Комбинированная изотопная маркировка прекурсоров и изобарическая маркировка (cPILOT) — это усовершенствованная стратегия мультиплексирования образцов, способная увеличить количество образцов, которые могут быть проанализированы одновременно с доступными изобарическими тегами. Включение роботизированной платформы значительно увеличило экспериментальную пропускную способность, воспроизводимость и количественную точность.
Мы ввели высокую пропускную способность количественного рабочего процесса протеомика, комбинированные изотопной маркировки прекурсоров и изобаричной пометки (cPILOT), способные мультиплексирования до 22 или 24 образцов с тандемной массы метки или изобарик N,N-диметил лейцин изобарические метки, соответственно, в одном эксперименте. Это усовершенствование мультиплексирования образцов значительно сокращает время приобретения масс-спектрометрии и увеличивает полезность дорогих коммерческих изобаричных реагентов. Тем не менее, ручной процесс обработки образцов и трубопроводов шаги в стратегии может быть трудоемким, трудоемким, и ввести потери выборки и количественные ошибки. Эти ограничения можно преодолеть путем включения автоматизации. Здесь мы передали ручной протокол cPILOT автоматизированному устройству обработки жидкостей, которое может параллельно готовить большие выборочных номера (т.е. 96 образцов). В целом автоматизация повышает осуществимость и воспроизводимость cPILOT и позволяет широко использовать другие исследователи с сопоставимыми устройствами автоматизации.
Масс-спектрометрия (MS) на основе протеомии является незаменимым инструментом исследования в выявлении конкретных биомаркеров заболевания, понимание прогрессирования заболевания, и создание приводит к терапевтическому развитию. Это может быть достигнуто из целого ряда связанных с болезнями клинических образцов, таких как сыворотка крови / плазма, проксимальные жидкости,и ткани 1,2. Открытие биомаркеров Proteomics и проверка в последнее время получили значительное внимание из-за мощности образца мультиплексированиястратегии 3,4. Пример мультиплексирования является методом, который позволяет одновременное сравнение и количественная оценка двух или более условий выборки в рамках одной инъекции MS5,6. Мультиплексирование образцов достигается путем штрихкодирования пептидов или белков из нескольких образцов с химическими, энзиматичными или метаболическими тегами и получения информации о MS из всех образцов в одном эксперименте MS или MS/MS. Среди доступных изобаричных тегов – изобаричные метки реагентов (iTRA), коммерческие тандемные метки массы (TMT), а в доме синтезированы изобарик N,N-dimethyl leucine (DiLeu) реагенты с возможностями до 16-plex7 и 21-plex8,соответственно.
Комбинированная изотопная маркировка прекурсоров и изобаричная маркировка (cPILOT) — это усовершенствованная технология мультиплексирования образцов. cPILOT сочетает в себе изотопную маркировку пептида N-термини со светом (CH3)2и тяжелым q(13C2H 3 )2– изотопами принизком рН (∼2,5), который сохраняет остатки лизина доступными для последующего высокого рН (8,5) изобарической маркировки с использованием TMT, DiLeu, или iTRA’пометки 3,9,10,11,12,13,14. Схема двойной маркировки стратегии cPILOT изображена на дополнительном рисунке 1 с двумя образцами с использованием пептида примера. Точность и точность количественной оценки на основе ТМТ на уровне MS2 могут быть скомпрометированы из-за наличия загрязняющих совместно изолированных и фрагментированных ионов, которые называются эффектом интерференции15. Это ограничение в неточных коэффициентах ионов репортера может быть преодолено с помощью трехбридных масс-спектрометров Orbitrap. Например, эффект интерференции можно преодолеть, изолировав пик в диметилированной паре на уровне MS1 в масс-спектрометре, подвергая свет или тяжелый пик фрагментации MS2 в линейной ионные ловушки, а затем подвергая наиболее интенсивный фрагмент MS2 для HCD-MS3 для получения количественной информации. Для того, чтобы увеличить шансы на выбор пептидов без лизина аминов, доступных для генерации ионов репортера, селективный MS3 приобретение на основе y-1 фрагмент также может быть использован и является подходом, который может привести к более высокий процент пептидов количественно с cPILOT9. Сочетание легкой и тяжелой маркировки увеличивает возможности мультиплексирования выборки в 2 раз, что достигается с помощью отдельных изобаричных тегов. Недавно мы использовали cPILOT для объединения до 24 образцов в одном эксперименте с реагентами DiLeu16. Кроме того cPILOT был использован для изучения окислительныхпост-переводческих модификаций 14 в том числебелка нитрат 17, другиеглобальные протеомы 9, и продемонстрировал применение через несколько образцов тканей в болезни Альцгеймера мышимодели 11.
