RU2500684C2 - Membrane protein renaturation method - Google Patents
Membrane protein renaturation method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2500684C2 RU2500684C2 RU2011137964/10A RU2011137964A RU2500684C2 RU 2500684 C2 RU2500684 C2 RU 2500684C2 RU 2011137964/10 A RU2011137964/10 A RU 2011137964/10A RU 2011137964 A RU2011137964 A RU 2011137964A RU 2500684 C2 RU2500684 C2 RU 2500684C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- protein
- membrane
- lbn
- detergent
- detergents
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Peptides Or Proteins (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к молекулярной биологии и биотехнологии, а именно к способу ренатурации мембранных белков, которые могут найти применение в получении новых лекарственных препаратов, создании новых биокатализаторов, биосенсоров и биофотонных устройств.The invention relates to molecular biology and biotechnology, and in particular to a method of renaturation of membrane proteins that can be used in the preparation of new drugs, the creation of new biocatalysts, biosensors and biophotonic devices.
Согласно современным данным, гены мембранных белков (МБ) составляют до трети всех последовательностей, закодированных в геноме человека [Е. Wallin, G. von Heijne, (1998) Protein Sci., 7: 1029-1038]. Эти белки играют основную роль в процессах передачи сигналов, как на уровне отдельной клетки, так и на уровне целого организма, а также выполняют транспортные, энергетические и другие функции. Мембранные белки обуславливают функционирование нервной, иммунной и эндокринной систем млекопитающих. По современным прогнозам примерно половина всех мембранных белков человека представляет собой потенциальные мишени для разработки новых лекарственных препаратов. Наиболее интересными объектами для фармакологических разработок являются два класса МБ. К первому классу относятся мембранные рецепторы, связанные с ионными каналами, передающие сигналы через клеточную мембрану или вдоль нее путем изменения проницаемости мембраны [F. Hucho, С.Weise, (2001), Angewandte Chemie International Edition, 40(17): 3100-3116]. Большинство из этих МБ имеют субъединичную организацию и представляют собой гомо- или гетероолигомеры. Ко второму классу фармакологически важных МБ относятся мембранные рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCR), которые активируют внутриклеточный каскад реакций в ответ на внеклеточные сигналы химической или световой природы [D.M. Rosenbaum, S.G. Rasmussen, B.K. Kobilka, (2009) Nature, 459: 356-363]. Молекулы рецепторов семейства GPCR часто образуют олигомеры в мембранах клеток, однако функционально активной единицей этих МБ является мономер, состоящий из 7 трансмембранных спиралей.According to current data, membrane protein (MB) genes account for up to a third of all sequences encoded in the human genome [E. Wallin, G. von Heijne, (1998) Protein Sci., 7: 1029-1038]. These proteins play a major role in signal transduction processes, both at the level of an individual cell and at the level of the whole organism, and also perform transport, energy, and other functions. Membrane proteins determine the functioning of the mammalian nervous, immune and endocrine systems. According to current forecasts, approximately half of all human membrane proteins are potential targets for the development of new drugs. The most interesting objects for pharmacological developments are two classes of MB. The first class includes membrane receptors associated with ion channels that transmit signals through or along the cell membrane by changing the permeability of the membrane [F. Hucho, C. Weise, (2001), Angewandte Chemie International Edition, 40 (17): 3100-3116]. Most of these MBs have a subunit organization and are homo- or hetero-oligomers. The second class of pharmacologically important MBs include membrane receptors associated with G-proteins (GPCR), which activate the intracellular cascade of reactions in response to extracellular signals of a chemical or light nature [D.M. Rosenbaum, S.G. Rasmussen, B.K. Kobilka, (2009) Nature, 459: 356-363]. GPCR family receptor molecules often form oligomers in cell membranes, however, the monomer consisting of 7 transmembrane helices is a functionally active unit of these MBs.
Кроме исследований в области фармакологии МБ представляют огромный интерес в качестве объектов для биотехнологических разработок. Мембранные ферменты, ответственные за каталитические превращения липидов в живой клетке, и участвующие в процессах потребления алканов некоторыми микроорганизмами, могут быть использованы в химической и пищевой промышленностях, а также в области косметологии для создания модифицированных молекул на основе природных и синтетических липидов и углеводородов. Мембранные ферменты и рецепторы также могут быть применены в области биотехнологии и экологии для создания наноразмерных биосенсоров и биокатализаторов, способных детектировать загрязняющие вещества алкильной природы, и преобразовывать их в биодеградируемые производные. Кроме того, мембранные рецепторы, реагирующие на световые стимулы (например, бактериородопсин галобактерий), могут быть использованы при конструировании различных бионанофотонных устройств для хранения и передачи информации.In addition to research in the field of pharmacology, MBs are of great interest as objects for biotechnological developments. Membrane enzymes responsible for the catalytic transformation of lipids in a living cell and involved in the consumption of alkanes by certain microorganisms can be used in the chemical and food industries, as well as in the field of cosmetology, to create modified molecules based on natural and synthetic lipids and hydrocarbons. Membrane enzymes and receptors can also be used in biotechnology and ecology to create nanoscale biosensors and biocatalysts capable of detecting contaminants of an alkyl nature and transforming them into biodegradable derivatives. In addition, membrane receptors that respond to light stimuli (for example, bacteriorhodopsin halobacteria) can be used in the construction of various bionanophotonic devices for storing and transmitting information.
Несмотря на большое разнообразие и огромную практическую важность мембранных белков, прогресс в их исследованиях и прикладном использовании чрезвычайно затруднен. Сложность исследования и практического применения МБ связана как с трудностью их наработки и выделения, так и с особенностями их пространственной организации. Большинство МБ представляют собой связки из нескольких трансмембранных спиралей. Так как трансмембранные спирали гидрофобны, мембранный белок может обладать природной структурой только в присутствии биологической мембраны или подходящего мембранного миметика. Более того, относительно слабое межспиральное взаимодействие в мембранных белках обуславливает их большую конформационную подвижность. Оба этих фактора (требование наличия мембраны и динамическая подвижность) значительно затрудняют как выделение, так и дальнейшее использование МБ в прикладных или исследовательских целях.Despite the great diversity and enormous practical importance of membrane proteins, progress in their research and application is extremely difficult. The complexity of the study and practical application of MB is associated both with the difficulty of their development and isolation, and with the features of their spatial organization. Most MBs are bundles of several transmembrane helices. Since transmembrane helices are hydrophobic, a membrane protein can have a natural structure only in the presence of a biological membrane or a suitable membrane mimetic. Moreover, the relatively weak interhelix interaction in membrane proteins causes their greater conformational mobility. Both of these factors (the requirement for a membrane and dynamic mobility) significantly complicate both the isolation and further use of MB for applied or research purposes.
Для стабилизации МБ в растворе обычно применяют такие мембранные миметики, как детергентные мицеллы, липид-детергентные бицеллы и липидные везикулы. Эти мембранные миметики обладают рядом недостатков и в некоторых случаях не могут обеспечить долговременную стабильность препаратов МБ. Так, липидные везикулы, хотя и обеспечивают квазинативное окружение белковой молекулы, но склонны к спонтанной агрегации (слиянию) с образованием больших моноламелярных липосом, что часто приводит к агрегации препаратов МБ. Кроме того липидные везикулы изолируют цитоплазматическую часть МБ от внешнего раствора, что затрудняет функциональные исследования и использование МБ в области биотехнологии. С другой стороны, большая кривизна поверхности мицелл детергентов и липид-детергентных бицелл часто искажает пространственную структуру инкапсулированной белковой молекулы, что ведет к понижению ее активности, а большая динамическая подвижность молекул детергента значительно понижает стабильность МБ. Детергентные мицеллы и липид-детергентные бицеллы склонны к диссоциации при понижении концентрации детергента ниже критической концентрации мицеллообразования, что также может приводить к инактивации препарата МБ. Кроме того, молекула или молекулы МБ могут самопроизвольно покидать мицеллы или бицеллы, а также перемещаться между ними, что приводит к распаду функционально-активных олигомерных комплексов или к нежелательной ассоциации мембранных молекул.To stabilize MB in solution, membrane mimetics such as detergent micelles, lipid-detergent bicelles, and lipid vesicles are usually used. These membrane mimetics have a number of disadvantages and in some cases cannot ensure the long-term stability of MB preparations. So, lipid vesicles, although they provide a quasinative environment of a protein molecule, are prone to spontaneous aggregation (fusion) with the formation of large monolamellar liposomes, which often leads to aggregation of MB preparations. In addition, lipid vesicles isolate the cytoplasmic part of MB from an external solution, which complicates functional studies and the use of MB in the field of biotechnology. On the other hand, the large surface curvature of the micelles of detergents and lipid-detergent bicelles often distorts the spatial structure of the encapsulated protein molecule, which leads to a decrease in its activity, and the high dynamic mobility of the detergent molecules significantly reduces the stability of MB. Detergent micelles and lipid-detergent bicelles are prone to dissociation when the detergent concentration is lower than the critical micelle concentration, which can also lead to inactivation of the MB drug. In addition, a molecule or MB molecules can spontaneously leave micelles or bicelles, and also move between them, which leads to the decomposition of functionally active oligomeric complexes or to an undesirable association of membrane molecules.
