Синтез гетерологичных функционально активных gpcr в клетках метилотрофных дрожжей pichia pastoris
На правах рукописи
ГЕРАСИМОВ АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ Синтез гетерологичных функционально активных GPCR в клетках метилотрофных дрожжей Pichia pastoris 03.01.03 – молекулярная биология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва-2012
Работа выполнена в лаборатории готовых лекарственных форм, федерального государственного бюджетного учреждения науки Центр «Био инженерия» РАН Научные руководители: кандидат биологических наук Зейналов Орхан Ахмедович кандидат биологических наук Шульга Алексей Анатольевич
Официальные оппоненты:
доктор химических наук, профессор Чупин Владимир Викторович кандидат биологических наук Соколова Ольга Сергеевна
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт Биохимии им. А.Н. Баха РАН
Защита диссертации состоится «02» марта 2012 г. в часов на заседании Совета Д 501.001.76 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, НИИ физико химической биологии имени А.Н. Белозерского, ауд. 536.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан «02» февраля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук И.А. Крашенинников
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Способность воспринимать и оперативно реагировать на информацию, получаемую из окружающей среды, является одним из важнейших свойств живых организмов. На сегодняшний день подробно изучены физиологические основы сигнальных механизмов, однако, их понимание невозможно без де тальных биофизических и биохимических исследований всех вовлеченных молекулярных структур, к числу которых относятся рецепторы, сопряженные с G-белком.
Рецепторы, сопряженные с G-белком, (GPCR или 7TM-рецепторы) пред ставляют собой крупнейшее семейство белков. Эти рецепторы являются клю чевыми элементами механизмов молекулярного распознавания и саморегуля ции эукариот. Последние исследования выявили их участие во многих и важ нейших и слабо изученных внутриклеточных процессах. Важно отметить, что рецепторы семейства GPCR являются молекулярными мишенями для более половины известных лекарственных препаратов, поэтому закономерен инте рес к ним со стороны фарминдустрии.
Несмотря на свою уникальность и важность, на сегодняшний момент подробно изучены кристаллические структуры всего лишь нескольких пред ставителей GPCR: родопсина человека и быка, бета1- и бета2 адренергических, дофаминового D3, аденозинового А2А и хемокинового СXCR4, гистаминового H1 рецепторов человека. Отсутствие прогресса в структурных исследованиях GPCR объясняется низким содержанием рецепто ров в природном сырье, а также трудностями, связанными с поддержанием правильной пространственной структуры рецепторов вне мембранного окру жения. В связи с этим, представляется целесообразным разработка гетероло гичных систем экспрессии, которые бы обеспечивали получение любых необ ходимых количеств GPCR в функционально активном состоянии. Как показы вает практика, системы на основе Pichia pastoris идеально подходят для полу чения высокотоксичных трансмембранных белков, поскольку дрожжи можно выращивать в больших объемах до высоких плотностей и эффективно контро лировать уровень транскрипции целевых генов, используя строго индуцибель ные промоторы.
Цель и задачи исследования Целью настоящей диссертационной работы является создание эффек тивных систем гетерологичной экспрессии генов GPCR на основе клеток ме тилотрофных дрожжей P. pastoris и разработка методов выделения и очистки рецепторов в функционально активном состоянии.
Исходя из поставленной цели, были сформулированы и решены сле дующие основные задачи:
1. Разработка эффективных систем экспрессии генов представителей семейства GPCR: бета2-адренергического рецептора, рецептора-3 дофа мина, рецептор-1 галанина, рецептора 174, рецептора-2 меланокортинов.
2. Разработка метода тестирования функциональной активности ре цепторов.
3. Разработка эффективных протоколов выделения и очистки гетеро логичных функционально активных рецепторов из мембранной фракции дрожжей.
Научная новизна и практическая значимость работы В настоящей диссертационной работе предложены новые стратегии по лучения рецепторов в клетках P. pastoris, позволяющие наработать милли граммовые количества функционально активных белков для структурных и биологических исследований.
Разработана универсальная система получения адренокортикотропного гормона и его производных, содержащих специфические узнаваемые последо вательности аминокислот, для молекулярно-биологических исследований.
Впервые показано, что рецептор меланокортинов (hMC2R), локализо ванный в мембранной фракции дрожжей, способен связываться со своим ли гандом – адренокортикотропным гормоном. Разработанный метод тестирова ния функциональной активности открывает путь для изучения других рецеп торов с лигандами белковой природы.
Показана возможность использования рекомбинантного hADRb2 в каче стве антигена для определения титра аутоантител против рецептора hADRb2 в сыворотках крови больных миастенией и рассеянным склерозом. Изучено влияние лекарственных субстанций, применяемых в медицинской практике, на взаимодействие гетерологичного hADRb2 с аутоантителами, что дает воз можность применения полученных результатов в фармакологии.
Личный вклад автора заключается в проведении экспериментальных и тео ретических исследований. Результаты работы получены лично автором или же при его непосредственном участии в планировании и проведении эксперимен тов. Имена соавторов указаны в соответствующих публикациях.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были представлены на всероссийской научной школе для молодежи «Горизонты нанобиотехноло гии». (Москва, 2009 г);
научно-практической конференции с международным участием «Молекулярная диагностика-2010» (Москва, 2010 г), международ ном симпозиуме «Взаимодействие нервной и иммунной систем в норме и па тологии» (Санкт-Петербург, 2011).
