本工作详细介绍了制备同位素标记的膜蛋白样品的可靠基本流程,以及如何利用现代固态核磁共振波谱技术对其进行高分辨率分析。
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本工作详细介绍了制备同位素标记的膜蛋白样品的可靠基本流程,以及如何利用现代固态核磁共振波谱技术对其进行高分辨率分析。
膜蛋白对细胞功能至关重要,因此是重要的药物靶点。固态核磁共振(ssNMR)光谱技术为研究日益复杂的生物膜中此类蛋白的结构与动力学提供了独特途径。本文介绍现代固态核磁共振光谱技术作为一种在原子尺度上研究天然脂质膜中蛋白质结构与动力学的工具。这类光谱研究得益于高灵敏度ssNMR方法的应用,即质子(1H)检测ssNMR和动态核极化(DNP)增强的ssNMR。以细菌外膜β-桶状蛋白BamA和离子通道KcsA为例,我们展示了制备同位素标记膜蛋白的方法,并通过ssNMR获取其结构与运动信息的技术流程。
在生理相关环境中研究膜蛋白的结构与运动,对传统结构生物学技术提出了挑战1。现代固体核磁共振波谱技术(ssNMR)为膜蛋白的表征提供了一种独特的方法2,3,4,5,6,7,长期以来已被用于研究多种膜蛋白,包括嵌入膜内的蛋白质泵8、通道9,10,11以及受体12,13,14,15。技术进步,如超高磁场>1,000 MHz、快速魔角旋转频率>100 kHz以及超极化技术16,已使ssNMR成为研究从脂质体、细胞膜乃至完整细胞等日益复杂环境中膜蛋白的有力手段。例如,动态核极化(DNP)已成为此类实验中的强大工具(参见文献17,18,19,20,21,22,23,24,25)。近年来,1H检测的ssNMR进一步提高了对膜蛋白研究的谱分辨率和灵敏度25,26,27,28,29。本工作重点介绍两种参与关键生物学功能的细菌膜蛋白,即蛋白质插入和离子转运。相应的蛋白质BamA25,30,31,32,33和KcsA23,27,28,34,35,36,37,38,39(或其嵌合变体10,40)已被ssNMR方法研究超过十年。
本文介绍了一种具有代表性的细菌来源膜蛋白制备及其固态核磁共振(ssNMR)表征的实验方案。该方案的各个步骤如图1所示。首先,阐述了BamA蛋白的表达、同位素标记、纯化及膜重组过程;随后,介绍了利用快速魔角旋转下的1H检测固态核磁共振技术对膜蛋白进行表征的一般工作流程,特别是膜蛋白主链的化学位移指认;最后,详细说明了动态核极化(DNP)增强实验的基本设置与数据采集方法,该技术可显著提高固态核磁共振信号的灵敏度。
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1. 均一标记的2H、13C、15N标记的BamA-P4P5的制备
注意:尽管本方案涉及非致病性革兰氏阴性细菌的操作,但仍必须遵守基本的生物安全规程,包括佩戴护目镜、实验服、手套,并遵循机构规定的微生物操作标准流程。
2. 纯化、复性及BamA-P4P5蛋白脂质体的形成
注意:本节所有步骤均应在通风橱中进行。离心后打开离心管时需格外小心,以避免有害气溶胶的产生。
3. 填充固态核磁共振转子
4. 通过二维13C-13C 固态核磁共振波谱对样品进行表征
5. 通过1H检测的3D ssNMR波谱法进行骨架归属
6. 基于1H检测的固态核磁共振波谱法研究蛋白质动力学
7. 动态核极化
注意:以下制备步骤涉及使用商用 DNP 装置及 3.2 mm 宝石材质魔角旋转(MAS)转子(图6)20。使用氧化锆转子或其他 DNP 设备可能导致 DNP 信号增强效果降低。
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图2展示了包涵体纯度(图A)和包涵体复性(图B3)的代表性凝胶结果。图2证实了13C,15N标记的BamA-P4P5成功纯化。
图3A 显示了一个有序性良好的膜蛋白的典型二维13C-13C 谱图,图3B 显示了一个全氘代膜蛋白的典型高质量二维15N1H 谱图25。请注意,该膜蛋白以包涵体形式表达,因此其跨膜区域也可实现全氘代。对于不以包涵体形式表达的膜蛋白,通常需要使用基于H2O的培养基进行培养27,55,
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膜蛋白在原核和真核生物细胞关键生命功能的调控中起着核心作用;因此,从原子分辨率水平理解其作用机制至关重要。现有的结构生物学技术已极大地推动了对膜蛋白的科学认知,但这些技术主要依赖于从无膜的体外 系统中获得的实验数据。本文介绍一种实验方法,通过采用前沿的固态核磁共振技术——快速魔角旋转(fast-MAS)和动态核极化(DNP),可获得嵌入类天然膜环境中的两种细菌膜蛋白在原子水平上的结构与功能信息。该方法可广泛适用于其他细菌膜蛋白的研究。
本方案首先描述了一种高效且高纯度制备三重同位素标记BamA的稳健方法(图2A)——也可采用其他稳定的同位素标记策略。纯化过程利用表面活性剂作用与超声处理的协同效应,从BamA包涵体中去除细胞碎片。随后的复性步骤中形成BamA-LDAO胶束(图2B)。进一步添加脂质并进行透析,有助于去除LDAO及残留的表面活性剂分子,从而促进形成适用于固态核磁共振(NMR)研究的蛋白脂质体。蛋白脂质体的形成...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作属于荷兰研究委员会(NWO)资助的研究项目 ECHO、TOP、TOP-PUNT、VICI 和 VIDI,项目编号分别为 723.014.003、711.018.001、700.26.121、700.10.443 和 718.015.00。 本文由 iNEXT-Discovery(项目编号 871037)提供支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 钼酸铵 | Merck | 277908 | |
