Введение
Полигистидиновый тег, наиболее известный под торговой маркой His-tag, – это аминокислотный мотив в белках, который обычно состоит из не менее шести остатков гистидина (His), часто расположенных на N- или C-конце белка. Он также известен как гексагистидиновый тег, 6xHis-тег или His6-тег. Тег был изобретен компанией Roche, хотя использование гистидинов и их векторов распространяет Qiagen. Различные наборы для очистки белков, меченных гистидином, коммерчески доступны от нескольких компаний. Общее количество остатков гистидина в теге может варьироваться от двух до 10 и более остатков His. N- или C-концевые теги гистидина могут также содержать подходящую аминокислотную последовательность, которая облегчает удаление полигистидинового тега с помощью эндопептидаз. Эта дополнительная последовательность не нужна, если для удаления N-концевых тегов гистидина используются экзопептидазы (например, Qiagen TAGZyme). Кроме того, расщепление экзопептидазой может решить проблему неспецифического расщепления, наблюдаемого при удалении тега на основе эндопротеазы. Полигистидиновые теги часто используются для аффинной очистки генетически модифицированных белков.
A polyhistidine tag, best known by the trademarked name His tag, is an amino acid motif in proteins that typically consists of at least six histidine (His) residues, often at the N or C terminus of the protein. It is also known as a hexa histidine tag, 6xHis tag, or His6 tag. The tag was invented by Roche, although the use of histidines and its vectors are distributed by Qiagen. Various purification kits for histidine tagged proteins are commercially available from multiple companies. The total number of histidine residues may vary in the tag from as low as two, to as high as 10 or more His residues. N or C terminal His tags may also be followed or preceded, respectively, by a suitable amino acid sequence that facilitates removal of the polyhistidine tag using endopeptidases. This extra sequence is not necessary if exopeptidases are used to remove N terminal His tags (e. g., Qiagen TAGZyme). Furthermore, exopeptidase cleavage may solve the unspecific cleavage observed when using endoprotease based tag removal. Polyhistidine tags are often used for affinity purification of genetically modified proteins.
Принцип
Белки способны координировать ионы металлов на своей поверхности, и белки можно разделять с помощью хроматографии, используя разницу в их сродстве к ионам металлов. Этот метод называется иммобилизованной металл-аффинной хроматографией (IMAC), впервые представленной в 1975 году под названием металл-хелатной аффинной хроматографии. Последующие исследования показали, что среди аминокислот, входящих в состав белков, гистидин играет ключевую роль в образовании координационных комплексов с ионами металлов. Поэтому, добавление нескольких гистидинов к концу белка увеличивает его сродство к иону металла, что можно использовать для селективной изоляции целевого белка. При контакте белка с His-меткой с носителем, на котором иммобилизован ион металла, например никель, остаток гистидина хелатирует ион металла и связывается с носителем. Поскольку другие белки либо не связываются с носителем, либо связываются с ним очень слабо, их можно удалить, промыв носитель подходящим буфером. Затем белок с полигистидиновой меткой можно выделить, элюируя его со смолы.
Длина метки
Полигистидиновые метки чаще всего состоят из шести гистидиновых остатков. Однако метки, содержащие до двенадцати гистидиновых остатков, или двойные метки, присоединенные через короткий линкер, встречаются довольно часто и могут улучшить результаты очистки, усиливая связывание с аффинной смолой, что позволяет повысить строгость промывки и отделение от эндогенных белков. Метку можно добавить к интересующему гену, используя методы, обычно применяемые для большинства очистных меток. Наиболее простой метод – субклонировать интересующий ген в вектор, содержащий последовательность полигистидиновой метки. Существует множество векторов для использования с различными системами экспрессии, содержащих полигистидиновые метки в различных положениях и с различными участками расщепления протеазами, другими метками и т.д. Однако, если подходящего вектора нет в наличии или метку необходимо вставить в место, отличное от N- или C-конца белка, интересующий ген можно либо непосредственно синтезировать, содержащий последовательность полигистидиновой метки, либо использовать различные методы на основе ПЦР для добавления метки к гену. Распространенный подход заключается в добавлении кодирующей последовательности полигистидиновой метки к ПЦР-праймерам в виде выступающего конца.
Положение метки
Чаще всего полигистидиновый тег присоединяют к N-концу или C-концу белка через короткий гибкий линкер, который может содержать участок для расщепления протеазой.
Матрицы-носители
На рынке представлен широкий спектр матриц-носителей, связанных с твердым полимерным носителем, которые впоследствии можно зарядить металлическим катионом. Наиболее часто для этой цели используют производные иминодиацетиковой кислоты (IDA) и нитрилотриацетиковой кислоты (NTA), при этом различные матрицы обладают определенными преимуществами и недостатками для различных областей применения.