Публикации По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них в рецензи руемых журналах – 2, в российских и иностранных журналах, входящих в пе речень ВАК – 2, тезисы докладов на международных конференциях и семина рах – 2, тезисы докладов на российских научных конференциях – 5.
Объем и структура диссертации Материалы диссертации изложены на 128 страницах машинописного текста и включают 28 рисунков и 4 таблицы. Диссертация состоит из разде лов: «Введение», «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты и обсуждения», «Выводы», «Список цитируемой литературы», который содер жит 280 ссылок, в том числе 271 иностранный источник.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Выбор объектов исследования Для продукции рецепторов применяют различные системы гетерологич ной экспрессии. Использование клеточной системы E. сoli позволяет нарабо тать достаточные количества GPCR. Однако бактериальные клетки зачастую не способны синтезировать рецепторы с нативной третичной структурой, осуществлять посттрансляционные модификации, вследствие чего, уменьша ется или не наблюдается функциональная активность. Длительность, трудоем кость и дороговизна являются характерными признаками систем на основе клеточных линий млекопитающих и насекомых. Перспективной является сис тема экспрессии на основе клеток метилотрофных дрожжей Pichia pastoris, которые обладают развитым субклеточным аппаратом для осуществления по сттрансляционных модификаций белков и схожим с клетками млекопитающих строением цитоплазматической мембраны. К тому же клетки дрожжей отли чаются простотой и удобством в работе.
В настоящей работе описана экспрессия бета2-адренергического рецеп тора hADRb2, рецептора-3 дофамина hDRD3, рецептора-1 галанина hGALR1, рецептора 174 hGPR174, рецептора-2 меланокортина или ACTH-рецептора hMC2R. Они являются важными участниками процессов передачи сигналов и мишенями для многих лекарственных субстанций. К тому же, их получение затруднительно или невозможно в более простых экспрессионных системах, таких как E. coli (неопубликованные результаты). Наиболее изученными среди исследуемых объектов являются hDRD3 и hADRb2. В частности, известно, что бета2-адренергический рецептор эффективно нарабатывается в P. pastoris.
Уровень его биосинтеза составляет 4 мг/л (Noguchi et al, 2006). В исследуемую группу входят рецепторы с лигандами пептидной природы (hMC2R, hGALR1).
Особо отметим практическую значимость изучаемых GPCR. К примеру, ген hGPR174 активно экспрессируется лишь в метастазирующих меланомах, что является платформой для создания противоопухолевых препаратов селектив ного действия.
В данном исследовании методы получения GPCR в функционально ак тивном состоянии были разработаны только для двух рецепторов hMC2R и hADRb2, в силу того объективного обстоятельства, что работы такого рода яв ляются очень затратными и трудоемкими. Один из этих рецепторов (hMC2R) имеет лиганд пептидной природы, другой – низкомолекулярный лиганд. При выборе рецепторов также учитывались такие факторы, как доступность лиган дов, наличие минимально необходимых сведений о свойствах рецепторов в литературе.
Позднее, если это будет востребовано практикой, опыт выделения ак тивной формы рецепторов, накопленный в процессе выполнения данной рабо ты, может быть применен и к другим рецепторам, биосинтез которых был на лажен в дрожжах. Главное, что было продемонстрировано в данной работе, – это принципиальная возможность получения функционально активных рецеп торов из метилотрофных дрожжей.
Создание эффективных систем экспрессии генов GPCR Работа по получению дрожжевых штаммов-продуцентов рецепторов со стоит из нескольких этапов. Все первоначальные генетические манипуляции проводятся в клетках E. coli. В результате получают плазмидный вектор, со держащий все необходимые элементы для успешной экспрессии целевого ге на. Затем полученной ДНК трансформируют клетки P. pastoris. При этом про исходит интеграция целевого гена в генетический аппарат клетки-хозяина по средством гомологичной рекомбинации. Количество вставок экспрессионной кассеты в геноме можно оценить по устойчивости трансформантов к различ ным концентрациям селективного агента. В конечном счете, следует отобрать 6 – 10 трансформантов для определения уровня экспрессии целевого гена.
В качестве основы для создания плазмидного вектора использовали плазмиду pVR2 (Редо и др., 2011), предоставленную ведущим научным со трудником Центра «Биоинженерия» РАН Эльдаровым М.А. Конструкция бы ла усовершенствована введением последовательности, кодирующей девять ос татков гистидина. Полученная плазмида pVR2His служила вектором, в кото рый по сайтам NdeI и XhoI клонировали гены исследуемых рецепторов. В ито ге были получены экспрессионные кассеты pVR2GPCRHis (рис. 1), которые использовались для получения GPCR c полигистидиновой последовательно стью. Для выделения таких GPCR может применяться металлохелатная аф финная хроматография (МХАХ), один из универсальных методов очистки ре комбинантных белков.
Рисунок 1. Графическая схема экспрессионной кассеты. GPCR – гены hADRb2, hDRD3, hGALR1, hMC2R, GPR174. Ген ZEO находится под контролем конститутив ного гибридного промотора транскрипции pTEF1/EМ7 и терминатора tCYC2.