Альтернативной мембраномоделирующей средой являются липопротеиновые частицы, также называемые реконструированные незрелые частицы липопротеинов высокой плотности (rHDL) или липид-белковые нанодиски (ЛБН). Каждый липид-белковый нанодиск представляет собой фрагмент бислойной мембраны, сформированный из молекул фосфолипидов, гидрофобная часть которого экранирована от растворителя одной или несколькими копиями белковой молекулы аполипопротеина (Apo-LP), или его синтетического аналога (Фиг.1). ЛБН имеет форму диска с толщиной, равной толщине бислойной мембраны (4-5 нм). Липопротеиновые частицы могут иметь диаметр от 8 до 100 нм. Диаметр ЛБН зависит от типа использованного аполипопротеина, типа фосфолипида и молярного отношения аполипопротеин/фосфолипид, использованного в процессе реконструкции ЛБН [I.G. Denisov, Y.V. Grinkova, A.A. Lazarides, S.G. Sligar, (2004) J. Am. Chem. Soc. 126(11): 3477-3487]. Для формирования ЛБН описаны примеры использования аполипротеинов из различных организмов, включая млекопитающих (человек) [С.Е. Matz, A. Jonas, (1982) J. Biol. Chem., 257: 4535-4540.], членистоногих (тутовый шелкопряд В. mori) [В.А. Chromy, E. Arroyo, C.D. Blanchette, G. Bench, H. Benner, J.A. Cappuccio, M.A. Coleman, P.T. Henderson, A.K. Hinz, E.A. Kuhn, J.B. Pesavento, B.W. Segeike, T.A. Sulchek, T. Tarasow, V.L. Walsworth, P.D. Hoeprich, (2007) J Am Chem Soc, 129(46); 14348-14354] и рыб (zebrafish, Danio rerio) [S. Banerjee, T. Huber, T.P. Sakmar, (2008) J Mol Biol., 377(4): 1067-1081], а также фрагментов аполипопротеинов или синтетических белковых последовательностей, включающих в себя одну или несколько копий фрагментов аполипопротеина со вставками или делениями [I.G. Denisov, Y.V. Grinkova, A.A. Lazarides, S.G. Sligar, (2004) J. Am. Chem. Soc. 126(11): 3477-3487]. Кроме того, для формирования ЛБН используются синтетические пептидные молекулы, способные формировать амфифильную спиральную структуру в присутствии молекул фосфолипидов и стабилизировать наноразмерные фрагменты бислойной липидной мембраны в растворе [V.K. Mishra, G.M. Anantharamaiah, J.P. Segrest, M.N. Palgunachari, M. Chaddha, S.W. Sham, N.R. Krishna, (2006) J Biol Chem., 281(10): 6511-6519]. В отличие от традиционно используемых мицелл и бицелл, ЛБН содержат фрагменты бислойной мембраны, что позволяет гораздо лучше моделировать мембранное окружение встроенных белков. Фрагмент липидной мембраны в составе ЛБН сохраняет многие биофизические свойства, присущие настоящим мембранным системам. Основным преимуществом ЛБН является их стабильность. В отличие от липидных везикул и мицелл детергентов они не склонны к агрегации и слиянию и не распадаются при понижении концентрации. Кроме того, молекула или молекулы белка, встроенные в ЛБН, имеют фиксированное агрегационное состояние. Мембранные белки не могут самопроизвольно покидать ЛБН, что эффективно подавляет нежелательную ассоциацию мембранных молекул и предотвращает распад функционально важных белковых комплексов. Полная доступность растворителю обеих сторон ЛБН (и, соответственно, встроенного в него мембранного белка) позволяет проводить функциональные исследования МБ и использовать МБ в области биотехнологии.An alternative membrane-modeling medium is lipoprotein particles, also called reconstructed immature particles of high density lipoproteins (rHDL) or lipid-protein nanodiscs (LBD). Each lipid-protein nanodisk is a fragment of a bilayer membrane formed from phospholipid molecules, the hydrophobic part of which is screened from the solvent by one or more copies of the protein molecule apolipoprotein (Apo-LP), or its synthetic analogue (Figure 1). LBN has a disk shape with a thickness equal to the thickness of a bilayer membrane (4-5 nm). Lipoprotein particles can have a diameter of from 8 to 100 nm. The diameter of the LBN depends on the type of apolipoprotein used, the type of phospholipid and the molar ratio apolipoprotein / phospholipid used in the reconstruction of the LBN [I.G. Denisov, Y.V. Grinkova, A.A. Lazarides, S.G. Sligar, (2004) J. Am. Chem. Soc. 126 (11): 3477-3487]. For the formation of LBN, examples of the use of apoliproteins from various organisms, including mammals (humans), are described [S.E. Matz, A. Jonas, (1982) J. Biol. Chem., 257: 4535-4540.], Arthropods (silkworm B. mori) [V.A. Chromy, E. Arroyo, C.D. Blanchette, G. Bench, H. Benner, J.A. Cappuccio, M.A. Coleman, P.T. Henderson, A.K. Hinz, E.A. Kuhn, J.B. Pesavento, B.W. Segeike, T.A. Sulchek, T. Tarasow, V.L. Walsworth, P.D. Hoeprich, (2007) J Am Chem Soc, 129 (46); 14348-14354] and fish (zebrafish, Danio rerio) [S. Banerjee, T. Huber, T.P. Sakmar, (2008) J Mol Biol., 377 (4): 1067-1081], as well as apolipoprotein fragments or synthetic protein sequences including one or more copies of apolipoprotein fragments with inserts or divisions [I.G. Denisov, Y.V. Grinkova, A.A. Lazarides, S.G. Sligar, (2004) J. Am. Chem. Soc. 126 (11): 3477-3487]. In addition, synthetic peptide molecules capable of forming an amphiphilic helical structure in the presence of phospholipid molecules and stabilizing nanosized fragments of a bilayer lipid membrane in solution are used for the formation of LBN [V.K. Mishra, G.M. Anantharamaiah, J.P. Segrest, M.N. Palgunachari, M. Chaddha, S.W. Sham, N.R. Krishna, (2006) J Biol Chem., 281 (10): 6511-6519]. Unlike traditionally used micelles and bicelles, LBNs contain fragments of a bilayer membrane, which makes it possible to better simulate the membrane environment of embedded proteins. A fragment of the lipid membrane in the composition of LBN retains many of the biophysical properties inherent in these membrane systems. The main advantage of LBN is their stability. Unlike lipid vesicles and micelles of detergents, they are not prone to aggregation and fusion and do not decompose when the concentration is lowered. In addition, the protein molecule or molecules embedded in the LBN have a fixed aggregation state. Membrane proteins cannot spontaneously leave LBN, which effectively suppresses the undesired association of membrane molecules and prevents the breakdown of functionally important protein complexes. Full accessibility to the solvent on both sides of LBN (and, accordingly, the membrane protein integrated into it) allows us to carry out functional studies of MB and use MB in the field of biotechnology.
