Transmembrana Propensão Oligomerização Domínio determinado pelo Assay ToxR

Biology

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Summary

Um procedimento eficiente para avaliar a propensão oligomerização de domínios de uma única passagem transmembrana (DTM) é descrito. Proteínas quiméricas que consiste na DTM fundido a ToxR são expressos em uma cepa de E. coli repórter. DTM induzida por oligomerização causas dimerização de ToxR, a ativação de transcrição e de produção da proteína repórter, 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

A visão simplista de domínios transmembrana da proteína como meramente âncoras em bicamadas de fosfolipídios foi há muito refutada. Em muitos casos, membrana que mede as proteínas têm evoluído mecanismos altamente sofisticados de ação. Uma maneira 03/01 em que as proteínas da membrana são capazes de modular as suas estruturas e funções é por contato direto e específico de hélices hidrofóbicas, formando oligômeros transmembrana estruturado 4,5. Recentes Grande trabalho centrou-se na distribuição de aminoácidos preferencialmente encontrados no ambiente de membrana, em comparação com solução aquosa e as diferentes forças intermoleculares que a associação de unidade de proteína. 6,7 No entanto, os estudos de reconhecimento molecular no domínio transmembrana das proteínas ainda fica atrás dos solúvel em água regiões. Um grande obstáculo continua: apesar da especificidade e afinidade notável que oligomerização transmembrana pode atingir de 8 a medição direta de sua associação é um desafio. Metodologias tradicionais aplicadas ao estudo da função integrante da membrana da proteína pode ser dificultada pela insolubilidade inerente das sequências em análise. Percepções biofísicos adquirida com a estudar peptídeos sintéticos representando domínios transmembrana pode fornecer informações estruturais úteis. No entanto, a relevância biológica da micelar detergente ou sistemas de lipossomas utilizados nestes estudos para imitar membranas celulares é muitas vezes questionada; fazer peptídeos adotar uma estrutura semelhante à nativa nessas condições e não o seu comportamento funcional refletem verdadeiramente o modo de ação dentro de uma membrana nativa ? A fim de estudar as interações de seqüências transmembrana em bicamadas de fosfolipídeos naturais, o laboratório de ensaios desenvolvidos Langosch repórter ToxR transcricional. 9 domínios transmembrana O de interesse é expressa como uma proteína quimérica, com ligação às proteínas maltose de localização para o periplasma e ToxR a apresentar um relatório do nível de oligomerização (Figura 1).

Na última década, vários outros grupos (por exemplo, Engelman, DeGrado, Shai) otimizados e aplicados neste ensaio repórter ToxR. 10-13 Os ensaios ToxR vários tornaram-se um padrão-ouro para testar interações proteína-proteína em membranas celulares. Nós aqui demonstrar uma operação típica experimental realizado em nosso laboratório que segue protocolos desenvolvidos principalmente por Langosch. Este método de aplicação geral é útil para a análise de transmembrana associação auto-domínio em E. coli, onde β-galactosidase de produção é utilizado para avaliar a propensão oligomerização DTM. Após a DTM induzida por dimerização, ToxR se liga ao promotor ctx causando aumento da regulação do gene LacZ para β-galactosidase. A leitura colorimétrica é obtida pela adição de ONPG às células lisados. Clivagem hidrolítica de ONPG pela β-galactosidase resulta na produção da espécie luz absorvendo o nitrophenolate (ORA) (Figura 2).

Protocol

1. Considerações sobre a clonagem

  1. Oligonucleotides comercialmente preparado representando o TMD de interesse ladeado por NheI e sítios de restrição BamHI e 5'-fosforilada pode ser ligada em pTox7 (modificado em nosso laboratório pela inserção de um par de base logo após a restrição BamHI 14 sites) (Figura 3) digerida seqüencialmente com BamHI e NheI. Um oligonucleotídeo exemplo é mostrado abaixo:
    5'ctagcTMDSEQUENCEg3 '
    3 'gTMDSEQUENCEcctag5'

A seqüência deve ser DTM 24/12 resíduos (seqüências mais curtas será presumivelmente alongada por resíduos hidrofóbicos vetor codificado). , A fim de investigar a interface, quatro variantes do projeto DTM devem ser criados onde inserções resíduo seqüencial e concomitante resíduo resultado eliminações em rotação da DTM em relação ao ToxR 15,16. Finalmente, a concentração deve ser arabinose variou entre 0,001 e 0,01% (w / v) para identificar a concentração onde as diferenças máximo em β-galactosidase sinais entre diferentes seqüências de DTM são observados; testar diferentes níveis de expressão é recomendado para identificar as condições sob as quais afinidades diferentes podem ser distinguidos melhor. Além de arabinose e antibióticos, 0,4 mM IPTG pode ser usado para melhorar as diferenças de afinidades entre DTM diferentes. A medição ToxR deve ser realizada pelo menos em quatro vias. Todo o procedimento deve ser repetido pelo menos três vezes com diferentes transformações plasmídeo.