Гены рецепторов в полученных векторах находятся под контролем силь ного индуцибельного промотора АОХ1, который активируется в ответ на до бавление в питательную среду метанола. Отбор и селекцию трансформантов осуществляли благодаря наличию экспрессионной кассеты ZEO, которая обес печивает устойчивость к зеоцину.
Основной отличительной особенностью конструкций, используемых в настоящей работе, является отсутствие на 5-концах целевых генов сигнальной последовательности альфа-фактора S. cerevisiae. Синтез GPCR в виде гибрида с данным пептидом широко распространен и обеспечивает транслокацию мо лекул рецептора по котрансляционному механизму путем последовательного процессинга в шероховатом ЭПР и компартментах Гольджи. На наш взгляд, при синтезе сложных и токсичных полипептидов нет необходимости в исполь зовании механизма секреции. Объектами нашей работы являются интеграль ные трансмембранные белки, которые, благодаря своей природе, способны самостоятельно встраиваться в клеточную мембрану.
Клетки P. pastoris штамма GS115 (his4, mut+) трансформировали вектор ной конструкцией, предварительно гидролизованной эндонуклеазой PmeI, ме тодом электропорации (Сregg et al, 1995). Отбор трансформантов осуществля ли на плотной питательной среде YPDS, содержащей зеоцин в концентрациях от 100 до 1500 мкг/мл среды. Биосинтез рекомбинантных белков осуществля ли при культивировании клеток сначала на среде BMGY, а затем на индукци онной среде BMMY, содержащей метанол в количестве 10 г/л среды. Индук цию проводили 36 часов, добавляя каждые 12 часов по 10 г/л метанола.
Уровень экспрессии целевых генов в трансформантах оценивали мето дом дот-блота путем нанесения фиксированного объема мембранного экстрак та (Zeder-Lutz et al, 2006) на нитроцеллюлозную мембрану и выявления поли гистидиновой последовательности, входящей в состав рецепторов, при помо щи специфических моноклональных антител (рис. 2). Отметим, что в данном случае методу дот-блота нет альтернативы, поскольку он очень надежен, чув ствителен, и позволяет быстро, буквально «на потоке», оценить уровень био синтеза белка, содержащего специфический «таг». Из рис. 2 нетрудно убе диться, что экстракты дрожжевой клетки-хозяина (K(-)) не прокрашиваются в цветной реакции.
Рисунок 2. Результаты дот-блота мембранных экстрактов. Стандарт – обра зец белка с С-концевой полигистидиновой последовательностью известной концентрации. Сверху указаны количества стандарта для построения калиб ровочной прямой. К (-) – образец мембранного экстракта P. pastoris штамма GS115. Слева указаны виды рецепторов, а внизу – номер исследуемого клона.
Наиболее высокое содержание исследуемых рецепторов отмечалось у трансформантов, выросших на плотной питательной среде с высокой концен трацией селективного агента, что, по-видимому, говорит о наличии корреля ции между копийностью гена и уровнем синтеза рецепторов. Максимальная продукция целевых белков, локализованных в цитоплазматической мембране, достигалась на 25 – 30-й час индукции. Исследование клеточной культуры с помощью световой микроскопии показывает гибель клеток на 60-й час индук ционной фазы, что подтверждает высокую токсичность целевых белков, вы ражающуюся в деструкции клеточной мембраны.
В связи с этим были проведены работы по оптимизации условий выра щивания продуцентов с целью повышения продукции рецепторов. При сни жении температуры культивирования во время индукционной фазы до 200 С уровень биосинтеза GPCR значительно повысился. Данное обстоятельство можно объяснить повышенной продукцией клетками белков теплового шока, которые стабилизируют молекулы полипептидов. В свою очередь, замедление процессов миграции и встраивания гидрофобных рецепторов в цитоплазмати ческую мембрану при пониженной температуре культивирования может обес печить правильную конформацию молекул и их функциональную активность.
Введение гистидина в состав индукционной питательной среды влияло также положительно. Хотя его действие не достаточно изучено, считается, что данная аминокислота обладает антиоксидантным свойством (Murakami et al, 1997).
Добавление в питательную среду диметилсульфоксида (ДМСО) является распространенным подходом при культивировании клеток P. pastoris (Murata et al, 2003, Salunkhe et al, 2010). Являясь по своей природе универсальным рас творителем, ДМСО способствует увеличению проницаемости и вязкости ци топлазматической мембраны, что приводит к увеличению доли функциональ но активных молекул рецепторов (Andre et al, 2006). С той же целью для трех рецепторов – hADRb2, hMC2R, hDRD3 во время индукции добавляли лиганды – альпренолол, адренокортикотропный гормон, дофамина гидрохлорид.
Применение, наряду с рассмотренными подходами, дополнительного внесения биотина, тиамина и рибофлавина приводило к существенному по вышению уровня биосинтеза рецепторов, локализованных в дрожжевой мем бране, который, в конечном счете, составил не менее 20 мг/л среды.
Создание эффективной бактериальной системы экспрессии для гена ад ренокортикотропного гормона и его производных.
