Propension oligomérisation domaine transmembranaire déterminée par dosage ToxR

Biology

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Summary

Une procédure efficace pour évaluer la propension d'oligomérisation des domaines transmembranaires un seul passage (TMDS) est décrite. Des protéines chimères comprenant le TMD fusionnée à ToxR sont exprimés dans une souche E. coli journaliste. TMD induite oligomérisation provoque la dimérisation du ToxR, activation de la transcription et la production de la protéine rapporteur,-galactosidase.

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Joce, C., Wiener, A., Yin, H. Transmembrane Domain Oligomerization Propensity determined by ToxR Assay. J. Vis. Exp. (51), e2721, doi:10.3791/2721 (2011).

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Abstract

La conception simpliste des domaines transmembranaires des protéines comme de simples points d'ancrage dans les bicouches phospholipidiques a depuis longtemps été réfuté. Dans de nombreux cas transmembranaire des protéines ont développé des mécanismes sophistiqués de l'action. 1-3 Une façon dont les protéines membranaires peuvent moduler leurs structures et leurs fonctions se fait par contact direct et spécifique des hélices hydrophobes, formant des oligomères transmembranaire structuré. 4,5 récente grande travaux ont porté sur la répartition des acides aminés de préférence dans l'environnement de membrane en comparaison à la solution aqueuse et les forces intermoléculaires différentes que l'association de protéines disque 6,7. Néanmoins, les études de reconnaissance moléculaire à domaine transmembranaire des protéines est toujours en retard ceux de solubles dans l'eau des régions. Un obstacle majeur demeure: malgré la spécificité remarquable et d'affinité qui oligomérisation transmembranaire peut atteindre, 8 mesure directe de leur association est un défi. Méthodologies traditionnelles appliquées à l'étude de la fonction des protéines membranaires intégrale peut être entravée par l'insolubilité des séquences inhérentes à l'étude. Aperçus tirés de l'étude biophysique peptides synthétiques représentant domaines transmembranaires peuvent fournir un aperçu utile de structure. Toutefois, la pertinence biologique de la micellaire détergent ou systèmes liposomes utilisés dans ces études pour imiter les membranes cellulaires est souvent contestée, ne peptides adoptent une structure native-like dans ces conditions et leur comportement ne reflètent véritablement fonctionnelle du mode d'action au sein d'une membrane native ? Afin d'étudier les interactions des séquences transmembranaires dans les bicouches de phospholipides naturels, le laboratoire Langosch au point des dosages ToxR journaliste de la transcription. 9 Le domaine transmembranaire d'intérêt est exprimé comme une protéine chimérique avec protéine de liaison du maltose pour la localisation dans le périplasme et ToxR de fournir un rapport du niveau d'oligomérisation (figure 1).

Dans la dernière décennie, plusieurs autres groupes (par exemple Engelman, DeGrado, Shai) encore optimisé et appliqué ce test journaliste ToxR. 10-13 Les dosages différents ToxR sont devenus un standard en or pour tester les interactions entre protéines dans les membranes cellulaires. Nous présentes démontrent une opération typique expérimentales menées dans notre laboratoire que suit principalement les protocoles développés par Langosch. Cette méthode est généralement applicable utile pour l'analyse de domaine transmembranaire auto-association dans E. coli, où β-galactosidase de production est utilisée pour évaluer la propension oligomérisation TMD. Sur TMD induite dimérisation, ToxR se lie au promoteur ctx provoquant une régulation positive du gène LacZ par β-galactosidase. Une lecture colorimétrique est obtenue par addition d'ONPG à cellules lysées. Clivage hydrolytique d'ONPG par la β-galactosidase résultats dans la production de l'espèce absorbant la lumière o-nitrophénolate (ONP) (figure 2).

