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该协议使用两个亚基共表达和postlysis亚基重组蛋白酶组件的更彻底的检查混合。
蛋白酶在生活的各个领域中。它们提供了细胞内的蛋白质分解的真核生物的主要途径,尽管它们的装配是不完全理解。所有蛋白酶含有一个结构上保守的芯颗粒(CP)或20S蛋白酶,含有夹在两个七聚体α亚基环之间的两个七聚体β亚基环。相比,他们的真核同行古20S蛋白酶体在成分简单,但他们都有着共同的组装机理。因此,古细菌20S的蛋白酶体继续是真核蛋白酶体组件重要的模型。具体来说,再加上非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)古20S蛋白酶体的重组表达已经取得了许多重要见解蛋白酶体生物合成。在这里,我们讨论来改善古蛋白酶体α的共表达通常的战略手段和nondenaturiβ亚基前NG PAGE。我们表明,虽然快速,高效,单独共表达的方式可能会错过关键总成的中间体。在蛋白酶体中的情况下,共表达可能不允许检测半蛋白酶体,中间包含一个完整的α型环和一个完整的β型环。然而,该中间体易于通过裂解物混合进行检测。我们建议用裂解液混合相结合共同表达产生一种方法,是在分析装配更彻底,但仍然劳动nonintensive。这种方法可以用于其它重组多蛋白复合物的研究是有用的。
多蛋白复合开展众多关键的细胞活动1。对于许多这些配合物,进一步被知道关于其结构和功能大于约他们的组件2,3。蛋白酶体就是这样的一个复杂的,在生活的各个领域中找到。在真核生物中,这种分子机是在泛素/蛋白酶体系统(UPS)的核心,并提供了细胞内蛋白质的降解4的主要途径。真核蛋白酶体(简称为26S蛋白酶体)包括两个主要的子组件:一个20S蛋白酶,或核颗粒(CP)的5,可以在通过一个19S调节颗粒(RP)6的一端或两端封端。
20S蛋白酶是一个大的条块蛋白酶。其四级结构跨越所有生活领域绝对保守和由含有两种类型的结构上相关的亚基四七元环的栈,α;和β5,7,8。在真核生物中,这两个外圈各自包括的七个不同的α亚基和两个内环各自包括的七个不同的β亚基;蛋白水解活性驻留三个β亚基的范围内。相比之下,古细菌和细菌的CP环通常仅包括一种类型的α和一种类型的β亚基组成。古菌蛋白酶提供了一个重要的模型系统来研究蛋白酶体装配,由于双方的成分简单,他们与真核同行9-13共享一个共同的组装机理。简言之,α亚基组装成α环第一,它作为其上β亚基组装的支架。所得半蛋白酶(α7β7)二聚化,从而产生完全组装的CP(α7β7β7α7)。在二聚化,前肽提出关于β亚基被自催化除去,露出催化N-末端苏氨酸。利用古蛋白酶体模型组装经常需要生产中大肠杆菌重组古蛋白酶蛋白质的优势。这是一个值得的方法,因为它使在不同的组合要生产的亚单位,因为WT和突变的版本中,在不产生其自身的蛋白酶的宿主生物体。
监测多蛋白质复合物的装配生化需要某种用于分隔组件的中间体和前体的完全组装络合物分馏方法。由于其优越的解决容量,非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)已被证明是在各种大型多蛋白复合物14-17的分馏特别有用。重组古蛋白酶生产和非变性PAGE的结合已成为一个dissectin强大的方法摹蛋白酶装配9,11,12,18。然而,通过此方法应用于( 即通过α和β亚基的重组共表达)通常的方法有一个重要的缺点。大会的反应是合作,并强烈浓度依赖性3。鉴于在细胞内的蛋白质浓度是非常高的19中 ,由于排除体积效果,装配反应在体内迅速进行。因此,它有可能错过重要组件中间体当α和β亚基同时表达。
在这里,我们主张用重组古蛋白酶体亚基组装蛋白酶的研究组合的方法。在这种方法中,采用两个共表达和溶胞产物混合方法。前者允许组装的快速分析,因为共同表达是低劳动强度。后者取决于α和β亚基,接着混合的分开的表达。虽然这requi水库比共表达多一点努力,其大于补偿用于通过检测被共表达时错过中间体的能力。总之,这两个方法可以提供蛋白酶组件的更全面的了解。