Для выделения активной формы рецептора hMC2R и изучения его ли ганд-связывающих характеристик необходимо было обеспечить получение его пептидного лиганда, а также некоторых его производных, содержащих специ фические узнаваемые последовательности аминокислот.
Адренокортикотропный гормон (ACTH, кортикотропин) – природный и единственный лиганд hMC2R. Для успешной реализации задач, поставленных в данном исследовании, необходимо было также получить два производных ACTH. Первое производное – это ACTH с С-концевой последовательностью BIO (MASSLRQILDSQKMEWRSNAGGS). Наличие такой последовательности дает возможность биотинилировать полипептид in vivo. Белки, меченые био тином, являются универсальным средством для решения многих задач моле кулярной биологии. Взаимодействие биотин-стрептавидин относится к разря ду наиболее прочных и характеризуется константой ассоциации порядка 10-15 M-1, что использовалось при получении аффинных сорбентов для выде ления активной формы рецептора hMC2R.
Вторая разновидность лиганда, получение которого необходимо было наладить в данном исследовании, – это ACTH с С-концевой последовательно стью эпитопа парамиксовируса V5 (GKPIPNPLLGLDST), которая распознает ся коммерчески доступными, высокоспецифичными моноклональными анти телами. Лиганд ACTH-V5 в данной работе применялся для постановки тест системы определения активности рецептора, локализованного в мембране дрожжей. Следует отметить, что биотинилированный лиганд не может ис пользоваться для этих целей, поскольку в состав мембранного компартмента входит эндогенный биотин. Добавочные последовательности необходимо бы ло размещать только на С-конце, поскольку сайт связывания с рецептором («HFRW» мотив) расположен вблизи N-конца ACTH.
В ходе исследования обнаружено, что прямая бактериальная экспрессия гена малоэффективна (неопубликованные данные). Поэтому была применена технология гибридной экспрессии кортикотропина, слитого с белком SUMO.
C этой целью в плазмиду pGEMEX1 (Novagen, США) по сайтам NdeI и EgeI был проклонирован ген, кодирующий SUMO с N-концевой полигистидиновой последовательностью. Затем в полученную конструкцию pTS по сайтам EgeI и BamHI клонировали гены ACTH и его производных, которые собирали из син тетических олигонуклеотидов («Евроген», Россия) методом ПЦР. В результате были получены экспрессионные векторы pTSA, pTSBIO и pTSAV5 для про дукции SUMO-ACTH, SUMO-ACTH-Bio и SUMO-ACTH-V5, соответственно.
Рисунок 3.
Схема получения плазмид для синтеза ACTH и его производных.
При синтезе целевого белка в виде гибрида с SUMO заметно увеличился выход ACTH и его производных. Другим положительным качеством является простота расщепления гибридных продуктов SUMO-гидролазами, которые уз нают третичную структуру белка-партнера, а не специфическую последова тельность аминокислот.
Для биосинтеза SUMO-ACTH и SUMO-ACTH-V5 использовали штамм E.coli BL21(DE3), который выращивали на автоиндукционной среде TB- при температуре 370 С. Выход гибридов составил 500 мг/л среды.
Для биосинтеза SUMO-ACTH-BIO использовали штамм E. coli Origami (BirA), осуществляющий коэкспрессию гена биотин лигазы. Максимальная продукция гибридного белка достигалась в результате выращивания при 280 С, с добавлением 0.01 мМ ИПТГ и 0.05 мМ биотина. Уровень биосинтеза гибрида составил 100 мг/л среды.
Выделение и очистку вариантов адренокортикотропных гормонов про водили в три стадии. Вначале выделяли гибридный белок при помощи метал лохелатной аффинной хроматографии. После расщепления его при помощи гидролазы Ulp1 проводили выделение кортикотропина при помощи катионо обменной хроматографии (рис. 4).
В конечном счете, выходы целевых гормонов (при пересчете на чистый белок) составили 100 мг/л ACTH, ACTH -V5 и не менее 15 мг /л ACTH-BIO.
При помощи дот-блота показано, что ACTH -V5 взаимодействует с монокло нальными антителами против эпитопа V5, а ACTH-BIO со стрептавидином, конъюгированным с щелочной фосфатазой (отрицательным контролем служил ACTH).
Рисунок 4. Схема очистки производных ACTH и результаты ПААГ в денату рирующих условиях.
Создание бактериальной системы экспрессии для генов hADRb2 и hMC2R Важной задачей, поставленной в диссертационной работе, является сравнение бактериальной и дрожжевой экспрессионной систем на предмет продукции активных рецепторов. В ходе исследования было обнаружено, что прямая бактериальная экспрессия генов рецепторов невозможна, поскольку белковый продукт не обнаруживался ни в бактериальной цитоплазме, ни в мембране (неопубликованные данные). Очевидно, что в таком состоянии ре цептор неактивен. Поэтому была применена технология гибридной экспрессии hMC2R, слитого с белком Mistic. Существуют работы, в которых описано ус пешное применение данного подхода c целью получения множества функцио нально активных белков, локализованных в мембране (Roosild et al, 2005, Dvir et al, 2009). Он основан на особенностях природы белка-партнера Mistic, кото рый способен автономно встраиваться в мембрану, минуя механизмы, задей ствованные для транспорта и интеграции других клеточных белков. Формируя особую структуру, он интегрируется в липидный бислой и «втягивает» за со бой слитый с ним целевой полипептид.
