JP7657406B2 - METHOD FOR CRYSTALLIZING MEMBRANE PROTEIN AND METHOD FOR ANALYZING MEMBRANE PROTEIN STRUCTURE - Google Patents
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Description
本発明は、膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体、及びその製造方法、並びに、膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を用いた膜タンパク質の精製方法、結晶化方法、及び構造解析方法に関する。 The present invention relates to a protein structure for membrane protein structural analysis, a method for producing the same, and a method for purifying, crystallizing, and analyzing a membrane protein using the protein structure for membrane protein structural analysis.
1980年代より、組換えタンパク質の「アフィニティ精製」に適したタグ開発が進められてきた。2000年代以降にはその用途は多岐にわたり、膜タンパク質の熱安定性や界面活性剤の探索を評価するための「レポーター技術」等としてGFP(例えば、非特許文献1~3参照)、Gタンパク質共役受容体の「熱安定性向上技術」としてT4 lysozymeやbRIL(例えば、非特許文献4~6参照)、低分子タンパク質の「結晶化促進技術」としてMaltose Binding Protein(MBP)(例えば、非特許文献7参照)などが報告されてきている。また、タンパク質結晶化に関しても、抗体フラグメント(FabやFv-clasp)を用いる技術が提案されている(例えば、非特許文献8~9参照)。 Since the 1980s, development of tags suitable for "affinity purification" of recombinant proteins has been progressing. Since the 2000s, their uses have become more diverse, with GFP (see, for example, Non-Patent Documents 1-3) being reported as a "reporter technology" for evaluating the thermal stability of membrane proteins and for exploring detergents, T4 lysozyme and bRIL (see, for example, Non-Patent Documents 4-6) being reported as a "thermal stability improvement technology" for G protein-coupled receptors, and Maltose Binding Protein (MBP) (see, for example, Non-Patent Document 7) being reported as a "crystallization promotion technology" for low molecular weight proteins. In addition, a technology using antibody fragments (Fab and Fv-clasp) has been proposed for protein crystallization (see, for example, Non-Patent Documents 8-9).
しかしながら、これらの技術開発は各論的アプローチに基づくものであり、各技術を複数の場面で共通して利用することができず、また、目的のタンパク質に対応する構造解析用タンパク質構造体の作製が必要であった。
さらに、生物のプロテオームの約30%を占める膜タンパク質は、その約50%が創薬ターゲットと推定されており、膜タンパク質の詳細な立体構造を解明することは、その分子機構を明らかにするという基礎研究の観点のみならず、創薬研究の観点からも非常に重要であると考えられているにも関わらず、その疎水性の特性により、結晶化が難しく、界面活性剤の種類の選択も重要であることより、種々の制約があり、膜タンパク質の精製、結晶化、及び構造解析における省力化、高速化が達成できていない。
However, these technological developments were based on specific approaches, and each technique could not be used in multiple situations. In addition, it was necessary to prepare a protein structure for structural analysis corresponding to the target protein.
Furthermore, membrane proteins account for approximately 30% of the proteome of living organisms, and approximately 50% of these are estimated to be targets for drug discovery. Although elucidating the detailed three-dimensional structure of membrane proteins is considered extremely important not only from the perspective of basic research in which their molecular mechanisms are revealed, but also from the perspective of drug discovery research, there are various constraints due to the difficulty of crystallization due to their hydrophobic properties, and the selection of the type of surfactant is also important, so that labor-saving and high-speed purification, crystallization, and structural analysis of membrane proteins have not been achieved.
したがって、膜タンパク質のX線結晶構造解析を始めとする構造生物学研究における課題である、膜タンパク質の精製、結晶化、及び構造解析において、共通に利用可能な汎用性のある技術は未だ提供されておらず、その速やかな提供が強く求められている。 Therefore, there is still a lack of commonly applicable and versatile technology for the purification, crystallization, and structural analysis of membrane proteins, which are issues in structural biology research, including X-ray crystal structure analysis of membrane proteins, and there is a strong demand for such technology to be provided as soon as possible.
本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、膜タンパク質の精製、結晶化、及び構造解析において、共通に利用可能な汎用性のある技術を提供することを目的とする。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems and achieve the following objectives. That is, the present invention aims to provide a versatile technology that can be commonly used in the purification, crystallization, and structural analysis of membrane proteins.
本発明者らが、前記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を採用することにより、膜タンパク質の精製、結晶化、及び構造解析において、共通に利用可能な汎用性のある技術が提供できることを知見した。 As a result of intensive research by the inventors to achieve the above object, they discovered that by adopting a protein structure for membrane protein structural analysis that can bind to a fluorescent protein and an immunoglobulin-binding protein, it is possible to provide a versatile technology that can be commonly used in the purification, crystallization, and structural analysis of membrane proteins.
本発明は、本発明者らによる前記知見に基づくものであり、前記課題を解決するための手段としては以下の通りである。即ち、
<1> 蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能であることを特徴とする膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体である。
<2> 膜タンパク質と、前記<1>に記載の膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体と、を有することを特徴とする、キメラタンパク質である。
<3> 膜タンパク質をコードする遺伝子と、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体をコードする遺伝子とを融合した核酸を発現させる工程を含むことを特徴とする、キメラタンパク質の製造方法である。
<4> 膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を、前記免疫グロブリン結合タンパク質を用いて精製する工程を含むことを特徴とする、膜タンパク質の精製方法である。
<5> 膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を結晶化する工程を含むことを特徴とする、膜タンパク質の結晶化方法である。
<6> 膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を、前記免疫グロブリン結合タンパク質を用いて精製する工程と、前記キメラタンパク質を結晶化し、結晶化キメラタンパク質を得る工程と、を含むことを特徴とする、膜タンパク質の構造解析方法である。
The present invention is based on the above findings by the present inventors, and the means for solving the above problems are as follows.
<1> A protein structure for analyzing the structure of a membrane protein, which is capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein.
<2> A chimeric protein comprising a membrane protein and the protein structure for membrane protein structure analysis according to <1>.
<3> A method for producing a chimeric protein, comprising a step of expressing a nucleic acid obtained by fusing a gene encoding a membrane protein with a gene encoding a protein structure for membrane protein structural analysis capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein.
<4> A method for purifying a membrane protein, comprising a step of purifying a chimeric protein in which a membrane protein is fused with a protein structure for membrane protein structural analysis, the protein structure being capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein, by using the immunoglobulin-binding protein.
<5> A method for crystallizing a membrane protein, comprising a step of crystallizing a chimeric protein in which a membrane protein is fused with a protein structure for membrane protein structural analysis, the protein structure being capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein.
<6> A method for analyzing the structure of a membrane protein, comprising the steps of: purifying a chimeric protein, in which a membrane protein is fused with a protein structure for analyzing a membrane protein structure capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein, by using the immunoglobulin-binding protein; and crystallizing the chimeric protein to obtain a crystallized chimeric protein.
本発明によると、膜タンパク質の精製、結晶化、及び構造解析において、共通に利用可能な汎用性のある技術を提供することができる。 The present invention provides a versatile technology that can be commonly used in the purification, crystallization, and structural analysis of membrane proteins.
(膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体)
前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体は、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である。
(Protein structure for membrane protein structure analysis)
The protein structure for membrane protein structure analysis is capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein.
前記蛍光タンパク質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、GFP、YFP、mCherry、mRFP1、DsRed、CFP、BFP、Sirius、mHoneydew、mBanana、mOrange、tdTomato、mTangerine、mStrawberry、mPlum、mNeptune、NirFPなどが挙げられ、これらの中でも、GFP、YFP、mCherry、mRFP1、又はDsRedが好ましい。これらは変異体であってもよい。 The fluorescent protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the fluorescent protein include GFP, YFP, mCherry, mRFP1, DsRed, CFP, BFP, Sirius, mHoneydew, mBanana, mOrange, tdTomato, mTangerine, mStrawberry, mPlum, mNeptune, and NirFP. Among these, GFP, YFP, mCherry, mRFP1, and DsRed are preferred. These may be mutants.
前記GFPとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、野生型のGFPであってもよく、eGFP_A206K(F64L、S65T、A206K、H231L)、sfGFP(F64L、S65T、H231L、S30R、Y39N、N105T、Y145F、M153T、V163A、I171V、A206V)などの変異型GFPであってもよい。また、N末端にHisタグカルシウム結合ドメイン(CBM-eGFP)等の配列が付加されたものであってもよい。 The GFP is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, it may be a wild-type GFP or a mutant GFP such as eGFP_A206K (F64L, S65T, A206K, H231L) or sfGFP (F64L, S65T, H231L, S30R, Y39N, N105T, Y145F, M153T, V163A, I171V, A206V). It may also be one to which a sequence such as His-tag calcium-binding domain (CBM-eGFP) has been added to the N-terminus.
前記免疫グロブリン結合タンパク質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、プロテインA、プロテインA/G、プロテインGなどが挙げられ、これらの中でも、プロテインAが好ましい。 The immunoglobulin-binding protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples include protein A, protein A/G, and protein G, and among these, protein A is preferred.
膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体の分子量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、200kDa以下が好ましく、100kDa以下がより好ましく、30kDa以下がさらに好ましく、15kDa以下が特に好ましい。 There are no particular limitations on the molecular weight of the protein structure for membrane protein structural analysis and it can be selected appropriately depending on the purpose, but it is preferably 200 kDa or less, more preferably 100 kDa or less, even more preferably 30 kDa or less, and particularly preferably 15 kDa or less.
前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体は、ラクダ科抗体のVHHドメイン(ナノボディ)を含むことが好ましい。前記ラクダ科抗体のVHHドメイン(ナノボディ)は、免疫グロブリン結合タンパク質に結合することが知られている(Molecular&Cellular Proteomics 2008 7:282-289)。
前記ラクダ科抗体のVHHドメインとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記蛍光タンパク質を認識するラクダ科抗体のVHHドメインであることが好ましい。
The protein structure for membrane protein structure analysis preferably contains a VHH domain (nanobody) of a camelid antibody, which is known to bind to immunoglobulin-binding proteins (Molecular & Cellular Proteomics 2008 7:282-289).
The VHH domain of the camelid antibody is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but is preferably a VHH domain of a camelid antibody that recognizes the fluorescent protein.
前記蛍光タンパク質を認識するラクダ科抗体のVHHドメインとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、addgene #61838の挿入遺伝子配列(GFPナノボディ)又はaddgene #70696の挿入遺伝子配列(mCherryナノボディ)を有するものなどが挙げられる。 The VHH domain of the camelid antibody that recognizes the fluorescent protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, it may have the inserted gene sequence of addgene #61838 (GFP nanobody) or the inserted gene sequence of addgene #70696 (mCherry nanobody).
(キメラタンパク質)
前記キメラタンパク質は、膜タンパク質と、膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体と、を有する。
(Chimeric Protein)
The chimeric protein comprises a membrane protein and a protein structure for analyzing a membrane protein structure.
前記膜タンパク質としては、細胞、又は細胞小器官などの生体膜に付着しているタンパク質である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、内在性膜タンパク質であっても、表在性膜タンパク質であってもよい。
前記内在性膜タンパク質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、チャネル、輸送体、レセプター、酵素などが挙げられる。
前記表在性膜タンパク質、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、裏打ちタンパク質などが挙げられる。
The membrane protein is not particularly limited as long as it is a protein attached to a biological membrane such as a cell or an organelle, and can be appropriately selected depending on the purpose. The membrane protein may be an integral membrane protein or a surface membrane protein.
The integral membrane protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the integral membrane protein include channels, transporters, receptors, and enzymes.
The surface membrane protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, it may be a supporting protein.
前記膜タンパク質の分子量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、200kDa以下が好ましく、100kDa以下がより好ましく、30kDa以下がさらに好ましい。 The molecular weight of the membrane protein is not particularly limited and can be selected appropriately depending on the purpose, but is preferably 200 kDa or less, more preferably 100 kDa or less, and even more preferably 30 kDa or less.
前記膜タンパク質の具体例としては、電位依存性ホスファターゼ(VSP)の電位センサードメイン(VSD)、糖輸送体SWEETファミリータンパク質であるSemiSWEET、トランスロケータータンパク質(BcTSPO)、リボフラビントランスポーター(TmRibU)、インチミンのβドメインなどが挙げられる。 Specific examples of the membrane protein include the voltage sensor domain (VSD) of voltage-dependent phosphatase (VSP), the sugar transporter SWEET family protein SemiSWEET, translocator protein (BcTSPO), riboflavin transporter (TmRibU), and the β domain of intimin.
前記VSP-VSDとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、D.Rerio由来のVSP-VSD(Dr-VSP-VSD)、C.intestinalis由来のVSP-VSD(Ci-VSP-VSD)などが挙げられる。静止状態(野生型)のVSP-VSDRest、活性化中間状態変異型のVSP-VSDInt、活性型状態変異体のVSP-VSDActであってもよい。 The VSP-VSD is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include VSP-VSD derived from D. Rerio (Dr-VSP-VSD), VSP-VSD derived from C. intestinalis (Ci-VSP-VSD), etc. VSP-VSD may be a resting state (wild type) VSP-VSD Rest , an active intermediate state mutant type VSP-VSD Int , or an active state mutant VSP-VSD Act .
前記活性型状態変異体のVSP-VSDActとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、S4ヘリックスのT156とI165をアルギニンに変異させた変異体(D.Rerio由来)、R217をグルタミン酸へ変異させた変異体(C.intestinalis由来)などが挙げられる。 The active state mutant VSP-VSD Act is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the mutant include a mutant in which T156 and I165 of the S4 helix are mutated to arginine (derived from D. Rerio), and a mutant in which R217 is mutated to glutamic acid (derived from C. intestinalis).
前記活性化中間状態変異体のVSP-VSDIntとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、S4ヘリックスのT156とI165のアルギニンへの変異に加えて、R153をグルタミン酸へ変異させた変異体(D.Rerio由来)などが挙げられる。
また、前記のVSP-VSDは、二次構造をもたない不安定領域であるVSP-VSDのN末端のアミノ酸残基が欠失したVSP-VSDであってもよい。
前記VSP-VSDのN末端のアミノ酸残基が欠失したVSP-VSDとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、VSP-VSDのN末端のアミノ酸40残基が欠失したDr-VSP-VSDや、VSP-VSDのN末端のアミノ酸29残基が欠失したDr-VSP-VSD、VSP-VSDのN末端のアミノ酸101残基が欠失したCi-VSP-VSDなどが挙げられる。
The activation intermediate mutant VSP-VSD Int is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, a mutant (derived from D. Rerio) in which T156 and I165 in the S4 helix are mutated to arginine and R153 is mutated to glutamic acid can be mentioned.
Furthermore, the VSP-VSD may be a VSP-VSD lacking amino acid residues at the N-terminus of VSP-VSD, which is an unstable region having no secondary structure.
The VSP-VSD lacking amino acid residues at the N-terminus of VSP-VSD is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the VSP-VSD lacking amino acid residues at the N-terminus of VSP-VSD include Dr-VSP-VSD lacking 40 amino acid residues at the N-terminus of VSP-VSD, Dr-VSP-VSD lacking 29 amino acid residues at the N-terminus of VSP-VSD, and Ci-VSP-VSD lacking 101 amino acid residues at the N-terminus of VSP-VSD.