Ионы металлов
Несколько металлических катионов обладают высокой аффинностью к имидазолу – функциональной группе His-метки. Для этих целей наиболее часто используются дивалентные комплексы переходных металлов M2+ с имидазолом (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn и т.д.). Выбор катиона обычно представляет собой компромисс между емкостью связывания и чистотой. Никель часто используют, так как он обеспечивает хороший баланс между этими факторами, а кобальт может применяться, когда требуется повысить чистоту очистки, поскольку он имеет меньшую аффинность к эндогенным белкам; однако его емкость связывания ниже, чем у никеля.
Очистка белков
Полигистидиновые метки часто используются для аффинной очистки рекомбинантных белков с полигистидиновыми метками, экспрессированных в Escherichia coli или других экспрессионных системах. Обычно клетки собирают центрифугированием, а полученный осадок лизируют физическими методами или с помощью детергентов и ферментов, таких как лизоцим, либо их комбинацией. На этом этапе лизат содержит рекомбинантный белок наряду со многими эндогенными белками, происходящими из клеток-хозяев. Лизат контактируют с аффинной смолой, связанной с матрицей-носителем, конъюгированной с двухвалентным катионом, либо прямым добавлением смолы (связывание в растворе), либо пропусканием через колонку со смолой. Затем смолу промывают буфером для удаления белков, неспецифически взаимодействующих со связанным катионом, и целевой белок элюируют со смолы буфером, содержащим высокую концентрацию имидазола или пониженный pH. Чистоту и количество белка оценивают методами, такими как SDS-PAGE и вестерн-блоттинг. Аффинная очистка с использованием полигистидиновой метки обычно дает относительно чистый белок. Чистоту белка можно повысить добавлением низкой (20-40 мМ) концентрации имидазола в буферы для связывания и/или промывки. Однако, в зависимости от требований последующего применения, могут потребоваться дополнительные этапы очистки с использованием методов, таких как ионообменная или гель-фильтрационная хроматография. Смолы IMAC обычно удерживают несколько заметных эндогенных белков в качестве примесей. Например, в E. coli ярким примером является пептидилпролил изомераза типа FKBP, которая обнаруживается около 25 кДа на SDS-PAGE. Эти примеси можно удалить с помощью дополнительных этапов очистки или путем экспрессии рекомбинантного белка в дефицитном штамме клеток. В качестве альтернативы можно использовать кобальт-заряженные смолы IMAC, которые обладают меньшим сродством к эндогенным белкам.
Обязательные анализы
Полигистидиновые метки могут использоваться для выявления белок-белковых взаимодействий аналогично методу иммунопреципитации. Полигистидиновая маркировка обладает рядом преимуществ по сравнению с другими метками, часто используемыми в иммунопреципитации, включая её малый размер, небольшое количество естественных белков, связывающихся с матрицами-носителями, и повышенную стабильность матриц-носителей по сравнению с матрицами моноклональных антител.
Флуоресцентные метки
Разработаны метки Hexahistadine CyDye, использующие ковалентную координацию никеля с группами ЭДТА, присоединенными к флюорофорам, для создания красителей, которые связываются с полигистидиновой меткой. Показано, что эта методика полезна для отслеживания миграции и транспорта белков и может быть эффективна для измерения расстояний посредством фёрстеровского резонансного переноса энергии.
Флуорогистидиновые метки
Сообщалось об использовании полифторугистидинового метки в системах in vitro трансляции. В этой системе применяется расширенный генетический код, в котором гистидин заменяется на 4-фторугистидин. Фторированный аналог включается в пептиды благодаря сниженной специфичности гистидиновой тРНК-лигазы и понижает общую pKa метки. Это позволяет селективно обогащать пептиды, меченные полифторугистидином, в присутствии сложных смесей пептидов с традиционными полигистидиновыми метками путем изменения pH промывочных буферов.
Обнаружение
Полигистидиновый тег также может использоваться для обнаружения белка с помощью антител к полигистидиновому тегу, что может быть полезно для определения субклеточной локализации, ELISA, вестерн-блоттинга и других иммуноаналитических методов. Альтернативно, для обнаружения белка с полигистидиновым тегом можно использовать окрашивание гелей SDS-PAGE или нативных гелей PAGE с флуоресцентными зондами, содержащими ионы металлов.
Код штаба
На этикетке HQ чередуются гистидин и глутамин (HQHQHQ).
HN-метка
HN-тег состоит из чередующихся гистидина и аспарагина (HNHNHNHNHN) и с большей вероятностью находится на поверхности белка, чем теги, состоящие только из гистидина. HN-тег связывается с иммобилизованным металлическим ионом более эффективно, чем His-тег.
КАПЧЕВОЙ знак
HAT-тег – это пептидный тег (KDHLIHNVHKEEHAHAHNK), производный от куриной лактатдегидрогеназы, который, в отличие от His-тега, с большей вероятностью представляет собой растворимый белок без смещения в распределении заряда. Расположение гистидинов в HAT-теге обеспечивает более высокую доступность по сравнению с His-тегом, и он эффективно связывается с иммобилизованным ионом металла.