Protocol

1. Considérations clonage

  1. Oligonucléotides préparés commercialement représentant le TMD d'intérêt flanqué Nhel et des sites de restriction BamHI et 5'-phosphorylés peuvent être ligaturés dans pTox7 (modifié dans notre laboratoire par insertion d'une paire de base directement après le site de restriction BamHI 14) (figure 3) digéré séquentiellement avec BamHI et Nhel. Un oligonucléotide exemple est illustré ci-dessous:
    5'ctagcTMDSEQUENCEg3 '
    3 'gTMDSEQUENCEcctag5'

La séquence TMD devrait être de 12 à 24 résidus (courtes séquences seront probablement allongée par des résidus hydrophobes vecteur codé). Afin d'étudier l'interface, quatre variantes de la conception TMD doivent être créés là où les insertions de résidus séquentiels et concomitants de résidus suppressions entraîner la rotation de la relative au TMD ToxR. 15,16 Enfin, la concentration d'arabinose doit être variée entre 0,001 et 0,01% (p / v) d'identifier les différences de concentration où maximale β-galactosidase signaux entre les différentes séquences de TMD sont observées; tests différents niveaux d'expression est recommandé d'identifier les conditions dans lesquelles des affinités différentes peuvent être distinguées meilleurs. En plus de l'arabinose et des antibiotiques, 0,4 mM d'IPTG peut être utilisé pour améliorer les différences d'affinités entre les différents TMD. La mesure doit être effectuée ToxR au moins en quatre exemplaires. Toute la procédure doit être répétée au moins trois fois avec différentes transformations plasmide.

2. Croissance de cultures bactériennes

  1. Doucement le dégel FHK12 cellules compétentes (200 pi) sur la glace et le transfert dans un tube de culture de 15 ml. Ajouter l'ADN plasmidique (200 ng) et incuber les cellules sur la glace pendant 30 min.
  2. Choc thermique des cellules par incubation pendant 90 s à 42 ° C, suivie d'une incubation sur la glace pendant 2 min.
  3. Ajouter SOC médias (800 pi) et incuber les échantillons à 37 ° C avec agitation (300 rpm) pendant une heure
  4. Inoculer 5 ml avec du milieu LB chloramphénicol (30 pg / ml) et de l'arabinose (0,0025% p / v) avec 50 ul du mélange de transformation dans des tubes de 15 ml de culture en trois exemplaires. Incuber les échantillons à 37 ° C avec agitation (300 rpm) pendant 20 h. (Alternativement 5 ul de la culture peut être utilisée pour inoculer 100 pi de milieu dans une plaque de 96 puits. Cette méthode est utile lorsqu'il s'agit de grands nombres d'échantillons, bien que les erreurs seront légèrement plus élevés. Afin d'éviter l'évaporation, ce qui entraînerait à l'erreur, remplir les puits ultrapériphériques avec les médias, mais ne pas les utiliser pour des échantillons. Enfin, double-envelopper le joint entre le couvercle et la plaque avec du parafilm).

3. Mesure de la β-galactosidase

  1. Préchauffer le lecteur de plaques à 28 ° C.
  2. Transférer le Z-buffer dans un réservoir avec une grande pointe de la pipette, en veillant à ne prendre jusqu'à la partie supérieure (aqueuse) couche. Transférer 100 ul d'Z-buffer/chloroform fraîchement préparés dans les puits d'une plaque de 96 puits. Transférer 5 ul de chaque culture dans les puits de la plaque en quatre exemplaires. Omettre la culture à partir de quatre puits qui servira de vide.
  3. Mesurer la DO 595 de la plaque afin de déterminer la densité cellulaire.
  4. Ajouter 50 ul d'Z-buffer/SDS à tous les puits de la plaque. Agiter la plaque dans le lecteur de plaques pendant 10 minutes pour lyser les cellules. Assurez-vous que les suspensions cellulaires sont claires après lyse et répétez l'étape secouer si nécessaire. Lyse incomplète suggère la Z-buffer/chloroform n'a pas été fraîchement préparés.
  5. Ajouter 50 ul fraîchement préparés Z-buffer/ONPG à tous les puits et retourner la plaque pour le lecteur de plaque et de mesurer OD 405 toutes les 30 s pendant 20 min.
  6. Calculer β-galactosidase en utilisant l'équation suivante (n'oubliez pas de soustraire le vide). Le ratio de 405 OD / min devrait être calculé en utilisant tous les points de données dans la DO 405 entre 0.0 et 1.0 en utilisant un ajustement du modèle linéaire.
    L'équation 1
    Miller unités diffèrent parfois quand enregistrées sur plusieurs jours. Par conséquent, une construction de référence comme AMP devrait être mesuré dans chaque essai. Ses valeurs peuvent être utilisées pour la normalisation des valeurs ToxR.