1.细菌表达。
注意:在此研究中所用的表达质粒在表1中描述。在这项研究中使用的解决方案,媒体,和缓冲液在表2中描述。古菌蛋白酶体亚基基因的克隆和表达质粒的产生在其他地方18,20描述。总之,对于亚基共表达重组质粒采用双顺反子操纵子的策略,这有助于获得各个亚基18,20可比表达水平。下面列出的表达式参数为凭经验确定为是最佳的本研究中的蛋白酶体亚基。可能有必要,以优化表达为其它蛋白酶的突变体,对蛋白酶体从其他古细菌物种,或者用于其它重组蛋白质复合物(见讨论)。
2.细菌裂解和裂解液混合。
注意: 的对于通过共表达研究的样本,请按照2.1节(及其子段)。对于需要裂解液混合样品,请按照2.2节(及其子段)。被包括在该协议中的TSP(共,可溶性,球团)的分析是优化蛋白质表达有用,它可以帮助确保α和β亚基裂解物混合(见讨论)期间被组合的大约相等量。它还提供了一个重要的控制,如果下游的结果并不如预期( 即它验证蛋白表达和可溶性)。因此,我们强烈建议包括TSP分析,初步。一旦最佳协议已被用于特定亚基组合实现,TSP分析没有严格要求这就是为什么它被描述为以下可选的。
3.通过固定化钴亲和树脂蛋白纯化(ICAR)。
4.非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)。
注意:未聚合丙烯酰胺是一种神经毒素。穿戴适当的保护GEA河
5.可视化活性和蛋白质染色。
蛋白酶体组件( 图1)开始时,α亚单位结合形成环9。这可以在从古海藻甲烷球菌 S2α亚基在大肠杆菌中被表达为C末端六组氨酸标签(his标记)衍生物( 表1)加以说明。当重组体α-他的蛋白质通过ICAR纯化,并分析了非变性PAGE中,观察到( 图2A,泳道1)两个频带。之前我们已经证实,这些对应的单α环(SR)和双α-戒指(DR)18。 DR是穷途末路的物种,是不是生产为随后的装配9,18。
当α-他的亚基用β亚基共表达,表示由该重组古细菌蛋白酶体的组件被测定时,观察到一个新种的670 kDa的大小支架附近迁移通常的方法ARD( 图2A,泳道3)。本种是蛋白水解活性的( 图2B,泳道3)和仅包含完全成熟的β亚基(mβ),其前肽已被删除( 图2C,第3道)。该品种是完全成熟的CP。此示例还含有一些SR物种,这是预期的,因为SR是公知的装配中间体,但没有DR物种。 α-他当缺乏DR和β亚基共表达表明,正确装配正在发生速度不够快,使得β亚基掺入能够outcompete DR的非生产性形成(更详细的分析见18)。
为了证明共表达方法的限制,并且主张的组合的方法的效用,α-他和β亚基分别在大肠杆菌中表达。以下裂解,可溶性级分混合,并通过ICAR之前纯化的蛋白通过非变性PAGE分析。功能齐全的蛋白酶也通过裂解物混合的方法( 图2A和图2B,泳道2)中产生,并如预期,也观察到了SR物种。在混合裂解液样品的DR物种的再现表明,一旦形成,β亚基无法可逆拆解;这强调了DR的死胡同性质。有趣的是,一个新的物种也出现了混合裂解液样品中,只迁移CP(称为"半")所示。最近,我们发现,这个物种相当于半蛋白酶体(αβ7 7)18。在这里说明这一点,一个β亚基突变(R166W)的使用。这种突变破坏β-β环相互作用,导致受损的半蛋白酶二聚体18。由于半蛋白酶是直接前体到CP时,R166W突变应导致半蛋白酶的两个累积DA减少CP的形成。当与α-他和β(R166W)亚基裂解物混合进行,观察到的CP较低水平,并增加了"半"物种的水平( 图2A,泳道4)。这是与这两个波段的前体 - 产物关系一致,并且印证了"半"物种作为半 - 蛋白酶体的身份。突变样品(泳道4对比泳道2)在半蛋白酶体的速度稍快的迁移可能是由于在R166W突变改变β亚基的质荷比。
