Isolamento chimico basato sull'affinità di vescicole extracellulari da biofluidi per analisi proteomiche e fosfoproteomiche
Summary
Il presente protocollo fornisce descrizioni dettagliate per l’isolamento efficiente delle vescicole extracellulari urinarie utilizzando microsfere magnetiche funzionalizzate. Inoltre, comprende analisi successive, tra cui western blotting, proteomica e fosfoproteomica.
Abstract
Le vescicole extracellulari (EV) dei biofluidi hanno recentemente guadagnato un’attenzione significativa nel campo della biopsia liquida. Rilasciati da quasi tutti i tipi di cellule, forniscono un’istantanea in tempo reale delle cellule ospiti e contengono una grande quantità di informazioni molecolari, comprese le proteine, in particolare quelle con modificazioni post-traduzionali (PTM) come la fosforilazione, come principale attore delle funzioni cellulari e dell’insorgenza e progressione della malattia. Tuttavia, l’isolamento delle vescicole extracellulari dai biofluidi rimane impegnativo a causa delle basse rese e delle impurità degli attuali metodi di isolamento delle vescicole extracellulari, rendendo difficile l’analisi a valle del carico di vescicole extracellulari, come le fosfoproteine delle vescicole extracellulari. In questo articolo, descriviamo un metodo di isolamento rapido ed efficace delle EV basato su microsfere magnetiche funzionalizzate per l’isolamento delle EV da biofluidi come l’urina umana e l’analisi della proteomica e della fosfoproteomica a valle dopo l’isolamento delle vescicole extracellulari. Il protocollo ha consentito un’elevata resa di recupero delle vescicole extracellulari urinarie e dei profili sensibili del proteoma e del fosfoproteoma delle vescicole extracellulari. Inoltre, in questa sede vengono affrontate anche la versatilità di questo protocollo e le relative considerazioni tecniche.
Introduction
Le vescicole extracellulari (EV) sono nanoparticelle incapsulate nella membrana secrete da tutti i tipi di cellule e sono presenti in biofluidi come sangue, urina, saliva, ecc.1,2,3,4. Le vescicole extracellulari trasportano un carico di diverse molecole bioattive che riflettono lo stato fisiologico e patologico delle loro cellule ospiti e, quindi, funzionano come fattori cruciali nella progressione della malattia 4,5,6. Inoltre, studi approfonditi hanno stabilito che i marcatori di malattia basati sulle vescicole extracellulari possono essere identificati prima dell’insorgenza dei sintomi o del rilevamento fisiologico dei tumori 5,6,7.
La fosforilazione agisce come un meccanismo chiave nella segnalazione e nella regolazione cellulare. Pertanto, le fosfoproteine forniscono una fonte preziosa per la scoperta di biomarcatori poiché eventi di fosforilazione aberranti sono associati a vie di segnalazione cellulare disregolate e allo sviluppo di malattie metastatiche come il cancro 8,9,10. Sebbene la profilazione delle dinamiche di fosforilazione consenta l’identificazione di firme fosfoproteiche specifiche della malattia come potenziali biomarcatori, la bassa abbondanza e la natura dinamica delle fosfoproteine pongono grandi sfide nello sviluppo delle fosfoproteine come biomarcatori11,12. In particolare, le fosfoproteine poco abbondanti incapsulate all’interno delle vescicole extracellulari sono protette dalla digestione enzimatica esterna nell’ambiente extracellulare8. Di conseguenza, le vescicole extracellulari e le fosfoproteine derivate da EV offrono una fonte ideale per la scoperta di biomarcatori nella diagnosi precoce del cancro e di altre malattie.
Sebbene l’analisi della fosforilazione delle proteine nelle vescicole extracellulari offra una risorsa preziosa per comprendere la segnalazione del cancro e la diagnosi precoce della malattia, la mancanza di metodi efficienti di isolamento delle vescicole extracellulari rappresenta un ostacolo importante. L’isolamento delle vescicole extracellulari è comunemente ottenuto attraverso l’ultracentrifugazione differenziale (DUC)13. Tuttavia, questo metodo richiede molto tempo e non è adatto per le implicazioni cliniche a causa della bassa produttività e della scarsa riproducibilità13,14. Gli approcci alternativi di isolamento delle EV, come la precipitazione indotta da polimeri15, sono limitati dalla bassa specificità dovuta alla co-precipitazione delle proteine non-EV. Gli approcci basati sull’affinità, tra cui la cattura dell’affinità basata sugli anticorpi16 e la filtrazione dell’affinità17, offrono una maggiore specificità, ma sono limitati a un tasso di recupero relativamente basso a causa del volume ridotto.
Per affrontare i problemi nell’esplorazione della dinamica delle fosfoproteine nelle vescicole extracellulari, il nostro gruppo ha sviluppato una tecnica di recupero e purificazione totale delle vescicole extracellulari (EVtrap) basata sull’affinità chimica per catturare le vescicole extracellulari su microsfere magnetiche funzionalizzate18. Risultati precedenti hanno dimostrato che questo metodo di isolamento delle vescicole extracellulari basato su microsfere magnetiche è altamente efficace nell’isolare le vescicole extracellulari da un’ampia gamma di campioni di biofluidi ed è in grado di ottenere una resa di vescicole extracellulari molto più elevata, riducendo al minimo la contaminazione rispetto al DUC e ad altri metodi di isolamento esistenti18,19. Abbiamo utilizzato con successo EVtrap e un metodo di arricchimento di fospopeptidi a base di titanio sviluppato dal nostro gruppo20 per profilare il fosfoproteoma di vescicole extracellulari derivate da diversi biofluidi e per rilevare potenziali biomarcatori fosfoproteici per varie malattie 19,21,22.