Для молекулярно-биологических исследований белковых молекул и для их использования в области фармакологии или биотехнологии в большинстве случаев требуются большие количества функционально-активного белкового препарата, которые не могут быть получены из естественных источников. Для продукции препаратов МБ в настоящее время используется несколько методов, обладающих существенными недостатками. Так, например, гетерологическая экспрессия, в ходе которой целевой белок накапливается в мембране клеток бактерий, дрожжей, насекомых или млекопитающих, часто позволяет получить МБ в функционально-активной форме. Однако, количество белкового препарата, получаемого этим методом, лимитировано емкостью мембран экспрессирующих клеток и зачастую недостаточно как для фармакологических и структурных исследований, так и для прикладного использования МБ [K.Н. Lundstrom (2006) Structural Genomics on Membrane Proteins. CRC Press]. Более того, успешная гетерологическая экспрессия МБ в составе мембран бактериальных клеток описана только для нескольких эукариотических белков, что указывает на ограниченную применимость этого подхода [Е.С.McCusker, S.E. Bane, M.A. O'Malley, A.S. Robinson, (2007) Biotechnol. Prog., 23(3): 540-547].For molecular biological studies of protein molecules and for their use in the field of pharmacology or biotechnology, in most cases, large quantities of a functionally active protein preparation are required that cannot be obtained from natural sources. For the production of MB drugs, several methods are currently used with significant drawbacks. For example, heterologous expression, during which the target protein accumulates in the membrane of bacterial, yeast, insect or mammalian cells, often allows MB to be obtained in a functionally active form. However, the amount of protein preparation obtained by this method is limited by the capacity of the membranes of expressing cells and is often not enough for pharmacological and structural studies, as well as for the applied use of MB [K.N. Lundstrom (2006) Structural Genomics on Membrane Proteins. CRC Press]. Moreover, successful heterologous expression of MB in the composition of bacterial cell membranes is described only for a few eukaryotic proteins, which indicates the limited applicability of this approach [E.C. McCusker, S.E. Bane, M.A. O'Malley, A.S. Robinson, (2007) Biotechnol. Prog., 23 (3): 540-547].
Миллиграммовые количества препаратов МБ могут быть получены методами биотехнологии или биоорганической химии в функционально-неактивной форме. Например, эффективные бактериальные системы экспрессии мембранных белков позволяют получить требуемые количества МБ в составе нерастворимых телец включения, характеризующихся неправильной упаковкой полипептидной цепи целевого белка и/или его некорректным агрегационным состоянием [Е.С.McCusker, S.E. Bane, M.A. O'Malley, A.S. Robinson, (2007) Biotechnol. Prog., 23(3): 540-547]. Кроме того, препараты МБ могут быть получены с использованием высокоэффективных методов бесклеточного синтеза [В. Schneider, F. Junge, V.A. Shirokov, F. Durst, D. Schwarz, V. Dutsch, F.Bemhard, (2010) Methods Mol. Biol., 601: 165-186], или методов химического синтеза [A.G. Komarov, K.M. Linn, J.J. Devereaux, F.I. Valiyaveetil. (2009) ACS Chem Biol., 4(12):1029-1038]. Для перевода полученного этими методами препарата МБ в активную форму необходим процесс ренатурации in vitro с использованием таких мембранных миметиков, как детергентные мицеллы, липид-детергентные бицеллы или липидные везикулы [Н. Kiefer, (2003), Biochim. Biophys. Acta 1610:57-62]. К настоящему времени не существует универсальных приемов ренатурации мембранных белков. Особую сложность представляет собой ренатурация олигомерных и политопных (состоящих из нескольких трансмембранных спиралей) мембранных белков, к которым относится большинство рецепторов и ионных каналов.Milligram quantities of MB preparations can be obtained by the methods of biotechnology or bioorganic chemistry in a functionally inactive form. For example, effective bacterial systems for the expression of membrane proteins make it possible to obtain the required amounts of MB in the composition of insoluble inclusion bodies characterized by improper packing of the target protein polypeptide chain and / or its incorrect aggregation state [E.C. McCusker, S.E. Bane, M.A. O'Malley, A.S. Robinson, (2007) Biotechnol. Prog., 23 (3): 540-547]. In addition, MB preparations can be obtained using highly effective methods of cell-free synthesis [B. Schneider, F. Junge, V.A. Shirokov, F. Durst, D. Schwarz, V. Dutsch, F. Bemhard, (2010) Methods Mol. Biol., 601: 165-186], or chemical synthesis methods [A.G. Komarov, K.M. Linn, J.J. Devereaux, F.I. Valiyaveetil. (2009) ACS Chem Biol., 4 (12): 1029-1038]. In order to convert the MB preparation obtained by these methods into the active form, an in vitro renaturation process is required using membrane mimetics such as detergent micelles, lipid-detergent bicelles, or lipid vesicles [N. Kiefer, (2003), Biochim. Biophys. Acta 1610: 57-62]. To date, there are no universal methods for renaturation of membrane proteins. Of particular difficulty is the renaturation of oligomeric and polytopic (consisting of several transmembrane helices) membrane proteins, which include most receptors and ion channels.
Известен способ ренатурации мембранных белков, полученных из телец включения, путем последовательной замены детергентов в мицеллярном окружении мембранных белков [Патент ЕР №1359155, МКЛ. C07K 1/113, опубл. 0511.2003]. Однако, такой подход имеет серьезные ограничения в случае ренатурации олигомерных мембранных белков, так. как в случае мицеллярных систем межмолекулярные белок-белковые контакты затруднены. Как следствие этого, эффективность олигомеризации падает.A known method of renaturation of membrane proteins obtained from inclusion bodies by successive replacement of detergents in the micellar environment of membrane proteins [Patent EP No. 1359155, MKL.
Известен способ ренатурации мембранного белка KcsA из бактерии Streptomyces lividans в нативную тетрамерную форму непосредственным включением биосинтезируемого белка в фосфолипидные везикулы [A. van Dalen, S. Hegger, J.A. Killian, В. de Kruijff, (2002), Febs Lett. 525:33-38]. Однако данный способ является трудоемким и выход тетрамера не превышает 30%.A known method of renaturation of a membrane protein KcsA from the bacterium Streptomyces lividans in the native tetrameric form by direct incorporation of a biosynthetic protein into phospholipid vesicles [A. van Dalen, S. Hegger, J.A. Killian, B. de Kruijff, (2002), Febs Lett. 525: 33-38]. However, this method is laborious and the yield of the tetramer does not exceed 30%.
Известен способ ренатурации мембранных белков путем получения гомогенного раствора мембранного белка и фосфолипидов в смеси органических растворителей, или смеси органического растворителя и воды, с последующим удалением растворителей и полным гидратированием полученной фосфолипид-белковой смеси [Патент РФ на изобретение №2306319, приоритет 07.12.2005]. Однако такой подход имеет серьезные ограничения в случае ренатурации политопных мембранных белков, имеющих в своем составе более четырех трансмембранных спиралей. Растворы органических растворителей изотропны по своим характеристикам и плохо моделируют свойства биологической мембраны, обладающей гидрофобными и полярными регионами. Вследствие этого, в мембранном белке может происходить неправильное формирование контактов спираль-спираль, что понижает эффективность ренатурации.A known method of renaturation of membrane proteins by obtaining a homogeneous solution of membrane protein and phospholipids in a mixture of organic solvents, or a mixture of an organic solvent and water, followed by removal of solvents and complete hydration of the obtained phospholipid-protein mixture [RF Patent for the invention No. 2306319, priority 07.12.2005] . However, this approach has serious limitations in the case of renaturation of polytopic membrane proteins containing more than four transmembrane helices. Solutions of organic solvents are isotropic in their characteristics and poorly model the properties of a biological membrane with hydrophobic and polar regions. As a result of this, an abnormal formation of helix-helix contacts can occur in the membrane protein, which reduces the efficiency of renaturation.