| 氯化铵-15N | Cortecnet | CN80P50 | |
| 氨苄青霉素 | Sigma Aldrich | A9518 | |
| AMUpol | Cortecnet | C010P005 | |
| 苯甲酸酯酶 | EMD Millipore Corp | 70746-3 | |
| 硼酸 | Merck | B6768 | |
| 溴酚蓝 | Sigma | B0126 | |
| 二氯化钙 | Merck | 499609 | |
| 氯化胆碱 | Sigma | C-1879 | |
| 氯化钴 | Merck | 449776 | |
| 硫酸铜 | Merck | C1297 | |
| D-生物素 | Merck | 8512090025 | |
| 氧化氘 | Cortecnet | CD5251P1000 | |
| 二甲基亚砜 | Merck | D9170 | |
| 乙二胺四乙酸 | Sigma Aldrich | L6876 | |
| 叶酸 | Sigma | F-7876 | |
| 葡萄糖 13C + 2H | Cortecnet | CCD860P50 | |
| 甘油 | Honeywell | G7757 | |
| 甘油 (12C3, 99.95% D8, 98%) | Eurisotope | CDLM-8660-PK | |
| 甘油(非富集) | Honeywell | G7757-1L | |
| 甘氨酸 | Sigma Aldrich | 50046 | |
| 盐酸胍 | Roth Carl | NR.0037.1 | |
| 硫酸亚铁 | Merck | 307718 | |
| 异丙基 β-D-1-硫代半乳糖吡喃糖苷 | Thermofisher | R0392 | |
| LB培养基 | Merck | L3022 | |
| 溶菌酶 | Sigma Aldrich | L6876 | |
| 氯化镁-六水合物 | Fluka | 63064 | |
| 硫酸镁 | Merck | M5921 | |
| 磷酸二氢钾 | Merck | 1051080050 | |
| 肌醇 | Sigma | I-5125 | |
| n-十二烷基-β-D-麦芽糖苷 | Acros Organics | 3293702509 | |
| N,N-二甲基十二烷基胺-N-氧化物 | Merck | 40236 | |
| 烟酰胺 | Sigma | N-3376 | |
| 泛酸 | Sigma | 21210-25G-F | |
| 蛋白酶抑制剂 | Sigma | P8849 | |
| 盐酸吡哆醛 | Sigma Aldrich | P9130 | |
| 核黄素 | Aldrich | R170-6 | |
| 氯化钠 | Merck | K51107104914 | |
| 磷酸二氢钠-一水合物 | Sigma Aldrich | 1,06,34,61,000 | |
| 十二烷基硫酸钠 | Thermo-scientific | 28365 | |
| 氢氧化钠 | Merck | 1,06,49,81,000 | |
| 蔗糖 | Sigma Life Science | S9378 | |
| 盐酸硫胺素 | Merck | 5871 | |
| Tris-HCl | Sigma Aldrich | 10,70,89,76,001 | |
| 氯化锌 | Merck | 208086 | |
| E.coli BL21 DE3* | New England Biolabs | C2527 | |
| 1.5 mL 超速离心管 | Beckman Coulter | 357448 | |
| 30 kDa 离心过滤器 | Amicon | UFC903024 | |
| 3.2 mm 宝石DNP转子及端盖 | Cortecnet | H13861 | |
| 3.2 mm 聚四氟乙烯插件 | Cortecnet | B6628 | |
| 3.2 mm 样品装填/卸载工具 | Cortecnet | B6988 | |
| 3.2 mm 普通壁MAS转子 | Cortecnet | HZ16913 | |
| 3.2 mm 普通壁MAS转子 | Cortecnet | HZ09244 | |
| 3.2 mm 薄壁转子工具包 | Cortecnet | B136904 | |
| 1.3 mm MAS转子 + 端盖 | Cortecnet | HZ14752 | |
| 1.3 mm 填充工具 | Cortecnet | HZ14714 | |
| 1.3 mm 样品装填器 | Cortecnet | HZ14716 | |
| 1.3 mm 端盖移除器 | Cortecnet | HZ14706 | |
| 1.3 mm 端盖安装工具 | Cortecnet | HZ14744 | |
| 透析袋 12-14 kDa | Spectra/Por | 132703 | |
| Sharpie - 黑色 | Merck | HS15094 |
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