Nanodiscs:膜蛋白的活动房屋

这个问题

膜蛋白是高度相关的医学领域的研究课题。大多数药物研究是基于识别药物如何影响膜蛋白的问题。随着细胞的连接到细胞外的世界,膜蛋白坐在顶部的许多重要的信号链参与细胞的生理功能。¹因此,有必要研究膜蛋白从结构和功能的角度来看。然而,这是更加困难比与胞质同行合作。

其中一个主要的困难是保持膜蛋白稳定细胞膜外。这个问题可以追溯到第一批膜蛋白结构研究在1985年由Deisenhofer et al。²此后,膜蛋白结构生物学的研究人员仍然是一个挑战和其他学科。

主要的问题在于整体结构的膜蛋白。与可溶性蛋白,膜蛋白的表面疏水性氨基酸残基,相反极性的。这使得更好的互动与周围的疏水链内的磷脂双层膜。如果这些疏水氨基酸残基应该极媒体包围,膜蛋白变得不稳定和失去功能。这样的极地媒体包括水和几乎每一个缓冲区,参与传统蛋白质纯化。因此,膜蛋白疏水侧链的表面必须从亲水环境保护。

传统领域的膜蛋白的研究中,这是通过使用许多不同的两性分子的洗涤剂,如Octylthioglucoside (OTG)或LDAO (Dodecyldimethylaminocid),感兴趣的膜蛋白(MPOI)被包围,保持稳定。

图1显示一个描述这个过程的示意图。这个过时的过程有很多的坏处。首先,并不是所有的蛋白质反应以及其他蛋白质特定的洗涤剂。通常一个冗长而乏味的筛选过程处于最detergent-based膜蛋白质分析的开始。此外,即使膜蛋白稳定包围洗涤剂、清洁剂可能会干扰膜蛋白的功能,随后伪造任何收集数据。此外,新洗涤剂必须不断地添加到蛋白质,否则他们会破坏。Seddon等人2004年的全面回顾总结了这些问题。

图 1:膜蛋白(橙色),其疏水侧链是由两亲的洗涤剂(黑色)。

解决方案:Nanodiscs

解决这些问题是由Bayburt和他的同事在1998年第一次描述了:一个小圆盘形的模拟细胞膜的磷脂双分子层系统,称为“nanodiscs”。⁴今天,科学家区分两种类型的nanodiscs: Membrane-scaffolding-protein nanodiscs (MSP nanodiscs)和合成nanodiscs。

nanodisc主要是由它的组件,磷脂在一起。的MSP nanodisc磷脂双分子层是由所谓的MSP(参见图2),这些蛋白质来自阿朴脂蛋白(apo) a - 1,通常是参与体内胆固醇的运输。这取决于的MSP使用,这些nanodiscs的直径7 - 50纳米不等。

图 2MSP nanodisc:示意图描述。膜蛋白(橙色)坐在中间的圆盘。它周围是一圈由磷脂(灰色)。这枚戒指是由膜骨架蛋白(绿色)。

这个由磷脂双分子层,一个nanodisc模拟细胞膜组成。因此,它提供了一个环境的代表本地细胞膜比任何洗涤剂,防止可能发生的损失的功能描述在使用清洁剂。

有三种方法可以稳定MSP nanodisc膜蛋白,如图3所示。

第一种方法是避免细胞膜首先,使用一个预nanodisc自动占用膜蛋白。表达的MPOI读方法确保它从来不是位于细胞膜内。

图 3:创建MSP nanodiscs的三种方法。答:颗粒的方法。使用预nanodisc细胞自由表达膜蛋白直接集成到细胞膜。B:两步增溶和调整。在这种情况下一种膜蛋白,已经覆盖在洗涤剂(黑色)集成到一个MSP nanodisc形成松散的议员(绿色)和免费的磷脂。C:直接从细胞膜溶解。在这种情况下洗涤剂(黑)包含MPOI溶解细胞膜,在这个过程中一个松散的MSP(绿色)形式的nanodisc细胞膜的磷脂与MPOI里面。

第二种方法是一个两步增溶,后跟一个调整的步骤。在这个过程中,膜蛋白是由洗涤剂和所有必要的组件的nanodisc (MSP和磷脂)被添加到混合物。随后MSP形式nanodisc使用宽松的磷脂。膜蛋白的洗涤剂慢慢落自然,给定的时间后,膜蛋白陷入MSP nanodisc,类似于细胞自由的方法。

第三种方法是直接从细胞膜溶解。洗涤剂是用来分手细胞膜MSP混合物中。然而,洗涤剂前删除所有在细胞膜脂质,MSP形成nanodiscs使用本机细胞膜脂质。这个选项的方法是最接近原生环境MPOI MSP nanodiscs时。

合成nanodiscs

Synthethic nanodiscsMSP nanodiscs服务于同样的目的,但是他们的创作方法是不同的。合成nanodiscs基于SMALPS(苯乙烯马来酸脂质颗粒)。一个特定SMALP已被证明是特别适合合成nanodisc生产。这是一个合成Co-Polymere称二异丁烯马来酸(DIBMA)。

DIBMA作品功能相同的方式在MSP nanodiscs MSP蛋白质。它拥有磷脂环在一起,如图4所示。DIBMA创建合成nanodiscs的格式类似于MSP nanodiscs创建(如图3 c),但它作为洗涤剂和支架蛋白。使用比喻,DIBMA做饼切比削减的MPOI饼干面团(细胞膜),但块周围保持稳定。

图 4 :合成nanodisc,基于DIBMA(蓝色)。DIBMA将磷脂双分子层圈(灰色)周围和稳定膜蛋白(橙色)。

这种方式,合成nanodiscs总是使用本机MPOI磷脂环境,因此总是为它提供了最好的条件。

应用nanodiscs

这两种类型的nanodiscs都大大优于洗涤剂的过时的方法稳定膜蛋白在细胞膜被移除。Nanodiscs可以使用人工脂质成分或本机磷脂膜蛋白的环境利益。这可以确保即使从细胞膜,膜蛋白结构和功能完好无损。

Nanodiscs已被用于多种用途。例如,在电子显微镜研究分析光收获复杂二世(LHCII)菠菜,在癌症研究。^5、6分析LHCII nanodiscs带来了新的见解关于其构象的灵活性,以前在洗涤剂难以察觉的基础研究。nanodisc显示,在癌症研究中是一种很有前途的和上级交付的工具得到化疗试剂阿霉素过去的癌细胞的免疫检查点。

引用

1。阴和弗林。麻醉膜蛋白相互作用。生物医学工程的年度审查。(2016)18。10.1146 / annurev - bioeng - 092115 - 025322。

2。Deisenhofer et al .蛋白质亚基的结构在Rhodopseudomonas viridis光合反应中心3一项决议。(1985)10.1038 / 318618 a0性质

3所示。Seddon, a . et al .膜蛋白质,脂类和洗涤剂:不仅仅是一个肥皂剧。Biochimica et biophysica学报。(2004)1666。105 - 17所示。10.1016 / j.bbamem.2004.04.011。

4所示。Bayburt T.H. et al .调整和成像膜蛋白的纳米级磷脂双分子层。j . Struct。医学杂志。(1998),123 (1):37-44

5。蒯,r . et al .消除与chemoimmunotherapy nanodisc-based组合建立了肿瘤。科学进步。4。(2018)。eaao1736。10.1126 / sciadv.aao1736。

6。潘伟迪。,等。大会的主要聚光复杂的脂质nanodiscs II。Biophys。j (2011) 101:2507 - 2515