4. Contrôle pour l'expression protéique

  1. Effectuer Western blot pour vérifier l'expression des protéines, même entre les constructions. Mélanger 50 pl de la cultures en triple et centrifuger (2000 rpm, 4 min) dans une microcentrifugeuse. Eliminer le surnageant par pipetage et resuspendre le culot dans 2 résiduelle de tampon de chargement x échantillon.
  2. Charge 7,5 ul sur un gel de la norme de 8% et de réaliser les électrophorèses à 125 V pendant 1 heure 5 min. Après le transfert, incuber avec des anti-MBP HRP-anticorps conjugué et de visualiser, la protéine chimère est observée à environ 70 kDa avec certains produits de dégradation parfois vu environ 48 kDa. MBP endogène est également observée à 45 kDa (voir Figure 5).

5. Contrôle d'insertion membranaire correcte

Une lignée cellulaire déficiente en protéine de liaison du maltose est utilisé pour évaluer insertion membranaire correcte de la construction chimérique TMD. Lorsqu'il est cultivé sur un milieu minimal avec des maltose comme seule source de carbone, que les cellules exprimant une membrane intégrale produit d'expression avec le maltose binding protein correctement localisé dans le périplasme sont capables de croître.

  1. Transformez PD28 cellules (comme décrit pour FHK12 cellules) et inoculer 2 ml de milieu LB. Cultiver les cellules à 37 ° C avec agitation (300 rpm) pendant la nuit.
  2. Pellet les cellules par centrifugation à 3500 rpm, 10 min, 4 ° C et laver à la remise en suspension dans du PBS (2 ml) par pipetage doux avec un gros pourboire ou vortex doux. Pellet les cellules (comme ci-dessus), laver avec du PBS pour une deuxième fois, granulés et finalement remettre en suspension dans du PBS (1 ml).
  3. Utilisez 25 ul de cellules en suspension pour inoculer 5 ml de milieu minimum en trois exemplaires et incuber à 37 ° C avec agitation (300 rpm). Prenez OD 595 lectures entre 15-25 h, environ toutes les 2 heures en transférant 200 ul de chaque échantillon dans une plaque de 96 puits et de la lecture en utilisant le lecteur de plaques.

6. Les résultats représentatifs:

Un exemple de l'utilisation du dosage de journaliste transcriptionnelle ToxR d'analyser la propension oligomérisation des domaines transmembranaires dans la figure 4. Auparavant, nous avons étudié l'oligomérisation des domaines transmembranaires de la membrane multispanning intégrante de membrane latente protéines protein-1 (LMP-1) par diverses techniques, y compris ToxR 14 domaine transmembranaire cinq (TM5) a été montré à exposer une forte propension à oligomériser.; Cela est démontré par les unités de Miller élevés, comparables à du contrôle positif, GPA, une séquence bien établie dimérisation. Une mutation délétère dans TM5, D150A, réduit la capacité de la séquence à oligomériser. LMP-1 TM1 ne modifie pas significativement oligomériser et présente un signal d'unité très faible Miller, juste au-dessus du signal pour le blanc, non-transformé FHK12 cellules.

Figure 1
Cartoon Figure 1. Illustrant le dosage journaliste ToxR. Domaine transmembranaire (TMD) entraîné des résultats d'oligomérisation dans la dimérisation de ToxR et l'activation de la transcription de LacZ. Le produit du gène de LacZ, β-galactosidase peut être quantifiée comme une mesure de la propension d'un TMD pour oligomériser.

Figure 2
Figure 2. Le clivage hydrolytique d'ONPG par la β-galactosidase résultats dans la production de l'espèce absorbant la lumière o-nitrophénolate (ONP).

Figure 3
Figure 3. Carte du plasmide pToxR7.

Figure 4
Figure 4. Représentant ToxR test journaliste de la transcription d'analyser la propension oligomérisation de la membrane protein-1 latente domaines transmembranaires. 5 domaine transmembranaire (TM5) oligomérise fortement, alors que 1 domaine transmembranaire (TM1) ne présente qu'une faible interaction. D150A mutation dans TM5 réduit considérablement sa capacité à oligomériser. GPA est inclus comme une séquence de contrôle positif pour la dimérisation forte. Blank représente non transformées FHK12 cellules.