Также известен способ ренатурации, основанный на включении мембранных белков в искусственные липидные везикулы [F.I. Valiyaveetil, Y. Zhou, R. MacKinnon, (2002), Biochemistry 41:10771-10777]. Способ включает стадии солюбилизации денатурированного белка детергентом, формирования смешанных бицелл белок/детергент/фосфолипид, удаления детергента диализом и получения искусственных везикул, содержащих целевой белок. Недостатком этого метода является отсутствие возможности контроля агрегационного состояния белка. Получаемые липидные везикулы не предохраняют МБ от нежелательной агрегации, которая может приводить к значительным потерям целевого белка в ходе ренатурации, а также к значительному понижению стабильности полученных ренатурированных препаратов. Кроме того, для функциональных исследований или использования МБ в области биотехнологии необходим дополнительный перевод (ресолюбилизация) ренатурированного препарата из липидных везикул в другие мембранные миметики, такие как мицеллы, бицеллы, или ЛБН. Дополнительный этап ресолюбилизации также может приводить к потерям белкового препарата и к понижению общей эффективности процесса ренатурации. При применении данного подхода для ренатурации мембранного белка KcsA выход нативной тетрамерной формы белка составляет до 30% от начального количества целевого белка.Also known is a renaturation method based on the incorporation of membrane proteins into artificial lipid vesicles [F.I. Valiyaveetil, Y. Zhou, R. MacKinnon, (2002), Biochemistry 41: 10771-10777]. The method includes the steps of solubilizing the denatured protein with a detergent, forming mixed protein / detergent / phospholipid bicelles, removing the detergent with dialysis, and producing artificial vesicles containing the target protein. The disadvantage of this method is the inability to control the aggregation state of the protein. The resulting lipid vesicles do not protect the MB from undesirable aggregation, which can lead to significant losses of the target protein during renaturation, as well as to a significant decrease in the stability of the obtained renatured preparations. In addition, for functional studies or the use of MB in the field of biotechnology, an additional transfer (re-solubilization) of the renatured drug from lipid vesicles to other membrane mimetics, such as micelles, bicelles, or LBN, is necessary. An additional stage of resolubilization can also lead to loss of protein preparation and to a decrease in the overall efficiency of the renaturation process. When applying this approach to renature the KcsA membrane protein, the yield of the native tetrameric form of the protein is up to 30% of the initial amount of the target protein.
Наиболее близким к заявляемому является способ ренатурации, основанный на включении мембранных белков, солюбилизированных в детергенте додецилсульфате натрия (SDS), в липид-белковые нанодиски [Шенкарев 3.0. «Липид-белковые нанодиски -универсальная среда для стабилизации, ренатурации и структурных исследований мембранных белков и мембраноактивных пептидов». International conference on biomolecular science in honor of the 75th anniversary of the birth of professor Yuri Ovchinnikov, 28.09-02.10.2009 Abstracts, Volume 2. Young scientists competition, Moscow-Pushchino, стр.267-268, Biochemistry 41:10771-10777]. Способ включает стадии солюбилизации денатурированного белка в SDS, добавления к солюбилизированному белку молекул липидов и аполипопротеина А1 человека и удаления SDS с использованием специального сорбента. В результате удаления SDS происходит встраивание мембранного белка в липид-белковые нанодиски в функционально-активной форме. Недостатком этого метода является необходимость использования больших концентраций SDS (который по своим свойствам относится к жестким денатурирующим детергентам [G.G. Prive, (2007), Methods 41:388-397]) для солюбилизации всех компонентов реакционной смеси и получения гомогенного раствора, включающего мембранный белок, аполипопротеин и фосфолипиды. Низкая эффективность удаления детергента SDS при помощи специальных сорбентов, диализа или гель-фильтрации приводит к потерям белкового препарата и к неправильному формированию пространственной структуры белка в процессе реконструкции ЛБН. Эти факторы значительно понижают эффективность ренатурации. При применении данного подхода для ренатурации мембранного белка KcsA выход нативной тетрамерной формы белка составляет до 50% от начального количества целевого белка.Closest to the claimed is a renaturation method based on the inclusion of membrane proteins solubilized in detergent sodium dodecyl sulfate (SDS) in lipid-protein nanodisks [Shenkarev 3.0. "Lipid-protein nanodisks is a universal medium for stabilization, renaturation and structural studies of membrane proteins and membrane-active peptides." International conference on biomolecular science in honor of the 75 th anniversary of the birth of professor Yuri Ovchinnikov, 09/28/02/2009 Abstracts,
Задачей изобретения является создание универсального способа ренатурации мембранных белков, полученных в результате гетерологической экспрессии, бесклеточного или химического синтеза, с высоким выходом.The objective of the invention is to provide a universal method of renaturation of membrane proteins obtained as a result of heterologous expression, cell-free or chemical synthesis, in high yield.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения ренатурированных мембранных белков, включающем получение гомогенного раствора, содержащего мембранный белок в детергенте, фосфолипид или смесь фосфолипидов и аполипопротеин или его синтетический аналог с последующим удалением детергента и формированием липид-белковых нанодисков, используется смесь детергентов, где наряду с детергентом или смесью детергентов, использованной для солюбилизации денатурированного белка, в растворе присутствует избыток дополнительного детергента, или детергентов, которые могут быть эффективно удалены при помощи специальных сорбентов, диализа или гель-фильтрации и по своим свойствам могут относиться к мягким не денатурирующим детергентам [G.G. Prive, (2007), Methods 41:388-397].The problem is solved due to the fact that in the method for producing renatured membrane proteins, which includes obtaining a homogeneous solution containing a membrane protein in a detergent, a phospholipid or a mixture of phospholipids and apolipoprotein or its synthetic analogue, followed by removal of the detergent and the formation of lipid-protein nanodisks, a mixture of detergents is used where along with the detergent or mixture of detergents used to solubilize the denatured protein, an excess of additional etergenta or detergents, which can be effectively removed by means of special adsorbents, dialysis or gel filtration, and their properties may relate to a mild non-denaturating detergent [G.G. Prive, (2007), Methods 41: 388-397].
Под аполипопротеинами или их синтетическими аналогами подразумеваются белковые или пептидные молекулы, способные стабилизировать в растворе фрагменты бислойной липидной мембраны, имеющие характерные размеры (8-100 нм), включая, но не ограничиваясь, аполипопротеины, аполипофорины и их производные, а также последовательности аполипопротеинов, содержащие вставки или делеции, белковые последовательности, содержащие одну или несколько копий последовательностей одного или нескольких аполипопротеинов или их фрагментов, а также пептидные молекулы, способные формировать амфифильную спиральную структуру в присутствии молекул фосфолипидов. Например, аполипопротеины А1 и Е4 человека, аполипопротеин А1 рыбы Danio rerio, аполипофорин III тутового шелкопряда В. Mori, их фрагменты и их производные. Молекулы аполипопротеинов или их синтетические аналоги могут быть получены как из природных источников, так и методами химического синтеза, или методом бесклеточного синтеза, или методом гетерологической экспрессии. Синтетические аналоги аполипопротеинов могут включать "специальные" полипептидные и синтетические последовательности ("tags"), предназначенные для очистки молекул аполипопротеинов и сформированных липопротеиновых частиц методами аффинной хроматографии, а также для иммобилизации молекул аполипопротеинов и липопротеиновых частиц на различных подложках и субстратах, а также для визуализации молекул аполипопротеинов и липопротеиновых частиц методами спектроскопии, микроскопии и томографии. Такие последовательности могут включать в себя, но не ограничиваясь, флуоресцентные метки или последовательности для их присоединения, хелатирующие метки, контрастирующие агенты для магниторезонансной томографии, спектроскопии и микроскопии, тиолреактивные метки и.т.д.By apolipoproteins or their synthetic analogues are meant protein or peptide molecules capable of stabilizing fragments of a bilayer lipid membrane in solution having characteristic sizes (8-100 nm), including, but not limited to, apolipoproteins, apolipophorins and their derivatives, as well as sequences of apolipoproteins containing insertions or deletions, protein sequences containing one or more copies of the sequences of one or more apolipoproteins or fragments thereof, as well as peptide moieties ekuly capable of forming amphiphilic helical structure in the presence of phospholipid molecules. For example, human apolipoproteins A1 and E4, Danio rerio fish apolipoprotein A1, B. Mori silkworm apolipophorin III, their fragments and their derivatives. Apolipoprotein molecules or their synthetic analogues can be obtained both from natural sources and by chemical synthesis methods, or by cell-free synthesis, or by heterologous expression. Synthetic analogues of apolipoproteins can include “special” polypeptide and synthetic sequences (“tags”) designed to purify apolipoprotein molecules and formed lipoprotein particles by affinity chromatography, as well as to immobilize apolipoprotein and lipoprotein particle molecules on various substrates and substrates, as well as for visualization molecules of apolipoproteins and lipoprotein particles by spectroscopy, microscopy and tomography. Such sequences may include, but are not limited to, fluorescence labels or sequences for their attachment, chelating labels, contrast agents for magnetic resonance imaging, spectroscopy and microscopy, thioreactive labels, etc.
