囊性纤维化跨膜传导调节蛋白表达和纯化酿酒酵母

Biology
 

Summary

企图表达的囊性纤维化跨膜电导调节器(CFTR)

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O'Ryan, L., Rimington, T., Cant, N., Ford, R. C. Expression and Purification of the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator Protein in Saccharomyces cerevisiae. J. Vis. Exp. (61), e3860, doi:10.3791/3860 (2012).

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Abstract

囊性纤维化跨膜电导调节器(CFTR)是氯离子通道,如果发生变异,可引起囊性纤维化humans.There是相当大的兴趣因此,在这种蛋白质,但研究其结构和活动的努力,已困难的阻碍表达和纯化足够数量的蛋白质1-3。像许多“困难”的真核生物膜蛋白,在一个快速增长的有机体表达是可取的,但具有挑战性的,在酵母学酵母 ,到目前为止,低量得到快速降解的重组蛋白,观察4-9。已在处理重组CFTR基因在酵母中的蛋白质参与6-9。在这份报告中,我们描述了一种方法在酵母和大量的净化CFTR的表达。协议描述如何可以克服早期的水解问题及如何表达水平通过修改细胞的生长条件,并通过控制诱导条件,CFTR可大大改善,特别是细胞收获前的一段时间。 reagants协议(CFTR的表达酵母细胞或酵母质粒)将通过美国囊性纤维化基金会,该基金会已赞助这一研究的分布式小鼠与此相关的。文章描述在本报告采用的设计和合成的CFTR结构将另行公布(Urbatsch,一;锡伯杜,体育 ,未发表)。在这篇文章中,我们将解释我们的酵母细胞的CFTR建设与改造的方法开始 - 含有酵母质粒(图1)。该结构具有绿色荧光蛋白(GFP)序列融合在其C-末端CFTR如下德鲁等人开发的系统。(2008)10。允许CFTR的表达和纯化的GFP应遵循相对容易。朱庇特的可视化protocOL结束后,准备从酵母细胞中的微粒,虽然我们包括从微粒的蛋白质纯化的一些建议。读者不妨给自己加修改微粒净化过程,依赖于与蛋白质和向他们提供本地设备进行最后的实验。酵母表达的CFTR蛋白可以部分使用金属离子亲和层析纯化,用一种内在的多聚组氨酸纯化标签。随后体积排阻色谱产生一种蛋白质,它似乎是纯> 90%,经SDS-PAGE和凝胶考马斯染色判断。

