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优化纳米圆盘和双分子层用于两种β-桶状膜蛋白的溶液核磁共振研究。

Optimizing nanodiscs and bicelles for solution NMR studies of two β-barrel membrane proteins.

作者信息

Kucharska Iga, Edrington Thomas C, Liang Binyong, Tamm Lukas K

机构信息

Center for Membrane Biology and Department of Molecular Physiology and Biological Physics, University of Virginia, Charlottesville, VA, 22908, USA.

出版信息

J Biomol NMR. 2015 Apr;61(3-4):261-74. doi: 10.1007/s10858-015-9905-z. Epub 2015 Feb 10.

Abstract

Solution NMR spectroscopy has become a robust method to determine structures and explore the dynamics of integral membrane proteins. The vast majority of previous studies on membrane proteins by solution NMR have been conducted in lipid micelles. Contrary to the lipids that form a lipid bilayer in biological membranes, micellar lipids typically contain only a single hydrocarbon chain or two chains that are too short to form a bilayer. Therefore, there is a need to explore alternative more bilayer-like media to mimic the natural environment of membrane proteins. Lipid bicelles and lipid nanodiscs have emerged as two alternative membrane mimetics that are compatible with solution NMR spectroscopy. Here, we have conducted a comprehensive comparison of the physical and spectroscopic behavior of two outer membrane proteins from Pseudomonas aeruginosa, OprG and OprH, in lipid micelles, bicelles, and nanodiscs of five different sizes. Bicelles stabilized with a fraction of negatively charged lipids yielded spectra of almost comparable quality as in the best micellar solutions and the secondary structures were found to be almost indistinguishable in the two environments. Of the five nanodiscs tested, nanodiscs assembled from MSP1D1ΔH5 performed the best with both proteins in terms of sample stability and spectral resolution. Even in these optimal nanodiscs some broad signals from the membrane embedded barrel were severely overlapped with sharp signals from the flexible loops making their assignments difficult. A mutant OprH that had two of the flexible loops truncated yielded very promising spectra for further structural and dynamical analysis in MSP1D1ΔH5 nanodiscs.

摘要

溶液核磁共振波谱已成为确定完整膜蛋白结构和探索其动力学的一种可靠方法。此前绝大多数通过溶液核磁共振对膜蛋白进行的研究都是在脂质微团中进行的。与在生物膜中形成脂质双层的脂质不同,微团脂质通常只包含一条烃链或两条太短而无法形成双层的链。因此,需要探索其他更类似双层的介质来模拟膜蛋白的天然环境。脂质双分子层和脂质纳米盘已成为两种与溶液核磁共振波谱兼容的替代膜模拟物。在此,我们对来自铜绿假单胞菌的两种外膜蛋白OprG和OprH在脂质微团、双分子层以及五种不同大小的纳米盘中的物理和光谱行为进行了全面比较。用一部分带负电荷的脂质稳定化的双分子层产生的光谱质量几乎与最佳微团溶液中的相当,并且发现二级结构在这两种环境中几乎无法区分。在测试的五种纳米盘中,由MSP1D1ΔH5组装而成的纳米盘在样品稳定性和光谱分辨率方面对这两种蛋白表现最佳。即使在这些最佳纳米盘中,来自膜嵌入桶状结构的一些宽信号也与来自柔性环的尖锐信号严重重叠,这使得它们的归属变得困难。一个截短了两个柔性环的OprH突变体在MSP1D1ΔH5纳米盘中产生了非常有前景的光谱,可用于进一步的结构和动力学分析。

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