Bu protokol, yaşlanan ve bölünmeyen hücrelerin darbeli SILAC, hedefsiz kütle spektrometrisi analizi ve protein yarı ömürlerinin kolaylaştırılmış bir hesaplaması ile metabolik etiketlenmesi için iş akışını açıklar.
Artan kanıtlar, merkezi sinir sisteminde yaşlanan hücrelerin birikmesinin, Alzheimer ve Parkinson hastalıkları gibi nörodejeneratif bozukluklara katkıda bulunduğunu göstermiştir. Hücresel yaşlanma, tipik olarak ölümcül altı streslere maruz kalmaya yanıt olarak ortaya çıkan kalıcı bir hücre döngüsü durması durumudur. Bununla birlikte, diğer bölünmeyen hücreler gibi, yaşlanan hücreler metabolik olarak aktif kalır ve benzersiz transkripsiyonel ve translasyonel talepler ve hücre içi ve salgılanan proteomlarda yaygın değişiklikler gerektiren birçok işlevi yerine getirir. Yaşlanma sırasında protein sentezinin ve çürüme oranlarının nasıl değiştiğini anlamak, hücresel yaşlanmanın altında yatan mekanizmaları aydınlatabilir ve yaşlanan hücreler tarafından şiddetlenen hastalıklar için potansiyel terapötik yollar bulabilir. Bu yazıda, kütle spektrometrisi ile birlikte hücre kültüründeki amino asitler (pSILAC) tarafından darbeli kararlı izotop etiketlemesi kullanılarak bölünmeyen hücrelerde protein yarı ömürlerinin proteom ölçeğinde değerlendirilmesi için bir yöntem açıklanmaktadır. pSILAC, amino asitlerin kararlı ağır izotop içeren versiyonları ile hücrelerin metabolik etiketlenmesini içerir. Modern kütle spektrometresi yaklaşımlarıyla birleştiğinde, pSILAC karmaşık karışımlarda yüzlerce veya binlerce proteinin protein döngüsünün ölçülmesini sağlar. Metabolik etiketlemeden sonra, proteinlerin devir dinamikleri, kütle spektrometrisi ile tespit edilen peptitlerdeki ağır izotopların göreceli zenginleşmesine dayanarak belirlenebilir. Bu protokolde, yaşlanan fibroblast kültürlerinin ve benzer şekilde tutuklanan sessiz fibroblastların oluşturulması için bir iş akışı ve beklenen protein devir hızlarının kapsamını en üst düzeye çıkaran basitleştirilmiş, tek zamanlı nokta pSILAC etiketleme zaman kursu tanımlanmıştır. Ayrıca, pSILAC kütle spektrometresi verilerinin analizi ve elektronik tablolar kullanılarak protein bozunma oranlarının kullanıcı dostu hesaplanması için bir boru hattı sunulmaktadır. Bu protokolün uygulanması, yaşlanan hücrelerin ötesinde, nöronlar gibi bölünmeyen kültürlü hücrelere genişletilebilir.