前記SemiSWEETとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、大腸菌由来のSemiSWEETなどが挙げられる。
前記BcTSPOとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、セレウス菌由来のBcTSPOなどが挙げられる。
前記TmRibUとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、超好熱性細菌テルモトガ・マリティマ由来TmRibUなどが挙げられる。
前記インチミンのβドメインとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、腸管出血性大腸菌O157:H7由来インチミンのβドメインなどが挙げられる。
The SemiSWEET is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, SemiSWEET derived from Escherichia coli can be mentioned.
The BcTSPO is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, BcTSPO derived from Bacillus cereus can be mentioned.
The TmRibU is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, TmRibU derived from the hyperthermophilic bacterium Thermotoga maritima can be mentioned.
The intimin β domain is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include the β domain of intimin derived from enterohemorrhagic Escherichia coli O157:H7.
前記膜タンパク質は、膜タンパク質の発現確認のための蛍光タンパク質、可溶化効率を向上させる分子シャペロンの機能を果たすタンパク質タグ、Hisタグなどが付加されていてもよい。 The membrane protein may be tagged with a fluorescent protein for confirming the expression of the membrane protein, a protein tag that acts as a molecular chaperone to improve solubilization efficiency, a His tag, etc.
前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体は、前述のとおりである。 The protein structure for membrane protein structure analysis is as described above.
(キメラタンパク質の製造方法)
前記キメラタンパク質の製造方法は、膜タンパク質をコードする遺伝子と、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体をコードする遺伝子とを融合した核酸を発現させる工程を含み、さらにその他の工程を含むことができる。
(Method of Producing Chimeric Protein)
The method for producing the chimeric protein includes a step of expressing a nucleic acid obtained by fusing a gene encoding a membrane protein with a gene encoding a protein structure for membrane protein structural analysis capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein, and may further include other steps.
前記膜タンパク質、及び前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体は、前述のとおりである。 The membrane protein and the protein structure for membrane protein structure analysis are as described above.
前記融合としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、膜タンパク質をコードする遺伝子のN末端、又はC末端と、前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体をコードする遺伝子との融合などが挙げられる。
前記膜タンパク質及び前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体の融合末端領域には2次構造があることが好ましい。
前記2次構造のリンカーの長さとしては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、16アミノ酸残基以下が好ましく、6アミノ酸残基以下がより好ましく、4アミノ酸残基以下がさらに好ましく、2アミノ酸残基以下が特に好ましい。
The fusion is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the fusion may be fusion of the N-terminus or C-terminus of a gene encoding a membrane protein with a gene encoding a protein structure for membrane protein structural analysis.
The fusion terminal region of the membrane protein and the protein construct for membrane protein structure analysis preferably has a secondary structure.
The length of the linker of the secondary structure is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but is preferably 16 amino acid residues or less, more preferably 6 amino acid residues or less, even more preferably 4 amino acid residues or less, and particularly preferably 2 amino acid residues or less.
前記発現としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記膜タンパク質をコードする遺伝子のN末端、又はC末端と、前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体をコードする遺伝子との融合遺伝子を含むプラスミドを調製し、バキュロウイルス発現系を用いて融合タンパクを発現させる方法、大腸菌発現系を用いて融合タンパクを発現させる方法、昆虫細胞を用いて融合タンパクを発現させる方法、哺乳類細胞を用いて融合タンパクを発現させる方法、無細胞タンパク質合成系を用いて融合タンパクを発現させる方法などが挙げられる。 The expression method is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, a plasmid containing a fusion gene between the N-terminus or C-terminus of the gene encoding the membrane protein and a gene encoding the protein structure for membrane protein structural analysis is prepared, and the fusion protein is expressed using a baculovirus expression system, an E. coli expression system, an insect cell, a mammalian cell, or a cell-free protein synthesis system.
前記その他の工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、発現させた前記融合タンパクを回収する工程、前記融合タンパクを可溶化する工程などが挙げられる。 The other steps are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the other steps include a step of recovering the expressed fusion protein and a step of solubilizing the fusion protein.
前記発現させた前記融合タンパクを回収する工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記融合タンパクを発現させた細胞培養液を遠心分離し、細胞破砕した後、さらに遠心分離する方法などが挙げられる。 The process for recovering the expressed fusion protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, a method can be used in which the cell culture medium in which the fusion protein is expressed is centrifuged, the cells are disrupted, and then the cells are centrifuged again.
前記融合タンパクを可溶化する工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記前記融合タンパクを回収する工程で得られた膜画分に、界面活性剤を加えて可溶化する方法などが挙げられる。
前記界面活性剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、サイマル-5(CYMAL-5)、サイマル-6(CYMAL-6)、サイマル-7(CYMAL-7)等のサイマル系界面活性剤、ラウリルマルトースネオペンチルグリコール(LMNG)、デシルマルトースネオペンチルグリコール(DMNG)、オクチルグルコースネオペンチルグリコール(OGNG)等のNGクラス界面活性剤、ドデシルマルトシド(DDM)、デシルマルトシド(DM)等のマルトシド系界面活性剤、オクチルグルコシド(OG)、シュクロースモノラウレート(SM)等のグルコシド系界面活性剤などが挙げられる。
The step of solubilizing the fusion protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, a method of solubilizing the membrane fraction obtained in the step of recovering the fusion protein by adding a surfactant can be mentioned.
The surfactant is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the surfactant include CYMAL-based surfactants such as CYMAL-5, CYMAL-6, and CYMAL-7; NG class surfactants such as lauryl maltose neopentyl glycol (LMNG), decyl maltose neopentyl glycol (DMNG), and octyl glucose neopentyl glycol (OGNG); maltoside-based surfactants such as dodecyl maltoside (DDM) and decyl maltoside (DM); and glucoside-based surfactants such as octyl glucoside (OG) and sucrose monolaurate (SM).
(膜タンパク質の精製方法)
前記膜タンパク質の精製方法は、膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を、前記免疫グロブリン結合タンパク質を用いて精製する工程を含み、さらにその他の工程を含むことができる。
(Membrane protein purification method)
The method for purifying a membrane protein includes a step of purifying a chimeric protein in which a membrane protein is fused with a protein structure for membrane protein structural analysis, the protein structure being capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein, using the immunoglobulin-binding protein, and may further include other steps.
前記精製の方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、アフィニティークロマトグラフィ、イオン交換クロマトグラフィ、ゲルろ過、又は、これらの組合せなどが挙げられる。 The purification method is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the purification method include affinity chromatography, ion exchange chromatography, gel filtration, and combinations of these.
前記アフィニティークロマトグラフィとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記免疫グロブリン結合タンパク質をカラムに充填したものを使用する方法、前記免疫グロブリン結合タンパク質が結合した樹脂を使用する方法などが挙げられる。 The affinity chromatography is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, a method using a column packed with the immunoglobulin-binding protein, a method using a resin bound to the immunoglobulin-binding protein, etc. can be mentioned.
前記その他の工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、精製したキメラタンパク質を電気泳動する工程、精製したキメラタンパク質を濃縮する工程などが挙げられる。 The other steps are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the other steps include a step of electrophoresing the purified chimeric protein and a step of concentrating the purified chimeric protein.
前記精製したキメラタンパク質を電気泳動する工程における電気泳動としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、SDS-PAGE、native-PAGE、等電点電気泳動、二次元電気泳動などが挙げられる。 The electrophoresis method used in the step of electrophoresing the purified chimeric protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples include SDS-PAGE, native-PAGE, isoelectric focusing, and two-dimensional electrophoresis.
前記精製したキメラタンパク質を濃縮する工程における濃縮としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、限外ろ過膜を用いた濃縮などが挙げられる。 The method of concentration in the step of concentrating the purified chimeric protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples include concentration using an ultrafiltration membrane.
(膜タンパク質の結晶化方法)
前記膜タンパク質の結晶化方法は、膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を結晶化する工程を含み、さらにその他の工程を含むことができる。
(Method of crystallizing membrane proteins)
The method for crystallizing a membrane protein includes a step of crystallizing a chimeric protein in which a membrane protein is fused with a protein structure for membrane protein structural analysis, which is capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein, and may further include other steps.
前記結晶化としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、脂質キュービックフェーズ法(LCP法)、蒸気拡散法(VD法)、Bicelle法、HiLiDe法、カウンターディフュージョン法などが挙げられる。 The crystallization method is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples include the lipid cubic phase method (LCP method), the vapor diffusion method (VD method), the Bicelle method, the HiLiDe method, and the counter diffusion method.
前記LCP法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、M.Caffrey&V.Cherezov,Nat.Protoc.2013に記載の方法などが挙げられる。 The LCP method is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the method described in M. Caffrey & V. Cherezov, Nat. Protoc. 2013 can be mentioned.
前記VD法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、Oxford University Press 1992 Crystallization of nucleic acids and proteins.A practical approach; edited by A.Ducruix and R. Giegkに記載の方法などが挙げられる。 The VD method is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the method described in "Crystalization of nucleic acids and proteins. A practical approach; edited by A. Ducruix and R. Giegk" (Oxford University Press, 1992) can be mentioned.
前記Bicelle法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、Methods 2011 55:337-341に記載の方法などが挙げられる。 The Bicelle method is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the method described in Methods 2011 55:337-341 can be mentioned.
前記HiLiDe法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、Cryst. Growth Des. 2011 11:2098-2106に記載の方法などが挙げられる。 The HiLiDe method is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the method described in Cryst. Growth Des. 2011 11:2098-2106 can be mentioned.
前記カウンターディフュージョン法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、J.M. Garcia-Ruiz et. al., Meth. Enzymol. 2002 368:130-54に記載の方法などが挙げられる。 The counterdiffusion method is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the method described in J. M. Garcia-Ruiz et al., Meth. Enzymol. 2002 368:130-54 can be mentioned.
前記膜タンパク質の結晶化方法は、さらに、前記キメラタンパク質に、蛍光タンパク質を添加する工程を含むことができる。 The method for crystallizing a membrane protein may further include a step of adding a fluorescent protein to the chimeric protein.
前記蛍光タンパク質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、GFP、YFP、mCherry、mRFP1、DsRed、CFP、BFP、Sirius、mHoneydew、mBanana、mOrange、tdTomato、mTangerine、mStrawberry、mPlum、mNeptune、NirFPなどが挙げられ、これらの中でも、GFP、YFP、mCherry、mRFP1、又はDsRedが好ましい。これらは変異体であってもよい。 The fluorescent protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the fluorescent protein include GFP, YFP, mCherry, mRFP1, DsRed, CFP, BFP, Sirius, mHoneydew, mBanana, mOrange, tdTomato, mTangerine, mStrawberry, mPlum, mNeptune, and NirFP. Among these, GFP, YFP, mCherry, mRFP1, and DsRed are preferred. These may be mutants.
前記GFPとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、野生型のGFPであってもよく、eGFP_A206K(F64L、S65T、A206K、H231L)、sfGFP(F64L、S65T、H231L、S30R、Y39N、N105T、Y145F、M153T、V163A、I171V、A206V)などの変異型GFPであってもよいが、これらの中でも、eGFP_A206K、又はsfGFPが好ましい。
また、前記GFPのN末端に、Hisタグやカルシウム結合ドメイン(CBM-eGFP)等の配列が付加されたものであってもよい。Hisタグやカルシウム結合ドメイン等の配列を付加することにより、異なった条件で結晶を得ることができる。
The GFP is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, it may be a wild-type GFP or a mutant GFP such as eGFP_A206K (F64L, S65T, A206K, H231L) or sfGFP (F64L, S65T, H231L, S30R, Y39N, N105T, Y145F, M153T, V163A, I171V, A206V). Among these, eGFP_A206K or sfGFP is preferable.
Furthermore, the GFP may have a sequence such as a His tag or a calcium binding domain (CBM-eGFP) added to the N-terminus thereof. By adding a sequence such as a His tag or a calcium binding domain, crystals can be obtained under different conditions.
(膜タンパク質の構造解析方法)
前記膜タンパク質の構造解析方法は、膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を、前記免疫グロブリン結合タンパク質を用いて精製する工程と、前記キメラタンパク質を結晶化し、結晶化キメラタンパク質を得る工程とを含み、さらにその他の工程を含むことができる。
(Method of structural analysis of membrane proteins)
The method for analyzing the structure of a membrane protein includes a step of purifying a chimeric protein in which a membrane protein is fused with a protein structure for analyzing membrane protein structure, the protein structure being capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein, using the immunoglobulin-binding protein, and a step of crystallizing the chimeric protein to obtain a crystallized chimeric protein, and may further include other steps.
前記膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を、前記免疫グロブリン結合タンパク質を用いて精製する工程は、前述のとおりである。
前記キメラタンパク質を結晶化し、結晶化キメラタンパク質を得る工程は、前述のとおりである。
The step of purifying a chimeric protein in which a protein structure for membrane protein structural analysis capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein is fused to the membrane protein, using the immunoglobulin-binding protein, is as described above.
The step of crystallizing the chimeric protein to obtain a crystallized chimeric protein is as described above.
前記膜タンパク質の構造解析方法は、さらに、前記キメラタンパク質に、蛍光タンパク質を添加する工程を含ことができる。 The method for analyzing the structure of a membrane protein may further include a step of adding a fluorescent protein to the chimeric protein.
前記蛍光タンパク質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、GFP、YFP、mCherry、mRFP1、DsRed、CFP、BFP、Sirius、mHoneydew、mBanana、mOrange、tdTomato、mTangerine、mStrawberry、mPlum、mNeptune、NirFPなどが挙げられ、これらの中でも、GFP、YFP、mCherry、mRFP1、又はDsRedが好ましい。これらは変異体であってもよい。 The fluorescent protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the fluorescent protein include GFP, YFP, mCherry, mRFP1, DsRed, CFP, BFP, Sirius, mHoneydew, mBanana, mOrange, tdTomato, mTangerine, mStrawberry, mPlum, mNeptune, and NirFP. Among these, GFP, YFP, mCherry, mRFP1, and DsRed are preferred. These may be mutants.
前記GFPとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、野生型のGFPであってもよく、eGFP_A206K(F64L、S65T、A206K、H231L)、sfGFP(F64L、S65T、H231L、S30R、Y39N、N105T、Y145F、M153T、V163A、I171V、A206V)などの変異型GFPであってもよいが、これらの中でも、eGFP_A206K、又はsfGFPが好ましい。
また、前記GFPのN末端に、Hisタグやカルシウム結合ドメイン等の配列が付加されたものであってもよい。Hisタグやカルシウム結合ドメイン(CBM-eGFP)等の配列を付加することにより、異なった条件で結晶を得ることができる。
The GFP is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, it may be a wild-type GFP or a mutant GFP such as eGFP_A206K (F64L, S65T, A206K, H231L) or sfGFP (F64L, S65T, H231L, S30R, Y39N, N105T, Y145F, M153T, V163A, I171V, A206V). Among these, eGFP_A206K or sfGFP is preferable.
Furthermore, the GFP may have a sequence such as a His tag or a calcium binding domain added to the N-terminus thereof. By adding a sequence such as a His tag or a calcium binding domain (CBM-eGFP), crystals can be obtained under different conditions.
前記その他の工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記結晶化キメラタンパク質の構造解析工程が挙げられる。 The other steps are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and include, for example, a step of analyzing the structure of the crystallized chimeric protein.
前記結晶化キメラタンパク質の構造解析工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、得られた結晶について、大型放射光施設(SPring-8)の高フラックス・マイクロビームビームライン(BL32XU)などを用いて、回折データを収集する方法、さらに、サーチモデルを使用して、分子置換法により初期位相を決定し、初期構造を決定した後、最終構造を得る方法などが挙げられる。 The structural analysis process for the crystallized chimeric protein is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the method includes a method of collecting diffraction data for the obtained crystals using the high-flux microbeam beamline (BL32XU) of the large synchrotron radiation facility (SPring-8), and further a method of determining the initial phase by molecular replacement using a search model, determining the initial structure, and then obtaining the final structure.
