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科普 科学 晶体生长 |
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快乐的剪刀
1 年前 |
主要的组织相容性复合物(MHC)在抗原肽的表达和T细胞对传染病和肿瘤发展的免疫反应中起着关键作用。杂交MHC I与异种 β 2- 微球蛋白(β 2米)从不同物种的替代可以稳定体 外。这是研究哺乳动物MHC I的可行方法,当同源 β 2 米不可用时。同时,指出哺乳动物 β 2 米替代不会显著影响肽的表达。然而,对于与异种 β 2- 微球蛋白(β 2 米) 复合的混合MHC I的方法和技术的总结有限。在此,提出了在MHC I研究中评估异质 β 2 米替代的可行性的方法。这些方法包括准备表达结构:净化包容机构和重新折叠 MHC 综合体;确定蛋白质热稳定性;晶体筛选和结构确定。本研究为了解MHC I的功能和结构提供了建议,对传染病和肿瘤免疫治疗期间的T细胞反应评价也具有重要意义。
主要的组织相容性复合物(MHC)存在于所有脊椎动物中,是一组基因,决定细胞介质对传染性病原体的免疫力。MHC类I向 CD8+T 细胞表面的T细胞受体(TCR)展示内源肽,如病毒感染时产生的病毒成分,以调节细胞免疫和参与免疫调节 1。 MHC I 与肽结合的结构研究提供了有关 MHC I 分子的肽结合主题和表现特征的信息,在评估 CD8 + T 细胞免疫反应和疫苗开发中起着至关重要的作用。
自比约克曼等人首次对MHC I分子进行结晶和结构测定 以来,MHC I分子的晶体结构分析极大地促进了对肽如何与MHC I分子结合的理解,有助于理解轻链与重链和肽的相互作用。一系列后续研究表明,虽然编码光链的基因与MHC无关,但光链是MHC I分子 3、4 组位的关键蛋白质。它与多个表面上的 MHC I 类分子的三个域相互作用。当光链缺失时,MHC I类分子不能正确表达在抗原呈现细胞表面,也不能与TCR相互作用以发挥其免疫功能。
MHC I由重链(H链)和轻链(即 β 2- 微球蛋白(β 2米)组成,通过与合适的肽 5 结合组装而 成。H 链的细胞外部分由 α1、α2 和 α3 域 6 组成。α1 和 α2 域形成肽结合槽 (PBG)。 β 2 米链作为MHC I装配综合体的结构子团,稳定了复合物的构象,是MHC I H链折叠 7、8、9 的分子伴奏。 一系列研究表明,MHC I H链来自各种哺乳动物,如蝙蝠(脊柱菌)(Ptal-N*01:01)10,恒河猴(灵长类动物)(马穆) -B*17) 11 (马木-A*01) 12 (马穆-A*02) 13, 鼠标 (罗登蒂亚) (H-2K d) 14, 0 15, 狗 (卡尼沃拉) (DLA-88*50801) 16, 牛 (阿蒂奥达蒂拉) (博拉-A11) 17 和马 (佩里索德) (Eqca-N*00602 和 Eqca-N*00601) 18 可与异质β 2 米(表 1) 相结合。这些混合分子经常用于结构和功能研究。然而,杂交MHC I与异质 β 2m 的功能和结构研究方法尚未总结。同时,不同税种之间 2 米β互换的结构基础仍不明朗。
在此,总结了MHC I表达、重新折叠、结晶、晶体数据收集和结构测定的过程。此外,通过比较由同源和异质 β 2 米稳定下来的MHC I的结构构象,分析不同物种 β 2 米的潜在替代。这些方法将有助于进一步的MHC I结构研究和 CD8+T 细胞免疫反应评估癌症和传染病。
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1. 表达结构的准备
2. 肽合成
3. 净化包容机构
4. MHC复合物的重新折叠
注:被重新折叠的内含体的效率将影响获得的蛋白质的产量。折叠与聚合竞争,因此人们普遍认为低蛋白浓度的折叠是最成功的方法。本文中,包容体浓度为30毫克/mL。
