | 10% 醋酸 | |||
| 5% 甘油 | 5% 甘油 | ||||
| 40 米伊米达佐尔 | 40 米伊米达佐尔 | ||||
| 1 mm 毫克2-6 H2O | 0.1米采特普 | ||||
| 0.1米采特普 | |||||
| 缓冲区C | 50 mM 海佩斯， pH 7.8 | NCMN缓冲区C | 25米海普斯，pH 7.8 | 堆叠凝胶 | 1.5 M 特里斯 pH 8.8 （0.63 毫升） |
| 300米纳克 | 500米纳克 | 30% 丙烯酰胺/比斯 （0.43 毫升） | |||
| 5% 甘油 | 5% 甘油 | 10% SDS （0.025 毫升） | |||
| 75米伊米达佐尔 | 75米伊米达佐尔 | 10% APS （0.025 毫升） | |||
| 1 mm 毫克2-6 H2O | 0.1米采特普 | 特梅德 （4μl） | |||
| 0.1米采特普 | H2O （1.39 毫升） | ||||
| 缓冲区D | 50 mM 海佩斯， pH 7.8 | NCMN缓冲区D | 25米海普斯，pH 7.8 | 12% 分离凝胶 | 1.5 M 特里斯 pH 8.8 （1.3 毫升） |
| 300米纳克 | 500米纳克 | 30% 丙烯酰胺/比斯 （2 毫升） | |||
| 5% 甘油 | 5% 甘油 | 10% SDS （0.05 毫升） | |||
| 300米伊米达佐尔 | 300米伊米达佐尔 | 10% APS （0.05 毫升） | |||
| 1 mm 毫克2-6 H2O | 0.1米采特普 | 特梅德 （5μl） | |||
| 0.1米采特普 | H2O （1.6 毫升） | ||||
| 缓冲区 E | 40米海普斯，pH 7.8 | NCMN缓冲区E | 40米海普斯，pH 7.8 | ||
| 200米纳克 | 200米纳克 | ||||
| 0.1米采特普 | 0.1米采特普 | ||||
表1：用于柱色谱和凝胶电泳的净化缓冲器列表。
补充图1：大小排除色谱剖析配置文件。 （A） 在用 DDM 和野生型 AcrB （橙色） 以及 DDM 和突变 AcrB-P223G （蓝色） 进行纯化时进行的大小排除色谱实验中观察到的两个排出剖面图的叠加图。（B） 用于 DDM 实验的大小排除列的列校准配置文件。
1： 蒂罗格洛布林先生 （先生 669 000）， 2： 费里廷先生 （先生 440 000）， 3： 阿尔多拉塞先生 （先生 158 000）， 4： 科纳尔布明先生 （先生 1 75 000）， 5： 椭圆形布明 （先生 44 000）， 6： 碳水合物 （先生 29 000）， 7： 核糖核酶 A （先生 13 700）. 请点击这里下载此数字。
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Discussion
蛋白质与蛋白质的相互作用对于膜蛋白结构和功能的完整性非常重要。已经开发出许多方法来研究蛋白质与蛋白质的相互作用。与可溶性蛋白相比，膜蛋白及其PPI由于膜蛋白的独特内在特性而更难研究。这一困难主要来自于要求将膜蛋白嵌入原生脂质双层环境中，以获得结构稳定性和功能性。这成为问题，因为为了确定蛋白质的高分辨率结构，他们必须从细胞膜中提取。FRET是研究细胞膜上蛋白质与蛋白质相互作用的常用技术，但是分辨率低，经常产生误报17、18、19、20。在这里，它首次证明，NCMN可用于研究膜蛋白-蛋白质相互作用，通过结构分析野生类型的AcrB修剪器和AcrB-P223G单体在原生细胞膜和比较结果与以前的分析使用FRET。通过比较野生型AcrB和AcrB-P223G的电子显微镜单粒子图像，建议大多数AcrB-P223G在使用膜活性聚合物（如NCMNP1-1和NCMNP5-2）进行纯化时，不会像野生型AcrB蛋白那样在大肠杆菌细胞膜上形成修剪器。我们在此建议，FRET 分析的结果可能是 FRET 方法的分辨率限制导致的误报。稳定 AcrB-P223G 修剪器的人工硫化物键也可能是解决方案21中发生的工件。负污渍图像表明，P223G突变阻止了 AcrB 修剪器的形成，AcrB 的单体形式在修剪形式时无法保持相同的构象。包含这种突变的回路之前通过诱变和结构分析被证明对修剪器的形成绝对至关重要，这表明其结构意义是由于通过埋入相邻的AcrB单体23的每个循环形成的相互作用。
