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Method Article
Ce travail détaille des routines de base robustes sur la façon de préparer des échantillons de protéines membranaires marquées par des isotopes et de les analyser à haute résolution avec des méthodes modernes de spectroscopie RMN à l’état solide.
Les protéines membranaires sont vitales pour le fonctionnement cellulaire et représentent donc des cibles médicamenteuses importantes. La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire à l’état solide (RMNss) offre un accès unique pour sonder la structure et la dynamique de ces protéines dans des membranes biologiques de complexité croissante. Ici, nous présentons la spectroscopie RMN moderne à l’état solide comme outil pour étudier la structure et la dynamique des protéines dans les membranes lipidiques naturelles et à l’échelle atomique. De telles études spectroscopiques bénéficient de l’utilisation de méthodes de RMNs s à haute sensibilité, c’est-à-dire de RMNs en ss détectées par des protons (1H) et de RMN en RSN (polarisation nucléaire dynamique) soutenue par la DNP. En utilisant la protéine bêta-baril de la membrane externe bactérienne BamA et le canal ionique KcsA, nous présentons des méthodes pour préparer des protéines membranaires marquées par isotope et pour obtenir des informations structurales et motrices par RMNs.
Les études structurales et motrices des protéines membranaires dans des environnements physiologiquement pertinents posent un défi aux techniques traditionnelles de biologie structurale1. Les méthodes modernes de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire à l’état solide (RMNs) offrent une approche unique pour la caractérisation des protéines membranaires2, 3, 4, 5, 6, 7 et sont utilisées depuis longtemps pour étudier les protéines membranaires, y compris les pompes à protéines intégrées à membrane8, les canaux9, 10, 11 ou les récepteurs12, 13,14,15. Les progrès techniques tels que les champs magnétiques ultra-élevés >1 000 MHz, les fréquences de rotation à angle magique rapide >100 kHz et les techniques d’hyperpolarisation16 ont fait de la RMNs une méthode puissante pour l’étude des protéines membranaires dans des environnements de complexité croissante allant des liposomes aux membranes cellulaires et même aux cellules entières. Par exemple, le DNP est devenu un outil puissant pour de telles expériences (voir référence 17,18,19,20,21,22,23,24,25). Plus récemment, la ssNMR détectée à 1H offre des possibilités croissantes pour étudier les protéines membranaires à haute résolution spectrale et sensibilité 25,26,27,28,29. Ce travail met en évidence deux protéines membranaires bactériennes impliquées dans des fonctions essentielles, à savoir l’insertion des protéines et le transport des ions. Les protéines correspondantes, BamA 25,30,31,32,33 et KcsA 23,27,28,34,35,36,37,38,39 (ou des variantes chimériques de celles-ci 10,40) ont été examinées par ssNMR méthodes depuis plus d’une décennie.
Un protocole représentatif pour la préparation et la caractérisation par RMNs des protéines membranaires d’origine bactérienne est présenté ici. Les différentes étapes du protocole sont illustrées à la figure 1. Tout d’abord, l’expression, le marquage isotopique, la purification et la reconstitution membranaire de BamA sont expliqués. Ensuite, un flux de travail général pour la caractérisation de la protéine membranaire par RMN ss est présenté ; plus précisément, l’attribution de squelettes de protéines membranaires à l’aide de la ssNMR détectée par 1H à un spinning à angle magique rapide. Enfin, la configuration de base et l’acquisition d’expériences soutenues par la polarisation nucléaire dynamique (DNP), qui augmentent considérablement la sensibilité du signal RMNs, sont détaillées.
1. Production de BamA-P4P5 étiquetés uniformément 2H, 13C, 15N
REMARQUE : Bien que ce protocole exige de travailler avec des bactéries à Gram négatif non pathogènes, le respect des procédures de sécurité biologique de base est indispensable, à savoir le port de lunettes de sécurité, de blouses de laboratoire, de gants et le respect des procédures opérationnelles standard de l’établissement pour le travail avec des micro-organismes.
2. Purification, repliement et formation de protéo-liposomes BamA-P4P5
REMARQUE : Toutes les étapes de cette section doivent être effectuées dans une hotte. Une prudence particulière doit être portée lors de l’ouverture des tubes après la centrifugation pour limiter les aérosols nocifs.
3. Remplissage du rotor ssNMR
4. Caractérisation de l’échantillon par spectroscopie RMN 2D 13 C-13C ssNMR
5. Affectation du squelette par spectroscopie ssNMR 3D détectée en H
6. Dynamique des protéines parspectroscopie ssNMR 1 H détectée
7. Polarisation nucléaire dynamique
REMARQUE : Les étapes de préparation suivantes concernent l’utilisation d’une configuration DNP commerciale utilisant des rotors MAS en saphir de 3,2 mm (Figure 6)20. L’utilisation de rotors en zircone ou d’autres équipements DNP peut entraîner une réduction des améliorations du signal DNP.