5. 结晶、数据收集和处理
6. 结构确定和分析
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先前的工作报告说,HeV衍生的 HeV1 (DFANTFLP) 肽是由 Ptal-N*01:01 10, 19. 在这里,评估了这种肽与Ptal-N*01:01的结合能力,同源蝙蝠 β 2 米(b+2 米)和异质 人类β 2 米(h+2 米)( 图1C,1D)。 分别形成了分辨率较高的晶体( 图1 E,1F)。 晶体由Ptal-N*01:01/HeV1复合体组成,该复合物通过 2米×2m 的重新自然形成,分辨率为2.31+。晶体由Ptal-N*01:01/HeV1复合体组成,该复合物通过 h+2m 的重新自然形成,分辨率为 1.6 é。Ptal-N*01:01/HeV1 复合体通过重新自然形成,同时具有 b+2 m 和 h+2m( 图 1 C,1D)。 在此背景下,我们显示,Ptal-N*01:01/HeV1 复合体不是在没有β 2 米(图 1A) 和 H-2K d 的情况下形成的,这些复合体通过 h+2 米( 图 1B) 正确折叠。
然后分析了Ptal-N*01:01/HeV1/b+2米和Ptal-N*01:01/HeV1/h+2m的结构。 在Ptal-N*01:01/HeV1/b+2米结构中, 残留 R3, H31, Q34, D53, W60, Y63 的 b +2 米绑定到 H 链残留通过 PBG 的底部和残留 Q8, Y10, R12, N24, Y28, N98, N99 绑定到 H 链的 3 域. 类似于Ptal-N*01:01/HeV1/b+2m建筑群,在Ptal-N*01:01/HeV1/h+2米结构中, 保存的残留物H31,D53,W60,Y63 的 h+2米,对应 b+2 米,与PBG的底部接触,并保存残留物Q8,Y10,R12,N24,对应 b+2 米绑定到+3域( 图2 A,2B)。
在整体结构中,Ptal-N*01:01/HeV1/b+2米和Ptal-N*01:01/HeV1/h+2米, H 链残留物 1-184 的平均根均方差 (RMSD) 在所有 C α 原子叠加 ( 图 3A) 下为 0.248。 这一发现表明,这两个综合体之间没有区别。然后比较了不同 β 2 米复合物中类似肽的构象。肽对齐的结构表明,这两个复合物中 HeV1 肽的构象非常相似( 图 3B)。 此外,H-2D b 呈现的 gp33(卡文法特姆)结构与鼠标β 2 米 (m+2 米)或 h+2m 的复杂结构对齐。H-2D b 的 β1=2 PBG 的 RMSD 为 0.283,这两种结构中的肽的总体构象也相似( 图 3 C,3D)。 这些数据表明,β 2m 和 h+2m 之间的 2 米置换,以及 m+2m 和 h+2m 之间的替换不会影响呈现肽的构象。
序列对齐表明,不同物种 β 2 米氨基酸受到高度保护( 图4)。 对不同物种的 β 2 米进行分析后发现,与MHC I H链形成氢键的 β 2 米氨基酸大部分被保存下来( 图4, 表2)。 同时,不同的残留物也是在哺乳动物中具有类似化学性质的氨基酸。然而,与MHC I H链 β 2 米结合的关键残留物显示了鸡、鱼和两栖动物的多态性( 图4)。
表1:各种哺乳动物与异质 β 2 米结合。 请点击这里下载此表。
表2:不同物种MHC I中异质 β 2 米和重链之间的氢键相互作用。 请点击这里下载此表。
图1:净化可溶性和重新折叠的Ptal-N*01:01/HeV1复合蛋白和用于衍射分析的晶体照片。
M是kDa中的分子量标记。P1 是聚合。P2 是 MHC 综合体。P3 是β
2
米
(A)
Ptal-N*01:01/HeV1 复合体,没有β
2
米
(B)
H-2K
d
复合体的存在而形成,通过与 h+2 m(
C)
Ptal-N*01:01/HeV1 复合体的重新自然形成,通过 b+2m 的重新自然形成。