ここで、膜タンパク質の構造解析の難易度を高める要因としては、1.タンパク質タグ融合に制限があること、2.熱安定性が低いこと、3.精製が困難であること、4.結晶化が困難であること、5.分解能が低いことなどが挙げられる。 Here, factors that make structural analysis of membrane proteins more difficult include: 1. limitations on protein tag fusion, 2. low thermal stability, 3. difficulty in purification, 4. difficulty in crystallization, and 5. low resolution.
前記1に関して、従来法では、ターゲット蛋白質のトポロジーに依存してタンパク質タグを選択する必要があったが、前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を使用する場合は、その制限がない。 Regarding point 1 above, in conventional methods, it was necessary to select a protein tag depending on the topology of the target protein, but when using the protein structure for membrane protein structure analysis, there is no such restriction.
前記2に関して、従来法では、熱安定性の向上に寄与する「変異導入」「融合タンパク質タグの探索」「添加剤」の探索、より熱安定性の高いオルソログを探索するなどの対処が必要であったが、前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を使用する場合は、蛍光タンパク質を添加することで蛍光検出器による微量測定が容易となり、これら条件検討のハイスループットスクリーニングが可能となる。 Regarding point 2 above, in conventional methods, it was necessary to take measures such as "introducing mutations," "searching for fusion protein tags," and "searching for additives" that contribute to improving thermal stability, and searching for orthologs with higher thermal stability. However, when using the protein construct for membrane protein structure analysis, adding a fluorescent protein makes it easier to perform micromeasurements using a fluorescence detector, enabling high-throughput screening of these conditions.
前記3に関して、熱安定性が低く取扱いの難度が高いことから、従来法では、短時間で高アフィニティ精製などが必要であったが、前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を使用する場合は、免疫グロブリン結合タンパク質との結合を利用することで、高アフィニティ精製が実現でき、また、蛍光タンパク質を添加することで、蛍光検出器を用いた微量測定による精製条件探索のハイスループットスクリーニング、目視によるタンパク質の有無の確認が可能となり精製工程の簡略化が実現できる。 Regarding point 3 above, due to low thermal stability and high handling difficulty, conventional methods required high affinity purification in a short period of time. However, when the protein structure for membrane protein structure analysis is used, high affinity purification can be achieved by utilizing binding with immunoglobulin-binding proteins. In addition, the addition of a fluorescent protein allows high-throughput screening of purification conditions by micromeasurement using a fluorescence detector and visual confirmation of the presence or absence of protein, thus simplifying the purification process.
前記4に関して、従来法では、結晶化のため「蒸気拡散法」「Bicelle法」「LCP法」等の結晶化手法に応じた融合タンパク質タグ選択等のタンパク質設計などの対処が必要であったが、前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を使用する場合は、蛍光タンパク質を添加することで結晶化手法によらず飛躍的に結晶化ヒット率を向上させることができる。また、結晶には蛍光タンパク質に依存した色を呈するため、結晶観察や結晶拾いが容易になり、「結晶の見落とし」等のヒューマンエラーを低減させることができる。 Regarding point 4 above, in conventional methods, crystallization requires measures such as protein design, such as the selection of fusion protein tags according to the crystallization method, such as the vapor diffusion method, the Bicelle method, or the LCP method. However, when using the protein construct for membrane protein structure analysis, the crystallization hit rate can be dramatically improved by adding a fluorescent protein, regardless of the crystallization method. In addition, since the crystals exhibit a color that depends on the fluorescent protein, crystal observation and picking up become easier, and human errors such as "overlooking crystals" can be reduced.
前記5に関して、従来法では、精製純度の改善、結晶化条件の最適化や再検討、タンパク質の再設計、抗体フラグメント等の作製などによる対処が必要であったが、前記膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を使用する場合は、蛍光タンパク質のvariantの種類をスクリーニングするだけで容易に異なる結晶化条件を探索ができ、その結果、分解能の改善に成功する可能性を高める。このためタンパク質の再設計等に比べ大幅な時間短縮になり研究を加速することができる。 Regarding point 5 above, in conventional methods, it was necessary to address this issue by improving purification purity, optimizing or reconsidering crystallization conditions, redesigning the protein, creating antibody fragments, etc., but when using the protein construct for membrane protein structure analysis, different crystallization conditions can be easily explored simply by screening the types of fluorescent protein variants, thereby increasing the chances of successfully improving resolution. This allows for a significant reduction in time compared to protein redesign, etc., and accelerates research.
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。 The following describes examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.
<実施例1:GFP-Nb-Dr-VSP-VSDInt>
実施例1-1:コンストラクトの作製(配列番号1)
D.rerio由来VSP-VSDのcDNAは、大阪大学医学系研究科統合生理学の岡村教授より入手した。構造解析には、活性化中間状態変異体(T156R、I165R、R153E)であるDr-VSP-VSDIntを使用した。GFP-NbのcDNAは、PDBID:3OGOのアミノ酸配列を参考にし、cDNAは人工遺伝子合成を用いて、GeneScriptより入手した。Dr-VSP-VSDIntの41-188アミノ酸配列のN末端にGFP-nabobody(1-115)を2残基リンカー(Gly-Ser)で結合した融合タンパク質:GFP-Nb-Dr-VSP-VSDInt用コンストラクトを設計した(図1)。さらに、発現確認とアフィニティ精製のため、N末端領域に、MBP、Hisタグ、Mycタグ、TEVプロテアーゼ認識配列を付与したcDNAを作製し、pFastBac1に挿入したプラスミドDNAを調製した。
<Example 1: GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int >
Example 1-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 1)
The cDNA of D. rerio-derived VSP-VSD was obtained from Professor Okamura, Department of Integrative Physiology, Graduate School of Medicine, Osaka University. For structural analysis, Dr-VSP-VSD Int , an active intermediate mutant (T156R, I165R, R153E), was used. The cDNA of GFP-Nb was obtained from GeneScript using artificial gene synthesis, with reference to the amino acid sequence of PDBID: 3OGO. A fusion protein in which GFP-nabobody (1-115) was linked to the N-terminus of the 41-188 amino acid sequence of Dr-VSP-VSD Int with a two-residue linker (Gly-Ser) was designed: a construct for GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int (Figure 1). Furthermore, for expression confirmation and affinity purification, cDNA was prepared by adding MBP, a His tag, a Myc tag, and a TEV protease recognition sequence to the N-terminal region, and inserted into pFastBac1 to prepare a plasmid DNA.
実施例1-2:タンパク質発現と細胞膜の調製
Bac-to-Bac Baculovirus Expression System(Thermo Fisher Scientific)のプロトコルに従い、作製したプラスミドからP2組換えバキュロウイルスを作製した。タンパク質発現は、Sf9の細胞濃度4.0×106cells/mLでP2ウイルス液を適量加え、28℃、24時間、120rpmの旋回培養を行い、その後、20℃に温度を下げて48時間、120rpmの旋回培養を行った。回収した昆虫細胞を氷冷のBuffer A(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、5mM Benzamidine)で懸濁し、超音波ホモジナイザーにより破砕した。破砕液を10,000g、10分間、4℃で遠心分離後、上清を45,000rpm(himac P45AT rotor)、1時間、4℃で超遠心分離することで細胞膜画分を回収した。細胞膜は、Buffer Aで懸濁しダウンスホモジナイザーを用いて均一化した後、45,000rpm(himac P45AT)、1時間、4℃で超遠心分離することで水溶性タンパク質や膜結合性タンパク質を洗い出した。再度、同様の操作を行って細胞膜を洗浄した。
Example 1-2: Protein expression and preparation of cell membrane According to the protocol of Bac-to-Bac Baculovirus Expression System (Thermo Fisher Scientific), P2 recombinant baculovirus was produced from the prepared plasmid. Protein expression was carried out by adding an appropriate amount of P2 virus solution to Sf9 cells at a cell concentration of 4.0 × 10 6 cells / mL, and performing rotational culture at 28 ° C. and 120 rpm for 24 hours, and then lowering the temperature to 20 ° C. and performing rotational culture at 120 rpm for 48 hours. The collected insect cells were suspended in ice-cold Buffer A (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 5 mM Benzamidine) and disrupted by an ultrasonic homogenizer. The disrupted solution was centrifuged at 10,000 g for 10 minutes at 4° C., and the supernatant was ultracentrifuged at 45,000 rpm (himac P45AT rotor) for 1 hour at 4° C. to recover a cell membrane fraction. The cell membrane was suspended in Buffer A and homogenized using a Dounce homogenizer, and then ultracentrifuged at 45,000 rpm (himac P45AT) for 1 hour at 4° C. to wash out water-soluble proteins and membrane-associated proteins. The cell membrane was washed again by carrying out the same procedure.
実施例1-3:膜タンパク質の可溶化と精製
洗浄した細胞膜をBuffer B(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、25mM Imidazole、2mM DTT)に懸濁しダウンスホモジナイザーで均一化した後、終濃度2%(w/v)となるように20%(w/v)DDM(n-Dodecyl-β-D-Maltopyranoside)を添加し、緩やかに撹拌しながら1時間、4℃にてインキュベーションすることで、GFP-Nb-Dr-VSP-VSDIntを可溶化した。可溶化サンプルに含まれる不溶性画分は、超遠心分離により除去し、上清にNi-NTA樹脂を加え緩やかに撹拌しながら1時間、4℃にてインキュベーションした。エコノカラム(Bio-Rad)を用いて非結合成分を除去し、さらにBuffer C(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、25mM Imidazole、2mM DTT、0.08%(w/v)DDM)でNi-NTA樹脂を洗浄した。次に、Buffer D(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、25mM Imidazole、2mM DTT、0.12%(w/v)DMNG(Decyl Maltose Neopentyl Glycol))にて界面活性剤の置換と樹脂洗浄を行い、Buffer E(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、250mM Imidazole、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)によってGFP-Nb-Dr-VSP-VSDIntを溶出した。溶出フラクションに適量のHisタグ融合TEVプロテアーゼを加えて透析チューブに移し、4℃にてBuffer F(20mM Tris-HCl[pH7.5]、150mM NaCl、2mM DTT、1mM EDTA、0.03%(w/v)DMNG)に対して一晩透析を行った。TEVプロテアーゼにより切断されたMBPを含むタグ断片を除去するため、Ni-NTA樹脂にサンプルに加え緩やかに撹拌しながら1時間、4℃にてインキュベーションした。エコノカラムを用いてGFP-Nb-Dr-VSP-VSDIntを含む素通り画分とBuffer FによるNi-NTA樹脂洗浄液を回収し、限外ろ過膜を用いて濃縮した。Buffer G(20mM MES-Na[pH6.0]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)で濃縮サンプルを10倍希釈し、HiTrap SP HP(GE Healthcare)へ吸着させ、Buffer GとBuffer H(20mM MES-Na[pH6.0]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG、1M NaCl)を用いて陽イオン交換クロマトグラフィを行った。クロマトグラムとSDS-PAGE電気泳動の結果から回収フラクションを決定し、下記のとおり製造したeGFP_A206KをGFP-Nb-Dr-VSP-VSDIntのモル比の2倍量加え、氷上で1時間静置することで複合体を調製した。その後、限外ろ過膜で濃縮し、Buffer I(20mM Tris-HCl[pH7.5]、150mM NaCl、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)で平衡化されたSuperdex200 Increase 10/300 GL(GE Healthcare)に供し、過剰量のeGFP_A206Kや多量体成分を除いた。最終精製標品は、限外ろ過膜を用いて20mg/mLまで濃縮した。
Example 1-3: Solubilization and purification of membrane proteins The washed cell membrane was suspended in Buffer B (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 25 mM Imidazole, 2 mM DTT) and homogenized with a Dounce homogenizer, and then 20% (w/v) DDM (n-Dodecyl-β-D-Maltopyranoside) was added to a final concentration of 2% (w/v) and incubated at 4 ° C. for 1 hour with gentle stirring to solubilize GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int . The insoluble fraction contained in the solubilized sample was removed by ultracentrifugation, and Ni-NTA resin was added to the supernatant and incubated at 4 ° C. for 1 hour with gentle stirring. Unbound components were removed using an Econocolumn (Bio-Rad), and the Ni-NTA resin was further washed with Buffer C (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 25 mM imidazole, 2 mM DTT, 0.08% (w/v) DDM). Next, the surfactant was replaced and the resin was washed with Buffer D (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 25 mM Imidazole, 2 mM DTT, 0.12% (w / v) DMNG (Decyl Maltose Neopentyl Glycol)), and GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int was eluted with Buffer E (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 250 mM Imidazole, 2 mM DTT, 0.03% (w / v) DMNG). An appropriate amount of His-tag fused TEV protease was added to the eluted fraction, which was then transferred to a dialysis tube and dialyzed overnight against Buffer F (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 150 mM NaCl, 2 mM DTT, 1 mM EDTA, 0.03% (w/v) DMNG) at 4 ° C. In order to remove the tag fragment containing MBP cleaved by TEV protease, the sample was added to Ni-NTA resin and incubated at 4 ° C. for 1 hour with gentle stirring. The flow-through fraction containing GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int and the Ni-NTA resin washing solution with Buffer F were collected using an Econo column and concentrated using an ultrafiltration membrane. The concentrated sample was diluted 10-fold with Buffer G (20 mM MES-Na [pH 6.0], 2 mM DTT, 0.03% (w / v) DMNG), adsorbed to HiTrap SP HP (GE Healthcare), and cation exchange chromatography was performed using Buffer G and Buffer H (20 mM MES-Na [pH 6.0], 2 mM DTT, 0.03% (w / v) DMNG, 1 M NaCl). The recovered fraction was determined from the chromatogram and the results of SDS-PAGE electrophoresis, and the eGFP_A206K produced as described below was added in an amount twice the molar ratio of GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int , and the complex was prepared by leaving it on ice for 1 hour. The mixture was then concentrated using an ultrafiltration membrane and subjected to Superdex200 Increase 10/300 GL (GE Healthcare) equilibrated with Buffer I (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 150 mM NaCl, 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG) to remove excess eGFP_A206K and multimeric components. The final purified sample was concentrated to 20 mg/mL using an ultrafiltration membrane.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図2Aに示す。図2Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図2Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図2B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2-12:図2Aの黒線で示したフラクションを左から順に、レーン13:分子量マーカー(M))。図2Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 2A. In Figure 2A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black lines in Figure 2A were collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 2B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lanes 2-12: fractions indicated by the black lines in Figure 2A in order from the left, lane 13: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 2B were collected.
(eGFPの製造1:コンストラクト:配列番号2)
改良型GFPの一つであるeGFPのcDNAは、pEGFP-N1(クロンテック)より入手した。溶液状態で単量体となる変異A206Kを加えた2-239の発現領域に、N末端にTEVプロテアーゼ認識配列を付与したcDNA作製し、制限酵素サイトBam HIとXho Iを用いてpET28b(+)へ挿入したプラスミドを調製した。TEVプロテアーゼ配列より上流には、pET28b(+)由来のHisタグを有する。
(eGFP Production 1: Construct: SEQ ID NO:2)
The cDNA of eGFP, one of the improved GFPs, was obtained from pEGFP-N1 (Clontech). A cDNA was prepared by adding a TEV protease recognition sequence to the N-terminus of the expression region of 2-239, which contains the mutation A206K that forms a monomer in solution, and inserting the cDNA into pET28b(+) using the restriction enzyme sites Bam HI and Xho I to prepare a plasmid. Upstream of the TEV protease sequence, there is a His tag derived from pET28b(+).