Надежная подготовка образцов является важным шагом в эксперименте cPILOT и может быть трудоемкой, трудоемкой и обширной. Улучшенный мультиплексирование образцов требует обширного трубопроводного и высококвалифицированного лабораторного персонала, и есть несколько факторов, которые могут сильно повлиять на воспроизводимость эксперимента. Например, тщательная обработка образцов необходима для обеспечения аналогичного времени реакции для всех образцов и поддержания соответствующего буферного рН для легких и тяжелых диметилированных образцов. Кроме того, ручная подготовка десятков и сотен образцов может привести к высокой экспериментальной ошибке. Поэтому, чтобы уменьшить изменчивость подготовки выборки, повысить количественную точность и увеличить экспериментальную пропускную способность, мы разработали автоматизированный рабочий процесс cPILOT. Автоматизация достигается с помощью роботизированного жидкостного устройства обработки, которое может завершить многие аспекты рабочего процесса(рисунок 1). Подготовка образца от количественной оценки белка до маркировки пептидов проводилась на автоматизированном жидком обработчике. Автоматизированный жидкостный обработчик интегрирован с аппаратом положительного давления (PPA) для буферных обменов между твердоф фазаными пластинами извлечения (SPE), орбитальным шейкером и нагревательно-охлаждающим устройством. Роботизированная платформа содержит 28 палубных локаций для размещения пластин и буферов. Есть два стручка с захватом для передачи пластин в пределах палубы местах: 96-канал фиксированного объема трубы голову (5-1100 йл) и 8 каналов переменного объема зондов (1-1000 l). Роботизированная платформа управляется с помощью программного обеспечения. Пользователь должен быть профессионально обучен перед использованием роботизированного жидкого обработчика. Настоящее исследование посвящено автоматизации ручного рабочего процесса cPILOT, который может быть трудоемким для обработки более 12 образцов в одной партии. Для увеличения пропускной способности подхода11cPILOT мы передали протокол cPILOT роботизированному обработчику жидкости для параллельной обработки более 10 образцов. Автоматизация также позволяет проводить аналогичные реакции для каждой выборки параллельно на различных этапах процесса подготовки выборки, что требовало от высококвалифицированных пользователей достижения в ходе ручного cPILOT. Этот протокол фокусируется на внедрении автоматизированного устройства обработки жидкости для проведения cPILOT. Настоящее исследование описывает протокол использования этой автоматизированной системы и демонстрирует ее производительность с помощью 22-plex “доказательство концепции” анализ однородности печени мыши.
cPILOT является усовершенствованная стратегия мультиплексирования, которая может анализировать до 24 образцов в одном эксперименте. Емкость мультиплексирования зависит от количества доступных изотопных и изобарических комбинаций меток. Внедрение TMTpro7, который способен помечать 16 образцов в одном эксперименте, может раздвинуть границы cPILOT до 32-plex. cPILOT состоит из нескольких шагов по трубе и требует тщательного ухода и навыков пользователя для выполнения подготовки образца. Даже с экспертом пользователя, ручные ошибки неизбежны, что предлагает использовать роботизированные платформы для обработки образцов в стратегии cPILOT. Так как cPILOT использует рН зависимых пометки пептидов, рН необходимо поддерживать для света и тяжелых dimethylated набор образцов. Мягко кисло-основной рН может привести к диметиляции как N-термини и лизина остатков. Преимущество cPILOT в том, что он требует только половины изобаричных тегов, так как пептид N-термини заняты диметил-группами. Это дает большее количество образцов, которые будут маркированы на половину стоимости. Обработка больших номеров выборки требует, чтобы время воздействия реагентов было аналогичным для первого и последнего образца в партии. Дозатор пипеток, который может вместить до 32 образцов параллельно, может быть лучше всего достигнут с помощью роботизированных жидкостных устройств обработки.