Yaşlanma ilk olarak, replikatif tükenmeye ulaştıktan sonra kültürlenmiş birincil hücreler tarafından sergilenen süresiz bir büyüme durması durumu olarak tanımlanmıştır1. O zamandan beri, yaşlanmanın, diğerlerinin yanı sıra genotoksik, mitokondriyal ve onkojenik stresler de dahil olmak üzere çok sayıda hücresel hakarete yanıt olarak ortaya çıkabileceği gösterilmiştir2. Yaşlanma, tümör baskılanması ve yara iyileşmesi gibi fizyolojik olarak önemli birçok role sahipken, yaşlanma sırasında yaşlanan hücrelerin birikmesi, çeşitli nörodejeneratif durumlar da dahil olmak üzere sağlık3 üzerinde bir dizi zararlı etki ile ilişkilidir 4,5,6. Hücresel yaşlanma, nöronlar 7,8,9,10, astrositler 11, mikroglia12 ve oligodendrosit öncülleri 13 dahil olmak üzere çoklu beyin hücresi tiplerinde görülür ve nörodejenerasyon ve bilişsel işlev bozukluğuna katkıda bulunur. Alzheimer hastalığı14’ün ayırt edici özelliklerinden biri olan amiloid beta oligomerlerinin nöronal yaşlanmayı hızlandırdığı gösterilmiştir13,15,16. Yaşlanan hücrelerin prevalansının artması, özellikle çevresel stresörlerden kaynaklanan Parkinson hastalığı17 ile de ilişkilendirilmiştir11,18. Önemli olarak, klinik öncesi modellerde yaşlanan hücrelerin seçici olarak ortadan kaldırılması ömrü uzatır ve yaşa bağlı çok sayıda hastalığı hafifletir 3,5,12 ve bilişsel eksiklikleri iyileştirir 8,11,12,13. Yaşlanan hücreler bu nedenle yaşa bağlı birçok durumun tedavisi için umut verici terapötik hedefler olarak ortaya çıkmıştır.
Yaşlanan hücrelerin zararlı etkilerinin çoğuna, yaşlanma hücreleri tarafından salgılanan biyoaktif moleküllerin karmaşık bir karışımı olan yaşlanma ile ilişkili sekretuar fenotipten (SASP) kaynaklanır ve bu da lokal inflamasyona, anjiyogeneze, hücre dışı matriksin tahrip olmasına ve çevredeki dokuda yaşlanmanın yayılmasına neden olabilir 19,20,21 . SASP ayrıca yaşlanmanın ilginç bir biyolojik fenomenini temsil eder, çünkü hücre döngüsü tutuklaması durumunda önemli bir transkripsiyonel ve translasyonel çaba gerektirir. Aslında, yaşlanan hücrelerin, protein sentezini azaltması gereken ribozom biyogenezi22,23,24’te azalmalar sergilediği gösterilmiştir. Bunun yerine, yaşlanan hücreler bazı proteinleri, özellikle SASP faktörlerini sağlam bir şekilde çevirir ve çevreleyen dokunun metabolizmasını etkiler25. Bu nedenle, kalıcı bir hücre döngüsü durması geçiren yaşlanan hücrelerin protein homeostazını korumaya devam ederken, aynı zamanda SASP faktörlerini ve diğer seçilmiş proteinleri sağlam bir şekilde ifade etmeye devam ettiğini anlamaya büyük ilgi vardır.
Bu yöntem, yaşlanan hücrelerdeki proteinlerin yarı ömürlerini proteom çapında bir ölçekte küresel olarak ölçmek için hücre kültüründeki amino asitler (pSILAC) tarafından kütle spektrometresinin ve darbeli kararlı izotop etiketlemesinin nasıl kullanılacağını açıklar. Geleneksel SILAC’ta, kültürlenmiş hücreler, protein bolluğunun aşağı akış analizi için amino asitlerin ağır ve hafif radyoaktif olmayan izotopları ile tamamen metabolik olarak etiketlenir. Bu yöntem daha önce kültürlü fibroblastların SASP’sinde bolluk değişikliklerini kapsamlı ve nicel olarak değerlendirmek için uygulanmıştır26. pSILAC’ta, hücreler benzer şekilde metabolik olarak, hafif izotop ile ön etiketlemeyi takip eden ağır izotop darbesi ile etiketlenir ve daha sonra bir veya daha fazla zaman aralığında toplanır. Önceden var olan hafif izotopa atıfta bulunarak ağır izotopun dahil edilme oranları daha sonra göreceli protein devir hızlarını hesaplamak için kullanılır. Genel olarak, arginin ve lizin izotopları kullanılır, çünkü tripsin bu kalıntılarda ayrılır; Böylece, standart sindirimden elde edilen tüm peptitler potansiyel olarak ağır etiketi içerecektir. Sadece ağır lizin veya arginin varlığı veya yokluğu ile farklılık gösteren peptit çiftleri kimyasal olarak aynıdır ve bir kütle spektrometresi ile ayırt edilebilir ve ölçülebilir. Kütle spektrometrisi analizini takiben, peptidler, ortaya çıkan peptid tanımlamalarında izotopik etiketin varlığına veya yokluğuna bağlı olarak yeni sentezlenmiş veya önceden var olan olarak tanımlanabilir. Protein devir hızları daha sonra, belirli bir protein için hafif (12C-14 N) peptitler üzerindeki ağır (13 C-15N) oranının, üstel büyüme veya bozunma için kinetik modellere 27,28 olarak uydurma ile belirlenebilir. pSILAC, 29,30,31,32 protein devir hızının çeşitli karşılaştırmalarında kullanılmıştır ve şu anda protein yarı ömürlerinin ölçümü için en kapsamlı ve yüksek verimli yöntemdir.