(eGFPの製造2:タンパク質発現と精製)
作製したプラスミド(配列番号2)をBL21-CodonPlus(DE3)-RIPL(Agilent Technologies)に形質転換し大量培養を行った。eGFP_A206Kのタンパク質発現は、濁度がおよそOD600=0.5でIPTGを終濃度0.5mMとなるように添加・発現誘導し、その後、20℃で120rpmの旋回培養を一晩行った。回収した大腸菌を氷冷のBuffer A(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、5mM Benzamidine、2mM DTT、25mM Imidazole)で懸濁し、超音波ホモジナイザーにより破砕した。破砕液を10,000g、10分間、4℃で遠心分離後、上清を40,000g(Beckman Coulter JA-25.50 rotor)、30分間、4℃で遠心分離し上清画分を回収した。上清にNi-NTA樹脂を加え緩やかに撹拌しながら1時間、4℃にてインキュベーションした。エコノカラムを用いて非結合成分を除去し、さらにBuffer AでNi-NTA樹脂を洗浄した。次に、Buffer B(20mM Tris-HCl[pH7.5]、150mM NaCl、2mM DTT、250mM Imidazole)によってeGFP_A206Kを溶出した。溶出フラクションに適量のHisタグ融合TEVプロテアーゼを加えて透析チューブに移し、4℃にてBuffer C(20mM Tris-HCl[pH7.5]、150mM NaCl、2mM DTT、1mM EDTA)に対して一晩透析を行った。TEVプロテアーゼにより切断されたHisタグを除去するため、Ni-NTA樹脂にサンプルを加え緩やかに撹拌しながら1時間、4℃にてインキュベーションした。エコノカラムを用いてeGFP_A206Kを含む素通り画分とBuffer Cによる樹脂洗浄液を回収し、限外ろ過膜により濃縮、Buffer D(20mM Tris-HCl[pH7.5]、150mM NaCl、2mM DTT)で平衡化されたHiLoad 16/600 Superdex200 pgを用いてゲルろ過クロマトグラフィを行った。単量体のeGFP_A206Kを含むフラクションを回収し、限外ろ過膜を用いて10mg/mLまで濃縮した。
(eGFP Production 2: Protein Expression and Purification)
The prepared plasmid (SEQ ID NO: 2) was transformed into BL21-CodonPlus(DE3)-RIPL (Agilent Technologies) and cultured in large quantities. Protein expression of eGFP_A206K was induced by adding IPTG to a final concentration of 0.5 mM at a turbidity of approximately OD600 = 0.5, and then rotating culture was performed overnight at 20 ° C. at 120 rpm. The collected E. coli was suspended in ice-cold Buffer A (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 5 mM Benzamidine, 2 mM DTT, 25 mM Imidazole) and disrupted with an ultrasonic homogenizer. The disrupted solution was centrifuged at 10,000g for 10 minutes at 4°C, and the supernatant was centrifuged at 40,000g (Beckman Coulter JA-25.50 rotor) for 30 minutes at 4°C to collect the supernatant fraction. Ni-NTA resin was added to the supernatant and incubated at 4°C for 1 hour with gentle stirring. Unbound components were removed using an Econo column, and the Ni-NTA resin was further washed with Buffer A. Next, eGFP_A206K was eluted with Buffer B (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 150 mM NaCl, 2 mM DTT, 250 mM Imidazole). An appropriate amount of His-tag fused TEV protease was added to the eluted fraction, which was then transferred to a dialysis tube and dialyzed overnight against Buffer C (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 150 mM NaCl, 2 mM DTT, 1 mM EDTA) at 4° C. To remove the His-tag cleaved by the TEV protease, the sample was added to Ni-NTA resin and incubated at 4° C. for 1 hour with gentle stirring. The flow-through fraction containing eGFP_A206K and the resin washing solution with Buffer C were collected using an Econocolumn, concentrated using an ultrafiltration membrane, and gel filtration chromatography was performed using HiLoad 16/600 Superdex200 pg equilibrated with Buffer D (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 150 mM NaCl, 2 mM DTT). Fractions containing monomeric eGFP_A206K were collected and concentrated to 10 mg/mL using an ultrafiltration membrane.
実施例1-4:LCPの作製
-30℃に保存していたモノオレインを透明になるまで42℃で加温後、マイクロピペットを用いてガスタイトシリンジ(Hamilton)に充填し、重量を測定した。その後、プランジャー(Hamilton)をセットし、モノオレインをシリンジの先端まで押し上げて移動させた。別のシリンジにモノオレインの0.67倍重量のサンプルを充填してシリンジの先端まで押し上げて移動した。2つのシリンジをカップラーで、繋ぎそれぞれのプランジャーを交互に押し込む(100回程度)ことによって、サンプルとモノオレインを十分に混和しLCPを作製した。最後に、全量の溶液を片側のシリンジに移動させた状態で20℃、1時間ほど静置した。
Example 1-4: Preparation of LCP Monoolein stored at -30°C was heated to 42°C until it became transparent, and then filled into a gas-tight syringe (Hamilton) using a micropipette, and the weight was measured. Then, a plunger (Hamilton) was set, and monoolein was pushed up to the tip of the syringe and moved. A sample with a weight 0.67 times that of monoolein was filled into another syringe, and pushed up to the tip of the syringe and moved. The two syringes were connected with a coupler, and the plungers were alternately pushed (about 100 times), so that the sample and monoolein were thoroughly mixed to prepare an LCP. Finally, the entire amount of the solution was moved to one of the syringes and left to stand at 20°C for about 1 hour.
実施例1-5:結晶化スクリーニング
前記LCPが入ったシリンジにニードルを接続して、シリンジを微量分注器に装着した。96穴両面シールを貼り付けたガラスプレートの各ウェルにLCPを50nLずつ分注し、次に、800nLのリザーバー溶液を添加した。リザーバー溶液を添加する際に、LCPの乾燥を防ぐために8連マイクロピペットを使用することで素早く操作を行った。LCPを50nLずつ分注する時に脂質の相転移が起きないように加湿器で保湿した。リザーバー溶液には、参考文献(Methods Enzymol. 2015 557:417-37)に記載されたスクリーニング溶液を用いた。リザーバー溶液の添加後は直ちに、スライドガラスを被せてドロップを密閉し20℃で静置した。
Example 1-5: Crystallization screening A needle was connected to the syringe containing the LCP, and the syringe was attached to a microdispenser. 50 nL of LCP was dispensed into each well of a 96-well glass plate with a double-sided seal attached, and then 800 nL of reservoir solution was added. When adding the reservoir solution, the operation was performed quickly by using an 8-series micropipette to prevent the LCP from drying. When dispensing 50 nL of LCP, the liquid was moistened with a humidifier to prevent lipid phase transition. The screening solution described in the reference (Methods Enzymol. 2015 557:417-37) was used as the reservoir solution. Immediately after adding the reservoir solution, the drop was covered with a slide glass to seal and allowed to stand at 20 ° C.
実施例1-6:膜タンパク質の結晶化
沈殿剤は、0.1M HEPES-Na[pH7.5]、0.05M Ammonium acetate、29-32.5%(v/v)PEG400で結晶を得た(図3)。スケールバーは、0.1mmを示す。
Example 1-6: Crystallization of membrane protein Crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M HEPES-Na [pH 7.5], 0.05 M ammonium acetate, and 29-32.5% (v/v) PEG 400 (FIG. 3). The scale bar indicates 0.1 mm.
実施例1-7:X線回折実験と構造解析
SPring-8 BL32XUにおいて「ZOOシステム」の自動測定により回折データを収集した結果、分解能は2.45Åであった。(表1)。初期位相の決定には、GFP-nanobody-eGFP複合体(PDBID=3OGO)の構造をサーチモデルとしてMOLREP(A.Vagin&A.Teplyakov,Acta Crystallogr.D,2000)を使った分子置換法により行った。得られたモデルに対してさらに、Ci-VSP-VSD(PDBID=4G7V)をサーチモデルとした分子置換によりほぼ全領域の初期構造を決定した。この構造をもとに、REFMACとCoot(P.Emsley and K Cowtan,2004 Acta Crystallogr.D Biol.Crystallogr.)を用いて、Dr-VSP-VSDIntへアミノ酸配列を修正し精密化を行い最終構造とした(表1)。
Example 1-7: X-ray diffraction experiment and structure analysis Diffraction data was collected by automatic measurement of the "ZOO system" in SPring-8 BL32XU, and the resolution was 2.45 Å. (Table 1). The initial phase was determined by molecular replacement using MOLREP (A. Vagin & A. Teplyakov, Acta Crystallogr. D, 2000) with the structure of the GFP-nanobody-eGFP complex (PDBID = 3OGO) as the search model. The initial structure of almost the entire region was determined by molecular replacement using Ci-VSP-VSD (PDBID = 4G7V) as the search model for the obtained model. Based on this structure, the amino acid sequence was modified and refined to Dr-VSP-VSD Int using REFMAC and Coot (P. Emsley and K Cowtan, 2004 Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr.) to obtain the final structure (Table 1).
<実施例2:Dr-VSP-VSDInt-GFP-Nb>
実施例2-1:コンストラクトの作製(配列番号3)
Dr-VSP-VSDIntの41-188アミノ酸配列のC末端にGFP-nabobody(1-115)を2残基リンカー(Gly-Ser)で結合した融合タンパク質:Dr-VSP-VSDInt-GFP-Nb用コンストラクトを設計した以外は、実施例1-1と同様にしてコンストラクトを設計した(図4)。
Example 2: Dr-VSP-VSD Int -GFP-Nb
Example 2-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 3)
A construct was designed in the same manner as in Example 1-1, except that a fusion protein, Dr-VSP-VSD Int -GFP-Nb construct, was designed in which GFP-nabobody (1-115) was linked to the C-terminus of the 41-188 amino acid sequence of Dr-VSP-VSD Int via a two-residue linker (Gly-Ser) (FIG. 4).
実施例2-2~2-3
eGFP_A206Kに代えて、下記のとおり製造したsfGFPをサンプルに加えた以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Examples 2-2 to 2-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out, except that sfGFP produced as described below was added to the sample instead of eGFP_A206K.
(sfGFPの製造1:コンストラクト:配列番号4)
改良型GFPの一つであるsfGFPのcDNAは、配列番号2の配列を鋳型に変異導入して作製した。N末端にTEVプロテアーゼ認識配列を付与したcDNA作製し、制限酵素サイトBam HIとXho Iを用いてpET28b(+)へ挿入したプラスミドを調製した。TEVプロテアーゼ配列より上流には、pET28b(+)由来のHisタグを有する。
(sfGFP Production 1: Construct: SEQ ID NO: 4)
The cDNA of sfGFP, one of the improved GFPs, was prepared by introducing mutations into the template sequence of SEQ ID NO: 2. A cDNA was prepared with a TEV protease recognition sequence at the N-terminus, and inserted into pET28b(+) using the restriction enzyme sites Bam HI and Xho I to prepare a plasmid. Upstream of the TEV protease sequence, there is a His tag derived from pET28b(+).
(sfGFPの製造2:タンパク質発現と精製)
eGFPの製造2:タンパク質発現と精製と同様に行った。
(Production of sfGFP 2: Protein Expression and Purification)
eGFP Production 2: Protein expression and purification were carried out in the same manner.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図5Aに示す。図5Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図5Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図5B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2-13:図5Aの黒線で示したフラクションを左から順に、レーン14:分子量マーカー(M))。図5Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 5A. In Figure 5A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black line in Figure 5A were collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 5B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lanes 2-13: fractions indicated by the black line in Figure 5A in order from the left, lane 14: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 5B were collected.
実施例2-4~2-7
実施例1-4~1-7と同様に行った結果、沈殿剤は0.1M HEPES-Na[pH7.5]、0.1M Magnesium sulfate、29%(v/v)PEG300で結晶を得た(図6)。収集したデータを処理した結果を表2に示す。
Examples 2-4 to 2-7
As a result of carrying out the same procedure as in Examples 1-4 to 1-7, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M HEPES-Na [pH 7.5], 0.1 M magnesium sulfate, and 29% (v/v) PEG 300 (FIG. 6). The results of processing the collected data are shown in Table 2.
<比較例1:bRIL-Dr-VSP-VSDInt>
比較例1-1:コンストラクトの作製(配列番号5)
GFP-NbのcDNAを、bRILのcDNAに代えた以外は、実施例1-1と同様にしてコンストラクトを設計した(図7)。bRILのcDNAはPDBID:1M6Tのアミノ酸配列を参考にして、cDNAは人工遺伝子合成を用いて、GeneScriptより入手した。
<Comparative Example 1: bRIL-Dr-VSP-VSD Int >
Comparative Example 1-1: Preparation of construct (SEQ ID NO:5)
A construct was designed in the same manner as in Example 1-1, except that the cDNA of GFP-Nb was replaced with the cDNA of bRIL (FIG. 7). The cDNA of bRIL was obtained from GeneScript using artificial gene synthesis, with reference to the amino acid sequence of PDBID: 1M6T.
比較例1-2~1-3
イオン交換クロマトグラフィによる精製を行わず、精製キメラタンパク質にeGFP_A206Kを添加しなかった以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Comparative Examples 1-2 to 1-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out, except that purification by ion exchange chromatography was not performed and eGFP_A206K was not added to the purified chimeric protein.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図8Aに示す。図8Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。ゲルろ過クロマトグラフィの結果、14mL付近に1つのピークが得られた。図8Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図8B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2-11:図8Aの黒線で示したフラクションを左から順に、レーン12:分子量マーカー(M))。図8Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 8A. In Figure 8A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution volume. As a result of gel filtration chromatography, one peak was obtained at approximately 14 mL. The sample indicated by the black line in Figure 8A was collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 8B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lanes 2-11: fractions indicated by the black line in Figure 8A in order from the left, lane 12: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 8B were collected.
比較例1-4~1-6
実施例1-4~1-6と同様に行ったところ、結晶は得られなかった。
Comparative Examples 1-4 to 1-6
When the same procedure as in Examples 1-4 to 1-6 was carried out, no crystals were obtained.
<比較例2:Dr-VSP-VSDInt-bRIL>
比較例2-1:コンストラクトの作製(配列番号6)
GFP-NbのcDNAを、bRILのcDNAに代えた以外は、実施例2-1と同様にしてコンストラクトを設計した(図9)。bRILのcDNAはPDBID:1M6Tのアミノ酸配列を参考にして、cDNAは人工遺伝子合成を用いて、GeneScriptより入手した。
<Comparative Example 2: Dr-VSP-VSD Int -bRIL>
Comparative Example 2-1: Preparation of construct (SEQ ID NO: 6)
A construct was designed in the same manner as in Example 2-1, except that the cDNA of GFP-Nb was replaced with the cDNA of bRIL ( FIG. 9 ). The cDNA of bRIL was obtained from GeneScript using artificial gene synthesis, with reference to the amino acid sequence of PDBID: 1M6T.