Protocol

1。媒体和缓冲器的制备

  1. 鼎贞:一升,暂停无氨基酸和0.77Ğ完整的补充混合物6.9克酵母氮基尿嘧啶在1升的水。高压灭菌。保存于4°C。
  2. YNBA:400毫升,暂停无氨基酸2.76克酵母氮基尿嘧啶和350毫升的水8克细菌琼脂0.38Ğ没有完整的补充混合。高压灭菌。 8克葡萄糖50毫升的水和热量,轻轻混合直到溶解。通过0.2微米的过滤器进行消毒,而琼脂熔化,添加到YNBA。在室温下储存。
  3. 20%葡萄糖液500毫升,500毫升鼎贞和热混合100克葡萄糖轻轻直到溶解。通过0.2μm过滤器传递到无菌的杜兰瓶。在室温下储存。
  4. 20%半乳糖培养基:2升,400克半乳糖轻轻混合2L鼎贞和热直至溶解。通过0.2微米的过滤器传递到无菌的杜兰瓶。储存在室温下的温升。
  5. 蛋白酶抑制剂股:CFTR的是高度敏感的蛋白质4。笔者发现以下的抑制剂是有效地限制蛋白质,但读者不妨裁缝这个名单,以满足自己的要求。在100μL分装在-20°C储存,以减少冻融问题。所有抑制剂应稀释股票方案的工作浓度如下:
抑制剂 股权集中度 备料 工作浓度
AEBSF 200毫米 48mg溶于1毫升的蒸馏水 0.2毫米
苯甲脒 300毫米 36mg溶于1毫升的蒸馏水 0.3毫米
糜酶抑素 4毫米溶解在1毫升干马克的每公升2.5毫克苏 4μM的
E - 64 7毫米溶解在1ml蒸馏水的每公升2.5毫克 7微米
亮肽素 20毫米 10毫克溶于1毫升的蒸馏水 20μM的
胃蛋白酶抑制剂一 15毫米溶解在1毫升干二甲基亚砜10毫克 15微米
PMSF 1米溶解在1毫升干二甲基亚砜174mg 1毫米
  1. DTT(1米):154毫克二硫苏糖醇溶解在1ml蒸馏水。贮存于-20°C 1:1000稀释在缓冲区的使用说明。
  2. EDTA(0.5米):100毫升的水混合29.22 g与乙二胺四乙酸。新增为10 N NaOH溶液滴加已经解散,直到所有的EDTA,pH值达到8。化妆水200毫升,并通过0.2微米过滤到无菌的杜兰瓶。在室温下储存。
  3. 认证机构(300毫米的Tris-HCl,pH值7.4,0.56米的山梨糖醇,1毫米EDTA)溶解在350毫升的水18.17Ğ三基地,此外盐酸调整pH值至7.4。新增51.35Ğ山梨醇,使量高达500毫升的水。高压灭菌。加入1毫升EDTA原液在4和存储°C。
  4. CFTR的缓冲液(pH值8.0的50 mM Tris,10%V /至五甘油):6.06ĞTris碱溶解于500毫升的水。用盐酸调节pH值至8,加入100毫升的甘油和弥补到1 L水。在4°C的高压灭菌器和存储
  5. 2倍负载染料:50毫米的Tris-HCl(pH值7.6),5%甘油5毫米EDTA(pH值8.0),0.02%溴酚蓝,4%的SDS,0.05 M的数码地面电视。使10毫升,分装在-20°C和存储

2。筛选转化子

该协议假定的CFTR-GFP-8His融合基因已插入到1到GAL1半乳糖启动(图),酵母质粒下游质粒已被改造成FGY217细胞,Pep4删除酿酒酵母突变体10 等人 (2008)10。

  1. 从一个转换板挑5-10分隔殖民地。每个殖民地转移到一个单独的无菌50毫升猎鹰9鼎贞毫升和1毫升20%葡萄糖液管中。对于这一步,重要的是有一个文化(W / V),2%葡萄糖的最终浓度,以维持细胞的生长。一夜之间成长为16小时,在250转,30℃轨道摇床。
  2. 使每个屏蔽殖民地的甘油库存。无菌条件下加入0.8毫升过夜培养至0.2毫升无菌甘油标记螺丝小瓶中,涡短暂存储在-80°C。
  3. 稀释至最终体积为50毫升,余下的过夜培养中鼎贞,包括20%葡萄糖液250μL。对于这一步,重要的是要稀释血糖浓度约为0.1%(W / W)在文化,因为高糖能抑制GAL1启动10。标记的250毫升三角瓶中成长的文化困惑瓶0.7-0.8外径600 250转,30°C在轨道摇床。
  4. 加入5毫升20%的半乳糖中每个烧瓶诱导的文化和生长16小时。
  5. CFTR的表达,用荧光显微镜确认。以100μL的文化,并添加100μL甘油溶液中的细胞迁移限制​​。在三角洲视觉RT恢复显微镜(或类似)分析细胞,用FITC标记过滤器(激发波长490 nm,发射波长528-538纳米)下的蓝色激光。应该在酵母细胞的细胞膜的荧光环的CFTR-GFP融合蛋白的阳性表达可见。未转基因酵母细胞可能被用来作为对照。
  6. 转让文化进50毫升猎鹰管。细胞收获在3500 XG,4℃离心10分钟,在台式离心机。离心机运行的同时,准备2 ml离心管,用螺丝包含上冰约500μL酸洗玻璃珠和地方的上衣。弃去上清,每个颗粒和悬浮在500-800μL冰冷的CRB 蛋白酶抑制剂。转移到离心管,含珠悬浮并保持在冰上。
  7. 裂解细胞,通过大力摇晃/涡旋每个离心管,搁在冰间期为30秒10期。一个beadbeater可以受聘作为一种替代,例如BioSpec迷你beadbeater经营3分钟。
  8. 在3500 XG,4℃放置到台式离心,离心管5分钟。转移上清含粗膜人口microfuge管和地点清理冰。加入500μL新鲜冰合作LD认证机构 蛋白酶抑制剂,以每管和重复的过程中积累的膜。
  9. 收集在2个小时的台式离心纺丝最大速度4°C,粗膜。弃上清,每个颗粒悬浮于50μL冰冷的CFTR缓冲区。
  10. 在干净的离心管,15μL2X负载染料混合15μl每个悬挂的上下吹打起来。在室温下孵育10分钟。不开锅的样品,因为这将导致CFTR和其他膜蛋白形成SDS不溶性聚合和变性的GFP标记。
  11. 另外到4-20%三/甘氨酸梯度凝胶电泳(NuSep)的PageRuler预染蛋白标准(Fermentas公司)一起装入样品和运行染料前,在150 V或40分钟,直到凝胶底部。
  12. 凝胶荧光识别的最高表达。成如台风扫描仪荧光成像系统的地方。扫描凝胶ü唱激发波长在488纳米的蓝色激光的发射波长526纳米。 CFTR的GFP融合应该是在约220 kDa的可见光。也将是微弱的日光灯带,可见约70 kDa的,这可能是一种内在的酵母含有FAD的膜蛋白(如琥珀酸脱氢酶亚基)11,12。
  13. 凝胶用考马斯染色,脱色和扫描凝胶进行比较,以荧光扫描,使用一个方便的图像浏览软件包。考马斯染色凝胶允许CFTR的绿色荧光蛋白表达水平在不同无性系正常化后的相对评估总蛋白量加载到每个凝胶的轨道。
  14. 连续到一个新的YNBA了从甘油(2.2)的最高表达细胞株 板在30°C孵育2-3天。这个板块可能存储长达2周,在4°C