Bu protokol, yaşlanan hücrelerin kültürdeki benzer şekilde büyüme durduran sessiz hücrelere paralel olarak hazırlanmasını ve ardından pSILAC ile metabolik etiketlemeyi detaylandırır. Hücreler daha sonra toplanır, lizatlara homojenize edilir ve kütle spektrometresi edinimi ve analizi için işlenir. Kütle spektrometresinden elde edilen veriler daha sonra, bir elektronik tabloda gerçekleştirilen tek bir zaman noktası ve yarı ömür hesaplamaları kullanan basitleştirilmiş bir nicel yöntem kullanılarak protein yarı ömürlerini belirlemek için kullanılır. Bu yaklaşımı kullanarak, protein yarı ömürlerinin tahminleri, bozulmamış hücresel koşullar için, protein sentezi veya cirosunun blokerlerini kullanan protokollerden daha otantik olan kapsamlı ve nicel bir şekilde ölçülebilir.
pSILAC, çoklu hücresel koşullarda protein devir hızlarının küresel olarak ölçülmesini sağlayan güçlü bir tekniktir. Bu makale, yaşlanan ve sessiz hücrelerin hazırlanması, SILAC etiketlemesi ve toplanması ve nihayetinde DDA kütle spektrometrisi kullanılarak analiz edilmesi için talimatlar da dahil olmak üzere, yaşlanan ve sessiz hücreler arasındaki küresel protein yarı ömürlerini karşılaştırmak için pSILAC’ın kullanımını detaylandırmaktadır. Ek olarak, yaşlanma ile ilişkili proteinleri kodlayan bir mRNA panelinin SA-βGal ve RT-qPCR analizi kullanılarak yaşlanma fenotipinin doğrulanması için iki aşamalı bir test tanımlanmıştır. Tanımlanan iki yaklaşımla yaşlanmanın doğrulanmasına ek olarak, proteomik düzeyde yaşlanan ve sessiz hücreler arasındaki bilinen yaşlanma belirteçlerindeki değişiklikler aranarak kütle spektrometrisi analizini takiben yaşlılığın üçüncü bir doğrulaması gerçekleştirilebilir. Yükselmesi beklenen yaşlanma ile ilişkili proteinler, diğerlerinin yanı sıra44,45 başka bir yerde tanımlanan p16, p21 ve BCL2’yi içerir. Yukarıda açıklanan protokolde, iyonlaştırıcı radyasyon, durgun hücreler için yaşlanma ve serum açlığının indüklenmesi için kullanılmıştır. Yaşlanmanın indüksiyonu için birden fazla seçenek mevcuttur ve bunlar arasında41,42,46 önemli heterojenlik vardır. Şu anda, “en fizyolojik” olarak kabul edilen bir yaşlanma yöntemi yoktur, bu nedenle yaşlanan indükleyicinin seçimi büyük ölçüde deneyin bağlamına dayanmaktadır. Bununla birlikte, yaşlanma hakkında genel bir fenomeni belirtmek amacıyla yapılan deneylerin en az iki farklı yaşlılık indükleyicisi kullanması önerilir. Yaşlanma paradigmalarının aralığını tartışmak bu makalenin kapsamı dışındadır, ancak yaşlanmayı indüklemek için bazı yaygın yöntemler arasında DNA hasarını tetiklemek (IR, doksorubisin, replikatif tükenme), onkojenik proteinleri eksprese etmek (HRAS, BRAF) ve mitokondri fonksiyonunu bozmak2.