相比于细胞内的高蛋白质浓度的可视化裂解物混合期间半蛋白酶的能力,主要是由于在裂解物低得多的蛋白浓度。较低浓度导致更少的高效率( 即较慢)装配,这使得中间体变得更加填充,从而可检测的。除了半蛋白酶体的外观,一个附加的观察突出裂解物混合期间降低的组装效率:未处理的β亚基,它保留其前肽,成为可检测的(proβ)。由于前肽处理不会发生,直到半蛋白酶二聚化,未成熟proβ形式的外观用半蛋白酶积累水平(比较图2C中,第3道与第2道与第4道)相关。在R166W突变体的情况下,裂解物混合期间前肽处理故障是绝对即使CP少量确实形式。这是因为前肽处理,不仅需要半蛋白酶体二聚化,同时也正确形成β-β环接口23其中R166W突变也买不起。共表达与裂解液混合的更详细的叙述,因为它涉及到重组蛋白酶体装配,都可以在这里找到18。
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图1:核心粒子(CP)组件的原理示意图。
所述α亚基可以组装成一个单一的α环第一(SR),其充当β亚基的掺入模板。这导致产生半蛋白酶中间体(一半)的从而迅速二聚化。并发二聚,β亚基前肽(未示出)自催化除去从而产生了全功能芯颗粒(CP)。双α-环(DR)可以从SR产生,并不能胜任组装成CP。它们的形成表示在对比生产装配事件(实线箭头)一个非生产性组件途径(虚线箭头)。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2:用于测定蛋白酶体大会相结合的办法。
共表达(C)和裂解物混合(L)被用来从古分枝maripaludis研究重组蛋白酶的装配。蛋白质被固定化钴亲和树脂(ICAR)纯化。 (A,B)纯化的蛋白(10微克)被装载到非变性5 - 10%梯度凝胶。电泳后,肽酶活性是通过用含有荧光肽底物缓冲溶液覆盖在凝胶可视SUC-LLVY-AMC(B)中以染色用胶体考马斯染色试剂(A)中的凝胶之前。黑色箭头表示组装20S核心颗粒(CP),半蛋白酶体中间(一半),双α-环(DR)和单α环(SR)的位置。几个分子大小的标准(以kDa)的迁移右侧表示。 (C) A g>的纯化蛋白(10微克)也装到15%SDS-PAGE凝胶。电泳后,凝胶用胶体考马斯染色试剂染色。 α-他的亚基和完全成熟(mβ)和未成熟(proβ)β亚基的迁移指示。 25 kDa的分子大小标准的位置如右图所示。星号表示截断α-他的亚基裂解过程中从非特异性蛋白水解产生的片段。 请点击此处查看该图的放大版本。
质粒 | 基因型 | 资源 |
AKB191 | pET42 PSMA,他的 | Kusmierczyk等人,(2011) |
AKB464 | pET42 PSMA,他PSMB | Kusmierczyk等人,(2011) |
AKB946 | pET42 PSMB | Panfair等人,(2015) |
AKB952 | pET42 PSMB(R166W) | Panfair等人,(2015) |
表1: 本研究中使用的细菌质粒。 PSMA是古α亚基基因和PSMB是古β亚基基因。
缓冲液A | 的50mM HEPES-NaOH洗涤,pH值7.5,300mM NaCl的,5mM的MgCl 2的。 | 缓冲器B,C和E,是缓冲含有咪唑衍生物。从在水中制备并储存在黑暗中2M的库存添加咪唑是有用的。 |
本地缓冲解决 | 375毫的Tris-HCl,pH值8.8,0.1%(体积/体积)四甲基乙二胺(TEMED)和0.1%(重量/体积)铵Perulfate(APS)。 | 准备新鲜不超过一个小时前,凝胶进行聚合保持在冰上。当在本地解决缓冲器制备丙烯酰胺凝胶溶液,是有用的,从一个4X库存(1.5M的Tris-HCl,pH值8.8)中添加的Tris-HCl。在APS中加入之前立即聚合。 |