3。大型发酵罐邪教余吕杏茜

  1. 准备在发酵前文化。刮从YNBA细胞1厘米2 使用无菌环板(2.13)和添加45毫升鼎贞和5毫升20%葡萄糖液,这样的OD 600约为0.1。在250毫升锥形瓶莫名其妙增长轨道摇床,直到OD 600达到1 250转,30℃。
  2. 分裂文化之间的两个2 L莫名其妙锥形瓶鼎贞每片含450毫升和25毫升20%葡萄糖液。种植这些在250转,30°C,直到在轨道摇床的OD 600达到1.2。
  3. 这些预文化增长的同时,成立了发酵。如1.1中所述11.2升鼎贞,但解散额外Ğ鼎贞8.28和0.95Ğ下降了补充,以弥补此外甘油诱导。无菌增加11.2大号鼎贞和75毫升20%葡萄糖液无菌20L发酵容器和调整运行温度30°C。
  4. 无菌的发酵的precultures添加和设置搅拌速度约800转,温度保持在30°C。压缩空气流入约15 DM 3分钟-1。一旦发酵培养达到1.2外径600,无菌条件下加入1.5升鼎贞20%半乳糖溶液和1.2升甘油诱导。降低温度至25°C和16小时成长的文化。
  5. 转入1升使用蠕动泵的冰冷冻离心机盆发酵内容。收获细胞,在3500 XG,4℃离心30分钟,在一个大容量的转子(如6升)。悬浮细胞,在150毫升冰冷蛋白酶抑制剂的CRB。从这里开始,所有的工作应在4°C
  6. 常细胞破碎系统中的4张通行证,在25,30,32和35千帕,通过收集有关在每种情况下冰的裂解,裂解细胞。另外,使用珠·贝亚特·R与同等体积的0.5毫米酸洗玻璃珠(Biospec)和鼓动全功率为3分钟。离心裂解液转移至50ml猎鹰管和颗粒细胞碎片在3500 XG,4℃15分钟,在台式离心机。
  7. 将上清转移至冷冻离心管。 14,000 XG,4℃离心30分钟,在离心机除去线粒体。
  8. 将上清转移到冷藏的超高速离心管。在20万XG,4℃离心收集微粒的超高速离心90分钟。
  9. 小心倒出,弃上清,并添加蛋白酶抑制剂和1mm数码地面电视2毫升冰冷的CFTR缓冲区,以每管。轻轻悬浮颗粒使用一个画笔,最高可达每管CFTR的缓冲区,并用旋涡混合器混合。
  10. 在超高速离心60分钟的暂停为200,000 XG,4℃离心,丢弃上清,重悬浮颗粒在2毫升冰冷的CFTR的缓冲区瓦特第i个蛋白酶抑制剂 (没有DTT),使用画笔。
  11. 池再悬浮微粒,调整最终体积至50毫升,CFTR的缓冲区,并拌匀。预订1毫升分装为SDS-PAGE电泳分析,如2.9中所述 - 2.11。微粒可以是闪光灯在液氮冷冻和保存在-80°C,直到所需要的。
  12. CFTR的可使用下列洗涤剂微粒,tetradecanoly,LYSO,磷脂酸锂perfluorooctonoate(LiPFO)(LPG14),N-十二烷基-β-D-麦芽糖苷(DDM)的提取。 CFTR的缓冲区,蛋白酶抑制剂和洗涤剂5%(W / W)的混合微粒。如果使用的DDM,也增加300毫米氯化钠的缓冲区。在4°C,搅拌15分钟,管肩。
  13. 在超高速离心1小时,在10万XG,4℃离心样品。保留上清,并采取了SDS-PAGE电泳分析小等分。 CFTR可能现在被分离纯化固定金属从solublised材料的亲和层析其次是尺寸排阻色谱法。