利用原生细胞膜纳米粒子系统进行蛋白质-蛋白质相互作用检测和分析，可以直接检测蛋白质的寡状状态，将膜蛋白保持在真正的原生细胞膜环境中，通过对样品的单粒子低温-EM分析，用于获取原子水平的高分辨率结构信息。NCMN系统有助于避免在PPI检测中常见的误报和假阴性，这些误报和假阴性是由用洗涤剂24处理样品引起的。这些错误结果通常产生，因为蛋白质样本的聚集、自然化、非共价相互作用的分离，以及洗涤剂的熟食效应导致的人工寡聚状态的形成。此外，与 NCMN 一起使用结构分析可提供额外的结构信息，并允许直接观察分子相互作用，这些相互作用对于理解 PPI 至关重要，而且通常在使用先前确立的 PPI 检测方法时丢失。该方法已成功应用于野生型AcrB的结构研究，可广泛应用于其他形式的结构分析，如X射线晶体学和固态NMR，以及用于其他研究的多种不同蛋白质，以确定新蛋白靶点所显示的相互作用。
为了获得具有合理高纯度蛋白质产量的可重复结果，在膜活性聚合物的净化过程中有几个关键步骤必须遵循。第一个关键步骤是膜分离的过程，因此，在15，000 x g下离心细胞，并在215，000 x g 下以超中心化跟随这一步骤，以便真正将细胞膜与细胞的其余部分分离。下一个关键步骤是在室温下用膜活性聚合物将膜部分溶解2.5%，为期两小时。对这一步骤进行了净化的优化实验，并利用了这些参数，以确保从膜中提取AcrB的最佳量，并适当形成原生细胞膜纳米粒子。净化过程的最后关键步骤是在室温下将样品加载到 Ni-NTA 柱上。这是必要的，因为膜活性聚合物在室温下比在4°C时更可溶性，因此在室温下加载将增加蛋白质结合到亲和力柱上的量，并避免因不溶性聚合物积聚而引起的高压，从而可能损害柱子。对于获得准确的结构信息来说，上述负面染色程序所包含的步骤几乎同样重要。此过程最关键的方面包括使用 10 nm 厚的孔状碳网格、水量和醋酸尿素量，以及样品吸附和染色的时间长度。在样品准备过程中利用这些关键参数将确保高质量的结构数据，可用于准确评估被映射样品的寡头状态。在使用不同的蛋白质来排除由于各种多肽的独特特性而可能出现的问题时，可能需要修改纯化协议。在获得足够数量的蛋白质样品时要考虑修改的主要因素应该是诱导步骤中使用的参数、溶解步骤中使用的膜分量以及溶解过程的时间和温度。如果存在纯度问题，可能需要使用替代亲和力柱，如生物素亲和力柱，而不是使用 Ni-NTA 柱进行纯化。同样，如果需要维持弱/瞬态蛋白质-蛋白质相互作用，将 Ni-NTA 列换成 TAP 标记亲和力柱有利于最佳结果。最后，在研究哺乳动物蛋白质时，应使用哺乳动物表达系统来维持真正的原生细胞膜脂质成分，这是准确确定蛋白质自然寡头状态所必需的。这将需要完全修改此协议的蛋白质表达和细胞裂解步骤。在这种情况下，应遵循先前建立的蛋白质表达和细胞裂解协议，这些协议应与目标蛋白所必需的表达系统相对应。
与用于检测PPI的FRET相比，使用电子显微镜的NCMN显示出极大的优势。研究结果表明，此前进行的FRET实验与AcrB突变蛋白21的寡头结构结构分析不一致。用负染色电子显微镜拍摄的图像清楚地显示并直接证实了这一点，这与先前描述的突变AcrB-P223G16活动损失一致。如果 AcrB-P223G 确实在体内形成修剪器，NCMNP5-2 聚合物就会将其捕获到它提取的大型原生细胞膜贴片中。由于技术所依赖的物理过程和用于测量荧光共振能量转移的技术固有的几个局限性，FRET对突变性 AcrB 的分析可能导致误报。FRET的一个主要限制是结肠显微镜的分辨率限制，这导致在分子间距离的严重限制，能够解决与FRET检测19。相比之下，将 NCMN 与电子显微镜结合使用不受 FRET 的上述限制，与结肠显微镜相比，分辨率限制要高得多。基于这些限制对先前描述的 FRET 检测具有潜在影响，我们假设在体内错误地检测 AcrB-P223G 修剪器是由于 FRET21的低分辨率限制造成的。除了本文直接指出的优势外，使用 NCMN 与电子显微镜相结合，比目前所有的蛋白质 - 蛋白质相互作用技术（如 Y2H 系统和 TAP - MS ）都具有优势，因为它可以直接用于高分辨率观察原生细胞膜环境中的蛋白质 - 蛋白质相互作用，并有可能用于确定原子水平的蛋白质结构。
膜活性聚合物和电子显微镜也不是没有限制的。目前，NCMN净化的主要问题是与洗涤剂方法相比，其提取效率较低（NCMN库中的聚合物显示DDM的提取效率为70%）。它还与一些亲和力列（如麦芽糖绑定柱）存在兼容性问题。此外，NCMN纯化仍然不是非常成功的高动态膜蛋白或复合物（未公布的数据）。利用膜活性聚合物和电子显微镜进行寡聚态测定实验，需要从原生细胞环境中去除蛋白质，而 FRET 是在体内进行的。然而，由膜活性聚合物形成的纳米粒子在从细胞中提取蛋白质时，可以提供最本土化的环境，以减少已知由蛋白质提取和纯化引起的实验性不准确。此外，虽然分辨率和粒子大小作为传输电子显微镜的限制问题在过去十年中已显著减少，但仍用于负污渍分析的显微镜仍将相对局限于较大的分子或分子复合物（+200 kDa），因为它们的信息限制一般在0.1-0.3纳米25左右。SMALP 在应用方面也表现出高度灵活性，但表现出比 NCMN 更大的局限性。SMA形成的纳米磁盘的最大直径约为15纳米，因此通常对提取超过400 kDa26的蛋白质和蛋白质复合物无效。除此限制外，SMA 还无法处理存在于低 pH 环境中的蛋白质，也无法将二价离子用于结构和功能目的。由于依赖pH的SMALPs作用机制，它不能在低pH度条件下使用，并且具有二价离子。虽然SMILP和DIBMA方法在克服这些限制方面提供了希望，但它们对不同组蛋白的适用性仍然看不见27，28。NCMN寻求通过使用结构-活动关系（SAR）分析来克服这些局限性，从而创造出能够形成更大纳米粒子的替代聚合物，在低pH值条件下发挥作用，并避免产生二元离子。为 NCMN 开发的聚合物的一个例子是 NCMNP5-2 聚合物，它显示了创建大型纳米粒子的能力，如图 1E、F所示。
