1. Quantification of Detergents Complexed with Membrane Proteins
- Author
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Martin Picard, Jean-Michel Jault, Renaud Wagner, Olivier Bornert, Pierre Falson, Cédric Orelle, Morgane Agez, Vincent Chaptal, Cédric Montigny, Marc le Maire, Charlène Prier, Arnaud Kilburg, Luca Monticelli, H. Ronald Kaback, Eva Pebay-Peyroula, Anass Jawhari, Stéphanie Ravaud, Sandrine Magnard, Frédéric Delolme, Isabelle Broutin, Institut de biologie et chimie des protéines [Lyon] (IBCP), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Service Central d'Analyse (SCA), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Système membranaires, photobiologie, stress et détoxication (SMPSD), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Biotechnologie et signalisation cellulaire (BSC), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de recherche de l'Ecole de biotechnologie de Strasbourg (IREBS), Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), Institut de biologie structurale (IBS - UMR 5075 ), Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de cristallographie et RMN biologiques (LCRB - UMR 8015), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Microbiologie moléculaire et biochimie structurale / Molecular Microbiology and Structural Biochemistry (MMSB), Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de biologie structurale (IBS - UMR 5075), Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Biotechnologie et Signalisation Cellulaire, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5), Laboratoire d'enzymologie et biochimie structurales (LEBS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Protéines et Systèmes Membranaires (LPSM), Département Biochimie, Biophysique et Biologie Structurale (B3S), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut cellule souche et cerveau (U846 Inserm - UCBL1), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Institut de Biologie et de Technologies de Saclay (IBITECS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, CHEM2STAB, Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut de recherche de l'Ecole de biotechnologie de Strasbourg (IREBS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Chaptal, Vincent, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de biologie et chimie des protéines [Lyon] ( IBCP ), Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL ), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Service Central d'Analyse du CNRS, Université de Lille, Sciences Humaines et Sociales, Système membranaires, photobiologie, stress et détoxication ( SMPSD ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Biotechnologie et signalisation cellulaire ( BSC ), Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Institut de recherche de l'Ecole de biotechnologie de Strasbourg (IREBS), Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire ( IGBMC ), Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Institut de biologie structurale ( IBS - UMR 5075 ), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 ( UJF ) -Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Grenoble Alpes ( UGA ), Laboratoire de cristallographie et RMN biologiques ( LCRB - UMR 8015 ), Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Institut cellule souche et cerveau (SBRI), Institut de biologie structurale [1992-2019] (IBS - UMR 5075 [1992-2019]), and Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
- Subjects
0301 basic medicine ,Models, Molecular ,[SDV]Life Sciences [q-bio] ,Detergents ,Aucun ,[SDV.BBM.BP] Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Biophysics ,Bioengineering ,Mass spectrometry ,Micelle ,Sensitivity and Specificity ,Article ,03 medical and health sciences ,Broad spectrum ,Models ,Membrane protein crystallization ,Matrix-Assisted Laser Desorption-Ionization ,Ionization mass spectrometry ,Micelles ,ComputingMilieux_MISCELLANEOUS ,Liposome ,Multidisciplinary ,030102 biochemistry & molecular biology ,[SDV.BBM.BS]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Structural Biology [q-bio.BM] ,Chemistry ,Spectrometry ,Molecular ,Membrane Proteins ,Reproducibility of Results ,Mass ,[SDV.BBM.BC]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Biomolecules [q-bio.BM] ,[SDV] Life Sciences [q-bio] ,[SDV.BBM.BP]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Biophysics ,[SDV.BBM.BS]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Biomolecules [q-bio.BM] ,030104 developmental biology ,Membrane protein ,Spectrometry, Mass, Matrix-Assisted Laser Desorption-Ionization ,Liposomes ,Biophysics ,Generic health relevance ,[ SDV.BBM.BS ] Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Biomolecules [q-bio.BM] - Abstract
International audience; Most membrane proteins studies require the use of detergents, but because of the lack of a general, accurate and rapid method to quantify them, many uncertainties remain that hamper proper functional and structural data analyses. To solve this problem, we propose a method based on matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-TOF MS) that allows quantification of pure or mixed detergents in complex with membrane proteins. We validated the method with a wide variety of detergents and membrane proteins. We automated the process, thereby allowing routine quantification for a broad spectrum of usage. As a first illustration, we show how to obtain information of the amount of detergent in complex with a membrane protein, essential for liposome or nanodiscs reconstitutions. Thanks to the method, we also show how to reliably and easily estimate the detergent corona diameter and select the smallest size, critical for favoring protein-protein contacts and triggering/promoting membrane protein crystallization, and to visualize the detergent belt for Cryo-EM studies. Detergents play a major role in handling membrane proteins. They are indispensable tools for extracting membrane proteins from the membrane and maintaining them in a soluble and active state for further study. A typical problem that arises during extraction, purification and crystallization is difficulty in controlling detergent concentration and composition, especially when detergent mixtures are used. Indeed, little is known about the fundamentals of detergent behavior around membrane proteins. Pioneering and important studies were conducted with radioactive detergents, which allowed estimation of the ratio of detergent to hydrophobic area 1,2. Moreover, use of radiolabeled detergents led to crystallization of the bovine ADP/ATP carrier and sarcoplasmic reticulum Ca 2+-ATPase, which was found to be highly dependent on the detergent:membrane protein ratio 3,4. However, only a few types of radioactive detergents are available, making this approach generally untenable. Other methods developed to measure detergent concentrations include: (i) colorimetric assays to estimate the sugar moiety for specific detergents 5,6 ; (ii) Fourier transform Infrared spectroscopy 7 ; (iii) plain thin layer chromatography coupled with densitometric quantification, or more recently coupled with laser densitometry 8,9 ; drop-shape based quantification 10 ; (iv) liquid chromatography/ESI-MS 11 ; (v) size-exclusion chromatography coupled with multi-angle laser light scattering 12,13 and analytical ultracentrifugation 14. Although useful, these methods are laborious, difficult to implement routinely, limited to a given type of detergent or inapplicable to detergent mixtures. Moreover, hundreds of detergents are now commercially available, rendering these methods generally impractical.
- Published
- 2017