比較例2-2~2-3
イオン交換クロマトグラフィによる精製を行わず、精製キメラタンパク質にeGFP_A206Kを添加しなかった以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Comparative Examples 2-2 to 2-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out, except that purification by ion exchange chromatography was not performed and eGFP_A206K was not added to the purified chimeric protein.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図10Aに示す。図10Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図10Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図10B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2-11:図10Aの黒線で示したフラクションを左から順に、レーン12:分子量マーカー(M))。図10Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 10A. In Figure 10A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black line in Figure 10A were collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 10B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lanes 2-11: fractions indicated by the black line in Figure 10A in order from the left, lane 12: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 10B were collected.
比較例2-4~2-6
実施例1-4~1-6と同様に行ったところ、結晶は得られなかった。
Comparative Examples 2-4 to 2-6
When the same procedure as in Examples 1-4 to 1-6 was carried out, no crystals were obtained.
<比較例3:T4L-Dr-VSP-VSDInt>
比較例3-1:コンストラクトの作製(配列番号7)
GFP-NbのcDNAを、T4LのcDNAに代えた以外は、実施例1-1と同様にコンストラクトを設計した(図11)。T4LのcDNAは、PDBID:212Lのアミノ酸配列を参考にして、cDNAは人工遺伝子合成を用いて、GeneScriptより入手した。
<Comparative Example 3: T4L-Dr-VSP-VSD Int >
Comparative Example 3-1: Preparation of construct (SEQ ID NO: 7)
A construct was designed in the same manner as in Example 1-1, except that the cDNA of GFP-Nb was replaced with the cDNA of T4L (FIG. 11). The cDNA of T4L was obtained from GeneScript using artificial gene synthesis, with reference to the amino acid sequence of PDBID:212L.
比較例3-2~3-3
Buffer G(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)及びBuffer H(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG、1M NaCl)を用いて、精製キメラタンパク質にeGFP_A206Kを添加しなかった以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Comparative Examples 3-2 to 3-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out using Buffer G (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG) and Buffer H (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG, 1 M NaCl) and except that eGFP_A206K was not added to the purified chimeric protein.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図12Aに示す。図12Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図12Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図12B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2:限外ろ過フィルタ濃縮器の濾液、レーン3-11:図12Aの黒線で示したサンプルを左から順に、レーン12:分子量マーカー(M))。図12Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 12A. In Figure 12A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black lines in Figure 12A were collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 12B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lane 2: filtrate from the ultrafiltration filter concentrator, lanes 3-11: samples indicated by the black lines in Figure 12A from the left, lane 12: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 12B were collected.
比較例3-4~3-7
実施例1-4~1-7と同様に行ったところ、沈殿剤が0.1M HEPES-Na[pH7.0]、0.268M Sodium phosphate dibasic dihydrate、30%(v/v)PEG400で結晶を得たが(図13)、回折点は得られなかった。
Comparative Examples 3-4 to 3-7
The same procedure as in Examples 1-4 to 1-7 was carried out, and crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M HEPES-Na [pH 7.0], 0.268 M sodium phosphate dibasic dihydrate, and 30% (v/v) PEG 400 (FIG. 13), but no diffraction points were obtained.
<比較例4:Dr-VSP-VSDInt-T4L>
比較例4-1:コンストラクトの作製(配列番号8)
GFP-NbのcDNAを、T4LのcDNAに代えた以外は、実施例2-1と同様にコンストラクトを設計した(図14)。T4LのcDNAは、PDBID:212Lのアミノ酸配列を参考にして、cDNAは人工遺伝子合成を用いて、GeneScriptより入手した。
<Comparative Example 4: Dr-VSP-VSD Int -T4L>
Comparative Example 4-1: Preparation of construct (SEQ ID NO: 8)
A construct was designed in the same manner as in Example 2-1, except that the cDNA of GFP-Nb was replaced with the cDNA of T4L (FIG. 14). The cDNA of T4L was obtained from GeneScript using artificial gene synthesis, with reference to the amino acid sequence of PDBID:212L.
比較例4-2~4-3
Buffer G(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)及びBuffer H(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG、1M NaCl)を用いて、精製キメラタンパク質にeGFP_A206Kを添加しなかった以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Comparative Examples 4-2 to 4-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out using Buffer G (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG) and Buffer H (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG, 1 M NaCl) and except that eGFP_A206K was not added to the purified chimeric protein.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図15Aに示す。図15Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図15Aの黒線で示したサンプルをSDS-PAGE電気泳動した(図15B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2:限外ろ過フィルタ濃縮器の濾液、レーン3-11:図15Aの黒線で示したサンプルを左から順に、レーン12:分子量マーカー(M))。図15Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 15A. In Figure 15A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black lines in Figure 15A were subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 15B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lane 2: filtrate from the ultrafiltration filter concentrator, lanes 3-11: samples indicated by the black lines in Figure 15A from the left, lane 12: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 15B were collected.
比較例4-4~4-6
実施例1-4~1-6と同様に行ったところ、結晶は得られなかった。
Comparative Examples 4-4 to 4-6
When the same procedure as in Examples 1-4 to 1-6 was carried out, no crystals were obtained.
<比較例5:eGFP-Dr-VSP-VSDInt>
比較例5-1:コンストラクトの作製(配列番号9)
GFP-NbのcDNAを、eGFPのcDNAに代えた以外は、実施例1-1と同様にコンストラクトを設計した(図16)。改良型GFPの一つであるeGFPのcDNAは、pEGFP-N1(クロンテック)より入手し、また、A206K変異を導入した。
<Comparative Example 5: eGFP-Dr-VSP-VSD Int >
Comparative Example 5-1: Preparation of construct (SEQ ID NO: 9)
A construct was designed in the same manner as in Example 1-1, except that the cDNA of GFP-Nb was replaced with the cDNA of eGFP (FIG. 16). The cDNA of eGFP, which is one of the improved GFPs, was obtained from pEGFP-N1 (Clontech), and the A206K mutation was introduced.
比較例5-2~5-3
イオン交換クロマトグラフィにおけるイオン交換カラムをHiTrap SP HPから、陰イオン交換クロマトグラフィ HiTrap Q HP(GE Healthcare)に代え、Buffer G(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)及びBuffer H(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG、1M NaCl)を用いて、精製キメラタンパク質にeGFP_A206Kを添加しなかった以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Comparative Examples 5-2 to 5-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out except that the ion exchange column in the ion exchange chromatography was changed from HiTrap SP HP to anion exchange chromatography HiTrap Q HP (GE Healthcare), Buffer G (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG) and Buffer H (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG, 1 M NaCl) were used, and eGFP_A206K was not added to the purified chimeric protein.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図17Aに示す。図17Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。ゲルろ過クロマトグラフィの結果、13.7mL付近に1つのピークが得られた。図17Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図17B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2-11:図17Aの黒線で示したフラクションを左から順に、レーン12:分子量マーカー(M))。図17Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 17A. In Figure 17A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution volume. As a result of gel filtration chromatography, one peak was obtained at approximately 13.7 mL. The sample indicated by the black line in Figure 17A was collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 17B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lanes 2-11: fractions indicated by the black line in Figure 17A in order from the left, lane 12: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 17B were collected.
比較例5-4~5-7
実施例1-4~1-7と同様に行ったところ、沈殿剤が0.1M HEPES-Na[pH7.0]、0.1M Sodium Nitrate、30%(v/v)PEG300で結晶を得たが(図18)、分解能は約6Åであった。
Comparative Examples 5-4 to 5-7
As in Examples 1-4 to 1-7, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M HEPES-Na [pH 7.0], 0.1 M sodium nitrate, and 30% (v/v) PEG300 (FIG. 18), with a resolution of about 6 Å.
<比較例6:Dr-VSP-VSDInt-eGFP>
比較例6-1:コンストラクトの作製(配列番号10)
GFP-NbのcDNAを、eGFPのcDNAに代えた以外は、実施例2-1と同様にコンストラクトを設計した(図19)。改良型GFPの一つであるeGFPのcDNAは、pEGFP-N1(クロンテック)より入手し、また、A206K変異を導入した。
<Comparative Example 6: Dr-VSP-VSD Int -eGFP>
Comparative Example 6-1: Preparation of construct (SEQ ID NO: 10)
A construct was designed in the same manner as in Example 2-1, except that the cDNA of GFP-Nb was replaced with the cDNA of eGFP (FIG. 19). The cDNA of eGFP, which is one of the improved GFPs, was obtained from pEGFP-N1 (Clontech), and the A206K mutation was introduced.
比較例6-2~6-3
イオン交換クロマトグラフィにおけるイオン交換カラムをHiTrap SP HPから、陰イオン交換クロマトグラフィ HiTrap Q HPに代え、Buffer G(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)及びBuffer H(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG、1M NaCl)を用いて、精製キメラタンパク質にeGFP_A206Kを添加しなかった以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Comparative Examples 6-2 to 6-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out except that the ion exchange column in the ion exchange chromatography was changed from HiTrap SP HP to anion exchange chromatography HiTrap Q HP, Buffer G (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG) and Buffer H (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG, 1 M NaCl) were used, and eGFP_A206K was not added to the purified chimeric protein.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図20Aに示す。図20Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図20Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図20B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2-13:図20Aの黒線で示したフラクションを左から順に、レーン14:分子量マーカー(M))。図20Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 20A. In Figure 20A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black lines in Figure 20A were collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 20B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lanes 2-13: fractions indicated by the black lines in Figure 20A, from left to right, lane 14: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 20B were collected.
比較例6-4~6-6
実施例1-4~1-6と同様に行ったところ、結晶は得られなかった。
Comparative Examples 6-4 to 6-6
When the same procedure as in Examples 1-4 to 1-6 was carried out, no crystals were obtained.
<比較例7:MBP-mutantE-Dr-VSP-VSD>
比較例7-1:コンストラクトの作製(配列番号11)
GFP-NbのcDNAを、結晶化を促進するMBPの変異体MBP-mutantE(PROTEIN SCIENCE 2010 19:901-913)のcDNAに代えた以外は、実施例1-1と同様にコンストラクトを設計した(図21)。MBP-mutantEのcDNAは、pMAL-c2x(New England Biolabs)のMBPに変異導入し作製した。
<Comparative Example 7: MBP-mutantE-Dr-VSP-VSD>
Comparative Example 7-1: Preparation of construct (SEQ ID NO: 11)
A construct was designed in the same manner as in Example 1-1, except that the cDNA of GFP-Nb was replaced with the cDNA of MBP-mutantE (PROTEIN SCIENCE 2010 19:901-913), a mutant of MBP that promotes crystallization (FIG. 21). The cDNA of MBP-mutantE was prepared by introducing a mutation into MBP of pMAL-c2x (New England Biolabs).
比較例7-2~7-3
Buffer G(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)及びBuffer H(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG、1M NaCl)を用いて、精製キメラタンパク質にeGFP_A206Kを添加しなかった以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Comparative Examples 7-2 to 7-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out using Buffer G (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG) and Buffer H (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG, 1 M NaCl) and except that eGFP_A206K was not added to the purified chimeric protein.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図22Aに示す。図22Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図22Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図22B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2-11:図22Aの黒線で示したサンプルを左から順に、レーン12:分子量マーカー(M))。図22Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 22A. In Figure 22A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black lines in Figure 22A were collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 22B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lanes 2-11: samples indicated by the black lines in Figure 22A in order from the left, lane 12: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 22B were collected.
比較例7-4~7-7
実施例1-4~1-7と同様に行ったところ、沈殿剤が0.1M HEPES-Na[pH7.0]、0.1-0.15M Lithium chloride、29-31%(v/v)PEG300で結晶を得たが(図23)、分解能は約5Åであった。
Comparative Examples 7-4 to 7-7
As in Examples 1-4 to 1-7, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M HEPES-Na [pH 7.0], 0.1-0.15 M lithium chloride, and 29-31% (v/v) PEG300 (FIG. 23), with a resolution of about 5 Å.
<比較例8:Dr-VSP-VSD-MBP-mutantE>
比較例8-1:コンストラクトの作製(配列番号12)
GFP-NbのcDNAを、結晶化を促進するMBPの変異体MBP-mutantEのcDNAに代えた以外は、実施例2-1と同様にコンストラクトを設計した(図24)。MBP-mutantEのcDNAは、pMAL-c2x(New England Biolabs)のMBPに対して変異導入し作製した。
<Comparative Example 8: Dr-VSP-VSD-MBP-mutantE>
Comparative Example 8-1: Preparation of construct (SEQ ID NO: 12)
A construct was designed in the same manner as in Example 2-1, except that the cDNA of GFP-Nb was replaced with the cDNA of MBP-mutantE, a mutant of MBP that promotes crystallization ( FIG. 24 ). The cDNA of MBP-mutantE was prepared by introducing a mutation into MBP in pMAL-c2x (New England Biolabs).
比較例8-2~8-3
Buffer G(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)及びBuffer H(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG、1M NaCl)を用いて、精製キメラタンパク質にeGFP_A206Kを添加しなかった以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Comparative Examples 8-2 to 8-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out using Buffer G (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG) and Buffer H (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG, 1 M NaCl) and except that eGFP_A206K was not added to the purified chimeric protein.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図25Aに示す。図25Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図25Aの黒線で示したサンプルをSDS-PAGE電気泳動した(図25B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2:限外ろ過フィルタ濃縮器の濾液、レーン3-11:図25Aの黒線で示したサンプルを左から順に、レーン12:分子量マーカー(M))。図25Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 25A. In Figure 25A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black lines in Figure 25A were subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 25B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lane 2: filtrate from the ultrafiltration filter concentrator, lanes 3-11: samples indicated by the black lines in Figure 25A from the left, lane 12: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 25B were collected.
比較例8-4~8-6
実施例1-4~1-6と同様に行ったところ、結晶が得られなかった。
Comparative Examples 8-4 to 8-6
When the same procedure as in Examples 1-4 to 1-6 was carried out, no crystals were obtained.
以上の結果より、比較例1~8のbRIL、T4L、GFP、又はMBP-mutantEを用いた場合には、結晶が得られない、又は得られても分解能は低かったが、実施例1の膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を用いた場合は、結晶が得られ、分解能が優れることが分かった。実施例1の膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体は、上述のとおり、プロテインAにも結合するため、膜タンパク質の精製、結晶化、及び構造解析において、共通に利用可能な汎用性のある技術である。 The above results show that when bRIL, T4L, GFP, or MBP-mutantE in Comparative Examples 1 to 8 were used, no crystals were obtained, or even if they were obtained, the resolution was low, whereas when the protein structure for membrane protein structural analysis in Example 1 was used, crystals were obtained and the resolution was excellent. As described above, the protein structure for membrane protein structural analysis in Example 1 also binds to Protein A, and therefore is a versatile technology that can be commonly used in the purification, crystallization, and structural analysis of membrane proteins.
<実施例3:GFP-Nb-TmRibU>
実施例3-1:コンストラクトの作製(配列番号13)
超好熱性細菌テルモトガ・マリティマ由来リボフラビントランスポーター(TmRibU、UniProtKB-Q9X1G6)は、183アミノ酸残基の6回膜貫通型タンパク質である。cDNAは、GenScript社のGenPlus遺伝子合成サービスを用いて、大腸菌発現系に最適化された遺伝子配列を設計し、人工遺伝子合成により入手した。構造解析には2-173番目の領域に、N末端にGFP-nabobody(1-115)を2残基リンカー(Gly-Ser)で結合した融合タンパク質:GFP-Nb-TmRibUを設計した。さらに、発現確認とアフィニティ精製のため、N末端領域に赤色蛍光タンパク質mRFP1、Hisタグ、Mycタグ、TEVプロテアーゼ認識配列を付与したcDNAを作製し、pET32a(+)へ挿入したプラスミドを調製した(図26)。
Example 3: GFP-Nb-TmRibU
Example 3-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 13)
The riboflavin transporter (TmRibU, UniProtKB-Q9X1G6) derived from the hyperthermophilic bacterium Thermotoga maritima is a six-transmembrane protein of 183 amino acid residues. The cDNA was obtained by artificial gene synthesis using the GenPlus gene synthesis service of GenScript, Inc., with a gene sequence optimized for the E. coli expression system. For structural analysis, a fusion protein was designed in the 2-173 region, in which GFP-nabobody (1-115) was linked to the N-terminus via a two-residue linker (Gly-Ser): GFP-Nb-TmRibU. Furthermore, for expression confirmation and affinity purification, cDNA was prepared by adding the red fluorescent protein mRFP1, a His tag, a Myc tag, and a TEV protease recognition sequence to the N-terminal region, and a plasmid was prepared by inserting this into pET32a(+) ( FIG. 26 ).