Figure 5
Figure 5. Western blot pour l'expression des protéines.

Figure 6
Figure 6. PD28 test complémentation pour contrôler insertion membranaire correcte pour le périplasme. Contrôle négatif représente une construction déficiente en protéine de liaison du maltose.

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Discussion

Le dosage de ToxR journaliste de la transcription est un moyen aisé d'identifier les séquences transmembranaires ayant le potentiel de oligomériser. Depuis les interactions se produisent dans la membrane bactérienne interne, ce test contourne les problèmes liés à la validité des systèmes d'étudier dans la membrane-mimétiques environnements. Étant donné que le clonage des PTM multiples en un seul plasmide peut facilement être fait en parallèle et le dosage complet peut être réalisée en format 96 puits plaque, ce test peut être utilisé pour l'analyse à haut débit d'un grand nombre de séquences de protéines. 17 fois une l'interaction a été détectée, les résidus fonctionnels clés peut être interrogé par analyse mutationnelle, permettant la cartographie des caractéristiques structurelles impliquées. Dans de nombreux cas, l'analyse cristallographique des protéines transmembranaires est problématique, nécessitant des outils alternatifs tels que le dosage ToxR d'établir les bases moléculaires de la fonction.

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Disclosures

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Acknowledgments

Nous remercions les National Institutes of Health (1R21CA138373 et Stand Up to Cancer (SU2C) pour les supports financiers de ce travail. HY est reconnaissante pour le Prix 2009 Elion de l'American Association of Cancer Research, une Scholar Award de la Fondation Kimmel Sidney Kimmel pour Recherche sur le Cancer (SKF-08-101), et la National Science Foundation Faculté de carrière Prix précoce (NSF0954819).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
BamHI restriction enzyme Invitrogen 15201023 Invitrogen enzymes were found to be more efficient than alternative suppliers
NheI restriction enzyme Invitrogen 15444011 Invitrogen enzymes were found to be more efficient than alternative suppliers
15 mL culture tubes Fisher Scientific 14-956-1J
SOC media TEKnova, Inc. S0225 Made up to the appropriate volume and sterilized by autoclaving.
LB media Sigma-Aldrich L7275 Made up to the appropriate volume and sterilized by autoclaving.
Chloramphenicol Sigma-Aldrich CO378 Stock solution of 30 mg/ mL in ethanol stored in freezer
Arabinose Fluka 10839 Stock solution of 2.5% (w/v) in water stored in freezer
Na2HPO4 Sigma-Aldrich S9390
NaH2PO4 Sigma-Aldrich S9638
KCl Mallinckrodt Baker Inc. 6858-06
MgSO4.7H2O Sigma-Aldrich 63138
Sodium dodecylsulfate (SDS) Sigma-Aldrich L6026
2-Nitrophenyl β-D-galactopyranoside (ONPG) Sigma-Aldrich 73660
Z-buffer 16.1 g Na2HPO4
5.5g NaH2PO4
0.75g KCl
0.246g MgSO4
Make up to 1 l, pH 7.0
Z-buffer/chloroform 200 mL β-mercapt–thanol, 2 mL chloroform, make up to 20 mL with Z-buffer. Vortex for 1 min, centrifuge for 1 min at 800 rpm. Make fresh for each plate.
Z-buffer/SDS 160 mg SDS dissolved in 10 mL Z-buffer
Z-buffer/ONPG 40 mg ONPG in 10 mL Z-buffer. Make fresh for each plate
β-mercapt–thanol Calbiochem 444203
Anti-MBP monoclonal antibody (HRP conjugated) New England Biolabs E8038S
Minimal media with maltose 1 x M9 salts, 0.4% maltose, 1 mg/ mL thiamin, 2 mM MgSO4
96-well flat bottom plate Sarstedt Ltd 83.1835.300
Plate-reader Beckman Coulter Inc. DTX880 Multimode Detector
Water bath VWR international 89032-204
Shaking incubator Forma Scientific

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