Способ осуществляют следующим образом:The method is as follows:
Мембранный белок получают любым известным способом, например, в результате бесклеточного синтеза [В. Schneider, F. Junge, V.A. Shirokov, F. Durst, D. Schwarz, V. Dotsch, F. Bemhard, (2010) Methods Mol. Biol., 601: 165-186], или химического синтеза [A.G. Komarov, K.M. Linn, J.J. Devereaux, F.I. Valiyaveetil. (2009) ACS Chem Biol., 4(12): 1029-1038] или в виде телец включения [Л.Е. Петровская, А.А. Шульга, О.В. Бочарова, Я.С. Ермолюк, Е.А. Крюкова, В.В. Чупин, М.Ж.Ж. Бломмерс, А.С. Арсеньев, М.П. Кирпичников, (2010), Биохимия, 75(7): 1001-1013], или из мембран штамма-продуцента [Е.С. McCusker, S.E. Bane, M.A. O'Malley, A.S. Robinson, (2007) Biotechnol. Prog., 23(3): 540-547]. Полученный белок солюбилизируют с использованием детергента или смеси детергентов (например, из группы жестких детергентов: SDS, лаурилсаркозинат натрия, фосфохолины с различной длиной жирнокислотной цепи Fos-12, Fos-14, Fos-16 и т.п.) и других реагентов (хаотропных агентов, таких как мочевина, гуанидин хлорид; восстанавливающих агентов, таких как, β-меркаптоэтанол, дитиотриетол, трис(2-карбоксиэтил)фосфин; и т.п.), способствующих переводу белка из формы нерастворимых агрегатов в растворимую мономерную форму, возможно характеризующуюся неправильной упаковкой полипептидной цепи. Гомогенный раствор целевого МБ в детергенте или смеси детергентов смешивают с раствором аполипопротеина или его синтетического аналога и раствором фосфолипида или смеси фосфолипидов, содержащим избыток дополнительного детергента или детергентов (например, из группы мягких детергентов: холат натрия, октил-β-глюкозид, CHAPS, CHAPSO и т.п.), которые могут быть эффективно удалены при помощи специальных сорбентов, диализа или гель-фильтрации. Соотношение реагентов должно подбираться специалистом с учетом известных свойств известных реагентов, при этом концентрации могут варьироваться в широких пределах. Затем детергенты удаляют из смеси любым известным способом, например, с помощью диализа, или добавлением к смеси специального адсорбента, или при помощи гель-фильтрации (Фиг.2, 3). В результате удаления детергентов происходит встраивание мембранного белка в липопротеиновые частицы в функционально-активной форме. Избыток дополнительного детергента или детергентов позволяет получить гомогенный раствор, содержащий меньшую концентрацию детергента или смеси детергентов, использованных для солюбилизации денатурированного белка, и добиться более полного удаления детергентов в ходе процесса формирования ЛБН. Очистку ЛБН, содержащих ренатурированный (функционально-активный) мембранный белок, от "пустых" липопротеиновых частиц и других продуктов реакции (молекул фосфолипидов, молекул аполипопротеина и молекул неренатурированного целевого МБ) осуществляют любым известным способом, например, методом афинной хроматографии, используя "специальные" полипептидные последовательности ("tags"), предварительно пришитые к последовательности мембранного белка или аполипопротеина, например, последовательность полигистидинов, или методом аффинной хроматографии, используя антитела против целевого МБ, или методом аффинной хроматографии, используя лиганды целевого МБ, либо методом гель-фильтрации. Контроль за ренатурацией мембранного белка осуществляют либо с помощью гель-электрофореза, либо с помощью структурного анализа, либо с помощью функциональных тестов.Membrane protein is obtained by any known method, for example, as a result of cell-free synthesis [B. Schneider, F. Junge, V.A. Shirokov, F. Durst, D. Schwarz, V. Dotsch, F. Bemhard, (2010) Methods Mol. Biol., 601: 165-186], or chemical synthesis [A.G. Komarov, K.M. Linn, J.J. Devereaux, F.I. Valiyaveetil. (2009) ACS Chem Biol., 4 (12): 1029-1038] or as inclusion bodies [L.E. Petrovskaya, A.A. Shulga, O.V. Bocharova, Ya.S. Ermolyuk, E.A. Kryukova, V.V. Chupin, M.Zh.Zh. Blommers, A.S. Arseniev, M.P. Kirpichnikov, (2010), Biochemistry, 75 (7): 1001-1013], or from the membranes of a producer strain [E.S. McCusker, S.E. Bane, M.A. O'Malley, A.S. Robinson, (2007) Biotechnol. Prog., 23 (3): 540-547]. The resulting protein is solubilized using a detergent or a mixture of detergents (for example, from the group of hard detergents: SDS, sodium lauryl sarcosinate, phosphocholines with different fatty acid chains Fos-12, Fos-14, Fos-16, etc.) and other reagents (chaotropic agents, such as urea, guanidine chloride; reducing agents, such as β-mercaptoethanol, dithiotriethol, tris (2-carboxyethyl) phosphine; and the like) that promote the conversion of protein from the form of insoluble aggregates to a soluble monomeric form, possibly characterized wrong to investment polypeptide chain. A homogeneous solution of the target MB in detergent or a mixture of detergents is mixed with a solution of apolipoprotein or its synthetic analogue and a solution of phospholipid or a mixture of phospholipids containing an excess of additional detergent or detergents (for example, from the group of soft detergents: sodium cholate, octyl-β-glucoside, CHAPS, CHAPSO etc.), which can be effectively removed using special sorbents, dialysis or gel filtration. The ratio of reagents should be selected by a specialist, taking into account the known properties of known reagents, while the concentration can vary widely. Then the detergents are removed from the mixture by any known method, for example, by dialysis, or by adding a special adsorbent to the mixture, or by gel filtration (Figure 2, 3). As a result of the removal of detergents, the membrane protein is embedded in the lipoprotein particles in a functionally active form. An excess of additional detergent or detergents allows you to get a homogeneous solution containing a lower concentration of detergent or a mixture of detergents used to solubilize the denatured protein, and to achieve a more complete removal of detergents during the LBF formation process. Purification of LBNs containing a renatured (functionally active) membrane protein from empty "lipoprotein particles and other reaction products (phospholipid molecules, apolipoprotein molecules and unrenatured target MB molecules) is carried out by any known method, for example, by affinity chromatography using special polypeptide sequences ("tags") pre-sewn to a membrane protein or apolipoprotein sequence, for example, a polyhistidine sequence, or by affinity chromatography imaging using antibodies against the target MB, or by the method of affinity chromatography, using the ligands of the target MB, or by gel filtration. Membrane protein renaturation is controlled either by gel electrophoresis, or by structural analysis, or by functional tests.