该配置文件标有 75.0、44.0 和 13.7 kDa 分子质量标准的大致位置。(
D
) Ptal-N*01:01/ HeV1 复合体是通过
h+2m
(
E
) 的重新自然形成的,晶体由 Ptal-N*01:01/HeV1 复合体组成,该复合物通过
2m
的重新自然形成。黑色箭头表示用于在 X 射线衍射期间收集数据的晶体。(
F
) 晶体由Ptal-N*01:01/HeV1复合体组成,该复合物是通过
h+2m
的重新自然形成的。黑色箭头表示用于在 X 射线衍射期间收集数据的晶体。
请点击这里查看此数字的较大版本。
图2:混合MHC I复合物中
β 2
米和重链之间的氢结合。
β 2
米和H链之间的氢结合在
(A
) Ptal-N*01:01/b+2 m/HeV1 和
(B
) Ptal-N*01:01/h+2 m/HeV1 MHC 复合体中。
氢键相互作用由黑色虚线表示。正方形表示放大的区域,并显示在相应的彩色框中。红色表示同源
β 2
米,异质
β 2
米使用相同的氨基酸与H链形成氢键。
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图3:混合MHC I复合物中MHC复合物和抗原肽的类似构象。
(
A
) ptal-N*01:01/b+ 2m(绿色)和 Ptal-N*01:01/h+2 m(灰色)
的+1+2
域叠加。
(
B
) HeV1肽的叠加与每个Ptal-N*01:01分子的[1]2域叠加。HeV1 肽在 Ptal-N*01:01/b+2 米
中表示为粉红色,在 Ptal-N*01:01/h+2 米中表示为黄色。 (
C
) h-2D
b/mouse
的 +1+2 域叠加β
2
米(m+2m) (绿色)和 H-2D
b/h+2 m(灰色)。
(
D
) gp33肽叠加与每个H-2D
b
分子的 α1=2 域叠加。肽 gp33 在 H -2D
b
/m+2 m 中表示为蓝色,在 H-2D
b/h+2
m 中表示为粉红色。
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图4:基于结构的序列对齐
h+2m
与其他物种
β 2
米。黑色箭头表示β链。
红色突出显示的残留物完全保存完好吗,蓝色盒子中的残留物高度(+80%)保守。黄色三角形表示
β 2
米和H链之间相互作用的关键氨基酸。序列对齐是使用 Clustal X
32
和 ESPript
33
生成的。
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在无法使用同源复合物(如 MHC I 及其配体)时,通过不同分类的异质替代构建混合蛋白复合物是功能和结构研究的常见策略。然而,关于方法和技术的总结有限。在这里,分析了蝙蝠MHC I,Ptal-N*01:01,稳定在 b+2 米或 h+2m 的结构。发现与Ptal-N*01:01结合的 β 2 米键氨基酸在蝙蝠和人类之间保存。经进一步分析,与MHC I H链 β 2 米结合的关键残留物在哺乳动物中保存,但在鸡、鱼和两栖动物中多态性。这些数据表明,异质 β 2 米替代是研究哺乳动物MHC I的可行方法。然而,哺乳动物和鸟类、鱼类或两栖动物之间的替代可能不可行。
结构研究在理解MHC I分子肽表达的分子机制方面发挥着关键作用。异质 β 2 米替代通常用于MHC I结构研究14,16,17,18,26,27,28。 先前的研究表明,在牛MHC I,N*01801,β 2米和牛β 2米的行为相似,在绑定到N*01801 H链 17的1[2]2 域。 在此,分析了由MHC I同一H链呈现但不同 β 2 米所呈现的单个肽的结构。这些数据表明,在 2米β 通过交叉分类稳定时,肽的构象相似,从而表明异种 β 2 米替代不会影响肽的表达。