C этой целью в плазмиду pET32a (Novagen, США) по сайтам NcoI и NdeI был проклонирован ген, кодирующий Mistic.Затем в полученную конструк цию pET32aMistic по сайтам NdeI и XhoI клонировали гены исследуемых ре цепторов. В результате были получены экспрессионные векторы pET32aMisticMC2R, pET32aMisticADRв2 для гибридной продукции рецепто ров hMC2R и hADRb2 (рис. 5).
Рисунок 5. Физические карты плазмид pET32aMisticMC2R, pET32aMisticADRв2 для продукции рецепторов в E.coli Для экспрессии hMC2R и hADRb2 нами был выбран штамм E.coli Rosetta2(DE3)pLysS, широко используемый для биосинтеза токсичных белков.
Клетки данного штамма содержат хромосомную копию гена РНК-полимеразы фага Т7, а также плазмиду pLysS с геном лизоцима фага Т7. Лизоцим ингиби рует Т7 РНК-полимеразу, в результате чего фоновый уровень индукции в клетках существенно снижен. Культивирование рекомбинантного штамма проводили при различных температурах и концентрациях индуктора. Макси мальные выходы гибридного белка, локализованного в мембране, достигались в результате выращивания при 250 С на автоиндукционной среде и составили порядка 50 мг/л среды (определено при помощи дот-блота).
Определение функциональной активности меланокортинового ре цептора, продуцируемого в дрожжевой системе экспрессии Подтверждение активности рецептора, локализованного в клеточной мембране, является важным этапом исследования, определяющим перспек тивность применяемой экспрессионной системы.
Способность гетерологичного рецептора hMC2R связываться с адрено кортикотропным гормоном определяли с помощью твердофазного ИФА. Пре парат дрожжевых мембран, содержащих изучаемый рецептор, сорбировали на планшете в течение 12 часов. Образцы инкубировали с ACTH-V5, затем с мо ноклональными антителами против эпитопа V5 и антителами против Fc фрагментов, конъюгированных с пероксидазой хрена. Результаты фиксирова ли хромогенным субстратом TMB и анализировали планшетным ридером при длине волны 450 нм. В качестве отрицательного контроля использовался пре парат мембран дрожжей, содержащий бета2-адренергический рецептор.
В конечном счете, установлено, что рекомбинантный hMC2R, находя щийся в мембране дрожжей, способен связывать ACTH (рис. 6). Полученная s образная зависимость сигнала от концентрацией гормона, похожая по харак теру на взаимодействие «фермент-субстарт» кинетики Михаэлиса- Ментен, позволяет вычислить константу диссоциации рецептора, интегрированного в дрожжевую мембрану c кортикотропином.
Рисунок 6. Кривые связывания образцов мембранных фракций дрожжей, со держащих рекомбинантный hMC2R (hMC2R, P. pastoris) и hADRb2 (hADRb2, P. pastoris) – отрицательный контроль.
Используя один из стандартных методов расчета (Loomans et al, 1995), определили, что значение константы в исследуемой системе составило 0, нМ. Rached c соавторами исследовали активность hMC2R, продуцируемого в различных клеточных линиях млекопитающих. В частности, величина кон станты связывания рецептора, продуцируемого клетками HEK293, c ACTH со ставила 0,44 нМ. Следовательно, оценка полученных значений от двух незави симых экспериментов позволяет судить о специфичности взаимодействия и о функциональной активности рецептора в дрожжевой мембране.
Меланокортиновый рецептор, продуцируемый в бактериальной системе экспрессии не способен связываться с ACTH Аналогичные исследования, проведенные на рецепторе hMC2R, локали зованном в мембране E. coli, выявили его неспособность связывать лиганд.
Таким образом, на примере mistic-hMC2R было показано, что при сравнимых выходах целевого белка, дрожжевая система экспрессии GPCR является более предпочтительной, нежели бактериальная система, поскольку позволяет полу чать активный рецептор. Рецептор, получаемый в бактериальной системе, ну ждается в ренатурации in vitro, что крайне трудно осуществить для таких сложных трансмембранных белков, как GPCR. Следует отметить, что на дан ный момент биосинтезу функционально активного hMC2R в метилотрофных дрожжах нет альтернативы, вследствие крайне низкого уровня продукции это го белка в клетках млекопитающих (Rached et al, 2005, Герасимов и др., 2011).
Солюбилизация hMC2R и hADRb2, продуцируемых в клетках P. pastoris Под термином «солюбилизация» понимается растворение неполярных, гидрофобных веществ в мицеллярных коллоидных водных растворах детер гентов. Отметим, что экстракция рецепторов из мембраны – это сложная и тонкая процедура, поскольку неполноценная имитация мембранного окруже ния детергентами с неизбежностью приводит к агрегации и/или денатурации молекул GPCR. Поэтому использование мягких детергентов, а в ряде случаев в сочетании с фосфолипидами или липидоподобными веществами является необходимым условием. К тому же, известно влияние молекул ПАВ на хрома тографические свойства белков.