Yaşlanan indükleyici seçimine ek olarak, kontrol hücrelerinin seçimi de eşit derecede önemli bir husustur. Yaşlanan hücreler, tanım gereği, süresiz büyüme durması altındadır, bu nedenle diğer büyüme durdurucu hücrelerle karşılaştırılması sıklıkla seçilir. pSILAC için, hücre döngüsü tutuklanmış hücreler genellikle tercih edilir, çünkü çoğalmazlar ve bu nedenle protein yarı ömür hesaplamaları için kullanımı daha kolaydır47. Bununla birlikte, kültürlenmiş hücreler genellikle bazı bölünen hücreleri tutacağından, hücre döngüsü durmasını indüklemek için kullanılan yöntemlerin, hala çoğalmakta olan hücrelerden gelen hataları en aza indirmek için mümkün olduğunca homojen bir yanıt üretmesi önemlidir. pSILAC kullanarak döngü hücreleri için protein bozunma oranlarını hesaplamak için, proteinin yavru hücrelere seyreltilme hızını telafi etmek için ek hesaplamalar gerekir27. Bununla birlikte, sessiz büyüme durmasının kendisi komplikasyonsuz değildir. Hücre döngüsü durması için iki genel yöntem vardır: serum yoksunluğu ve temas inhibisyonu48. Tüm hücreler temas inhibisyonu yoluyla sessiz hale getirilemez, ancak bazı fibroblastların49 kültürlenmesinden birkaç gün sonra sessizlik gösterdiği gösterilmiştir. Bu yöntem serum yoksunluğunu kullandı, çünkü yaşlanan hücrelerin karşılaştırılması için daha yaygın olarak kullanılıyor, ancak yaşlanan hücrenin doğru karşılaştırmalar için benzer şekilde serumdan mahrum bırakılmasını gerektiriyor. Serum, mTOR kompleksini aktive eder ve bu nedenle serum yoksunluğu, hücre döngüsü tutuklaması50’ye ek olarak hücre üzerinde çeşitli aşağı akış etkilerine sahiptir. Özellikle, yaşlanan hücrelerin serum yoksunluğu veya mTOR inhibisyonu51,52 üzerine azalmış bir SASP gösterdiği gösterilmiştir.
pSILAC’ta göz önünde bulundurulması gereken bir diğer önemli nokta, kaç zaman noktasının test edileceğidir. Bu protokol, hücreleri tek bir zaman noktasında (3 günlük hafif veya ağır etiketleme) topladı ve bu da ortaya çıkan analizi önemli ölçüde basitleştirdi. Zaman noktası seçimi, deneyin amacına dayanmalıdır. Küresel analiz için, 3 günün proteinlerin çoğunluğunu yakalaması beklenir, ancak 3 gün içinde tamamen devreden kısa ömürlü proteinlerin yarı ömürleri (tüm ışık sinyali kaybolur) bu zaman noktasında ölçülemez. Tersine, 3 gün içinde çok az ciroya sahip uzun ömürlü proteinlerin ölçülmesi de zordur ve genellikle çok az ağır sinyal birikiminin bir sonucu olan son derece büyük yarı ömürlere (haftalar sırasıyla) sahip olarak görünürler. Ağır ve hafif peptit sinyallerinin oranındaki doğrusal olmayan ilişki nedeniyle, daha kısa ve daha uzun zaman noktalarında yeni sentezlenen proteinin yüzdesi nedeniyle, yarı ömürlerin niceliği, ek etiketleme zaman noktaları eklenerek geliştirilebilir. İki hücre durumu arasındaki göreceli karşılaştırmalar için, bu protokolde olduğu gibi, yaklaşık bir yarı ömür yeterli olabilir, ancak nicel doğruluğu artırmak için ek zaman noktaları kullanılabilir.