除了先前描述的纳米粒子技术的进步之外，NCMN的未来发展方向是开发更多的膜活性聚合物，使NCMN聚合物库能够提高提取效率，并能够处理所有不同跨膜区域尺寸的蛋白质，这些蛋白质在更宽的pH值下发挥作用，或者依靠任何类型的离子来维持其结构和功能。这将使所有膜蛋白研究人员能够在实验中利用这项技术，并获得更准确和与生物学相关的结果。通过将聚合物纳米粒子的优势带到更广泛的蛋白质种类上，希望这将导致解决原子水平上原生膜蛋白复合物的高分辨率结构，从而确定维持这些复合物的分子内部原子相互作用。这些进展还将通过基于结构的药物设计努力，在膜蛋白药物的发现和开发方面实现许多新的可能性。使用基于结构的药物设计技术来治疗膜蛋白对医学行业将产生巨大的益处，因为这将提高药物结合特性和有效性，以减少不需要的副作用和产生所需治疗效果所需的化合物量，从而使针对膜蛋白的药物显著更安全、更有效。原生细胞膜纳米粒子系统仍处于发育阶段，但通过首次允许研究真正原生状态的膜蛋白并阐明细胞膜上发生的原生蛋白相互作用，已经证明其功能极其强大。
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Disclosures
Y.G 被列为膜活性聚合物 NCMNP5-2 和 NCMN 系统的发明者。
Acknowledgments
这项研究得到了VCU创业基金（Y.G.）和国家卫生研究院国家普通医学研究所的支持，该奖项编号为R01GM132329（Y.G.）内容完全由作者负责，不一定代表国家卫生研究院的官方意见。我们感谢蒙特塞拉特·萨姆索和凯文·麦克罗伯茨对录像的慷慨支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemicals | |||
| 30% Acrylamide/BIS SOL (37.5:1) | Bio-Rad | 161-0158 | |
| 4x Laemmli Sample Buffer (Loading Buffer) | Bio-Rad | 1610747 | |
| Acetic Acid Glacial | ThermoFisher Scientific | A38S-212 | |
| Ammonium Persulfate (APS) | Bio-Rad | 161-0700 | |
| Chloramphenicol | Goldbio | C-105-5 | |
| Coomassie Brilliant Blue R-250 protein stain powder | Bio-Rad | 161-0400 | |
| DTT (Dithiothreitol) (> 99% pure) Protease free | Goldbio | DTT10 | |
| Glycerol | ThermoFisher Scientific | G33-4 | |
| HEPES | ThermoFisher Scientific | BP310-1 | |
| Imidazole | Affymetrix | 17525 1 KG | |
| IPTG | Goldbio | I2481C100 | |
| Kanamycin | Goldbio | K-120-25 | |
| Magnesium chloride hexahydrate | ThermoFisher Scientific | AA3622636 | |
| Methanol | ThermoFisher Scientific | A412-4 | |
| N,N-dimethylethylenediamine (EDTA) | Merck | 8.03779.0100 | |
| NCMNS-P5-2 | Not commercially available yet | Submit request for obtaining to corresponding author | |
| Precision Plus Protein Dual Color Standard | Bio-Rad | 161-0374 | |