本机运行缓冲液10X股票 | 250毫米的Tris,1.92甘氨酸,不调整pH值。 | |
5X本土样品缓冲液 | 的0.5M的Tris-HCl,pH值8.8,50%(V / V)甘油,溴酚蓝的痕迹。 | 迹线指的是一个非常小的量,通常是通过刮刀转移几粒。 |
5X SDS样品缓冲 | 的0.3M的Tris-HCl,pH值6.8,600mM的二硫苏糖醇(DTT),10%(重量/体积)SDS,50%(体积/体积)甘油和溴酚蓝的痕迹。 | 迹线指的是一个非常小的量,通常是通过刮刀转移几粒。 |
显影缓冲器 | 的50mM的Tris-HCl,pH值7.5,5mM的MgCl 2的,1毫摩尔ATP,50mM的SUC-LLVY-AMC。 | SUC-LLVY-AMC是用于测定蛋白酶活性的荧光肽底物。 |
表2:解决方案,在这项研究中使用的介质,和缓冲液。
我们展示相结合的办法的好处通过重组古蛋白酶非变性PAGE分析蛋白酶体装配。蛋白酶体亚基的细菌共表达的常用方法9,11允许快速分析,但可能不露出键组件的中间体。我们建议用裂解液共表达相结合的混合开发汇编事件更宽阔的视野。
这种结合方法的优点是,尽管要求的α分开的表达和β亚基为裂解物混合,它仍然是相对劳动友好。结果也可以是半定量如果确保了单个蛋白质的可比较的和一致的表达水平。为此,我们建议进行重组蛋白质表达的通常的优化来确定允许之前裂解物混合表达的蛋白质的可比较的水平的条件。优化可以包括不同的感应恬即,诱导温度,诱导时,细菌表达菌株的光密度,并依此类推,直到可溶性蛋白的所需水平得以实现。进行比较的蛋白的野生型和突变的版本时,因为有时突变可以表现出可比的表达水平,但降低的溶解度,这是特别重要的。我们也强调确定ICAR纯化样品的蛋白浓度的重要性加载非变性PAGE之前。即使在地方表达的优化,并采取确保平行样品通过以相同的方式纯化步骤处理最好的照顾,仍可以在不经意间引入方差。的浓度测量确保了总蛋白的相同量的每个样品装载孔。这使得带强度的车道到车道的比较对于给定的迁移物种更有意义。
如果表达的可比性和一致性水平不能lysA的实现TE混合,人们总是可以净化所有组件事先并开展纯蛋白质混合实验。这具有允许更准确的蛋白质测定的优点,从而使该方法的定量。然而,充分纯化的缺点是,过程变得相当多的劳动强度大,它可以排除多个突变同时18的快速分析。值得一提的最后一个需要注意的是,有时分离α的表达和β亚基可能是不可能的。如果一个突变导致亚基自身表达时成为不溶性的在大肠杆菌中 ,但允许当所述突变体与它的结合配偶表示要恢复的溶解度可能出现这种情况。如果发生这种情况,它会限制分析只共表达。然而,这是可以在一般的重组蛋白质表达过程中产生一个警告,并且不是特定于古细菌蛋白酶体亚基24,25。
我们选择了根中心提供全方位我们应有的缓解ICAR树脂纯化和承受能力的蛋白酶体的蛋白他标记的衍生物。其它表位标签是可能的,包括那些基于抗体的纯化,我们已经成功地表达,我们的蛋白酶体亚基的纯化Flag标记的版本(未示出)。然而,如果需要纯化同质性(或增加生产规模),在他的标记版本提供了这样做的最快和最具成本效益的手段。
它是一个给定的,与重组蛋白获得的结果,无论是古细菌或在细菌中产生真核蛋白,将进一步获得当与体内观察随访意思。然而, 在体内的方法可能不总是实验立即访问。这是特别真实时研究的主题是一个大的,多亚基复合物如蛋白酶。重组蛋白方法为浮图的重要启动点再实验。在蛋白酶体的情况下,配对重组古蛋白酶生产与非变性PAGE将继续阐明蛋白酶体组装,这是古和真核生物9,11,12,18之间共享的关键特征非常有效。这样的方法可能是用于研究等大型多蛋白复合物的装配以及有用。最近,我们使用这种策略证明古细菌蛋白酶体可以通过一个以上的通路装配,以及α-环是未组装期间专性中间体,它们被认为是18。它仍然如果同样适用于真核蛋白酶体真正确定。
The authors have nothing to disclose.
