منصة قياس الطيف الكتلي لتبادل الهيدروجين والديوتريوم (HDX-MS) للتحقيق في إنزيمات الببتيد التركيب الحيوي

البروتينات هي جزيئات ديناميكية هيكليا التي عينة تشكيلات مختلفة على نطاقات زمنية تتراوح بين اهتزاز السندات على نطاق femtosecond لإعادة ترتيب مجالات البروتين بأكملها التي يمكن أن تحدث على مدى ثوان عديدة¹. هذه التقلبات تشكيلية غالبا ما تكون الجوانب الحاسمة للانزيم / وظيفة البروتين. على سبيل المثال ، غالبا ما تكون التغييرات التشكيلية الناجمة عن الربط الرابط ذات أهمية حاسمة لتعديل وظيفة الإنزيم ، إما عن طريق تنظيم بقايا الموقع النشطة اللازمة للحفز ، أو تحديد مواقع ربط الركيزة في آليات حركية متسلسلة ، أو حماية الوسيطات التفاعلية من البيئة ، أو عن طريق تعديل وظيفة الإنزيم عبر شبكات allosteric. وقد أظهرت الدراسات الحديثة أيضا أن ديناميات تشكيلية يمكن الحفاظ عليها في جميع أنحاء التطور، وأنه يمكن ربط الاضطرابات إلى الحركات الجزيئية المحفوظة مع التغيرات في خصوصية الركيزة وظهور وظائف إنزيم جديدة^2،3.

في السنوات الأخيرة ، ظهر قياس الطيف الكتلي لتبادل الهيدروجين والديوتريوم (HDX-MS) بسرعة كتقنية قوية للتحقيق في كيفية استجابة المناظر الطبيعية المطابقة للبروتين للاضطرابات مثل الربط ليغاند أو موتاجينيسيس^4،5،6،7. في تجربة HDX-MS النموذجية (الشكل 1)، يتم وضع بروتين مثير للاهتمام في المخزن المؤقت المعد في D₂O ، مما يؤدي إلى استبدال البروتونات القابلة للتبادل مع الديوتيريا. سعر الصرف من moiety أميدي من السندات الببتيد يعتمد بقوة على درجة الحموضة، وتسلسل الأحماض الأمينية المحلية، وعلى البيئة الهيكلية المحلية من أميدي⁸. Amides التي تشارك في التفاعلات الترابط الهيدروجين (مثل تلك الموجودة في α helices وأوراق β) تبادل أبطأ من وسط في المناطق غير المنظمة من البروتين التي تتعرض للمذيبات السائبة. وبالتالي ، فإن مدى امتصاص الديوتريوم هو انعكاس لهيكل الإنزيم. ومن المتوقع أن الإنزيمات التي هي ديناميكية تشكيليا، أو التي تخضع لتحولات هيكلية على الربط ليغاند، أن تسفر عن استجابة HDX قابلة للقياس.

يظهر الأساس الميكانيكي لسعر الصرف البطيء للamide منظم في الشكل 2 5^،8،9. من أجل الخضوع ل HDX ، يجب على المنطقة المنظمة أولا أن تقوم أولا بأخذ عينات عابرة من تشكيل تم الكشف عنه ، بحيث يمكن للجزيئات المذيبة التي تحفز تبادل HDX عبر آلية كيميائية حمضية / أساسية محددة ، الوصول إلى أميد القابلة للتبادل. في نهاية المطاف ، فإن المقادير النسبية لسعر الصرف الكيميائي(ك_كيم)ومعدلات الطي وإعادة طي (ك_مفتوحة وك _إغلاق) تحديد معدل HDX تقاس في التجربة^5،8. من هذا النموذج الحركي البسيط ، من الواضح أن مدى امتصاص الديوتريوم سيعكس الديناميكيات التوافقية الأساسية (كما يحددها k_open و k_close). يتم تنفيذ معظم التجارب HDX-MS في سير العمل من أسفل إلى أعلى حيث، بعد رد فعل تبادل، يتم هضم البروتين من الفائدة في الببتيدات ويتم قياس امتصاص الديوتريوم من قبل كل الببتيد كزيادة في كتلة⁷. وبهذه الطريقة ، يسمح HDX-MS بالاضطرابات لديناميكيات تشكيل الإنزيم ليتم تعيينها على النطاق المكاني المحلي للببتيدات ، مما يسمح للباحث بتقييم كيفية تغيير الاضطراب للديناميكيات في مناطق مختلفة من إنزيم الاهتمام.