| SDS (Sodium Dodecyl Sulfate) | Bio-Rad | 161-0301 | |
| SMA2000 | Cray Valley | Submit request for obtaining to corresponding author | |
| Sodium Chloride | ThermoFisher Scientific | S271-10 | |
| TCEP-HCl | Goldbio | TCEP25 | |
| TEMED | Bio-Rad | 161-0800 | |
| Terrific Broth Media | Affymetrix | 75856 1 KG | |
| Tris Base | Bio-Rad | 161-0719 | |
| Uranyl Acetate | Ambinter | Amb22348393 | |
| Equipment | |||
| Avanti J-26S XPI | Beckman Coulter | B14538 | |
| Avanti JXN-30 | Beckman Coulter | B34193 | |
| Carbon Electron Microscope Grids (10 nm) | Electron Microscopy Sciences | CF300-Cu-TH | |
| Con-Torque Tissue Homogenizer | Eberbach | E7265 | |
| Corning LSE Mini Microcentrifuge | ThermoFisher Scientific | 07-203-954 | |
| EmulsiFlex-C3 | Avestin | ||
| Fraction Collector F9-R | GE Healthcare Life Sciences | 29003875 | |
| Mini-PROTEAN Tetra Vertical Electrophoresis Cell | Bio-Rad | 165-8004 | |
| NanoDrop 2000 Spectrophotometer | ThermoFisher Scientific | ND-2000 | |
| Optima L-90K Ultracentrifuge | Beckman Coulter | PN LL-IM-12AB | |
| PELCO easiGlow Glow Discharge Cleaning System | Ted Pella | 91000S-230 | |
| Potter-Elvehjem Safe Grind Tissue Grinder | Wheaton | 358013 | |
| PowerPac Basic Power Supply | Bio-Rad | 164-5050 | |
| Razel R99-E Variable Speed Syringe Pump | Razel Scientific Instruments | ||
| Superdex 200 Increase 10/300 GL | GE Healthcare Life Sciences | 28990944 | |
| Tecnai F20 200kV | FEI | ||
| Type 70 Ti Fixed-Angle Rotor | Beckman Coulter | ||
| General Materials | |||
| 1.5 ml Microcentrifuge Tubes | ThermoFisher Scientific | 05-408-129 | |
| 4 ml Amicon Ultra-4 30 kDa | Millipore Sigma | UFC803024 | |
| AKTA pure 25 L1 FPLC | GE Healthcare Life Sciences | 29018225 | |
| BL21(DE3)pLysS Cells | ThermoFisher Scientific | C606003 | |
| Falcon 50 ml Conical Centrifuge Tube | ThermoFisher Scientific | 14-959-49A | |
| HisTrap HP 5 ml Column | GE Healthcare Life Sciences | 17524802 | |
| pET-24a | EMD Biosciences | 69749-3 |
References
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