Fluorescence tools for studies of membrane protein insertion

Abstract

The transition of soluble proteins into lipid membranes and their refolding therein is fundamental to numerous physiological and disease processes. In this review, we present the summary of the application of fluorescence spectroscopy for studying posttranslational insertion of membrane proteins into lipid bilayers. Various methods utilizing environment-sensitive probes, FRET, FCS and fluorescent quenching for structural and kinetic characterization of protein-lipid interactions are discussed. We also describe the application of steady-state and time-resolved fluorescence quenching by lipid-attached quenchers to characterize the membrane protein immersion into the lipid bilayer. Finally, we illustrate the use of the entire battery of spectroscopic approaches to characterize structural, kinetic and thermodynamic properties of the pH-triggered insertion/refolding pathway of the diphtheria toxin translocation domain.

Перехід розчинних білків до ліпідної мембрани та їх подальша перебудова є фундаментальною ланкою у чисельних фізіологічних та біохімічних процесах. У цьому огляді нами наведено підсумки використання флуоресцентної спектроскопії у дослідженні посттрансляційного вбудовування мембранних білків до ліпідних бішарів. Розглянуто різноманітні методи, які використовують спектральні зонди, чутливі до зовнішнього оточення, ферстерівське резонансне перенесення енергії (ФРПЕ), флуоресцентну кореляційну спектроскопію (ФКС) та гасіння флуоресценції у встановленні структурних та кінетичних характеристик білок-ліпідної взаємодії. Наведено приклади застосування стаціонарного та часо-розділенного гасіння флуоресценції ліпідно-зв’язаними гасниками для дослідження занурення мембранних білків до ліпідного бішару. Наприкінці нами показано комбіноване використання різноманітних спектральних підходів для цілісного вивчення структурних, кінетичних та термодинамічних властивостей рН-індукованої послідовності процесів вбудовування\перебудови транслокаційного домену дифтерійного токсину.

Переход растворимых белков в липидную мембрану и их дальнейший рефолдинг является фундаментальной частью во многочисленных физиологических и биохимических процессах. У этом обзоре нами приведено обобщение применения флуоресцентной спектроскопии в изучении посттрансляционного встраивания мембранных белков в липидные бислои. Рассмотрены разнообразные методы, которые используют спектральные зонды, чувствительные к внешнему окружению, ферстеровский резонансный перенос энергии (ФРПЭ), флуоресцентную корреляционную спектроскопию (ФКС) и тушение флуоресценции для установления структурных и кинетических характеристик белок-липидного взаимодействия. Приведены примеры применения стационарного и время-разрешенного тушения флуоресценции липидно-связанными тушителями для изучения погружения мембранных белков в липидный бислой. Подводя итог нами показано комбинированное применение разнообразных спектральных подходов для целостного изучения структурных, кинетических и термодинамических свойств рН-индуцированной последовательности процессов встраивания\рефолдинга транслокационного домена дифтерийного токсина.