Заявляемый способ позволяет осуществлять ренатурацию мембранных белков, полученных в результате гетерологической экспрессии или бесклеточного синтеза, или химического синтеза в денатурированном состоянии, в нативную форму одновременно со встраиванием ренатурированного белка в липопротеиновые частицы с выходом до 90% от начального количества целевого белка. Способ позволяет получать в миллиграммовых количествах рекомбинантные структурированные, функционально-активные мембранные белки, которые могут быть использованы в медицине, фармакологии, экологии, биотехнологии и нанобиотехнологии для создания новых биомедицинских препаратов, биокатализаторов, биосенсоров и биофотонных устройств.The inventive method allows the renaturation of membrane proteins obtained as a result of heterologous expression or cell-free synthesis, or chemical synthesis in the denatured state, in the native form simultaneously with the incorporation of the renatured protein into lipoprotein particles with a yield of up to 90% of the initial amount of the target protein. The method allows to obtain in milligram quantities recombinant structured, functionally active membrane proteins that can be used in medicine, pharmacology, ecology, biotechnology and nanobiotechnology to create new biomedical preparations, biocatalysts, biosensors and biophotonic devices.
Изобретение иллюстрируют графические материалы:The invention is illustrated by graphic materials:
На фиг.1 представлена схема устройства ЛБН;Figure 1 presents a diagram of the device LBN;
на фиг.2 - схема ренатурации мембранных белков с помощью аполипопротеинов или их синтетических аналогов;figure 2 - diagram of the renaturation of membrane proteins using apolipoproteins or their synthetic analogues;
на фиг.3 - схема ренатурации олигомерных мембранных белков с помощью аполипопротеинов или их синтетических аналогов;figure 3 - diagram of the renaturation of oligomeric membrane proteins using apolipoproteins or their synthetic analogues;
на фиг.4 - гель-электрофорез препарата KcsA до ренатурации в мономерной форме (дорожка 2) и после ренатурации в тетрамерной форме в составе ЛБН/РОРС (дорожка 3), дорожка 4 - препарат KcsA в тетрамерной форме, выделенный из мембран Е. coli в мягких условиях с сохранением олигомерной организации, дорожка 1 - белковые маркеры молекулярных масс (кДа), стрелками показаны положения anoAl, мономера KcsA и тетрамера KcsA;figure 4 - gel electrophoresis of the drug KcsA before renaturation in monomeric form (lane 2) and after renaturation in tetrameric form in the composition LBN / POPC (lane 3), lane 4 - preparation KcsA in tetrameric form isolated from E. coli membranes under mild conditions with the preservation of oligomeric organization,
на фиг.5 - гель-фильтрационные профили препаратов KcsA/ЛБН/РОРС и ARb2/ЛБН/POPC/DOPG (3:2). Указаны шкалы размера частиц (нм) и объема элюции препаратов (мл), гель-фильтрационный анализ выполнен на смоле Superdex-200 (GE Healthcare), колонке Tricom 5/200 (GE Healthcare), детекцию осуществляют по поглощению на длине волны 280 нм;figure 5 - gel filtration profiles of the preparations KcsA / LBN / POPC and ARb2 / LBN / POPC / DOPG (3: 2). Scales of particle size (nm) and elution volume of the preparations are indicated (ml), gel filtration analysis was performed on Superdex-200 resin (GE Healthcare),
на фиг.6 - гель-электрофорез препарата ARb2 в составе ЛБН/POPC/DOPG (дорожка 2), дорожка 3 - препарат ARb2 в смеси Fos-12/Fos-14/Fos-16/LMPG, дорожка 1 - белковые маркеры молекулярных масс. Стрелками показаны положения anoA1 и ARb2;figure 6 - gel electrophoresis of the drug ARb2 in the composition LBN / POPC / DOPG (lane 2), lane 3 - the drug ARb2 in a mixture of Fos-12 / Fos-14 / Fos-16 / LMPG, lane 1 - protein markers of molecular weights . Arrows indicate the positions of anoA1 and ARb2;
на фиг.7 - одномерные 1Н ЯМР-спектры 0,1 мМ тимолол-малеата (А) и 0,09 мМ ЛБН/POPC/DOPG (3:2) (Б) (10 мМ Tris-Ac, pH 7,0, 30°C). Показано отнесение некоторых сигналов тимолол-малеата и фосфолипидов.Fig.7 - one-dimensional 1 H NMR spectra of 0.1 mm timolol-maleate (A) and 0.09 mm LBN / POPC / DOPG (3: 2) (B) (10 mm Tris-Ac, pH 7.0 , 30 ° C). The assignment of some signals of timolol maleate and phospholipids is shown.
на фиг.8 - фрагменты одномерных 1Н ЯМР-спектров 4 мкМ тимолол-малеата (10 мМ Tris-Ac, pH 7,0, 30°C) в присутствии увеличивающейся концентрации препарата "пустых" ЛБН/POPC/DOPG (3:2) (А) и препарата ARb2/ЛБН/РОРС/DOPG (3:2) (Б) (10 мМ Tris-Ac, pH 7,0, 30°C). Увеличение концентрации ЛБН в растворе можно наблюдать по росту интенсивности сигнала СН2 групп липидов в спектре.on Fig - fragments of one-dimensional 1 H NMR spectra of 4 μm thymolol maleate (10 mm Tris-Ac, pH 7.0, 30 ° C) in the presence of an increasing concentration of the drug "empty" LBN / POPC / DOPG (3: 2 ) (A) and ARb2 / LBN / POPC / DOPG (3: 2) (B) (10 mM Tris-Ac, pH 7.0, 30 ° C). An increase in the concentration of LBN in solution can be observed by increasing the signal intensity of the CH 2 lipid groups in the spectrum.
Изобретение иллюстрируют следующие примеры.The invention is illustrated by the following examples.
Пример 1.Example 1
Ренатурация K+ канала KcsA из мономерного состояния в тетрамерную форму с использованием аполипопротеинов и смеси детергентов додецилсульфата натрия (SDS) и холата натрия.Renaturation of the K + channel of KcsA from the monomeric state to the tetrameric form using apolipoproteins and a mixture of detergents of sodium dodecyl sulfate (SDS) and sodium cholate.
Бактериальный K+ канал KcsA (Streptomyces lividans), имеющий нативную тетрамерную организацию, выделяют из внутренней мембраны Е. coli в результате экстракции мягким детергентом DDM (β-додецилмальтозид), как описано в [L. Heginbotham, Е. Odessey, С.Miller (1997) Biochemistry, 36: 10335-10342J. Затем препарат KcsA денатурируют до мономерной формы путем осаждения с помощью 10% трихлоруксусной кислоты. Детергент DDM удаляют в результате трехкратной промывки осадка KcsA холодным ацетоном. Затем белковый осадок KcsA растворяют в 1% детергенте додецилсульфате натрия (SDS). Мономерное состояние полученного таким образом препарата KcsA детектируют с помощью гель-электрофореза (Фиг.4). Расчетный молекулярный вес KcsA-His6 (мономера) составляет 18,6 кДа.The bacterial K + channel KcsA (Streptomyces lividans), having a native tetrameric organization, is isolated from the inner membrane of E. coli by extraction with mild detergent DDM (β-dodecyl maltoside), as described in [L. Heginbotham, E. Odessey, C. Miller (1997) Biochemistry, 36: 10335-10342J. The KcsA preparation is then denatured to the monomeric form by precipitation with 10% trichloroacetic acid. DDM detergent is removed by washing the KcsA precipitate three times with cold acetone. The KcsA protein precipitate is then dissolved in 1% sodium dodecyl sulfate detergent (SDS). The monomeric state of the KcsA preparation thus obtained is detected by gel electrophoresis (Figure 4). The estimated molecular weight of KcsA-His 6 (monomer) is 18.6 kDa.