Для выбора оптимальных условий солюбилизации hMC2R и hADRb2, исходя из имеющихся знаний (Sarramegna et al, 2006), проводили скрининг детергентов и их смесей: 1 – лаурил саркозин (1%);
2 – н-Додецил-в-D мальтозид (1%);
3 – дигитонин (1%), 4 – дигитонин (1%) и холат натрия (0.5%);
5 – СHAPS (1%) и холат натрия (0.2%);
6 – н-додецил-в-D-мальтозид (1%), СHAPS (0.6%), холестерина гемисукцинат (0.12%);
7 – смесь подобная 6, но с добавлением лигандов;
8 – СHAPS (1%), 1,2-Дипальмитоил-sn-глицеро-3 фосфохолин (0.2%).
Технически это осуществлялось путем получения препарата дрожжевых мембран, его солюбилизации в исследуемых детергентах, удаления нераство римой части при помощи центрифугирования и выделения рецептора из экс тракта методом МХАХ. Целесообразность использования детергента опреде ляли путем анализа содержания целевого белка в нерастворимой фракции и во фракции, полученной после МХАХ (элюция белка 500 мМ имидазола). Для анализа содержания рецепторов применяли метод дот-блота, который был подробно описан ранее. На рис. 7 показаны результаты такого эксперимента на примере hMC2R.
Рисунок 7. Подбор условий экстракции hMC2R.
Из представленных результатов следует, что для экстракции hMC2R из дрожжевой мембраны лучше всего подходят 1%-ный раствор н-додецил-в-D мальтозида (№2), 1%-й раствор дигитонина (№3) и смесь дигитонина с хола том натрия (№4), однако, вследствие трудностей, связанных с плохой раство римостью, токсичностью, низкой чистотой дигитонина, использовали схему №2. Эффективность солюбилизации мембраны, которую определяли по раз нице содержания рецептора в растворимой и нерастворимой фракциях, соста вила 86%.
Аналогичным образом было определено, что для работы с рецептором hADRb2 оптимальной является смесь, состоящая из 1% н-додецил-в-D мальтозида, 0.6% CHAPS, 0.12 % холестерина гемисукцината, с добавлением антагониста рецептора – альпренолола. Эффективность экстракции рецептора из мембраны составила 90%. Отметим, что использование производных холе стерина повышает термостабильность и устойчивость бета2-адренорецептора в мицеллах детергента, вследствие имеющегося холестерин-связывающего мотива (Hanson et al, 2008).
Очистка hMC2R и hADRb2.
В силу присутствия в солюбилизированной фракции детергентов и экст рагированных детергентами липидных компонентов мембран процесс очистки мембранных белков крайне затруднен. Разработанные протоколы для рецеп торов hMC2R и hADRb практически совпадают и со стоят из трех стадий. На первых двух стадиях удаляются примесные белки (МХАХ и ионообменная хроматография). На последней стадии для выделения активной формы рецептора используется аффинная хроматография (рис. 8.).
Рисунок 8. Схема очистки hMC2R и hADRb2.
Метод металлохелатной аффинной хроматографии (МХАХ) характери зуется высокой эффективностью и, кроме того, позволяет избавляться от агре гированных форм рецептора, которые обычно не связываются с сорбентом.
Уже после этого этапа выделения были получены препараты рецепторов hADRb2 и hMC2R с чистотой более 80% (рис. 10).
Рисунок 9. Результаты МХАХ, проанализированные при помощи ПААГ в денатурирующих условиях (а), вестерн-блота (б) дот-блота (в).
1 - солюбилизированная фракция, – после нанесения на Ni-sepharose HP, 3 – отмывка буфером, содержа щим 50 мМ имидазола, 4 – элюция буфером, содержащим 500 мМ имидазола, 5 - элюция буфером, содержащим 50 мМ ЭДТА. 4б и 5б – вестерн-блот элюционных фракций Дальнейшая очистка производилась на гидроксиапатите, который соче тает в себе свойства ионообменного и металлохелат аффинного сорбентов. В результате были получены препараты рецепторов с чистотой более 95 % (дан ные не представлены). К тому же на данной стадии окончательно удаляются примеси лигандов рецепторов, которые применялись при солюбилизации.
Гомогенность белков, находящихся в растворах детергентов была под тверждена методом динамического светорассеяния. Измерение интенсивности рассеянного света при различных длинах волн позволяет оценить однород ность мицелл (Гончарук и др., 2010). В результате оказалось, что в препаратах hADRb2 и hMC2R присутствуют частицы со средним радиусом 20,3±4 нм и 18,4±3,4 нм, соответственно.
Таким образом, применение двух стадий хроматографической очистки является достаточным для получения чистых препаратов рецепторов hADRb и hMC2R. Однако, не все молекулы рецепторов в препаратах, полученных та ким образом, являются функционально активными. Некоторая часть молекул при экстракции детергентами или же при проведении хроматографических процедур утрачивает правильную конформацию. Поэтому для выделения ак тивной формы рецепторов требуется проведение аффинной хроматографии.
Аффинная хроматография рецепторов Разделение активной и неактивной форм молекул рецепторов осуществ ляли на сорбентах, к которым были присоединены лиганды, специфичные для выделяемого рецептора.