Bu protokol, protein döngüsünün hedeflenmemiş DDA tabanlı bir analizinin nasıl gerçekleştirileceğini açıklar. Bununla birlikte, protein devir hızı hesaplamaları genellikle ağır ve hafif peptit çiftlerinin göreceli bolluğunu elde edebilen herhangi bir edinme şemasına uygulanabilir. Örneğin, veriden bağımsız edinme (DIA/SWATH) gibi MS2 tabanlı yöntemler de53 ciro oranlarının başarılı bir şekilde hesaplanması için uygulanabilir. Ek olarak, bu protokolde açıklananlar dışındaki enstrümantasyon ve yazılım boru hatları, DDA analizi, protein tanımlama ve protein niceliği gerçekleştirmek için kullanılabilir. Peptit tepe alanlarını çıkarmak için Skyline gibi protein niceleme yazılımı platformlarını kullanırken, belge çalışma alanında çıkarılan iyon kromatogramlarının manuel olarak incelenmesi, hatalı şekilde entegre edilmiş ve nicel olmayan zirvelerin belirlenmesi ve belgenin buna göre düzenlenmesi önerilir. Skyline (skyline.ms) için kapsamlı bir öğretici koleksiyonu çevrimiçi olarak mevcuttur.
pSILAC, üstün çoklama (proteom kapsamı) ve verim nedeniyle kültürlü hücrelerde protein yarı ömürlerinin küresel olarak ölçülmesi için en ideal yöntemlerden birini temsil eder. pSILAC doğrudan sentez veya bozulma oranları sağlamazken, hafif ve ağır sinyaldeki değişim faktörlerin bir araya gelmesinden kaynaklandığından, pSILAC koşullar ve farklı hücre tipleri arasındaki karşılaştırmalar için oldukça yararlıdır. Düşük verimli yöntemler genellikle iki tipe ayrılır: 1) protein sentezini bloke etmek için hücrelerin siklopeksimidle muamelesi ve çürümeyi izlemek için ilavelerden sonra zaman aralıklarında hasat edilmesi veya 2) hücrelerin protein çürümesi inhibitörü ile muamele edilmesi ve protein birikimini izlemek için ilavelerden sonra zaman aralıklarında hasat edilmesi, böylece protein çürüme oranlarının çıkarılması. Her iki yöntemin de sınırlılığı, bu tür tedavilerin kaçınılmaz olarak hücresel fizyolojide önemli değişikliklere neden olacağıdır. Buna karşılık, pSILAC önemli bir müdahale gerektirmez ve teorik olarak hücresel fizyoloji üzerinde tespit edilebilir bir etkiye sahip değildir, çünkü izotopik amino asitler izotopik olmayan muadillerinden sadece tek bir nötron ile farklılık gösterir. Bu nedenle, burada pSILAC için açıklanan yöntem, bölünmeyen hücrelerdeki en fizyolojik protein yarı ömürlerinin küresel ölçümü için basit bir protokolü temsil eder.
Protein döngüsündeki değişikliklerin yaşlanma, yaşa bağlı hastalıklar, nörodejenerasyon ve uzun ömürlülük ile yakın ilişkisi vardır54,55. Bu protokol, yaşlanma hücrelerinde protein devir hızlarını ölçmek için hücre kültüründeki amino asitlerin kararlı izotop etiketlemesini kullanarak bu ilişkileri sorgulamak için bir yöntem açıklar. Bununla birlikte, fareler gibi tüm organizmalarda in vivo yaşlanma ve nörodejenerasyon bağlamında çalışmalar yapmak için çok sayıda benzer yöntem mevcuttur. Nitekim, bu çalışmalar yaşa bağlı hastalıklar bağlamında protein devir hızlarının ölçülmesinin önemini vurgulamıştır56,57,58,59.