Для обработки нескольких образцов cPILOT в ручной рабочий процесс были внесены поправки, предусматривающие автоматизацию. Роботизированный жидкий обработчик, используемый в этом исследовании, имеет два стручка с 96-канальными и 8-канальными способностями трубоупожимить, с захватом, чтобы разместить пластины в доступных 28 местах палубы. Обработчик жидкости интегрирован с аппаратом положительного давления, орбитальным шейкером и устройством для нагрева/охлаждения образцов в пластине 96 хорошо. Аппарат положительного давления помогает выполнять буферные обмены в пластинах SPE во время очистки, в то время как орбитальный шейкер помогает вихрь / смешать образцы. Роботизированная платформа была запрограммирована на аспират и распределение буферов и образцов на 96-колодец пластин, инкубации, вихревых образцов и переносных пластин. Жидкости с различными вязкостями, такие как ацетонитрил и вода, требуют конкретных соображений трубопроводов, которые также могут быть запрограммированы в метод.
Рабочий процесс cPILOT, начиная от количественной оценки белка BCA и маркировки пептидов изобарических тегов (т.е. TMT), был выполнен в системе обработчика жидкостей. Полный протокол был масштабирован, чтобы использовать 96 глубоких пластин, которые могут в течение 2 мл на колодец. Буферы были подготовлены до начала эксперимента и добавлены к пластине 96, чтобы позволить параллельную обработку образца. В настоящем исследовании, 22 рабочих процессов репликации однородной печени мыши были добавлены в глубокие пластины хорошо и приняты через протокол cPILOT. Наконец, один образец, состоящий из 22-plex equimolar мыши печени помечены пептиды были введены в масс-спектрометр. Ионные интенсивности репортеров, соответствующие пептидным изобилиям в образцах, показали, что образцы, обработанные с помощью жидкого обработчика, имеют более низкие резюме, чем ручной протокол(данные не показаны). Роботизированная платформа также значительно улучшила воспроизводимость обработки образцов. Воспроизводимость и надежность являются очень важными факторами при обработке большого количества образцов. Ошибки трубопроводов могут привести к полной неправильной интерпретации данных, и здесь роботизированная платформа обеспечивает низкую меж образец вариации. Также использование роботизированной платформы для CPILOT сократило время, необходимое для подготовки образцов. Например, после разработки автоматизированного метода потребовалось 2,5 ч для обработки 22 образцов по сравнению с 7,5 ч для ручного cPILOT. В нашей лаборатории идут эксперименты по дальнейшей оценке сравнений ручных и автоматизированных рабочих процессов cPILOT. Основываясь на предыдущих отчетах из нашей лаборатории, CV%’s белка репортер ионных интенсивностей в ручной cPILOT были в среднем 20% с некоторыми выбросами превышает этозначение 12.
cPILOT является химической стратегией производной на пептидном уровне, которая может быть использована для любого типа образцов, таких как клетки, ткани и жидкости организма. cPILOT предлагает расширенный мультиплексирование образцов и с включением автоматизации может облегчить высокой пропускной способностью образца мультиплексирования в протеомии. Эта пропускная способность необходима для дальнейшего развития болезни и биологического понимания и открытия биомаркеров.
The authors have nothing to disclose.
Авторы признают стартовые фонды Университета Вандербильта и премию NIH (R01GM117191) RASR.