Аффинный сорбент «альпренолол-сефароза CL-4B» для выделения ак тивной формы рецептора hADRb2 был получен путем ковалентного присое динения антагониста рецептора – альпренолола к частицам сефарозы (Tedesco et al, 1988). Элюция функционально активного белка осуществлялась буфе ром, содержащим 1 мМ антагониста альпренола. Потери рецептора в ходе аф финной хроматографии составили порядка 30%. Заметим, что данный метод является не только методом очистки, но также и доказательством функцио нальной активности молекул hADRb2. Выход очищенного белка составил свыше 1 мг/л культуры, что более чем в пять раз превышает аналогичные по казатели для этого рецептора, которые можно встретить в литературе (Noguchi et al, 2006).
Для разделения активной и неактивной форм молекул рецептора hMC2R был получен сорбент «ACTH-BIO-streptavidin-sepharose HP». Биотинилиро ванный ACTH инкубировали в течение ночи с «streptavidin-sepharose HP» (GE Healthcare). Затем колонку отмывали от остатков несвязавшегося лиганда и инкубировали с препаратом hMC2R. Элюция рецептора в комплексе с адрено кортикотропным гормоном осуществлялась 5 мМ биотина. Для очистки ре цептора от примесей белкового лиганда и биотина использовали концентри рование на мембранах с MCWO – 100 КДа. В результате, с 1 литра культуры удалось получить 1,5 мг очищенного hMC2R.
В результате, были получены чистые препараты функционально актив ных рецепторов hADRb2 и hMC2R, причем выход белка составил не менее мг/л в каждом из случаев. Такие высокие выходы являются дополнительным аргументом в пользу использования метилотрофных дрожжей для получения функционально активных GPCR. Наряду с эффективными дрожжевыми штаммами-продуцентами, разработанные в данной работе универсальные ме тоды выделения и очистки активных форм рецептора закладывают надежную основу для проведения широких структурных и биологических исследований GPCR.
Использование hADRb2 в качестве антигена для определения титра ауто антител В работе использовались сыворотки пациентов НЦ «Неврологии» РАМН и 2-го неврологического отделения РДКБ Росздрава c миастенией и рассеянным склерозом. Исследование проводилось совместно с сотрудниками НЦ «Неврологии» РАМН к.б.н В.Б. Ланцовой и к.м.н Е.К. Сепп.
Миастения и рассеянный склероз – хронические инвалидирующие ауто иммунные заболевания, антигенные мишени которых охарактеризованы и ис пользуются для диагностики. Однако существуют работы, в которых обозна чена определенная роль hADRb2 в развитии данных патологий. К примеру, показано участие молекул бета2-адренергических рецепторов в патогенезе рассеянного склероза. (Zoukos et al., 2003) и миастении (Xu, 2000). Поэтому в практической медицине существует острая потребность в создании дополни тельных тест-систем для более детального описания и, как следствие, эффек тивного лечения тяжелых полисимптомных заболеваний. В частности, в на стоящей работе, был предложен метод определения титра антител к бета2 адренорецептору.
На 96-ти луночные планшеты сорбировали мембранную фракцию, со держащую рекомбинантный hADRb2, в концентрации 4 мкл/лунку или очи щенный белок (10 мкг рецептора на лунку) и инкубировали в течение 12 ча сов. В качестве отрицательного контроля использовали мембранную фракцию с гетерологичным hМС2R. Неспецифическое связывание блокировали 2% рас твором БСА в PBS/Твин-20. Затем вносили анализируемые сыворотки в разве дении 1:100. Интенсивность взаимодействия определяли хромогенной реакци ей с использованием коньюгата пероксидазы с антителами против Fc фрагмента IgG человека при помощи планшетного ридера при длине волны 450 нм.
При испытании новой тест-системы (ИФА) на основе гетерологичного hADRb2 были обнаружены аутоантитела у 12 из 40 больных миастенией и у из 12 больных рассеянным склерозом, что согласуется с данными других ав торов (Yi et al, 1995). В контрольной группе, включающей 10 здоровых чело век, антитела к hADRb2 не выявлялись. Таким образом, показана возможность использования гетерологического hADRb2 в качестве антигена при разработке новых тест систем на основе ИФА, которые могут применяться в практиче ской медицине.
Молекулы рецептора, находящиеся в мембранной фракции P. pastoris и в мицеллах детергента, были охарактеризованы по степени взаимодействия с аутоантителами в присутствии лекарственных субстанций: неселективного бе та-адреноблокатора – альпренолола и селективных бета2-адреномиметиков сальбутамола и кленбутерола. Анализ проводился аналогичным образом. В качестве отрицательных контролей использовали мембранную фракцию дрожжей, содержащую гетерологичный hMC2R (контроль взаимодействия) и лекарственный препарат, не обладающий адренергической активностью – ам пициллин. Аутоантитела содержались в сыворотках больных, анализируемых ранее.
Структурные исследования показывают, что при взаимодействии ADRb2 с его агонистом или антагонистом рецептор переходит в различные активированные состояния, которые заметно различаются по топологии трансмембранных сегментов. (Katritch et al, 2011). Предполагается, что данное обстоятельство будет оказывать влияние на связывание ADRb2 с его аутоан тителом.