Bu çalışmada, ribozomal proteinler ve endoplazmik retikulumda bulunan proteinler, yaşlanan hücrelerde sırasıyla azalmış ve artmış yarı ömürlü iki protein kategorisi olarak öne çıkmıştır. Kesin sonuçlar için kararlı durum seviyelerinin daha fazla analizi gerekli olsa da, bu sonuçlar ayrıca yaşlanan hücrelerin ribozomal proteinlerin yarı ömürlerinin azalması yoluyla translasyonu benzersiz bir şekilde düzenleyebileceğini düşündürmektedir. İleriye dönük olarak, hücresel yaşlanma ve nörodejenerasyon in vivo in mouse modelleri arasındaki ilişkiyi incelemek için kararlı izotop etiketleme yaklaşımlarının uygulanması, bu protokol tarafından açıklanan izotop etiketleme yaklaşımının umut verici bir uzantısı olacaktır.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) ve Intramural Araştırma Programı (IRP), Ulusal Yaşlanma Enstitüsü (NIA) tarafından desteklenmiştir. N.B., Uzun Ömürlü Impetus Hibeleri ve Diyet Takviyeleri Ofisi (ODS) Bilim İnsanları Programı tarafından desteklenmiştir. Şekil 1 , BioRender.com ile oluşturulmuştur.
Acetonitrile (LC-MS grade) | Grainger | AH015 | |
Ammonium Bicarbonate | Millipore-Sigma | 9830 | |
Antibiotic-Antimycotic (100x) | ThermoFisher | 15240062 | |
BCA Assay Kit | ThermoFisher | 23227 | |
Dithiothreotol (DTT) | Sigma | D9779 | |
DMEM, high glucose, HEPES | ThermoFisher | 12430112 | |
dNTP Mix | ThermoFisher | R0191 | |
Fetal Bovine Serum, certified, heat inactivated | ThermoFisher | 10082147 | |
Formic Acid | Sigma | 27001 | |
Gammacel 40 Exactor | Best Theratronics | Cesium Irradiator for cells | |
GlycoBlue | ThermoFisher | AM2238 | |
Iodoacetamide (IAA) | Sigma | I1149 | Light sensitive |
IMR-90 primary lung fibroblasts | ATCC | CCL-186 | |
iRT Kit (indexed retention time) | Biognosys | Ki-3002-2 | Indexed Retention Time Peptide Standards |
Isopropanol | ThermoFisher | 423835000 | |
Mascot | Matrix Science | Mascot Daemon 2.8 | Proteomic database searching software |
Maxima Reverse Transcritase (200 U/µL) | ThermoFisher | EP0742 | |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) | ThermoFisher | 11140050 | |
Nano LC System | ThermoFisher | ULTIM3000RSLCNANO | |
Oasis HLB Solid Phase Extraction Cartirdges | Waters | 186000383 | |
Orbitrap Mass Spectrometer | ThermoFisher | Q Exactive HF Orbitrap | |
Phenol/Chloroform/Isoamyl alcohol (25:24:1), 100 mM EDTA, pH 8.0 | ThermoFisher | 327110025 | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | ThermoFisher | 10010023 | |
Pierce SILAC Protein Quantitation Kit (Trypsin) -DMEM | ThermoFisher | A33972 | |
QuantStudio 6 Real-Time PCR System | ThermoFisher | ||
Random Hexamer Primer | ThermoFisher | SO142 | |
Senescence β-Galactosidase Staining Kit | Cell Signaling | 9860 | |
Skyline | University of Washington | Skyline-Daily v21.2.1.424 | Free and open source qantiative proteomic software. Available on www.skyline.ms |
Sonicator waterbath | Branson | CPX-952-516R | |
TRIzol Reagent | ThermoFisher | 15596018 | Referred to as phenol in text; hazardous |
TRYPle Express | ThermoFisher | 12605010 | |
Trypsin (sequencing grade) | Promega | V5113 | |
TURBO Dnase (2U/ uL) | ThermoFisher | AM2238 | |
Urea | ThermoFisher | 29700 | |
Water (LC-MS grade) | Grainger | AH365 |