4。代表结果

的质粒酵母与CFTR含有的转型是不是100%的效率。 CFTR表达的一个代表小规模屏幕中从转变实验选择的殖民地,将产生约1表达的蛋白质在4殖民地。从屏幕上从一个板块中挑选5殖民地的一个典型的结果显示在面板的图。 3。殖民地之一,显示了强烈的通常运行之间的250 kDa和130 kDa的标记,如下所示的CFTR-GFP融合蛋白表达水平。的CFTR GFP荧光水平将有很大的不同实验之间,图4殖民地。 3显示至少10倍更大的荧光比约70kDa的内在荧光带。如果CFTR的GFP表达水平出现给小于70 kDa的波段荧光,那么它可能是值得重新改造和选择一个殖民地CFTR基因-GFP的表达水平较高。正如图所示。 3A,这是不可能的,即使有CFTR的GFP表达水平高,是在考马斯染色的细胞中提取的CFTR-GFP波段可辨别。

一旦选定殖民地已种植规模较大的实验,以及微粒分离,CFTR的GFP在微粒的存在将需要进行评估,如图所示。 3B。这个实验的结果是重要的,不仅评估诱导表达的效率,而且还检查的微粒已精心准备和蛋白质已经被最小化。结果如图。 3B意味着,在这个实验中的CFTR-GFP的表达略低于在小规模的实验显示面板A.(如判断相对内在70kDa乐队),但这种印象是由荧光检测器在此过度偏颇测量。这是因为实验者是checki纳克的蛋白片段的CFTR构造的存在。有一些在这部分之间的130 kDa和100 kDa的标记荧光蛋白片段的实验证据,但这些都是非常薄弱相比全长CFTR的绿色荧光蛋白带。与蛋白酶抑制剂在这里,我们发现CFTR的蛋白降解,细胞破碎后,很少有证据。如果重要的蛋白质被发现,我们建议新鲜的蛋白酶抑制剂库存解决方案。我们还发现,商业蛋白酶抑制剂鸡尾酒片不为这个系统有效。细胞的生长超过16小时(诱导后)会引起CFTR表达下降,如在图4所示。这可能是由于营业额的蛋白质,可能是由于上调酵母蛋白质的质量控制机械6-9,13。因此,建议监察CFTR的表达水平与半乳糖诱导后,如果可能的话,作为最佳时间收获细胞的马Ÿ变化从一个实验室到另一个。

