High-throughput evaluation of protein folding conditions and expression constructs for structural genomics

Das E. coli Expressionssystem ist das am häufigsten angewandte hinsichtlich der rekombinante Proteinexpression für strukturelle und funktionelle Analysen aufgrund der hohen erzielten Ausbeuten und der einfachen Handhabbarkeit. Allerdings ist insbesondere die Expression eukaryotischer Proteine in E. coli problematisch, z.B. wenn das Protein nicht korrekt gefaltet ist und in unlöslichen Inclusion Bodies anfällt. In manchen Fällen ist die Analyse von Deletionskonstrukten oder einzelnen Proteindomänen der Untersuchung des Vollängeproteins vorzuziehen. Dies umfasst die Herstellung eines Satzes von Expressionskonstrukten, welche charakterisiert werden müssen. In dieser Arbeit werden Methoden optimiert und evaluiert für die in vitro-Faltung von Inclusion Body-Proteinen sowie die Entwicklung einer Hochdurchsatz-Charakterisierung von Expressionskonstrukten. Die Überführung von Inclusion Body-Proteinen in den nativen Zustand beinhaltet zwei Schritte: (a) Auflösen mit einen chaotropen Reagenz oder starkem ionischen Detergenz und (b) Faltung des Proteins durch Beseitigung des Chaotrops begleitet von dem Transfer in einen geeigneten Puffer. Die Ausbeute an nativ gefaltetem Protein ist oft stark eingeschränkt aufgrund von Aggregation und Fehlfaltung; sie kann allerdings durch die Zugabe bestimmter Additive zum Faltungspuffer erhöht werden. Solche Additive müssen empirisch identifiziert werden. In dieser Arbeit wurde eine Testprozedur für Faltungsbedingungen entwickelt. Zur Reduzierung der möglichen Kombinationen der getesteten Additive wurden sowohl empirische Beobachtungen aus der Literatur als auch bekannte Eigenschaften der Additive berücksichtigt. Zur Verminderung der eingesetzten Proteinmenge und des Arbeitsaufwandes wurde der Test automatisiert und miniaturisiert mittels eines Pipettierroboters. 20 Bedingungen zum schnellen Verdünnen von denaturierten Proteinen werden hierbei getestet und zwei Bedingungen zur Faltung von Proteinen mit dem Detergenz/Cyclodextrin Protein-Faltungssystem von Rozema et al. (1996). 100 µg Protein werden pro Bedingung eingesetzt. Zusätzlich werden acht Bedingungen für die Faltung von His-Tag-Fusionsproteinen (ca. 200 µg), welche an eine Metallchelat-Matrix immobilisiert sind, getestet. Die Testprozedur wurde erfolgreich angewendet zur Faltung eines humanen Proteins, der p22 Untereinheit von Dynactin, welche in E. coli in Inclusion Bodies exprimiert wird. So wie es sich bei vielen Proteinen darstellt, war auch für p22 Dynactin kein biologischer Nachweistest vorhanden, um den Erfolg des Faltungsexperimentes zu messen. Die Löslichkeit des Proteins kann nicht als eindeutiges Kriterium dienen, da neben nativ gefaltetem Protein, lösliche fehlgefaltete Spezies und Mikroaggregate auftreten können. Diese Arbeit evaluiert Methoden zur Detektion kleiner Mengen nativen Proteins nach dem automatisierten Faltungstest. Bevor p22 Dynactin gefaltet wurde, wurden zwei Modellenzyme zur Evaluierung eingesetzt, bovine Carboanhydrase II (CAB) und Malat Dehydrogenase aus Schweineherz-Mitochondrien. Die wiedererlangte Aktivität nach der Rückfaltung wurde korreliert mit verschiedenen biophysikalischen Methoden. Bindungsstudien mit 8-Anilino-1-Naphtalenesulfonsäure ergaben keine brauchbaren Informationen bei der Rückfaltung von CAB aufgrund der zu geringen Sensitivität und da fehlgefaltete Proteine nicht eindeutig von nativem Protein unterschieden werden konnten. Tryptophan Fluoreszenzspektren der rückgefalteten CAB wurden zur Einschätzung des Erfolges der Rückfaltung angewandt. Die Verschiebung des Intensitätsmaximum zu einer niedrigeren Wellenlänge im Vergleich zum denaturiert entfalteten Protein sowie die Fluoreszenzintensität korrelierten mit der wiedererlangten enzymatischen Aktivität. Für beide Modellenzyme war analytische hydrophobe Interaktionschromatographie (HIC) brauchbar zur Identifizierung rückgefalteter Proben mit aktivem Enzym. Kompakt gefaltetes, aktives Enzym eluierte in einem distinkten Peak im abnehmenden Ammoniumsulfat-Gradienten. Das Detektionslimit für analytische HIC lag bei 5 µg. Im Falle von CAB konnte gezeigt werden, dass Tryptophan-Fluoreszenz-Spektroskopie und analytische HIC in Kombination geeignet sind um Falsch-Positive oder Falsch-Negative, welche mit einem der Monitore erhalten wurden, auszuschließen. Diese beiden Methoden waren ebenfalls geeignet zur Identifizierung der Faltungsbedingungen von p22 Dynactin. Tryptophan-Fluoreszenz-Spektroskopie kann jedoch zu Falsch-Positiven führen, da in machen Fällen Spektren von löslichen Mikroaggregaten kaum unterscheidbar sind von Spektren des nativ gefalteten Proteins. Dies zusammenfassend wurde eine schnelle und zuverlässige Testprozedur entwickelt, um Inclusion Body-Proteine einer strukturellen und funktionellen Analyse zugänglich zu machen. In einem separaten Projekt wurden 88 verschiedene E. coli-Expressionskonstrukte für 17 humane Proteindomänen, welche durch Sequenzanalyse identifiziert wurden, mit einer Hochdurchsatzreinigung und –faltungsanalytik untersucht, um für die Strukturanalyse geeignete Kandidaten zu erhalten. Nach Expression in einem Milliliter im 96er Mikrotiterplattenformat und automatisierter Proteinreinigung wurden löslich exprimierte Proteindomänen direkt analysiert mittels 1D ¹H-NMR Spektroskopie. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere isolierte Methylgruppen-Signale unter 0.5 ppm sensitive und zuverlässige Sonden sind für gefaltetes Protein. Zusätzlich zeigte sich, dass – ähnlich zur Evaluierung des Faltungstests – analytische HIC effizient eingesetzt werden kann zur Identifizierung von Konstrukten, welche kompakt gefaltetes Protein ergeben. Sechs Konstrukte, welche zwei Domänen repräsentieren, konnten schnell als tauglich für die Strukturanalyse gefunden werden. Die Struktur einer dieser Domänen wurde kürzlich von Mitarbeitern gelöst, die andere Struktur wurde im Laufe dieses Projektes von einer anderen Gruppe veröffentlicht.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Potsdam

Year

2004

Author dc:creator

• Scheich, Christoph

Contributors dc:contributor

• Seckler, Robert
• Prof. Dr., Lehrach, Hans
• Prof. Dr., Lilie, Hauke

• Strukturproteomics
• Proteinfaltungstest
• Proteindomänen
• structural genomics
• protein folding screen
• protein domains

Repository record source_url

https://publishup.uni-potsdam.de/frontdoor/index/index/docId/164

OAI identifier oai:identifier

oai:kobv.de-opus4-uni-potsdam:164