0.6 mL eppendorf tubes, 500 pk | Fisher Scientific | 04-408-120 | Any brand of 0.6 mL eppendorf tubes are sufficient |
0.65 µm Ultrafree MC DV centrifugal filter units | EMD Millipore | UFC30DV00 | |
1.5 mL eppendorf tubes, 500 pk | Fisher Scientific | 05-408-129 | Any brand of 1.5 mL eppendorf tubes are sufficient |
2 ml black deep well plate | Analytical Sales and Services, Inc. | 59623-23BKGC | Any brand of black 96-well plate is sufficient |
2 ml clear deep well plate | VWR | 75870-796 | |
Acetic Acid | J.T. Baker | 9508-01 | |
Acetonitrile – MS Grade | Fisher Scientific | A955-4 | 4 L quantity is not necessary |
Agilent 500µL plate | Agilent | 203942-100 | Reagent plate for adding buffers |
Ammonium formate | Acros Organics | 208-753-9 | |
Ammonium hydroxide solution (28 – 30%) | Sigma Aldrich | 320145-500ML | |
Analytical balance | Mettler Toledo | AL54 | |
BCA protein assay kit | Pierce Thermo Fisher Scientific | 23227 | |
Biomek i7 hybrid | Beckmann | Any liquid handling device with ability to use positive pressure, heating/cooling and Vortex the samples. | |
C18 packing material (2.5 µm, 100 Å) | Bruker | This item is no longer available from Bruker. Alternative packing material with listed specifications will be sufficient | |
Centrifuge with plate rotor | Thermo Scientific | 69720 | |
Micro 21R Centrifuge | Sorval | 5437 | |
Dionex 3000 UHPLC | Thermo Scientific | This model is no longer available. Any nano LC with an autosampler is sufficient. | |
Dithiothreiotol (DTT) | Fisher Scientific | BP172-5 | |
Formaldehyde (13CD2O) solution; 20 wt % in D2O, 98 atom % D, 99 atom % 13C | Sigma Aldrich, Chemistry | 596388-1G | |
Formaldehyde (CH2O) solution; 36.5 – 38% in H2O | Sigma Aldrich, Life Science | F8775-25ML | |
Formic Acid | Fluka Analytical | 94318-250ML-F | |
Fusion Lumos Mass Spectrometer | Thermo Scientific | This model is no longer available. Other high resolution instruments (e.g. Orbitrap Elite, Orbitrap Fusion, or Orbitrap Fusion Lumos) can be used. | |
Hydroxylamine hydrochloride | Sigma Aldrich, Chemistry | 255580-100G | |
Iodoacetamide (IAM) | Acros Organics | 144-48-9 | |
Isobaric Tagging Kit (TMT 11-plex) | Thermo Fisher Scientific | 90061 | |
L-1-tosylamido-2 phenylethyl cholormethyl ketone (TPCK)-treated Trypsin from bovine pancreas | Sigma Aldrich, Life Science | T1426-100MG | |
L-Cysteine | Sigma Aldrich, Chemistry | 168149-25G | |
Mechanical Homogenizer (i.e. FastPrep-24 5G) | MP Biomedicals | 116005500 | |
pH 10 buffer | Fisher Scientific | 06-664-261 | Any brand of pH buffer 10 is sufficient |
pH 7 buffer | Fisher Scientific | 06-664-260 | Any brand pH buffer 7 is sufficient |
pH meter (Tris compatiable) | Fisher Scientific (Accumet) | 13-620-183 | Any brand of a pH meter is sufficient |
Protein software (e.g. Proteome Discoverer) | Thermo Scientific | ||
Reservior plate 200ml | Agilent | 204017-100 | |
Sodium Cyanoborodeuteride; 96 atom % D, 98% CP | Sigma Aldrich, Chemistry | 190020-1G | |
Sodium Cyanoborohydride; reagent grade, 95% | Sigma Aldrich | 156159-10G | |
Speed-vac | Thermo Scientific | SPD1010 | any brand of speed vac that can accommodate a deep well plate is sufficient |
Stir plate | VWR | 12365-382 | Any brand of stir plates are sufficient |
Targa 20 mg SPE plates | Nest Group, Inc. | HNS S18V | These are C18 cartridges |
Triethyl ammonium bicarbonate (TEAB) buffer | Sigma Aldrich, Life Science | T7408-100ML | |
Tris | Biorad | 161-0716 | |
Biomek 24-Place Tube Rack Holder | Beckmann | 373661 | |
Urea | Biorad | 161-0731 | |
Water – MS Grade | Fisher Scientific | W6-4 | 4 L quantity is not necessary |