2. Crescimento de culturas bacterianas

  1. Suavemente descongelar FHK12 células competentes (200 mL) no gelo e transferir para um tubo de cultura de 15 ml. Adicionar DNA plasmídeo (200 ng) e incubar as células no gelo por 30 min.
  2. Choque térmico células de incubação por 90 s em 42 ° C, seguido de incubação em gelo por 2 min.
  3. Adicionar SOC media (800 mL) e incubar as amostras a 37 ° C com agitação (300 rpm) para um h.
  4. Inocular 5 ml de mídia LB com cloranfenicol (30 mcg / ml) e arabinose (0,0025% w / v), com 50 ul da mistura transformação em tubos de 15 ml de cultura em triplicado. Incubar as amostras a 37 ° C com agitação (300 rpm) por 20 h. (Alternativamente 5 mL da cultura pode ser usada para inocular 100 ml de meio em uma placa de 96 poços. Este método é útil quando se lida com um grande número de amostras, apesar de erros vai ser um pouco maior. Para evitar a evaporação, o que levaria ao erro, preencha os poços ultraperiféricas com a mídia, mas não usá-los para as amostras. Finalmente, dê um duplo-wrap a articulação entre a tampa ea placa com parafilme).

3. Medição de β-galactosidase Atividade

  1. Pré-aqueça o leitor de placas a 28 ° C.
  2. Transferir o Z-buffer em um reservatório com uma ponteira de grande porte, certificando-se de levar apenas a camada (aquoso) superior. Transferência de 100 l de Z-buffer/chloroform preparada para os poços de uma placa de 96 poços. Transferir 5 mL de cada cultura para os poços da placa em quatro vias. Omitir a cultura a partir de quatro poços, que servirá como o branco.
  3. Medir o OD 595 da placa para determinar a densidade de células.
  4. Adicionar 50 ul de Z-buffer/SDS a todos os poços da placa. Agite a placa na placa-leitor por 10 min para Lyze as células. Certifique-se que as suspensões de células são claras depois da lise e repita o passo tremendo, se necessário. Lise incompleta sugere a Z-buffer/chloroform não estava preparada.
  5. Adicionar 50 ul preparada Z-buffer/ONPG a todos os poços e voltar a placa para o leitor de placas e medir OD 405 a cada 30 s por 20 min.
  6. Calcular β-galactosidase atividade usando a seguinte equação (lembrando-se de subtrair o branco). A proporção de OD 405 / min deve ser calculado usando todos os pontos de dados na faixa de 405 OD 0,0-1,0 usando um ajuste do modelo linear.
    Equação 1
    Miller unidades diferentes, por vezes, quando gravadas em dias diferentes. Portanto, uma construção de referência como o GPA deveria ser medido em cada ensaio. Seus valores podem ser utilizados para a normalização dos valores ToxR.

4. Controle para a expressão da proteína

  1. Executar Western blotting para verificar mesmo a expressão da proteína entre os construtos. Combine 50 ul das culturas triplicado e centrifugar (2000 rpm, 4 min) em microcentrífuga. Retire o sobrenadante por pipetagem e ressuspender o sedimento residual em 2 x de tampão de carregamento de amostra.
  2. Load 7,5 mL em um gel padrão de 8% e realização de eletroforese a 125 V durante 1 min horas 5. Após a transferência, incube com anticorpos anti-MBP HRP-conjugado e visualizar, a proteína quimérica é observado em aproximadamente 70 kDa com alguns produtos de degradação, por vezes visto em torno de 48 kDa. MBP endógena também é observado em 45 kDa (Figura 5).

5. Controle de Inserção Membrana adequada

A linhagem de células deficientes em proteína de ligação a maltose é utilizado para avaliar a inserção adequada da membrana da construção TMD quimérico. Quando cultivada em meio mínimo com maltose como a única fonte de carbono, apenas células que expressam uma membrana-integrante do produto expressão com maltose binding protein corretamente localizado à periplasma são capazes de crescer.