这项工作是部分来自印第安纳大学 - 普渡大学印第安纳波利斯研究扶持资金补助(RSFG),部分由美国心脏协会14GRNT20390154奖,支持ARK
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acrylamide (40%) solution | Biorad | 1610104 | Unpolymerized acrylamide is a neurotoxin. Wear proper protective gear |
Amicon ultra 0.5 mL centrifugal filters | EMDMillipore | UFC501024 | |
Ammonium Persulfate | Sigma | A3678 | |
ATP | Sigma | A7699 | |
BCA assay kit | Pierce | 23225 | |
Bisacrylamide (2%) solution | Biorad | 1610142 | |
Bromophenol blue | Sigma | B8026 | |
DNaseI | Sigma | DN25 | |
Dithiothreitol (DTT) | Thermo Fisher | BP172 | |
E. coli BL21 competent cells | EMD Millipore | 69450 | |
GelCode Blue | Thermo Fisher | 24592 | Colloidal coomassie stain reagent for gels |
Gel doc EZ system | Biorad | 1708270 | Gel documentation system |
Gel releasers | Biorad | 1653320 | Wedge shaped plastic used to separate gel plates; useful for spreading liquid. |
Glass rod | Thermo Fisher | 11-380B | |
Glycerol | Sigma | 49767 | |
Glycine | Thermo Fisher | BP3865 | |
Hamilton syringe | Thermo Fisher | 14-813-38 | Glass syringe for loading gels |
HEPES | US Biologicals | H2010 | |
HMW Native calibration kit | GE Healthcare | 170445-01 | High molecular weight protein standards |
Hoefer SG30 | Thermo Fisher | 03-500-277 | Gradient maker |
Imidazole | US Biologicals | 280671 | |
IPTG | US Biologicals | I8500 | For induction of protein expression |
Isopropanol | Thermo Fisher | BP26181 | |
Kanamycin sulfate | US Biologicals | K0010 | |
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MgCl2 | Fluka analytical | 630680 | |
Mini Protean Tetra Cell | Biorad | 1658002EDU | Gel electrophoresis apparatus |
NaCl | Thermo Fisher | S640-3 | |
NaOH | Thermo Fisher | S318-1 | |
Pefabloc SC | Roche | 11429876001 | Protease inhibitor |
pET42 | EMD Millipore | 70562 | Expression plasmid |
Precision plus all blue standard | Biorad | 1610373 | Molecular protein standard for SDS-PAGE |
Quickchange mutagenesis kit | Agilent technologies | 200521 | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Thermo Fisher | BP166 | |
Suc-LLVY-AMC | Enzo lifesciences | BML P802-0005 | Fluorogenic substrate |
Talon Metal Affinity Resin | Clontech | 635502 | Immobilized Cobalt Affinity Resin |
TEMED | Sigma | T7024 | |
Tris | US Biologicals | T8600 | |
Triton-X100 | Sigma | 93426 | |
Tryptone | Bacto BD | 211699 | |
UV sample tray | Biorad | 1708271 | For UV imaging of gels |
Yeast extract | Bacto BD | 212720 |
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