La figure 2 montre des gels représentatifs pour la pureté du corps d’inclusion (panneau A) et le repliement des corps d’inclusion (panneau B3). La figure 2 confirme la purification réussie de BamA-P4P5 marqué au 13 C,15N.
La figure 3A montre un spectre 2D 13 C-13C typique d’une protéine membranaire bien ordonnée, et ...
Les protéines membranaires sont des acteurs clés dans la régulation des fonctions cellulaires vitales chez les organismes procaryotes et eucaryotes ; Il est donc essentiel de comprendre leurs mécanismes d’action à des niveaux de résolution atomiques. Les techniques de biologie structurale existantes ont poussé assez loin la compréhension scientifique des protéines membranaires, mais se sont fortement appuyées sur des données expérimentales recueillies à partir de systèmes...
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ce travail s’inscrit dans le cadre des programmes de recherche ECHO, TOP, TOP-PUNT, VICI et VIDI avec les numéros de projet 723.014.003, 711.018.001, 700.26.121, 700.10.443 et 718.015.00, qui sont financés par le Conseil néerlandais de la recherche (NWO). Cet article a été soutenu par iNEXT-Discovery (numéro de projet 871037).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Ammonium molibdate | Merck | 277908 | |
Ammonium-15N Chloride | Cortecnet | CN80P50 | |
Ampicillin | Sigma Aldrich | A9518 | |
AMUpol | Cortecnet | C010P005 | |
Benzonase | EMD Millipore Corp | 70746-3 | |
Boric acid | Merck | B6768 | |
bromophenol blue | Sigma | B0126 | |
calcium dichloride | Merck | 499609 | |
Choline chloride | Sigma | C-1879 | |
Cobalt chloride | Merck | 449776 | |
Copper sulphate | Merck | C1297 | |
D-Biotin | Merck | 8512090025 | |
Deuterium Oxide | Cortecnet | CD5251P1000 | |
Dimethyl sulfoxide | Merck | D9170 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma Aldrich | L6876 | |
Folic acid | Sigma | F-7876 | |
Glucose 13C + 2H | Cortecnet | CCD860P50 | |
Glycerol | Honeywell | G7757 | |
Glycerol (12C3, 99.95% D8, 98%) | Eurisotope | CDLM-8660-PK | |
glycerol (non-enriched) | Honeywell | G7757-1L | |
Glycine | Sigma Aldrich | 50046 | |
Guanidine hydrochloride | Roth Carl | NR.0037.1 | |
Iron sulphate | Merck | 307718 | |
isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside | Thermofisher | R0392 | |
Lysogeny Broth | Merck | L3022 | |
Lysozyme | Sigma Aldrich | L6876 | |
Magnesium chloride - hexahydrate | Fluka | 63064 | |
magnesium sulphate | Merck | M5921 | |
monopotassium phosphate | Merck | 1051080050 | |
Myoinositol | Sigma | I-5125 | |
n-Dodecyl-B-D-maltoside | Acros Organics | 3293702509 | |
N,N-Dimethyldodecylamine N-oxide | Merck | 40236 | |
Nicatinamide | Sigma | N-3376 | |
Panthotenic acid | Sigma | 21210-25G-F | |
protease inhibitor | Sigma | P8849 | |
Pyridoxal-HCl | Sigma Aldrich | P9130 | |
Riboflavin | Aldrich | R170-6 | |
Sodium Chloride | Merck | K51107104914 | |
Sodium dihydrogen phospahte - monohydrate | Sigma Aldrich | 1,06,34,61,000 | |
Sodium dodecyl sulfate | Thermo-scientific | 28365 | |
Sodium hydroxide | Merck | 1,06,49,81,000 | |
Sucrose | Sigma Life Science | S9378 | |
Thiamine-HCl | Merck | 5871 | |
Tris-HCl | Sigma Aldrich | 10,70,89,76,001 | |
Zinc chloride | Merck | 208086 | |
E.coli BL21 DE3* | New England Biolabs | C2527 | |
1.5 mL Ultra-tubes | Beckman Coulter | 357448 | |
30 kDa centrifugal filter | Amicon | UFC903024 | |
3.2 mm sapphire DNP rotor with caps | Cortecnet | H13861 | |
3.2 mm teflon insert | Cortecnet | B6628 | |
3.2 mm sample packer/unpacker | Cortecnet | B6988 | |
3.2 mm Regular Wall MAS Rotor | Cortecnet | HZ16913 | |
3.2 mm Regular Wall MAS rotor | Cortecnet | HZ09244 | |
Tool Kit for 3.2 mm Thin Wall rotor | Cortecnet | B136904 | |
1.3 mm MAS rotor + caps | Cortecnet | HZ14752 | |
1.3 mm filling tool | Cortecnet | HZ14714 | |
1.3 mm sample packer | Cortecnet | HZ14716 | |
1.3 mm cap remover | Cortecnet | HZ14706 | |
1.3 mm cap set tool | Cortecnet | HZ14744 | |
Dialysis tubing 12-14 kDa | Spectra/Por | 132703 | |
Sharpie - Black | Merck | HS15094 |
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