University of Washington Joshua Cho, William Harvey, & Stephen Rettie
High Throughput Selection of Stable Protein Variants
Using Green Fluorescent Protein to Quantify Protein Stability
High Throughput Selection of Stable Protein Variants Using Green - - PowerPoint PPT Presentation
High Throughput Selection of Stable Protein Variants Using Green Fluorescent Protein to Quantify Protein Stability University of Washington Joshua Cho, William Harvey, & Stephen Rettie Engineered Proteins Play Important Roles in Many
University of Washington Joshua Cho, William Harvey, & Stephen Rettie
Using Green Fluorescent Protein to Quantify Protein Stability
Research Superfolder GFP – A more stable GFP. (Pedelacq JD et al, 2006, Nat Biotechnol) Energy & Industry T-PRIMED – Cellulase enzymes with higher thermostability and enzymatic activity. (Trudeau DL, 2014, Biotechnol Bioeng) Drug Delivery Stabilization of nanocages for effective drug delivery. (Ardejani MS et al, 2011, Biochemistry) Therapeutics ZMAPP – Cocktail of Ebola Antibodies (Daniel Murin, The Scripps Research Institute)
Prediction & Modeling Mutagenesis Cloning Expression Purification Melting Curves
Frac%on ¡of ¡Folded ¡ Protein ¡
Guanidine ¡Concentra%on ¡(M) ¡
GAL1 Promoter GFP
Generalizable High-Throughput
GAL4 Protein of Interest VP1 6
Degro n
CYC1 Promoter
GAL4 VP16 GAL 4 VP16 ¡ GAL1 Promoter GFP
Within PyE1 genome
GAL 4 VP16 ¡ GAL 4 VP16 ¡
GAL1 Promoter GFP
Within PyE1 genome
E3 Ubiquitin Ligase
Stable Unstable
Ub ¡ Ub ¡ Ub ¡
(Folded & Unfolded Protein Figures: Bowman G et al, 2011, J. Am. Chem. Soc.)
CYC1 Promoter GAL4 Protein of Interest VP16 Degron GAL 4 VP16 ¡ Protein ¡of ¡Interest ¡ Degron E3 Ubiquitin Ligase
Ub ¡ Ub ¡ Ub ¡ Ub ¡ Ub ¡
Gal4 Protein
Deg1 Deg2 DEGRO N
GAL 4 Protein
Interest VP1 6 GAL4 Protein
Interest VP1 6 Deg GAL 4 Protein
Interest VP1 6 Deg GAL 4 Protein
Interest VP16 Deg GAL4 Protein
Interest VP1 6 Deg
Predicted ¡Most ¡Stable ¡ Deg0: ¡ Deg3: ¡ Deg2: ¡ Deg1: ¡ Deg4: ¡
GAL1 Promoter GFP
Generalizable High-Throughput
GAL4 Protein of Interest VP1 6
Degro n
Create Random Mutagenesis Library Through Error-Prone PCR X XX X X XXX X X X
Amplify gene or gene fragment using mutazyme. Purify target fragment containing mutations (X)
Sort cells using Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS).
X X
Place into our system by assembling and transforming library into yeast.
Representative FACS Plot
Cell Size GFP Output (AU) Regrow & Re-sort
GAL1 Promoter GFP
Generalizable High-Throughput
GAL4 Protein of Interest VP1 6
Degro n
Stability
Expected Actual Deg0 Deg2, Deg3 Deg1, Deg4 Deg1, Deg4 Deg2, Deg3 Deg0
Mean GFP Output (AU) Degron Position
0 ¡ 5000 ¡ 10000 ¡ 15000 ¡ 20000 ¡ 25000 ¡ 30000 ¡ 35000 ¡ 40000 ¡ 45000 ¡
PyE1 Deg0 Deg1 Deg2 Deg3 Deg4
BINDI – Binds to BHRF1 gene of Epstein-Barr Virus
Image of BINDI (pdb:4OYD), E. Procko, 2014, Cell, Made using PyMOL
BbpD04.3 ¡– ¡Stable ¡variant ¡ BbpD04 ¡– ¡Unstable ¡variant ¡
0 ¡ 0.25 ¡ 0.5 ¡ 0.75 ¡ 1 ¡ 0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡
Fraction of Folded Protein Guanidine Concentration (M)
Bindi ¡and ¡BbpD04.3 ¡Denature ¡at ¡the ¡Same ¡Concentra%on ¡of ¡Guanidine ¡
Point of Denaturation
BbpD04.3 = 3.705 M BINDI = 3.5875 M BbpD04 = 3.088 M
Stability
Expected No Insert BbpD04.3 BINDI PyE1 No Insert BbpD04.3 BINDI BbpD04 BbpD04
Degron ¡Posi%on ¡ Mean GFP Output (AU) PyE1 Deg0 Deg1 Deg2 Deg3 Deg4
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 PyE1
PyE1 No Insert BbpD04.3 BINDI BbpD04
Stability
Expected Actual Deg0 Deg2, Deg3 Deg1, Deg4 Deg1, Deg4 Deg2, Deg3 Deg0
Mean GFP Output (AU) Degron ¡Posi%on ¡
0 ¡ 10000 ¡ 20000 ¡ 30000 ¡ 40000 ¡ 50000 ¡ 60000 ¡
PyE1 (Negative Control) BbpD04 Deg2 Clone Library Pre-Sort Library Post-Sort 1 Library Post-Sort 2
Cell Count GFP Output per Cell (AU)
Purify and Express New Protein Variant Confirm Improved Stability Analyze Samples through Flow Cytometry
0 ¡ 10000 ¡ 20000 ¡ 30000 ¡ 40000 ¡ 50000 ¡ 60000 ¡
0 ¡ 0.25 ¡ 0.5 ¡ 0.75 ¡ 1 ¡ 0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡
Frac%on ¡of ¡Folded ¡Protein ¡ Guanidine ¡Concentra%on ¡(M) ¡
Clone protein sequence of interest into Deg0, Deg1 and Deg2. Perform an error-prone PCR. Run transformed yeast through FACS.
Gal4 Protein Deg1 Deg2 DEGRON
X XX X X XXX X X X
GAL4 VP16
Gal4-Vp16:
VP16 GAL4 Degron
Deg2:
Degron
Degron:
Improved:
BBa_K1408001 BBa_K1408002 BBa_K1408000
Submitted:
GAL4
BBa_K1179014
Bennett Elementary, UW Engineering Discovery Days
– Ben Jester
– Eric Procko
Biochemistry, Biology, Microbiology, College
– Edward Chang, Andrew Chau, Joshua Cho, Chris Choe, William Harvey, Alex Kang, Julia Lim, Harman Malhi, Colton McDavid, Krista Nguyen, Anastasia Nicolov, Ahmed Qureshi, Stephen Rettie
– Nick Bolten, Cassie Bryan, Arjun Khakhar, Robert Lamm, Erik Murphy, Rashmi Ravichandran, David Younger
University of Washington Joshua Cho, William Harvey, & Stephen Rettie
Using Green Fluorescent Protein to Quantify Protein Stability