実施例3-2:タンパク質発現と細胞膜調製
作製したプラスミド(配列番号13)をBL21-CodonPlus(DE3)-RIPLに形質転換し大量培養を行った。GFP-Nb-TmRibUのタンパク質発現は、濁度がおよそOD600=0.5でIPTGを終濃度0.5mMとなるように添加・発現誘導し、その後、20℃で120rpmの旋回培養を一晩行った。回収した大腸菌を氷冷のBuffer A(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、5mM Benzamidine、2mM DTT)で懸濁し、圧力式ホモジナイザーにより破砕した。破砕液を10,000g、10分間、4℃で遠心分離後、上清を45,000rpm(himac P45AT rotor)、1時間、4℃で超遠心分離することでGFP-Nb-TmRibUを含む細胞膜画分を回収した。細胞膜は、Buffer Aで懸濁しダウンスホモジナイザーを用いて均一化した後、45,000rpm(himac P45AT)、1時間、4℃で超遠心分離することで水溶性タンパク質や膜結合性タンパク質を洗い出した。再度、同様の操作を行って細胞膜を洗浄した。
Example 3-2: Protein expression and cell membrane preparation The prepared plasmid (SEQ ID NO: 13) was transformed into BL21-CodonPlus(DE3)-RIPL and cultured in large quantities. Protein expression of GFP-Nb-TmRibU was induced by adding IPTG to a final concentration of 0.5 mM at a turbidity of approximately OD600 = 0.5, and then rotating culture was performed overnight at 20 ° C. at 120 rpm. The collected E. coli was suspended in ice-cold Buffer A (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 5 mM Benzamidine, 2 mM DTT) and disrupted using a pressure homogenizer. The disrupted solution was centrifuged at 10,000 g for 10 minutes at 4 ° C., and the supernatant was ultracentrifuged at 45,000 rpm (himac P45AT rotor) for 1 hour at 4 ° C. to recover a cell membrane fraction containing GFP-Nb-TmRibU. The cell membrane was suspended in Buffer A and homogenized using a Dounce homogenizer, and then ultracentrifuged at 45,000 rpm (himac P45AT) for 1 hour at 4 ° C. to wash out water-soluble proteins and membrane-associated proteins. The same operation was performed again to wash the cell membrane.
実施例3-3:GFP-Nb-TmRibUの可溶化と精製
洗浄した細胞膜をBuffer B(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、25mM Imidazole、2mM DTT)に懸濁しダウンスホモジナイザーで均一化した後、終濃度2%(w/v)となるように20%(w/v)DDMを添加し、緩やかに撹拌しながら1時間、4℃にてインキュベーションすることで、GFP-Nb-TmRibUを可溶化した。可溶化サンプルに含まれる不溶性画分は、45,000rpm(himac P45AT)、1時間、4℃の超遠心分離により除去し、上清にNi-NTA樹脂を加え緩やかに撹拌しながら1時間、4℃にてインキュベーションした。エコノカラムを用いて非結合成分を除去し、さらにBuffer C(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、25mM Imidazole、2mM DTT、0.04%(w/v)DDM)でNi-NTA樹脂を洗浄した。次に、Buffer D(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、25mM Imidazole、2mM DTT、0.12%(w/v)DMNG)にて界面活性剤の置換と樹脂洗浄を行い、Buffer E(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、300mM Imidazole、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)によってGFP-Nb-TmRibUを溶出した。溶出フラクションに適量のHisタグ融合TEVプロテアーゼを加えて透析チューブに移し、4℃にてBuffer F(20mM Tris-HCl[pH7.5]、150mM NaCl、2mM DTT、1mM EDTA、0.03%(w/v)DMNG)に対して一晩透析を行った。TEVプロテアーゼにより切断されたmRFP1を含むタグ断片を除去するため、Ni-NTA樹脂にサンプルに加え緩やかに撹拌しながら1時間、4℃にてインキュベーションした。エコノカラムを用いてGFP-Nb-TmRibUを含む素通り画分とBuffer FによるNi-NTA樹脂洗浄液を回収し、限外ろ過膜を用いて濃縮した。モル比が1:1.5となるようにeGFP_A206Kを加えて1時間、氷上でインキュベーションしてGFP-Nb-TmRibUとeGFP_A206Kの複合体を調製し、Buffer G(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)で10倍希釈し、HiTrap Q HPへ吸着させ、Buffer GとBuffer H(20mM Tris-HCl[pH7.5]、1M NaCl、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)を用いて陰イオン交換クロマトグラフィを行った。複合体を含むフラクションを限外ろ過膜により濃縮し、Buffer I(20mM Tris-HCl[pH7.5]、150mM NaCl、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)で平衡化されたSuperdex200 Increase 10/300 GLに供し、過剰量のeGFP_A206Kやオリゴマー成分を除いた。最終精製標品は、限外ろ過膜を用いて20mg/mLまで濃縮した。
Example 3-3: Solubilization and purification of GFP-Nb-TmRibU The washed cell membrane was suspended in Buffer B (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 25 mM Imidazole, 2 mM DTT) and homogenized with a Dounce homogenizer, and then 20% (w/v) DDM was added to a final concentration of 2% (w/v), and incubated at 4 ° C. for 1 hour with gentle stirring to solubilize GFP-Nb-TmRibU. The insoluble fraction contained in the solubilized sample was removed by ultracentrifugation at 45,000 rpm (himac P45AT) for 1 hour at 4 ° C., and Ni-NTA resin was added to the supernatant and incubated at 4 ° C. for 1 hour with gentle stirring. Unbound components were removed using an Econocolumn, and the Ni-NTA resin was further washed with Buffer C (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 25 mM imidazole, 2 mM DTT, 0.04% (w/v) DDM). Next, the surfactant was replaced and the resin was washed with Buffer D (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 25 mM imidazole, 2 mM DTT, 0.12% (w / v) DMNG), and GFP-Nb-TmRibU was eluted with Buffer E (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 300 mM imidazole, 2 mM DTT, 0.03% (w / v) DMNG). An appropriate amount of His-tag fused TEV protease was added to the eluted fraction, transferred to a dialysis tube, and dialyzed overnight against Buffer F (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 150 mM NaCl, 2 mM DTT, 1 mM EDTA, 0.03% (w/v) DMNG) at 4 ° C. In order to remove the tag fragment containing mRFP1 cleaved by TEV protease, the sample was added to Ni-NTA resin and incubated at 4 ° C. for 1 hour with gentle stirring. The flow-through fraction containing GFP-Nb-TmRibU and the Ni-NTA resin washing solution with Buffer F were collected using an Econo column and concentrated using an ultrafiltration membrane. eGFP_A206K was added so that the molar ratio was 1:1.5, and the mixture was incubated on ice for 1 hour to prepare a complex of GFP-Nb-TmRibU and eGFP_A206K. The complex was diluted 10-fold with Buffer G (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w / v) DMNG), adsorbed onto HiTrap Q HP, and subjected to anion exchange chromatography using Buffer G and Buffer H (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 1 M NaCl, 2 mM DTT, 0.03% (w / v) DMNG). The fraction containing the complex was concentrated using an ultrafiltration membrane and subjected to Superdex200 Increase 10/300 GL equilibrated with Buffer I (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 150 mM NaCl, 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG) to remove excess eGFP_A206K and oligomer components. The final purified preparation was concentrated to 20 mg/mL using an ultrafiltration membrane.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図27Aに示す。図27Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図27Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図27B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2:ゲルろ過インプット試料、レーン3-13:図27Aの黒線で示したフラクションを左から順に、レーン14:分子量マーカー(M))。図27Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 27A. In Figure 27A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black lines in Figure 27A were collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 27B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lane 2: gel filtration input sample, lanes 3-13: fractions indicated by the black lines in Figure 27A from the left, lane 14: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 27B were collected.
実施例3-4~3-6
実施例1-4~1-6と同様に行った結果、沈殿剤は0.1M Hepes-Na[pH7.0]、50-100mM Magnesium formate dihydrate、30-36%(v/v)PEG300で結晶を得た(図28)。
Examples 3-4 to 3-6
As a result of carrying out the same procedure as in Examples 1-4 to 1-6, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M Hepes-Na [pH 7.0], 50-100 mM magnesium formate dihydrate, and 30-36% (v/v) PEG300 (FIG. 28).
実施例3-7:X線回折実験と構造解析
得られた結晶はSPring-8 BL32XUにおいて「ZOOシステム」の自動測定により分解能3.44Åの回折データを収集した(表3)。初期位相の決定には、GFP-nanobody-eGFP複合体(PDBID=3OGO)の構造をサーチモデルとしてMOLREPを使った分子置換法により行った。得られたモデルに対してさらに、TmRibU(PDBID=5KBW)をサーチモデルとした分子置換によりGFP-Nb-TmRibU-eGFP_A206Kのほぼ全領域の初期構造を決定した。この構造をもとに、REFMACとCootを用いて精密化を行い最終構造とした(表3)。膜貫通領域内の電子密度マップを図29に、最終構造を図30に示す。
Example 3-7: X-ray diffraction experiment and structure analysis The obtained crystals were collected with a resolution of 3.44 Å by automatic measurement of the "ZOO system" in SPring-8 BL32XU (Table 3). The initial phase was determined by molecular replacement using MOLREP with the structure of the GFP-nanobody-eGFP complex (PDBID = 3OGO) as the search model. The initial structure of almost the entire region of GFP-Nb-TmRibU-eGFP_A206K was determined by molecular replacement using TmRibU (PDBID = 5KBW) as the search model for the obtained model. Based on this structure, refinement was performed using REFMAC and Coot to obtain the final structure (Table 3). The electron density map in the transmembrane region is shown in Figure 29, and the final structure is shown in Figure 30.
<実施例4:GFP-Nb-インチミンのβドメイン>
実施例4-1:コンストラクトの作製(配列番号14)
腸管出血性大腸菌O157:H7由来インチミン(UniProtKB-P43261)は、N末端領域に外膜を貫通する約240アミノ酸残基のβドメインを有する。cDNAは、GenScript社のGenPlus遺伝子合成サービスを用いて、大腸菌発現系に最適化された遺伝子配列を設計し、人工遺伝子合成により入手した。構造解析には208-449番目の領域に、N末端にGFP-nabobody(1-115)を2残基リンカー(Gly-Ser)で結合した融合タンパク質:GFP-Nb-インチミンのβドメインを設計した。さらに、タンパク質発現とアフィニティ精製のためN末端領域にペリプラズム移行シグナルpelBシグナル、Mycタグ、Hisタグ、TEVプロテアーゼ認識配列を付与したcDNAを作製し、pET32a(+)へ挿入したプラスミドを調製した(図31)。
Example 4: GFP-Nb-Intimin β domain
Example 4-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 14)
Enterohemorrhagic Escherichia coli O157:H7-derived intimin (UniProtKB-P43261) has a β domain of about 240 amino acid residues that penetrates the outer membrane in the N-terminal region. cDNA was obtained by artificial gene synthesis using GenScript's GenPlus gene synthesis service to design a gene sequence optimized for the E. coli expression system. For structural analysis, a β domain of GFP-Nb-intimin was designed in the 208-449th region, in which GFP-nabobody (1-115) was linked to the N-terminus via a two-residue linker (Gly-Ser). Furthermore, for protein expression and affinity purification, cDNA was prepared by adding a periplasmic transport signal pelB signal, a Myc tag, a His tag, and a TEV protease recognition sequence to the N-terminal region, and a plasmid was prepared by inserting this into pET32a(+) (Figure 31).
実施例4-2~4-3
Buffer Dは使用せず、Buffer C(50mM Tris-HCl[pH7.5]、300mM NaCl、25mM Imidazole、2mM DTT、0.16%(w/v)DDM)を用い、その他に、バッファに含まれる界面活性剤には0.03%(w/v)DMNGの代わりに0.04%(w/v)DDM)を用いた以外は、実施例3-2~3-3と同様に行った。
Examples 4-2 to 4-3
The same procedures as in Examples 3-2 to 3-3 were repeated, except that Buffer D was not used, and Buffer C (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 300 mM NaCl, 25 mM imidazole, 2 mM DTT, 0.16% (w/v) DDM) was used instead, and the surfactant contained in the buffer was 0.04% (w/v) DDM instead of 0.03% (w/v) DMNG.
ゲルろ過クロマトグラフィの結果を図32Aに示す。図32Aにおける、縦軸は280nm、又は254nmの波長における吸光度を示し、横軸は溶出量を示す。図32Aの黒線で示したサンプルを回収してSDS-PAGE電気泳動した(図32B:CBB染色、レーン1:分子量マーカー(M)、レーン2:ゲルろ過インプット試料、レーン3-12:図32Aの黒線で示したフラクションを左から順に、レーン13:分子量マーカー(M))。図32Bに示したフラクションを回収した。 The results of gel filtration chromatography are shown in Figure 32A. In Figure 32A, the vertical axis indicates absorbance at wavelengths of 280 nm or 254 nm, and the horizontal axis indicates the elution amount. The samples indicated by the black lines in Figure 32A were collected and subjected to SDS-PAGE electrophoresis (Figure 32B: CBB staining, lane 1: molecular weight marker (M), lane 2: gel filtration input sample, lanes 3-12: fractions indicated by the black lines in Figure 32A from left to right, lane 13: molecular weight marker (M)). The fractions shown in Figure 32B were collected.
実施例4-4~4-6
実施例1-4~1-6と同様に行った結果、沈殿剤は0.1M Hepes-Na[pH7.0-7.5]、200-500mM Magnesium nitrate hexahydrate、30-36%(v/v)PEG300で結晶を得た(図33)。
Examples 4-4 to 4-6
As a result of carrying out the same procedure as in Examples 1-4 to 1-6, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M Hepes-Na [pH 7.0-7.5], 200-500 mM Magnesium nitrate hexahydrate, and 30-36% (v/v) PEG300 (FIG. 33).
実施例4-7:X線回折実験と構造解析
得られた結晶はSPring-8 BL32XUにおいて「ZOOシステム」の自動測定により分解能2.85Åの回折データを収集した(表4)。初期位相の決定には、GFP-nanobody-eGFP複合体(PDBID=3OGO)の構造をサーチモデルとしてMOLREPを使った分子置換法により行った。得られたモデルに対してさらに、β-domain (PDBID=4EIS)をサーチモデルとした分子置換によりGFP-Nb-インチミンのβドメイン-eGFP_A206Kのほぼ全領域の初期構造を決定した。この構造をもとに、REFMACとCootを用いて精密化を行い最終構造とした(表4)。膜貫通領域内の電子密度マップを図34に、最終構造を図35に示す。
Example 4-7: X-ray diffraction experiment and structure analysis The obtained crystals were collected with a resolution of 2.85 Å by automatic measurement of the "ZOO system" in SPring-8 BL32XU (Table 4). The initial phase was determined by molecular replacement using MOLREP with the structure of the GFP-nanobody-eGFP complex (PDBID = 3OGO) as the search model. The initial structure of almost the entire region of the β-domain-eGFP_A206K of GFP-Nb-intimin was further determined by molecular replacement with the β-domain (PDBID = 4EIS) as the search model for the obtained model. Based on this structure, refinement was performed using REFMAC and Coot to obtain the final structure (Table 4). The electron density map in the transmembrane region is shown in Figure 34, and the final structure is shown in Figure 35.