MHC I提出的抗原肽被TCR认可为调解T细胞活化 29。 在病毒感染期间,对抗原特异性T细胞免疫反应的评估将大大提高对病毒感染和宿主免疫反应的了解。肽-MHC四重奏是评价T细胞反应的重要技术:它是一种技术,四聚一体的MHC单体分子,提高其亲和力,并结合它与T细胞上的多个TCRS。泰特拉默斯广泛应用于研究和临床诊断14,29,30。 最近,TCR工程T细胞(TCR-T)已成为肿瘤免疫治疗的热门话题,其潜在的疗效在恶性肿瘤治疗 31。 MHC I 四聚体染色是筛查 MHC I 分子 29 中与癌症相关的抗原肽的特定 TCR 结合的关键方法。因此,MHC I 四聚体制剂在 TCR 筛查中起着至关重要的作用。除了 MHC I H 链的结合外 ,β 2m 还与 T 细胞表面的 CD8 结合,这可能导致 MHC I 四体染色在 TCR 筛查过程中出现非特异性染色。异质 β 2 米替代可能会减少MHC I四重奏的这种非特定约束。
但是,协议存在一些限制。首先,虽然 大肠杆菌 仍然是重组蛋白的主要表达宿主,但许多转化后修改无法进行,表达蛋白产品形成不溶性内含体。然后,由于一些非哺乳动物 β 2 米与哺乳动物 β 2 米类似的替代,不知道非哺乳动物 β 2 米是否可以被异质 β 2 米取代,以帮助和稳定其MHC结构。在协议中,我们使用 NetMHCpan 和罗塞塔 FlexPepDock 服务器对已尝试的分析进行了描述。不幸的是,两个生成的预测都与实验数据不符。这可能表明,目前的MHC结合肽预测不适合非人类和非小鼠哺乳动物,如蝙蝠,这可能有不同的肽结合方式。因此,我们需要结合各种预测软件和实验结果进行综合分析,以获得高亲和力肽。
在此处描述的协议中,关键步骤是 MHC 可以正确地重新自然。获得具有高重新折叠效率的 MHC 复合体非常重要。因此,必须注意选择合适的肽,提高体内的纯度。
总之,这里总结了MHC I表达、重新折叠、结晶、晶体数据收集和结构确定的协议。此外,还分析了MHC I研究中异质 β 2 米替代的可行性。这项研究为理解MHC I在结构和功能研究方面提供了良好的参考。此外,这些数据对于评估传染病和肿瘤免疫治疗期间的T细胞反应也具有重要意义。
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作者没有什么可申报的。
本研究由中国南京大学医药生物技术国家重点实验室开放基金资助。KF-GN-201905),中国国家自然科学基金(赠款81971501)。刘晓波得到了国家自然科学基金(81822040)和北京新星科技计划(Z18110006218080)的优秀青年科学家项目的支持。
Zhang, D., Liu, K., Lu, D., Wang, P., Zhang, Q., Liu, P., Zhao, Y., Chai, Y., Lyu, J., Qi, J., Liu, W. J. Stability and Structure of Bat Major Histocompatibility Complex Class I with Heterologous β2-Microglobulin. J. Vis. Exp. (169), e61462, doi:10.3791/61462 (2021). … More
Zhang, D., Liu, K., Lu, D., Wang, P., Zhang, Q., Liu, P., Zhao, Y., Chai, Y., Lyu, J., Qi, J., Liu, W. J. Stability and Structure of Bat Major Histocompatibility Complex Class I with Heterologous β 2 -Microglobulin. J. Vis. Exp. (169), e61462, doi:10.3791/61462 (2021).
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