  1. PD28 transformar células (como descrito para FHK12 células) e inocular 2 ml de meio LB. Cultivar as células a 37 ° C com agitação (300 rpm) durante a noite.
  2. Agregar as células por centrifugação a 3500 rpm, 10 min, 4 ° C e lavar por ressuspensão em PBS (2 ml) por pipetagem gentil com uma ponta grande ou vórtex gentil. Agregar as células (como acima), lavar com PBS por uma segunda vez, pelota e, finalmente, ressuspender em PBS (1 ml).
  3. Use 25 mL de células em suspensão para inocular 5 ml meio mínimo em triplicado e incubar a 37 ° C com agitação (300 rpm). Tome OD 595 leituras entre 15-25 h, aproximadamente a cada duas horas, transferindo 200 mL de cada amostra em uma placa de 96 poços e leitura usando a placa-reader.

6. Resultados representativos:

Um exemplo do uso do ensaio repórter ToxR transcricional para analisar a propensão oligomerização de domínios transmembrana mostrado na Figura 4. Anteriormente nós investigamos a oligomerização de domínios transmembrana da membrana multispanning-integrante da membrana latente proteína-proteína 1 (LMP-1) por várias técnicas, incluindo ToxR 14 domínios transmembrana cinco (TM5) foi mostrado para exibir uma forte propensão a oligomerize.; Isso é demonstrado pelo alto Unidades Miller, comparável ao controle positivo, o GPA, uma seqüência bem estabelecida dimerizing. Uma mutação deletéria no TM5, D150A, reduz a capacidade da seqüência a oligomerize. LMP-1 TM1 não significativamente oligomerize e exibe um sinal de unidade muito baixo Miller, um pouco acima do sinal para branco, não transformados FHK12 células.

Figura 1
Figura 1 dos desenhos animados. Retratando o ensaio repórter ToxR. Domínio transmembrana (DTM) impulsionado resultados oligomerização na dimerização de ToxR e ativação da transcrição LacZ. O produto do gene de LacZ, β-galactosidase pode ser quantificada como uma medida da propensão de um TMD de oligomerize.

Figura 2
Figura 2. A clivagem hidrolítica de ONPG pela β-galactosidase resulta na produção da espécie luz absorvendo o nitrophenolate (ONP).

Figura 3
Figura 3. Mapa Plasmid de pToxR7.

Figura 4
Figura 4. Representante ToxR ensaio repórter transcricional analisar a propensão oligomerização de membrana latente proteína-1 domínios transmembrana. Domínio transmembrana 5 (TM5) oligomerizes fortemente, enquanto um domínio transmembrana (TM1) exibe apenas uma interação fraca. D150A mutação no TM5 reduz significativamente sua capacidade de oligomerize. GPA é incluída como uma seqüência de controle positivo para a dimerização forte. Em branco representa untransformed FHK12 células.

Figura 5
Figura 5. Western blot para expressão da proteína.

Figura 6
Figura 6. PD28 ensaio de complementação para controlar a inserção da membrana correto para o periplasma. Controle negativo representa uma construção deficiente em proteína de ligação maltose.

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Discussion

O ensaio ToxR repórter transcricional é uma maneira fácil de identificar seqüências transmembrana com potencial para oligomerize. Uma vez que as interações estão ocorrendo dentro da membrana bacteriana interior, este ensaio contorna os problemas associados com a validade de sistemas de estudar na membrana-miméticos ambientes. Dado que a clonagem de DTM múltiplas em um único plasmídeo pode ser facilmente feito em paralelo eo ensaio completo pode ser realizado em formato de 96 poços da placa, este ensaio pode ser usado para análise de alto rendimento de um grande número de seqüências de proteína. 17 Uma vez que um interação tem sido detectada, os resíduos-chave funcionais podem ser interrogados por análise mutacional, permitindo o mapeamento das características estruturais envolvidos. Em muitos casos, a análise de cristalografia de proteínas transmembrana é problemática, exigindo ferramentas alternativas tais como o ensaio ToxR para estabelecer as bases moleculares da função.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Agradecemos ao Instituto Nacional de Saúde (1R21CA138373 e Stand Up to Cancer (SU2C) para suporte financeiro deste trabalho. HY é grato para o Prêmio Elion 2009 da Associação Americana de Pesquisa do Câncer, o Prêmio Acadêmico Kimmel do Sidney Kimmel Fundação para a Cancer Research (SKF-08-101), e da National Science Foundation Faculdade Prémio Carreira precoce (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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