Результаты опыта показали, что адреномиметики повысили аффинность аутоантител в среднем на 14 – 15%, а адреноблокатор оказал противополож ный эффект (– 15,4 %) на связывание. Данный интересный факт, по-видимому, связан также с их терапевтическими эффектами, а предложенный подход можно использовать для более детального изучения лекарственных субстан ций.
Таблица 1. Взаимодействие рекомбинантного hADRb2 с аутоантителами Реакция Мембранная фракция Фракция МХАХ Мембранная фракция с hADRb2, опт. ед hADRb2, опт. ед с МC2R, опт. ед Сыворотка 0.32±0.021 0.55±0.011 0.095±0. Сыворотка + 0.27±0.011 0.455±0. 0.093±0. альпренолол (- 15.4%) (- 17.2%) Сыворотка + 0.368±0.016 0.656±0. 0.098±0. сальбутамол (+ 15.0%) (+ 19.3%) Сыворотка + 0.364 ± 0.011 0.635±0. 0.096±0. кленбутерол (+ 13.8%) (+15.4%) Сыворотка + 0.33±0.016 0.54±0.022 0.095±0. ампициллин ВЫВОДЫ 1. На основе клеток метилотрофных дрожжей Pichia pastoris получены эф фективные системы гетерологичной экспрессии генов бета2 адренергического рецептора, рецептора-3 дофамина, рецептор-1 галанина, рецептора 174, рецептора-2 меланокортинов., обеспечивающие биосинтез целевых белков в количестве свыше 20 мг/л при оптимизированных усло виях культивирования.
2. На основе клеток бактерий Е. coli разработаны оригинальные методы по лучения ACTH и его производных ACTH-BIO и ACTH-V5. Выход очи щенных гормонов составил не менее 100 мг/л для ACTH и ACTH-V5 и не менее 15 мг/л для биотинилированной формы ACTH-BIO.
3. Разработан метод для тестирования функциональной активности мелано кортинового рецептора. Впервые показано, что hMC2R, локализованный в мембранной фракции дрожжей, функционально активен. Измеренная ве личина константы диссоциации комплекса hMC2R и ACTH составила 0, нМ.
4. Разработаны методы аффинной хроматографии для выделения hMC2R и hADRb2 в функционально активном состоянии. Выход активного белка составил более 1 мг/л 5. Показано использование рекомбинантного hADRb2 в качестве антигена для определения титра аутоантител против бета2-АР в сыворотке больных миастенией и рассеянным склерозом, а также изучено влияние лекарствен ных субстанций – альпренолола, кленбутерола и сальбутамола на аффин ность аутоантител к бета2-АР.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Герасимов А.С., Шульга А.А., Зейналов О.А., Скрябин К.Г. Синтез ге терологичных GPCR в клетках метилотрофных дрожжей P.pastoris // Доклады академии наук. 2011. T.441. №5. C. 703 – 706.
2. Герасимов А.С., Зейналов О.А., Эльдаров М.А., Шульга А.А. Биосин тез b2-адренергического рецептора человека в клетках метилотрофных дрож жей P.pastoris и его очистка // Молекулярная биология. 2012. T.46. №2. C. – 319.
3. Герасимов А.С. GPCR как основа для создания нанодетекторов // Ма териалы всероссийской научной школы для молодёжи «Горизонты нанобио технологии», 12 – 16 октября 2009. Москва. C. 25-26.
4. Герасимов А.С., Шульга А.А., Зейналов О.А., Скрябин К.Г. Новый подход для качественного и количественного определения адренокортико тропного гормона человека // VII Всероссийская научно-практическая конфе ренция с международным участием «Молекулярная диагностика 2010». 24 – 26 ноября 2010. Москва. Сборник трудов под редакцией академика РАМН В.И. Покровского. Том IV. С. 297 – 299.
5. Герасимов А.С., Шульга А.А., Зейналов О.А., Скрябин К.Г. Рекомби нантные рецепторы, сопряженные с G-белком, как основа для создания нано детекторов // VII Всероссийская научно-практическая конференция с между народным участием «Молекулярная диагностика 2010». 24 – 26 ноября 2010.
Москва. Сборник трудов под редакцией академика РАМН В.И. Покровского.
Том V. С. 137 – 138.
6. Герасимов А.С., Ланцова В.Б., Сепп Е.К., Шульга А.А., Зейналов О.А., Скрябин К.Г. Разработка тест-системы на основе иммуноферментного анализа для определения уровня аутоантител 2-адренергического рецептора в сыво ротках пациентов с аутоиммунными заболеваниями // VII Всероссийская на учно-практическая конференция с международным участием «Молекулярная диагностика 2010». 24 – 26 ноября 2010. Москва. Сборник трудов под редак цией академика РАМН В.И. Покровского. Том IV. С. 295 – 297.
7. Герасимов А.С., Ланцова В.Б. ИФА для определения антител к ADRB2 при миастении и рассеянном склерозе // XVIII российская конферен ция «Нейроиммунология». 27 – 30 сентября 2011. Санкт-Петербург. Сборник тезисов. С. 50.