Qui presentiamo un protocollo basato su EVtrap per l’isolamento delle vescicole extracellulari circolanti. Il protocollo si concentra sulle vescicole extracellulari urinarie. Dimostriamo anche la caratterizzazione di vescicole extracellulari isolate utilizzando il western blotting. Descriviamo quindi in dettaglio la preparazione del campione e l’acquisizione della spettrometria di massa (MS) per le analisi di proteomica e fosfoproteomica. Questo protocollo fornisce un flusso di lavoro efficiente e riproducibile per la profilazione del proteoma e del fosfoproteoma delle vescicole extracellulari urinarie, che faciliterà ulteriori studi sulle vescicole extracellulari e sulle loro applicazioni cliniche23.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’isolamento efficace delle vescicole extracellulari è un prerequisito essenziale per rilevare proteine e fosfoproteine a bassa abbondanza nelle vescicole extracellulari. Nonostante lo sviluppo di numerosi metodi per soddisfare questa esigenza, la maggior parte soffre ancora di limitazioni come lo scarso recupero o la bassa riproducibilità, che ne impediscono l’utilizzo in studi su larga scala e contesti clinici di routine. Il DUC è generalmente considerato il metodo più comune per l’isolamento delle vescicole extrac…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato finanziato in parte dalle sovvenzioni NIH 3RF1AG064250 e R44CA239845.
Materials
| 1.5 mL microcentrifuge tube | Life Science Products | M-1700C-LB | |
| 1.5 mL tube magnetic separator rack | Sergi Lab Supplies | 1005 | |
| 15 mL conical centrifuge tube | Corning | 352097 | |
| 15 mL tube magnetic separator rack | Sergi Lab Supplies | 1002 | |
| Anti-rabbit IgG, HRP-linked Antibody | Cell Signaling Technology | 7074P2 | |
| Benchtop incubated shaker | Bioer | DIS-87999-3367802 | Bioer Thermocell Mixing Block MB-101 |
| CD9 (D3H4P) Rabbit mAb | Cell Signaling Technology | 13403S | |
| Chloroacetamide | Sigma -Aldrich | C0267-100G | Used for alkylation of reduced sulfide groups. Freshly prepare 400 mM in water as stock solution. |
| Ethyl acetate | Fisher Scientific | E145-4 | Precipitates detergents |
| Evosep One | Evosep | Liquid chromatography system | |
| Evotips | Evosep | EV2013 | Sample loading for Evosep One system |
| EVtrap | Tymora Analytical | Functionalized magnetic beads, loading buffer, and washing buffer | |
| Immobilon-FL PVDF Membrane | Sigma -Aldrich | IPFL00010 | Blotting membrane |
| NuPAGE 4-12% Bis-Tris Gel | Invitrogen | NP0322BOX | Invitrogen NuPAGE 4 to 12%, Bis-Tris, 1.0 mm, Mini Protein Gel, 12-well |
| NuPAGE LDS Sample Buffer (4X) | Invitrogen | NP0007 | |
| PBS | ThermoFisher | 10010023 | |
| Pepsep C18 15 x 75 x 1.9 | Bruker | 1893473 | Separation column |
| Phosphatase Inhibitor Cocktail 2 | Sigma -Aldrich | P5726-5ML | 100X, Phosphotase inhibitor. |
| Phosphatase Inhibitor Cocktail 3 | Sigma -Aldrich | P0044-1ML | 100X, Phosphotase inhibitor. |
| Pierce BCA Protein Assay Kit | ThermoFisher | 23225 | |
| Pierce ECL Western Blotting Substrate | ThermoFisher | 32106 | HRP substrate |
| PolyMAC phosphopeptide enrichment kit | Tymora Analytical | Polymer-based metal ion affinity capture (PolyMAC) for phosphopeptide enrichment | |
| Sodium deoxycholate | Sigma -Aldrich | D6750-10G | Detergent for lysis buffer. Prepare 120 mM in water as stock solution. |
| Sodium lauroyl sarcosinate | Sigma -Aldrich | L9150-50G | Detergent for lysis buffer. Prepare 120 mM in water as stock solution. |
| timsTOF HT | Bruker | Trapped ion-mobility time-of-flight mass spectrometry | |
| TopTip C-18 (10-200 μL) tips | Glygen | TT2C18.96 | Desalting method |
| Triethylamine | Sigma -Aldrich | 471283-100ML | For EV elution. |
| Triethylammonium bicabonate buffer | Sigma -Aldrich | T7408-100ML | 1 M |
| Trifluoroacetic acid | Sigma -Aldrich | 302031-100ML | |
| Tris-(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride | Sigma -Aldrich | C4706 | Used for reducion of disulfide bonds. Prepare 200 mM in water as stock solution. Aliquot the stock solution into small volume and store it in at-20°C (avoid multiple freeze-thaw cycles). |
| Trypsin/Lys-C MIX | ThermoFisher | PIA41007 |
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