以上の結果より、本願の膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を用いることにより、種々の膜タンパク質を解析できることが分かった。また、種々のGFPを用いることで、結晶化の条件、分解能を容易に操作することができることが分かった。上述のとおり、本願の膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体は、免疫グロブリン結合タンパク質にも結合するため、膜タンパク質の精製、結晶化、及び構造解析において、共通に利用可能な汎用性のある技術である。 The above results show that various membrane proteins can be analyzed by using the protein structure for membrane protein structure analysis of the present application. In addition, it was found that the crystallization conditions and resolution can be easily manipulated by using various GFPs. As described above, the protein structure for membrane protein structure analysis of the present application also binds to immunoglobulin-binding proteins, and is therefore a versatile technology that can be commonly used in the purification, crystallization, and structural analysis of membrane proteins.
<実施例5:GFP-Nb-Dr-VSP-VSDRest>
実施例5-1:コンストラクトの作製(配列番号15)
静止状態を示す野生型Dr-VSP-VSD(Dr-VSP-VSDRest)の41-188アミノ酸配列を使用し、図36のコンストラクトを作製した以外は、実施例1-1と同様に行った。
<Example 5: GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Rest >
Example 5-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 15)
The same procedure as in Example 1-1 was carried out, except that the 41-188 amino acid sequence of wild-type Dr-VSP-VSD (Dr-VSP-VSD Rest ) showing a resting state was used to prepare the construct shown in FIG.
実施例5-2~5-3
添加するGFPとして、sfGFPを使用した以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Examples 5-2 to 5-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out except that sfGFP was used as the added GFP.
実施例5-4~5-7
実施例1-4~1-7と同様に行ったところ、沈殿剤が0.1M MES-Na[pH5.5-6.0]、0.1-0.4M Sodium malonate、28-35%(v/v)PEG400で結晶を得た(図37)。収集したデータを処理した結果を表5に示す。膜貫通領域内の電子密度マップを図38に、最終構造を図39に示す。
Examples 5-4 to 5-7
As in Examples 1-4 to 1-7, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M MES-Na [pH 5.5-6.0], 0.1-0.4 M sodium malonate, and 28-35% (v/v) PEG400 (FIG. 37). The results of processing the collected data are shown in Table 5. The electron density map in the transmembrane domain is shown in FIG. 38, and the final structure is shown in FIG. 39.
<実施例6:GFP-Nb-Dr-VSP-VSDAct)>
実施例6-1:コンストラクトの作製(配列番号16)
活性化状態変異型(T156R、I165R)であるDr-VSP-VSDActの41-188アミノ酸配列を使用し、図40のコンストラクトを作製した以外は、実施例1-1と同様に行った。
<Example 6: GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Act )>
Example 6-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 16)
The same procedure as in Example 1-1 was carried out, except that the 41-188 amino acid sequence of Dr-VSP-VSD Act , which is an activated mutant (T156R, I165R), was used to prepare the construct shown in FIG.
実施例6-2~6-3
実施例1-2~1-3と同様に行った。
Examples 6-2 to 6-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out.
実施例6-4~6-7
実施例1-4~1-7と同様に行ったところ、沈殿剤が0.1M HEPES-Na[pH6.6-7.0]、0.05-0.1M Sodium formate、29-31.5%(v/v)PEG300で結晶を得た(図41)。収集したデータを処理した結果を表6に示す。膜貫通領域内の電子密度マップを図42に、最終構造を図43に示す。
Examples 6-4 to 6-7
As in Examples 1-4 to 1-7, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M HEPES-Na [pH 6.6-7.0], 0.05-0.1 M sodium format, and 29-31.5% (v/v) PEG300 (FIG. 41). The results of processing the collected data are shown in Table 6. The electron density map in the transmembrane domain is shown in FIG. 42, and the final structure is shown in FIG. 43.
<実施例7:GFP-Nb-Dr-VSP-VSDInt>
実施例7-1:コンストラクトの作製(配列番号1)
実施例1-1と同様に行った。
<Example 7: GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int >
Example 7-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 1)
The same procedure as in Example 1-1 was carried out.
実施例7-2~7-3
添加するGFPとして、下記のとおり製造したCBM-eGFPを使用した以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Examples 7-2 to 7-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out, except that CBM-eGFP produced as described below was used as the added GFP.
(CBM-eGFPの製造1:コンストラクト:配列番号17)
改良型GFPの一つであるCBM-eGFPのcDNAは、pEGFP-N1(クロンテック)より入手した。溶液状態で単量体となる変異A206Kを加えた2-239の発現領域に、N末端にTEVプロテアーゼ認識配列とヒト由来カルモジュリン1(UniProtKB-P0DP23)のカルシウム結合配列を付与したcDNA作製し、制限酵素サイトBam HIとXho Iを用いてpET28b(+)へ挿入したプラスミドを調製した。TEVプロテアーゼ配列より上流には、pET28b(+)由来のHisタグを有する。
(CBM-eGFPの製造2:タンパク質発現と精製)
eGFPの製造2:タンパク質発現と精製と同様に行った。
(Preparation of CBM-eGFP 1: Construct: SEQ ID NO: 17)
The cDNA of CBM-eGFP, one of the improved GFPs, was obtained from pEGFP-N1 (Clontech). A cDNA was prepared by adding a TEV protease recognition sequence and a calcium binding sequence of human calmodulin 1 (UniProtKB-P0DP23) to the N-terminus of the expression region of 2-239, which contains the mutation A206K that forms a monomer in solution, and inserting the cDNA into pET28b(+) using the restriction enzyme sites Bam HI and Xho I to prepare a plasmid. Upstream of the TEV protease sequence, there is a His tag derived from pET28b(+).
(Production of CBM-eGFP 2: Protein Expression and Purification)
eGFP Production 2: Protein expression and purification were carried out in the same manner.
実施例7-4~7-7
実施例1-4~1-7と同様に行ったところ、沈殿剤が0.1M HEPES-Na[pH7.0]、0.1M Potassium phosphate monobasic、30%(v/v)PEG400で結晶を得た(図44)。収集したデータを処理した結果を表7に示し、膜貫通領域内の電子密度マップを図45に、最終構造を図46に示す。
Examples 7-4 to 7-7
As in Examples 1-4 to 1-7, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M HEPES-Na [pH 7.0], 0.1 M potassium phosphate monobasic, and 30% (v/v) PEG 400 (FIG. 44). The results of processing the collected data are shown in Table 7, the electron density map in the transmembrane domain is shown in FIG. 45, and the final structure is shown in FIG. 46.
<実施例8:mCherry-Nb-Ci-VSP-VSDRest>
実施例8-1:コンストラクトの作製(配列番号18)
C.intestinalis由来VSP-VSDのcDNAは、大阪大学医学系研究科統合生理学の岡村康司教授より入手した。構造解析には、野生型で静止状態を示す102-249番目までの電位センサードメインのN末端に、mCherry-Nb(別名LaM4、1-124)を2残基リンカー(Gly-Ser)で結合した融合タンパク質(mCherry-Nb-Ci-VSP-VSDRest)を設計した(図47)。さらに、発現確認とアフィニティ精製のため、N末端領域にsfGFP、Hisタグ、Mycタグ、TEVプロテアーゼ認識配列を付与したcDNAを作製し、pFastBac1へ挿入したプラスミドを調製した。
<Example 8: mCherry-Nb-Ci-VSP-VSD Rest >
Example 8-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 18)
The cDNA of VSP-VSD from C. intestinalis was obtained from Professor Yasushi Okamura, Department of Integrative Physiology, Graduate School of Medicine, Osaka University. For structural analysis, a fusion protein (mCherry-Nb-Ci-VSP-VSD Rest) was designed in which mCherry-Nb (also known as LaM4, 1-124) was linked with a two-residue linker (Gly-Ser) to the N-terminus of the voltage sensor domain up to 102-249, which shows a resting state in the wild type (Figure 47). Furthermore, for expression confirmation and affinity purification, cDNA was prepared with sfGFP, His tag, Myc tag, and TEV protease recognition sequence at the N-terminus, and a plasmid was prepared by inserting it into pFastBac1.
実施例8-2~8-3
イオン交換クロマトグラフィにおけるイオン交換カラムをHiTrap SP HPから陰イオン交換クロマトグラフィ HiTrap Q HPに代え、Buffer G(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG)及びBuffer H(20mM Tris-HCl[pH7.5]、2mM DTT、0.03%(w/v)DMNG、1M NaCl)を用いたこと、さらに、添加した蛍光タンパク質をeGFP_A206Kから下記のとおり製造したmCherryに変えたこと以外は、実施例1-2~1-3と同様に行った。
Examples 8-2 to 8-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out except that the ion exchange column in the ion exchange chromatography was changed from HiTrap SP HP to anion exchange chromatography HiTrap Q HP, Buffer G (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG) and Buffer H (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 2 mM DTT, 0.03% (w/v) DMNG, 1 M NaCl) were used, and the fluorescent protein added was changed from eGFP_A206K to mCherry produced as described below.
(mCherryの製造1:コンストラクト:配列番号19)
mCherryのcDNAは、pmCherry-N1 (クロンテック)より入手した。1-236の発現領域に、N末端にTEVプロテアーゼ認識配列を付与したcDNA作製し、制限酵素サイトBam HIとXhol Iを用いてpET28b(+)へ挿入したプラスミドを調製した。TEVプロテアーゼ配列より上流には、pET28b(+)由来のHisタグを有する。
mCherry Production 1: Construct: SEQ ID NO: 19
The mCherry cDNA was obtained from pmCherry-N1 (Clontech). A cDNA was prepared by adding a TEV protease recognition sequence to the N-terminus of the 1-236 expression region, and a plasmid was prepared by inserting the cDNA into pET28b(+) using the restriction enzyme sites Bam HI and Xhol I. Upstream of the TEV protease sequence, there is a His tag derived from pET28b(+).
(mCherryの製造2:タンパク質発現と精製)
eGFPの製造2:タンパク質発現と精製と同様に行った。
(mCherry Production 2: Protein Expression and Purification)
eGFP Production 2: Protein expression and purification were carried out in the same manner.
実施例8-4~8-6
実施例1-4~1-6と同様に行った結果、沈殿剤は、0.1M MES-Na[pH6.0]、300-400mM Sodium chloride、26-32%(v/v)PEG300で結晶を得た(図48)。
Examples 8-4 to 8-6
As a result of carrying out the same procedure as in Examples 1-4 to 1-6, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M MES-Na [pH 6.0], 300-400 mM sodium chloride, and 26-32% (v/v) PEG300 (FIG. 48).
実施例8-7:X線回折実験と構造解析
得られた結晶はSPring-8 BL32XUにおいて「ZOOシステム」の自動測定により分解能2.90Åの回折データを収集した(表8)。初期位相の決定には、LaM4-mCherry複合体(PDBID=6IR1)の構造をサーチモデルとしてMOLREPを使った分子置換法により行った。得られたモデルに対してさらに、Ci-VSP-VSD(PDBID=4G7V、及び4G80)をサーチモデルとした分子置換によりmCherry-Nb-Ci-VSP-VSDRest-mCherryのほぼ全領域の初期構造を決定した。この構造をもとに、REFMACとCootを用いて精密化を行い最終構造とした(表8、及び9)。mCherry-Nb-Ci-VSP-VSDRestの膜貫通領域内の電子密度マップを図49に、最終構造を図50に示す。
Example 8-7: X-ray diffraction experiment and structure analysis The obtained crystals were collected with a resolution of 2.90 Å by automatic measurement of the "ZOO system" in SPring-8 BL32XU (Table 8). The initial phase was determined by molecular replacement using MOLREP with the structure of LaM4-mCherry complex (PDBID = 6IR1) as the search model. The initial structure of almost the entire region of mCherry-Nb-Ci-VSP-VSD Rest -mCherry was determined by molecular replacement with Ci-VSP-VSD (PDBID = 4G7V and 4G80) as the search model for the obtained model. Based on this structure, refinement was performed using REFMAC and Coot to obtain the final structure (Tables 8 and 9). The electron density map within the transmembrane domain of mCherry-Nb-Ci-VSP-VSD Rest is shown in FIG. 49, and the final structure is shown in FIG.
<実施例9:mCherry-Nb-Ci-VSP-VSDAct)>
実施例9-1:コンストラクトの作製(配列番号20)
Ci-VSP-VSDにR217E変異を導入し、活性化状態に固定した変異体(Ci-VSP-VSDAct)の102-249アミノ酸配列を使用し、図51のコンストラクトを作製した以外は、実施例8-1と同様に行った。
<Example 9: mCherry-Nb-Ci-VSP-VSD Act >
Example 9-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 20)
The same procedure as in Example 8-1 was carried out except that the construct in FIG. 51 was produced using the 102-249 amino acid sequence of a mutant (Ci-VSP-VSD Act ) in which the R217E mutation was introduced into Ci-VSP-VSD and fixed in an activated state.
実施例9-2~9-3
実施例8-2~8-3と同様に行った。
Examples 9-2 to 9-3
The same procedures as in Examples 8-2 to 8-3 were carried out.
実施例9-4~9-7
実施例8-4~8-7と同様に行った。沈殿剤は、0.1M Hepes-Na[pH7.0]、2.8%(w/v)Tacsimate[pH7.0]、30%(v/v)PEG400で結晶を得た(図52)。収集したデータを処理した結果を表9に示す。膜貫通領域内の電子密度マップを図53に、最終構造を図54に示す。
Examples 9-4 to 9-7
The same procedure was followed as in Examples 8-4 to 8-7. Crystals were obtained using 0.1 M Hepes-Na [pH 7.0], 2.8% (w/v) Tacsimate [pH 7.0], and 30% (v/v) PEG400 as precipitants (FIG. 52). The results of processing the collected data are shown in Table 9. The electron density map in the transmembrane domain is shown in FIG. 53, and the final structure is shown in FIG. 54.
<実施例10:GFP-Nb-Dr-VSP-VSDInt(41-180)>
実施例10-1:コンストラクトの作製(配列番号21)
Dr-VSP-VSDの活性化中間状態変異体の41-180アミノ酸配列を使用し、図55のコンストラクトを作製した以外は、実施例1-1と同様に行った。
<Example 10: GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int (41-180)>
Example 10-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 21)
The same procedure as in Example 1-1 was carried out, except that the 41-180 amino acid sequence of an activation intermediate mutant of Dr-VSP-VSD was used to prepare the construct shown in FIG.
実施例10-2~10-3
実施例1-2~1-3と同様に行った。
Examples 10-2 to 10-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out.
実施例10-4~10-7
実施例1-4~1-7と同様に行ったところ、沈殿剤が0.1M HEPES-Na[pH7.0]、0.1M Potassium phosphate monobasic、30%(v/v)PEG300で結晶を得た(図56)。収集したデータを処理した結果を表10に示す。
Examples 10-4 to 10-7
As in Examples 1-4 to 1-7, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M HEPES-Na [pH 7.0], 0.1 M potassium phosphate monobasic, and 30% (v/v) PEG 300 (FIG. 56). The results of processing the collected data are shown in Table 10.