Препарат KcsA в мономерной форме смешивают с раствором синтетического аналога аполипопротеина А1 человека (фрагмент 44-243, апоA1), полученного известным способом [З.О. Шенкарев, Е.Н. Люкманова, О.И. Соложенкин, И.Э Гагнидзе, О.В. Некрасова, В.В. Чупин, А.А. Тагаев, З.А. Якименко, Т.В. Овчинникова, М.П. Кирпичников, А.С.Арсеньев. (2009), Биохимия, 74(7): 933-945], и раствором липида РОРС (пальмитоил-олеил-фосфатидилхолин) в детергенте холат натрия таким образом, что финальное молярное соотношение KcsA/anoA1/POPC/холат в растворе равно 1:20:900:1800. Финальное молярное соотношение KcsA/SDS в растворе равно 1:500. Полученную смесь инкубируют в течение 12 часов при комнатной температуре, затем удаляют детергенты (холат натрия и SDS) с помощью сорбента BioBeads™. Очистку ЛБН, содержащих KcsA, от "пустых" ЛБН осуществляют с помощью металл-аАинной хроматографии, используя His6-tag, пришитый к С-концу молекулы KcsA. Ассоциацию KcsA с аполипопротеином А1 и липидами подтверждают методами гель-фильтрации (Фиг.5), гель-электрофореза (Фиг.4) и одномерной ЯМР-спектроскопии. Тетрамерное состояние KcsA в составе ЛБН детектируют с помощью гель-электрофореза (Фиг.4). Согласно денситометрическому и спектрофотометрическому анализу эффективность встраивания KcsA в ЛБН составляет не менее 90% от начального количества целевого белка, при этом образец ренатурированного KcsA в составе ЛБН не содержит мономерной формы белка. Таким образом, общий выход реакции ренатурации KcsA указанным способом составляет ~90% от начального количества целевого белка. Общий выход реакции ренатурации KcsA в способе-прототипе составляет ~50% от начального количества целевого белкаThe KcsA preparation in monomeric form is mixed with a solution of the synthetic analogue of human apolipoprotein A1 (fragment 44-243, apoA1) obtained in a known manner [Z.O. Shenkarev, E.N. Lyukmanova, O.I. Solozhenkin, I.E. Gagnidze, O.V. Nekrasova, V.V. Chupin, A.A. Tagaev, Z.A. Yakimenko, T.V. Ovchinnikova, M.P. Kirpichnikov, A.S. Arsenyev. (2009) Biochemistry, 74 (7): 933-945], and a solution of POPC lipid (palmitoyl-oleyl-phosphatidylcholine) in sodium cholate detergent so that the final molar ratio KcsA / anoA1 / POPC / cholate in solution is 1: 20: 900: 1800. The final molar ratio of KcsA / SDS in solution is 1: 500. The resulting mixture was incubated for 12 hours at room temperature, then the detergents (sodium cholate and SDS) were removed using the BioBeads ™ sorbent. Purification of LBFs containing KcsA from "empty" LBFs is carried out using metal aAin chromatography using His 6- tag attached to the C-terminus of the KcsA molecule. The association of KcsA with apolipoprotein A1 and lipids is confirmed by gel filtration (Figure 5), gel electrophoresis (Figure 4) and one-dimensional NMR spectroscopy. The tetrameric state of KcsA in the LBN is detected by gel electrophoresis (Figure 4). According to densitometric and spectrophotometric analyzes, the efficiency of incorporation of KcsA into LBN is at least 90% of the initial amount of the target protein, while the sample of renatured KcsA in LBN does not contain a monomeric form of the protein. Thus, the total yield of the KcsA renaturation reaction in this way is ~ 90% of the initial amount of the target protein. The total yield of the KcsA renaturation reaction in the prototype method is ~ 50% of the initial amount of the target protein
Пример 2.Example 2
Ренатурация бета2-адренергического рецептора человека (ARb2) с использованием аполипопротеинов и смеси детергентов Fos-12, Fos-14, Fos-16, LMPG и холата натрия.Renaturation of human beta2-adrenergic receptor (ARb2) using apolipoproteins and a mixture of detergents Fos-12, Fos-14, Fos-16, LMPG and sodium cholate.
Модифицированный вариант бета2-адренергического рецептора человека (ARb2), содержащий делецию С-концевого фрагмента (35 кДа) получают в результате гетерологической экспрессии слитной конструкции с белком Mistic в составе телец включения Е. coli, как описано в [Л.Е. Петровская, А.А. Шульга, О.В. Бочарова, Я.С. Ермолюк, Е.А. Крюкова, В.В. Чупин, М.Ж.Ж. Бломмерс, А.С.Арсеньев, М.П. Кирпичников, (2010), Биохимия, 75(7): 1001-1013]. Тельца включения растворяют с помощью 1% детергента лаурил-саркозина в присутствии 1 мМ дитиотреитола. Затем с помощью фермента тромбина проводят гидролиз слитного белка, и отщепленный ARb2, используя His10-tag, пришитый к С-концу молекулы рецептора, очищают с помощью металл-афинной хроматографии в присутствии 1% лаурил-саркозина и 10 мМ β-меркаптоэтанола. Затем препарат ARb2 переосаждают с помощью 10% трихлоруксусной кислоты. Детергент лаурил-саркозин удаляют в результате трехкратной промывки осадка ARb2 холодным ацетоном. Затем белковый осадок ARb2 растворяют в 25 мМ NaPi буфере (рН 7.4), содержащем 0.7 мМ триметил-трис(2-карбоксиэтил)фосфин, 150 мМ NaCl и 2% смесь детергентов (Fos-12/Fos-14/Fos-16/LMPG в соотношении 1:6:1:2). Мономерное состояние полученного таким образом препарата ARb2 детектируют с помощью гель-электрофореза (Фиг.6, дорожка 3).A modified version of the human beta2-adrenergic receptor (ARb2) containing a deletion of the C-terminal fragment (35 kDa) is obtained by heterologous expression of the fusion construct with the Mistic protein in E. coli inclusion bodies as described in [L.E. Petrovskaya, A.A. Shulga, O.V. Bocharova, Ya.S. Ermolyuk, E.A. Kryukova, V.V. Chupin, M.Zh.Zh. Blommers, A.S. Arsenyev, M.P. Kirpichnikov, (2010), Biochemistry, 75 (7): 1001-1013]. Inclusion bodies are dissolved with 1% lauryl-sarcosine detergent in the presence of 1 mM dithiothreitol. Then, the fusion protein is hydrolyzed using the thrombin enzyme, and cleaved ARb2 using His 10 -tag attached to the C-terminus of the receptor molecule is purified by metal affinity chromatography in the presence of 1% lauryl-sarcosine and 10 mM β-mercaptoethanol. Then, ARb2 was reprecipitated with 10% trichloroacetic acid. Lauryl-sarcosine detergent is removed by washing the ARb2 precipitate three times with cold acetone. Then the ARb2 protein precipitate is dissolved in 25 mM NaPi buffer (pH 7.4) containing 0.7 mM trimethyl-tris (2-carboxyethyl) phosphine, 150 mM NaCl and a 2% mixture of detergents (Fos-12 / Fos-14 / Fos-16 / LMPG in a ratio of 1: 6: 1: 2). The monomeric state of the ARb2 preparation thus obtained is detected by gel electrophoresis (Figure 6, lane 3).