图1
图1。 CFTR的结构含有酵母质粒 。 2μp424GAL1表达载体插入的CFTR-GFP-8His融合,半乳糖(GAL1)启动子的控制下。向量还包含一个的尿嘧啶选择标记(“市建局”)和氨苄青霉素抗性基因(安培)。

图2
图2。流程图总结了可视化的协议。

图3
图3。代表SDS-PAGE凝胶CFTR的表达和纯化。 A组显示五个随机挑选转化菌落(1-5车道),CFTR的表达筛选。B显示面板从15升FERM分离的微粒C组进入文化。显示两个阶段使用体积排阻色谱的亲和层析纯化后得到纯化的小鼠的CFTR。所有凝胶光照条件下,从GFP后,考马斯域(左)和激动人心的荧光染色(右)所示。分子量标准的相对位置都列在左边(KDA)。

图4
图4。在酵母中表达的CFTR的有代表性的数据。 A组 CFTR的表达显示了一个半乳糖诱导后的时间,当然。细胞提取物经SDS-PAGE分析,集成的CFTR-GFP蛋白带GFP荧光。B组表达GFP的细胞16小时后诱导荧光显微镜显示了典型的结果。通常情况下,只有一小部分细胞表达高水平的CFTR。

Discussion

本文提供了一个表达小鼠CFTR蛋白在酵母细胞中,它应该促进囊性纤维化研究的方法。这样做的目的是连接释放小鼠的CFTR基因的DNA结构,这将是通过囊性纤维化基金会(本文http://www.cff.org/research/CFFT/ )。其他同源应成​​为晚些时候推出。的与CFTR含载体的酵母细胞的转化是简单的,但重要的是屏幕CFTR的表达水平高的殖民地。可变的表达水平可能出现的几个因素,但质粒每个细胞的副本的数量可能占了显著的变化程度。这里所描述的关键步骤,应该允许CFTR的表达酵母细胞的CFTR含有微粒膜的生产。一旦转型,酵母细胞的生长,收获和裂解已掌握,purification的蛋白质应该是可能的,并在图3中,我们作为一个有用的基准,应该在这种情况下实现的纯度的一个例子。这不是我们在这个手稿的意向,提供详细的方法,蛋白质纯化。不过,也有一些关键的下游纯化步骤是特定的S.cerevisae表达系统,如细 ​​胞裂解和微粒净化,这些都被包括在这个手稿的详细。然而,应该提到的是,除了我们使用这两个方法,替代酵母细胞破碎方法可以聘用,如使用了法国的压力细胞。重组蛋白的裂解1 TEV-C-末端的绿色荧光蛋白域,使蛋白质被诱导后跟踪(图4)。酵母有一种内在的70kDa蛋白(有可能琥珀酸脱氢酶12)荧光在相同条件下11,这可以提供一个有用的跨CFTR的相对表达水平,在全细胞提取物或微粒的信号校准标准(图3)。它是由半乳糖诱导后,细胞收获时间是至关重要的,如图4所示的清晰数据。 CFTR的下降的产量急剧诱导后约16小时,以便有诱导24小时后检测的CFTR在酵母细胞中的任何勉强。

纯化蛋白的产量大约是1 - 2毫克每15升发酵罐培养的CFTR蛋白。可以恢复估计约70%的总CFTR的绿色荧光蛋白微粒阶段,纯化的蛋白质和25%左右恢复。表征的的S.酵母表达的CFTR是正在进行中。正如图。 4,蛋白质在细胞内的位置可通过荧光显微镜监测。虽然大部分的荧光预期10细胞的边缘周围发现,一些蛋白质会显示一个点状的本地化,无论是在或内质膜这可能是由于CFTR通过后期高尔基/内体通路14或者出芽从ER 4运输囊泡下游舱室回收。治疗与PNGaseF,的酶deglycosylates蛋白质,在SDS-PAGE电泳迁移的CFTR蛋白带的最小变化表明,这意味着它是unglycosylated,或具有最小的糖基化15。蛋白磷酸化状态的实验正在进行中。到目前为止测试的一些洗涤剂,纯化的蛋白显示ATP酶活性的(即由16的 CFTR特定抑制剂抑制)率是相似的原样2,15。的CFTR通道活性的测量,需要重组的纯化蛋白,这将意味着在最后一个洗涤剂的净化步骤,有相对较高的临界胶束浓度(CMC)17。酵母微粒containinĞ,CFTR可solublised几个普遍采用的洗涤剂18,包括清洁剂,如十二烷基麦芽糖2,被普遍认为是“温和”。然而,最高CMC洗涤剂已被证明是solubilsation低效,到目前为止,交流,到这些洗涤剂,应考虑在后期在任何净化计划。

Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

我们感谢为这项工作的资金通过其CFTR的三维结构联合会(授予数量FORD08XX0)的囊性纤维化基金会(CFF)。我们承认在这项工作的协会全体同仁的巨大贡献,特别是在设计的CFTR基因。我们也承认博士的宝贵贡献。詹姆斯·伯特利(NCSR Demokritos,希腊),马克·扬(英国卡迪夫大学,英国)和大卫·德鲁(伦敦帝国学院,英国),在工作的早期阶段。我们特别感谢手稿的关键读博士伊娜Urbatsch(德州理工大学,拉伯克)。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
FGY217 S.cerevisiae strain, with pep4 deletion 10
Yeast nitrogen base without amino acids Formedium CYN0410
Complete supplement mixture without uracil Formedium DCS0169
Bacteriological agar Sigma-Aldrich A5306
D-galactose Fisher BP656-500
D-glucose Fisher D16-500
Pepstatin A Sigma-Aldrich P4265
Leupeptin Merck 108975
Chymostatin Sigma-Aldrich C7268
Phenylmethanesulfonylfluoride (PMSF) Sigma-Aldrich P7626
Epoxysuccinyl-leucylamido-butane (E-64) Sigma-Aldrich E3132
Amin–thylbenzenesulfonyl fluoride (AEBSF) Sigma-Aldrich A8456
Benzamidine hydrochloride Sigma-Aldrich 434760
Dimethylsulfoxide (DMSO) Sigma-Aldrich D8418
dithiothreitol (DTT) Sigma-Aldrich 43815
ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) Fisher BP120500
Tris-base Formedium TRIS01
Tris-HCl Fisher P631
D-sorbitol Sigma-Aldrich S1876
Glycerol Fisher 065017
NaCl Sigma-Aldrich S6191
n-dodecyl-β-D-maltopyranoside Affymetrix D310S
Bromophenol blue Sigma-Aldrich 114391
PageRuler Plus prestained protein standards Fermentas SM1811
NuSep tris-gly 4-20% gradient gels NuSep NB10-420
Instant Blue Coomassie Stain Novexin ISB1L
Glass beads, acid washed Sigma G8772
50ml Sterile Falcon Tubes Sarstedt 62.547.254
2ml Sterile screw-top vials Sarstedt 72.694.005
250ml Sterile Erlenmeyer baffled flasks BD Biosciences 355119
2l Sterile Erlenmeyer baffled flasks BD Biosciences 355131
2ml microfuge tubes Sarstedt 72.695
0.2μM syringe filter Sartorius FC121
ultracentrifuge tubes Beckman Coulter 355618
centrifuge tubes Beckman Coulter 357000
1l centrifuge pots Beckman Coulter 969329
Orbital shaking incubator with temperature control New Brunswick Scientific
Deltavision RT restoration microscope Applied Vision
Benchtop centrifuge HERMLE Z300
Benchtop microfuge Fisher 13-100-511
Vortex mixer Star Labs
Typhoon Trio Scanner GE Healthcare 63-0055-87
LAS3000 imaging system Fuji
20l fermenter vessel and control unit Applikon
Constant systems cell disrupter Constant systems
Beadbeater cell disrupter BioSpec 1107900
Mini-beadbeater-16 BioSpec 607
JA-17 rotor Beckman Coulter 369691
Optima L-100 Ultracentrifuge Beckman Coulter 392050
50.2Ti rotor Beckman Coulter 337901

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References

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