<実施例11:GFP-Nb-Dr-VSP-VSDAct(41-180)>
実施例11-1:コンストラクトの作製(配列番号22)
Dr-VSP-VSDの活性型状態変異体の41-180アミノ酸配列を使用し、図57のコンストラクトを作製した以外は、実施例1-1と同様に行った。
<Example 11: GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Act (41-180)>
Example 11-1: Construction of construct (SEQ ID NO: 22)
The same procedure as in Example 1-1 was carried out, except that the 41-180 amino acid sequence of the activated mutant of Dr-VSP-VSD was used to prepare the construct shown in FIG.
実施例11-2~11-3
実施例1-2~1-3と同様に行った。
Examples 11-2 to 11-3
The same procedures as in Examples 1-2 to 1-3 were carried out.
実施例11-4~11-7
実施例1-3~1-7と同様に行ったところ、沈殿剤が0.1M HEPES-Na[pH7.0]、0.1M Potassium chloride、30-34%(v/v)PEG300で結晶を得た(図58)。収集したデータを処理した結果を表11に示す。
Examples 11-4 to 11-7
As in Examples 1-3 to 1-7, crystals were obtained using a precipitant of 0.1 M HEPES-Na [pH 7.0], 0.1 M potassium chloride, and 30-34% (v/v) PEG 300 (FIG. 58). The results of processing the collected data are shown in Table 11.
以上の結果より、本願の膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体を用いることにより、膜タンパク質の、野生型、中間活性化状態変異型、及び活性化状態変異型を解析できることが分かった。また、種々のGFPを用いることで、結晶化の条件、分解能を容易に操作することができることが分かった。上述のとおり、本願の膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体は、免疫グロブリン結合タンパク質にも結合するため、膜タンパク質の精製、結晶化、及び構造解析において、共通に利用可能な汎用性のある技術である。 The above results show that the wild type, intermediate activation state mutant type, and activation state mutant type of membrane proteins can be analyzed by using the protein structure for membrane protein structure analysis of the present application. It was also found that the crystallization conditions and resolution can be easily manipulated by using various GFPs. As described above, the protein structure for membrane protein structure analysis of the present application also binds to immunoglobulin-binding proteins, and is therefore a versatile technology that can be commonly used in the purification, crystallization, and structural analysis of membrane proteins.
<実施例12:VD法>
実施例1で調製した膜タンパク質GFP-Nb-Dr-VSP-VSDIntを限外ろ過膜にて10mg/mLまで濃縮し、シッティングドロップ蒸気拡散法(A.Ducruix and R. Giege,1993 Oxford University Press)により結晶化を行った。具体的には、1μLの膜タンパク質溶液と1μLの沈殿剤(0.1M MES-Na[pH6.0-6.5]、19-22%(w/v)PEG2000MME)を混ぜたタンパク質溶液をタンパク質結晶化プレートのサブウェルに、50μLの沈殿剤溶液をリザーバーウェルに配置し、マイクロプレートシールによってプレートを密封した。結晶化プレートを20度のインキュベータに静置することで蒸気拡散を利用してタンパク質溶液の溶媒を蒸発させ過飽和状態にして結晶化した(図59)。
Example 12: VD method
The membrane protein GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int prepared in Example 1 was concentrated to 10 mg/mL using an ultrafiltration membrane, and crystallized by the sitting drop vapor diffusion method (A. Ducruix and R. Giege, 1993 Oxford University Press). Specifically, a protein solution containing 1 μL of membrane protein solution and 1 μL of precipitant (0.1 M MES-Na [pH 6.0-6.5], 19-22% (w/v) PEG2000MME) was placed in a subwell of a protein crystallization plate, and 50 μL of precipitant solution was placed in a reservoir well, and the plate was sealed with a microplate seal. The crystallization plate was placed in a 20° incubator to evaporate the solvent of the protein solution using vapor diffusion to create a supersaturated state and crystallize (FIG. 59).
SPring-8 BL44XUにおいて、得られた結晶から回折データを収集した以外は、実施例1-7と同様にして、収集したデータを処理した結果を表12に示す。 The diffraction data was collected from the crystals obtained using SPring-8 BL44XU, but in the same manner as in Examples 1-7. The results of processing the collected data are shown in Table 12.
<実施例13:Bicelle法>
実施例1で調製した膜タンパク質GFP-Nb-Dr-VSP-VSDIntを限外ろ過膜にて10mg/mLまで濃縮し、一般的なbicelle法(R.Ujwal and J.U.Bowie,2011 Methods)と同様にbicelleを調製し、シッティングドロップ蒸気拡散法により結晶化を行った。具体的には、1μLのbicelleに1μLの沈殿剤(0.05M HEPES-Na[pH7.5]、11%(w/v)PEG4000)を混ぜ、上記と同様に20度のインキュベータ内にて結晶化した(図60)。
Example 13: Bicelle method
The membrane protein GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int prepared in Example 1 was concentrated to 10 mg/mL using an ultrafiltration membrane, and a bicelle was prepared in the same manner as in the general bicelle method (R. Ujwal and J. U. Bowie, 2011 Methods), and crystallization was performed by the sitting drop vapor diffusion method. Specifically, 1 μL of bicelle was mixed with 1 μL of precipitant (0.05 M HEPES-Na [pH 7.5], 11% (w/v) PEG4000), and crystallized in a 20° incubator in the same manner as above (FIG. 60).
<実施例14:カウンターディフュージョン法>
実施例1で調製した膜タンパク質GFP-Nb-Dr-VSP-VSDIntを限外ろ過膜にて10mg/mLまで濃縮し、一般的なカウンターディフュージョン法(J.M. Garcia-Ruiz et. al., Meth. Enzymol. 2002 368:130-54)を利用して、地上と微小重力環境下の二つの異なる環境下で結晶化を行った。微小重力環境での結晶化については、SpaceX社のドラゴン補給船運用19号機SpaceX-19により国際宇宙ステーション「きぼう」日本実験棟へ輸送し、結晶化を実施した。具体的には、8μLの膜タンパク質溶液を内径0.5mmのキャピラリーに充填し、0.9mLの沈殿剤(0.1M MES-Na[pH5.4-5.6]、25%(w/v)PEG2000MME)に浸漬した。結晶化サンプルを20度のインキュベータに静置し液液拡散を利用してタンパク質溶液を過飽和状態にして結晶化した(図61:微小重力環境下)(図62:地上)。
Example 14: Counterdiffusion method
The membrane protein GFP-Nb-Dr-VSP-VSD Int prepared in Example 1 was concentrated to 10 mg/mL using an ultrafiltration membrane, and crystallized in two different environments, on the ground and in a microgravity environment, using a common counter diffusion method (J.M. Garcia-Ruiz et. al., Meth. Enzymol. 2002 368:130-54). For crystallization in a microgravity environment, the crystal was transported to the Japanese Experiment Module "Kibo" of the International Space Station by SpaceX's Dragon supply ship operation No. 19 SpaceX-19, and crystallization was performed. Specifically, 8 μL of the membrane protein solution was filled into a capillary with an inner diameter of 0.5 mm, and immersed in 0.9 mL of precipitant (0.1 M MES-Na [pH 5.4-5.6], 25% (w/v) PEG2000MME). The crystallization sample was placed in an incubator at 20 degrees, and the protein solution was made supersaturated by liquid-liquid diffusion, and crystallized (Figure 61: Under microgravity environment) (Figure 62: on the ground).
SPring-8 BL45XUにおいて、得られた結晶から回折データを収集した以外は、実施例1-7と同様にして、収集したデータを処理した結果を表13に示す。微小重力環境下で生成した結晶構造における膜貫通領域内の電子密度マップを図63に、最終構造を図64に示す。また、地上で生成した結晶構造における膜貫通領域内の電子密度マップを図65に、最終構造を図66に示す。 The results of processing the collected data in the same manner as in Examples 1-7, except that diffraction data was collected from the crystals obtained on SPring-8 BL45XU, are shown in Table 13. The electron density map within the membrane-spanning domain in the crystal structure generated in a microgravity environment is shown in Figure 63, and the final structure is shown in Figure 64. The electron density map within the membrane-spanning domain in the crystal structure generated on the ground is shown in Figure 65, and the final structure is shown in Figure 66.
実施例14の結果より、地上で生成した結晶に比べ、微小重力環境下で生成した結晶の分解能がわずかに改善することが分かった。その理由として、微小重力環境下では、重力に起因する溶液内の密度差対流が抑制されることによって、高品質でサイズの大きな結晶が得られたことが挙げられる(図61:微小重力環境下)(図62:地上)。 The results of Example 14 show that the resolution of crystals grown in a microgravity environment is slightly improved compared to crystals grown on Earth. The reason for this is that in a microgravity environment, gravity-induced density difference convection in the solution is suppressed, resulting in large, high-quality crystals (Figure 61: Under microgravity environment) (Figure 62: On Earth).
本発明の態様としては、例えば、以下のものなどが挙げられる。
<1> 蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能であることを特徴とする膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体である。
<2> ラクダ科抗体のVHHドメインを含む、前記<1>に記載の膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体である。
<3> 膜タンパク質と、前記<1>から<2>のいずれかに記載の膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体と、を有することを特徴とする、キメラタンパク質である。
<4> 膜タンパク質をコードする遺伝子と、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体をコードする遺伝子とを融合した核酸を発現させる工程を含むことを特徴とする、キメラタンパク質の製造方法である。
<5> 膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を、前記免疫グロブリン結合タンパク質を用いて精製する工程を含むことを特徴とする、膜タンパク質の精製方法である。
<6> 膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を結晶化する工程を含むことを特徴とする、膜タンパク質の結晶化方法である。
<7> さらに、前記キメラタンパク質に、蛍光タンパク質を添加する工程を含む、前記<6>に記載の膜タンパク質の結晶化方法である。
<8> 膜タンパク質に、蛍光タンパク質と結合可能であり、かつ免疫グロブリン結合タンパク質と結合可能である膜タンパク質構造解析用タンパク質構造体が融合したキメラタンパク質を、前記免疫グロブリン結合タンパク質を用いて精製する工程と、前記キメラタンパク質を結晶化し、結晶化キメラタンパク質を得る工程と、を含むことを特徴とする、膜タンパク質の構造解析方法である。
<9> さらに、前記キメラタンパク質に、蛍光タンパク質を添加する工程を含む、前記<8>に記載の膜タンパク質の構造解析方法である。
<10> さらに、前記結晶化キメラタンパク質の構造解析工程を含む、前記<8>、又は<9>のいずれかに記載の膜タンパク質の構造解析方法である。
Examples of aspects of the present invention include the following.
<1> A protein structure for analyzing the structure of a membrane protein, which is capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein.
<2> A protein structure for membrane protein structure analysis according to <1>, comprising a VHH domain of a camelid antibody.
<3> A chimeric protein comprising a membrane protein and the protein structure for membrane protein structure analysis according to any one of <1> to <2>.
<4> A method for producing a chimeric protein, comprising a step of expressing a nucleic acid obtained by fusing a gene encoding a membrane protein with a gene encoding a protein structure for use in membrane protein structural analysis, the protein structure being capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein.
<5> A method for purifying a membrane protein, comprising a step of purifying a chimeric protein in which a membrane protein is fused with a protein structure for membrane protein structural analysis, the protein structure being capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein, by using the immunoglobulin-binding protein.
<6> A method for crystallizing a membrane protein, comprising a step of crystallizing a chimeric protein in which a membrane protein is fused with a protein structure for membrane protein structural analysis, the protein structure being capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein.
<7> The method for crystallizing a membrane protein according to <6>, further comprising the step of adding a fluorescent protein to the chimeric protein.
<8> A method for analyzing the structure of a membrane protein, comprising the steps of: purifying a chimeric protein, in which a membrane protein is fused with a protein structure for analyzing a membrane protein structure capable of binding to a fluorescent protein and to an immunoglobulin-binding protein, by using the immunoglobulin-binding protein; and crystallizing the chimeric protein to obtain a crystallized chimeric protein.
<9> The method for analyzing a structure of a membrane protein according to <8>, further comprising the step of adding a fluorescent protein to the chimeric protein.
<10> The method for analyzing the structure of a membrane protein according to <8> or <9>, further comprising a step of analyzing the structure of the crystallized chimeric protein.
Claims (9)
前記キメラタンパク質に、前記VHHドメインに特異的に結合可能な前記蛍光タンパク質を添加して、前記キメラタンパク質と前記蛍光タンパク質との複合体を形成する工程と、
前記複合体を、脂質キュービックフェーズ法、蒸気拡散法、Bicelle法、HiLiDe法、又はカウンターディフュージョン法で結晶化し、結晶化キメラタンパク質を得る工程と、
を含み、
前記精製する工程及び前記複合体を形成する工程における前記蛍光タンパク質が、野生型GFP、変異型GFP、野生型mCherry、又は変異型mCherryであることを特徴とする、膜タンパク質の結晶化方法。 A step of purifying a chimeric protein in which a protein structure for analyzing membrane protein structure, which contains a VHH domain of a camelid antibody capable of specifically recognizing and binding to a fluorescent protein and capable of binding to an immunoglobulin-binding protein, is fused to the N-terminus or C-terminus of a membrane protein having a molecular weight of 200 kDa or less;
adding the fluorescent protein capable of specifically binding to the VHH domain to the chimeric protein to form a complex between the chimeric protein and the fluorescent protein;
crystallizing the complex by a lipid cubic phase method, a vapor diffusion method, a Bicelle method, a HiLiDe method, or a counter diffusion method to obtain a crystallized chimeric protein;
Including,
A method for crystallizing a membrane protein, wherein the fluorescent protein in the purification step and the complex formation step is wild-type GFP, mutant GFP, wild-type mCherry, or mutant mCherry.
前記キメラタンパク質に、前記VHHドメインに特異的に結合可能な前記蛍光タンパク質を添加して、前記キメラタンパク質と前記蛍光タンパク質との複合体を形成する工程と、
前記複合体を脂質キュービックフェーズ法、蒸気拡散法、Bicelle法、HiLiDe法、又はカウンターディフュージョン法で結晶化し、結晶化キメラタンパク質を得る工程と、を含み、
前記精製する工程及び前記複合体を形成する工程における前記蛍光タンパク質が、野生型GFP、変異型GFP、野生型mCherry、又は変異型mCherryであることを特徴とする、膜タンパク質の構造解析方法。 a step of purifying, by using an immunoglobulin-binding protein, a chimeric protein in which a protein structure for membrane protein structure analysis, which protein structure contains a VHH domain of a camelid antibody capable of specifically recognizing and binding to a fluorescent protein and capable of binding to an immunoglobulin-binding protein, is fused to the N-terminus or C-terminus of a membrane protein having a molecular weight of 200 kDa or less;
adding the fluorescent protein capable of specifically binding to the VHH domain to the chimeric protein to form a complex between the chimeric protein and the fluorescent protein;
and crystallizing the complex by a lipid cubic phase method, a vapor diffusion method, a Bicelle method, a HiLiDe method, or a counter diffusion method to obtain a crystallized chimeric protein;
A method for analyzing the structure of a membrane protein, wherein the fluorescent protein in the purification step and the complex formation step is wild-type GFP, mutant GFP, wild-type mCherry, or mutant mCherry.
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