مزايا نهج HDX-MS لتوضيح الديناميات الهيكلية البروتين عديدة. أولا ، يمكن تنفيذ هذه الطريقة بكميات صغيرة من البروتين الأصلي أو على مجمعات البروتين في أنظمة ذات بنية رباعية¹⁰. ليس من الضروري حتى لإعداد الانزيم المستخدمة في المقايسة أن يكون تنقية عالية^11،12، طالما أن من أسفل إلى أعلى HDX – MS سير العمل يوفر عددا كافيا من الببتيدات التي تم تحديدها بثقة التي تغطي تسلسل البروتين من الفائدة. وعلاوة على ذلك، HDX-MS يمكن أن توفر معلومات عن ديناميات تشكيلية في ظل ظروف محلية قريبة دون الحاجة إلى وضع العلامات البروتين موقع محدد كما يمكن استخدامها في دراسات مضان جزيء واحد^13،وليس هناك حد لحجم البروتين أو البروتين المعقدة التي يمكن التحقيق فيها (مما يجعل النهج مثل الرنين المغناطيسي النووي [NMR] الطيف تحديا)^7،14. وأخيرا، يمكن استخدام طرق HDX-MS التي تم حلها زمنيا لدراسة البروتينات المضطربة في جوهرها، والتي يصعب دراستها مع التصوير البلوري بالأشعة السينية^{15و16و17و18.} القيد الرئيسي ل HDX-MS هو أن البيانات ذات دقة هيكلية منخفضة. إن بيانات HDX-MS مفيدة للإشارة إلى الأماكن التي تتغير فيها الديناميكيات التوافقية وللكشف عن التغيرات التوافقية المقترنة ، ولكنها لا توفر في كثير من الأحيان الكثير من البصيرة في الآلية الجزيئية الدقيقة التي تقود التغيير الملحوظ. وقد أظهرت التطورات الأخيرة في الجمع بين أساليب التفكك التقاط الإلكترون مع البروتين HDX-MS البيانات واعدة لرسم خرائط مواقع تبادل لبقايا الأحماض الأمينية واحد^19،ولكن لا تزال هناك حاجة في كثير من الأحيان متابعة الدراسات الكيميائية الحيوية والهيكلية لتوفير الوضوح للنماذج الهيكلية التي أحالها HDX-MS البيانات.

أدناه، يتم تقديم بروتوكول مفصل لتطوير فحص HDX-MS²⁰. يجب أن تنطبق بروتوكولات إعداد العينة المعروضة أدناه بشكل عام على أي بروتين يظهر قابلية جيدة للذوبان في المخازن المؤقتة المائية. تتوفر طرق إعداد عينات أكثر تخصصا وسير عمل HDX-MS للبروتينات من الحاجة إلى الفحص في وجود المنظفات أو الفوسفوليبيدات^{21و22و23و24.} يتم وصف الإعدادات الفعالة لجمع بيانات HDX-MS لمطياف كتلة رباعي القطب عالي الدقة مقرون بنظام الكروماتوغرافيا السائلة. ويمكن جمع بيانات مماثلة التعقيد والدقة على أي واحد من عدد من نظم قياس الطيف الكروماتوغرافيا الكتلية السائلة المتاحة تجاريا. كما يتم توفير الجوانب الرئيسية لمعالجة البيانات باستخدام حزمة برامج متاحة تجاريا. كما نقدم إرشادات لجمع البيانات وتحليلها تتسق مع التوصيات التي قدمها مجتمع HDX-MS^{الأوسع 12.} يستخدم البروتوكول الموصوف لدراسة الخصائص الهيكلية الديناميكية ل HalM2 ، وهو موالفة lanthipeptide التي تحفز نضوج متعدد الخطوات لمنتج الببتيد الطبيعي المضاد للميكروبات^20. نحن نوضح كيف يمكن استخدام HDX-MS للكشف عن مواقع الربط الركيزة والخصائص التستوستيرون التي استعصت على التوصيف السابق. وقد نشرت العديد من البروتوكولات الأخرى على البروتين HDX-MS في السنوات الأخيرة^25,26. وإلى جانب العمل الحالي، ينبغي أن توفر هذه المساهمات السابقة للقارئ بعض المرونة في التصميم التجريبي.