A random approach to stabilize a membrane transport protein for crystallization studies

Abstract

[eng] X-ray crystallography is, now at days, one of the most powerful techniques to study proteins at the atomic level. Unfortunately, obtaining high quality crystals of membrane proteins for x-ray diffraction is a difficult task due to the hydrophobic nature of these proteins. The low stability in solution of these proteins and their tendency to form aggregates are the biggest problems during crystallization studies. One of the most common strategies to overcome these problems consists on working with functional mutants of these proteins. It has been reported that single point mutations of key residues (normally within transmembrane segments) leads to a remarkable increase in the stability of some membrane proteins after detergent solubilization and extraction from the membrane. In addition, a single mutation can stabilize a specific conformer of the protein, decreasing its heterogeneity in solution. Despite this, predicting what mutations are going to improve the stabilization of a protein is virtually impossible. The main purpose of this thesis is to build up a medium-high throughput experimental protocol with the objective to generate and characterize random mutants of a membrane protein with more stability in detergent-solubilized solution and, therefore with a better probability to crystallize. The combination of random mutagenesis with rapid and sensitive screening protocols of protein expression and stability seems to be the best approach for this goal. The use of the green fluorescent protein (GFP) as reporter has enormously facilitated the studies of expression, purification and stability of a membrane protein. Also, with the aim of minimizing undesired effects of full-length GFP, we optimized an assay based on a split GFP to build and characterized the random mutants library. Specifically we focus on SteT, a Bacillus subtillis transporter that exchanges L-threonine by L-serine. SteT is an excellent prokaryotic model (30% of amino acid identity) of the mammalian L-amino acid transporter (LAT) family. Genetic mutations of some LATs are the direct cause of two types of aminoaciduries. Moreover, a member of this family, LAT1, is overexpressed in tumor cells, although the physiological role of this is still unknown. Unfortunately, SteT wild type solubility and stability in detergent solutions is very low and completely incompatible with crystallization tests. Our results suggest that random mutagenesis combined with the GFP split assay, appears to be an excellent strategy to build robustness in membrane proteins for structural studies. So far, using this strategy we found a mutant of SteT that currently is undergoing for crystallization screenings to study the structure and mechanism of mammalian LATs.

[spa] La cristalografía de rayos X es, hoy en día, una de las técnicas más potentes para el estudio de las proteínas a nivel atómico. Desafortunadamente, la obtención de cristales de alta calidad de proteínas de membrana para la difracción de rayos X es un desafío debido a la naturaleza hidrofóbica de estas proteínas. La baja estabilidad en solución de estas proteínas y su tendencia a formar agregados son los mayores problemas durante los estudios de cristalización. Una de las estrategias más comunes para superar estos obstáculos consiste en trabajar con mutantes funcionales de estas proteínas. Se han publicado estudios sobre mutaciones en residuos clave en proteínas de membrana (normalmente dentro de los segmentos transmembrana) que conducen a un notable incremento de la estabilidad en solución, previa extracción de la membrana y solubilización en detergente. Además, una sola mutación puede estabilizar un confórmero específico de una proteína, disminuyendo su heterogeneidad en solución. A pesar de esto, predecir qué mutaciones van a mejorar la estabilidad de una proteína es prácticamente imposible. El principal objetivo de esta tesis es la construcción de un protocolo de alto rendimiento experimental con el objetivo de generar y caracterizar mutantes aleatorios de una proteína de membrana que presenten una estabilidad adecuada después de solubilizar la proteína en detergente y, por lo tanto, con mejores garantías de cristalizar. Para conseguir estos objetivos hemos combinado técnicas de mutaciones aleatorias con métodos de cribaje rápidos y sensibles. En este sentido, el uso de la proteína fluorescente verde (GFP) ha facilitado enormemente los estudios de expresión y purificación de proteínas de membrana. Con el objetivo de minimizar los efectos no deseados de la GFP, se creó y optimizó un ensayo basado en la complementación de la GFP (GFP split system) con un fin doble: seleccionar y caracterizar los componentes de la librería de mutantes aleatorios. Este protocolo se ha puesto a punto con SteT, un intercambiador de L-serina por L-treonina de Bacillus subtilis. SteT es un excelente modelo procariota (30% de identidad de aminoácidos) de la familia de transportadores de mamíferos de amino ácidos L (LAT). Mutaciones congénitas de algunos LATs son la causa directa de dos tipos de aminoacidurias. Además, un miembro de esta familia, LAT1, se sobreexpresa en células tumorales, aunque el papel fisiológico es aún desconocido. Desafortunadamente, SteT tiene una muy baja solubilidad junto a un gran inestabilidad en detergente, propiedades totalmente incompatibles con estudios de cristalización. Nuestros resultados indican que la mutagénesis aleatoria combinada con el ensayo basado en el “GFP split system”, es una estrategia excelente para aumentar la estabilidad de proteínas de membrana en estudios estructurales. Utilizando esta metodología hemos encontrado un mutante de SteT que actualmente está siendo cristalizado. Estos estudios serán clave para conocer mejor la estructura y el mecanismo de la familia de transportadores de mamífero LAT.