Препарат ARb2 в мономерной форме смешивают с раствором синтетического аналога аполипопротеина А1 человека (фрагмент 44-243), полученного известным способом [З.О. Шенкарев, Е.Н. Люкманова, О.И. Соложенкин, И.Э Гагнидзе, О.В. Некрасова, В.В. Чупин, А.А. Тагаев, З.А. Якименко, Т.В. Овчинникова, М.П. Кирпичников, А.С.Арсеньев. (2009), Биохимия, 74(7): 933-945], и раствором липидов POPC/DOPG (пальмитоил-олеил-фосфатидилхолин/диолеил-фосфатидилхолин 3:2) в детергенте холат натрия таким образом, что финальное молярное соотношение ARb2/апоА1/липиды/холат в растворе равно 1:20:1600:3200. Финальное молярное соотношение ARb2/Fos-12/Fos-14/Fos-16/LMPG в растворе равно 1:50:300:50:100. Полученную смесь инкубируют в течение 12 часов при температуре 4°С, затем удаляют детергенты (холат натрия, Fos-12, Fos-14, Fos-16 и LMPG) с помощью сорбента BioBeads™. Очистку ЛБН, содержащих ARb2, от "пустых" ЛБН осуществляют с помощью металл-афинной хроматографии, используя His10-tag, пришитый к С-концу молекулы ARb2. Ассоциацию ARb2 с апоА1 и липидами подтверждают методами гель-фильтрации (Фиг.5), гель-электрофореза (Фиг.6) и одномерной ЯМР-спектроскопии.The drug ARb2 in monomeric form is mixed with a solution of the synthetic analogue of human apolipoprotein A1 (fragment 44-243) obtained in a known manner [Z.O. Shenkarev, E.N. Lyukmanova, O.I. Solozhenkin, I.E. Gagnidze, O.V. Nekrasova, V.V. Chupin, A.A. Tagaev, Z.A. Yakimenko, T.V. Ovchinnikova, M.P. Kirpichnikov, A.S. Arsenyev. (2009) Biochemistry 74 (7): 933-945], and a POPC / DOPG lipid solution (palmitoyl-oleyl-phosphatidylcholine / dioleyl-phosphatidylcholine 3: 2) in sodium cholate detergent so that the final molar ratio ARb2 / apoA1 / lipids / cholate in solution is 1: 20: 1600: 3200. The final molar ratio of ARb2 / Fos-12 / Fos-14 / Fos-16 / LMPG in solution is 1: 50: 300: 50: 100. The resulting mixture was incubated for 12 hours at 4 ° C, then the detergents (sodium cholate, Fos-12, Fos-14, Fos-16 and LMPG) were removed using the BioBeads ™ sorbent. The purification of LBNs containing ARb2 from “empty” LBNs was carried out using metal affinity chromatography using His 10- tag attached to the C-terminus of the ARb2 molecule. The association of ARb2 with apoA1 and lipids is confirmed by gel filtration (Figure 5), gel electrophoresis (Figure 6) and one-dimensional NMR spectroscopy.
Активность полученного препарата ARb2/ЛБН/POPC/DOPG проверяют методом ЯМР-спектроскопии с использованием селективного лиганда бета2-адренергического рецептора человека тимолола. Тимолол используют в виде соли малеиновой кислоты (Ленс). Одномерные 1Н ЯМР-спектры тимолол-малеата и "пустых" ЛБН/POPC/DOPG (3:2) в Tris-Ac буфере (pH 7,0) приведены на Фиг 7. Сравнение спектров показывает, что сигнал третбутильной группы тимолола (1.37 м.д.) не перекрывается с сигналами липидов из ЛБН. Для выявления активности ренатурированного ARb2 в комплексе с ЛБН/POPC/DOPG к раствору тимолола (3 мкМ) в Tris-Ac буфере (pH 7,0) постепенно добавляют раствор (24 мкМ) ARb2/ЛБН/POPC/DOPG в таком же буфере до конечной концентрации комплексов ARb2/ЛБН 3 мкМ. В одномерных спектрах ЯМР наблюдают сигналы третбутильной группы тимолола (1.37 м.д.) и сигналы СН2 групп липидов из ЛБН. Полученные спектры показаны на Фиг 8Б. Из спектров видно, что при увеличении концентрации комплексов ARb2/ЛБН/РОРС/DOPG в растворе сигнал третбутильной группы тимолола постепенно уширяется и сдвигается в слабое поле, что свидетельствует о наличии взаимодействия между тимололом и ARb2/ЛБН/РОРС/DOPG. В качестве контроля проводят титрование раствора тимолола (4 мкМ) в Tris-Ac буфере (pH 7,0) раствором "пустых" ЛБН/POPC/DOPG (50 мкМ) до конечной концентрации ЛБН 5 мкМ. Полученные спектры показаны на Фиг 8А. Из спектров видно, что тимолол не взаимодействует с "пустыми" липопротеиновыми частицами.The activity of the obtained drug ARb2 / LBN / POPC / DOPG was checked by NMR spectroscopy using the selective ligand of the human timolol beta2-adrenergic receptor. Timolol is used in the form of a salt of maleic acid (Lens). One-dimensional 1 H NMR spectra of timolol maleate and empty LBN / POPC / DOPG (3: 2) in Tris-Ac buffer (pH 7.0) are shown in Fig. 7. A comparison of the spectra shows that the signal of the tertbutyl group of timolol (1.37 ppm) does not overlap with lipid signals from LBI. To detect the activity of renatured ARb2 in complex with LBN / POPC / DOPG, a solution (24 μM) of ARb2 / LBN / POPC / DOPG in the same buffer is gradually added to a solution of timolol (3 μM) in a Tris-Ac buffer (pH 7.0) up to final concentration of complexes ARb2 /
Согласно денситометрическому и спектрофотометрическому анализу, а также данным ЯМР-спектроскопии, общий выход реакции ренатурации ARb2) указанным способом составляет ~10% от начальногоколичества целевого белка. Выход ренатурированного ARb2 в способе прототипе составляет не более 2% от начального количества целевого белка.According to densitometric and spectrophotometric analysis, as well as NMR spectroscopy data, the total yield of the ARb2 renaturation reaction in this way is ~ 10% of the initial amount of the target protein. The output of the renatured ARb2 in the prototype method is not more than 2% of the initial amount of the target protein.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011137964/10A RU2500684C2 (en) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | Membrane protein renaturation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011137964/10A RU2500684C2 (en) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | Membrane protein renaturation method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011137964A RU2011137964A (en) | 2013-03-20 |
RU2500684C2 true RU2500684C2 (en) | 2013-12-10 |
Family
ID=49123508
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011137964/10A RU2500684C2 (en) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | Membrane protein renaturation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2500684C2 (en) |
-
2011
- 2011-09-15 RU RU2011137964/10A patent/RU2500684C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011137964A (en) | 2013-03-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Singh et al. | Protein recovery from inclusion bodies of Escherichia coli using mild solubilization process | |
Hassouneh et al. | Elastin‐like polypeptides as a purification tag for recombinant proteins | |
Mok et al. | Structural basis for the superior activity of the large isoform of snow flea antifreeze protein | |
Pentelute et al. | X-ray structure of snow flea antifreeze protein determined by racemic crystallization of synthetic protein enantiomers | |
Ross et al. | Synthesis of the lantibiotic lactocin S using peptide cyclizations on solid phase | |
Nilsson et al. | Protein assembly by orthogonal chemical ligation methods | |
Cortes et al. | Structural dynamics of the Streptomyces lividans K+ channel (SKC1): oligomeric stoichiometry and stability | |
Roe | Protein purification applications: a practical approach | |
Lee et al. | Fluorous effect in proteins: de novo design and characterization of a four-α-helix bundle protein containing hexafluoroleucine | |
KR101520105B1 (en) | Refolding of recombinant proteins | |
Shenkarev et al. | Lipid–protein nanodiscs promote in vitro folding of transmembrane domains of multi-helical and multimeric membrane proteins | |
Cunningham et al. | Optimizing synthesis and expression of transmembrane peptides and proteins | |
JPWO2008143199A1 (en) | Novel polypeptide, material for affinity chromatography, and method for separation and / or purification of immunoglobulin | |
Phippen et al. | Multivalent display of antifreeze proteins by fusion to self-assembling protein cages enhances ice-binding activities | |
Valiyaveetil et al. | Structural and functional consequences of an amide-to-ester substitution in the selectivity filter of a potassium channel | |
EP2992021A2 (en) | Novel cloning, expression & purification method for the preparation of ranibizumab | |
Faraone-Mennella et al. | Stability and folding kinetics of structurally characterized cytochrome c-b 562 | |
Keller et al. | Abalone (Haliotis tuberculata) hemocyanin type 1 (HtH1) Organization of the≈ 400 kDa subunit, and amino acid sequence of its functional units f, g and h | |
Kudo et al. | Adhesive dimerization of human P-cadherin catalyzed by a chaperone-like mechanism | |
KR20150027743A (en) | Process for purifying recombinant plasmodium falciparum circumsporozoite protein | |
Ramirez et al. | Nuclear magnetic resonance-based structural characterization and backbone dynamics of recombinant bee venom melittin | |
US10183967B2 (en) | Tangential flow filtration based protein refolding methods | |
Duengo et al. | Epimerisation in Peptide Synthesis | |
RU2500684C2 (en) | Membrane protein renaturation method | |
Abarghooi Kahaki et al. | Expression and purification of membrane proteins in different hosts |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131203 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20141210 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160916 |