في الأكسدة البيوكيميائية الضوئية السريعة للبروتينات (IV-FPOP) هي تقنية بصمة البروتين الجذري ة الهيدروكسيل التي تسمح برسم خرائط بنية البروتين في بيئتها الأصلية. يصف هذا البروتوكول تجميع وإعداد نظام التدفق الميكرووتوني IV-FPOP.
الأكسدة السريعة للبروتينات (FPOP) هي طريقة للهيدروكسيل للبروتين الجذري (HRPF) تستخدم لدراسة بنية البروتين ، وتفاعلات البروتين – ligand ، والتفاعلات بين البروتين والبروتين. FPOP يستخدم ليزر excimer KrF في 248 نانومتر لتحلل بأكسيد الهيدروجين لتوليد الجذور الهيدروكسيل التي بدورها تعديل أكسدة سلاسل الجانب الأحماض الأمينية التي يمكن الوصول إليها المذيبات. في الآونة الأخيرة ، قمنا بتوسيع استخدام FPOP في التسمية التأكسدية في Caenorhabditis elegans (C. elegans)، بعنوان IV-FPOP. وقد استخدمت الديدان الخيطية الشفافة كأنظمة نموذجية للعديد من الأمراض البشرية. الدراسات الهيكلية في C. elegans بواسطة IV-FPOP ممكنة بسبب قدرة الحيوان على استيعاب بيروكسيد الهيدروجين، وشفافيتها إلى التشعيع بالليزر في 248 نانومتر، والطبيعة التي لا رجعة فيها للتعديل. يتم وصف تجميع نظام تدفق microfluidic لعلامات IV-FPOP ، ومعلمات IV-FPOP ، واستخراج البروتين ، والمعلمات المحسنة LC-MS / MS هنا.
وقد استخدمت بصمة البروتين إلى جانب قياس الطيف الكتلي (MS) في السنوات الأخيرة لدراسة تفاعلات البروتين والتغيرات المطابقة. الهيدروكسيل البصمة البروتين الراديكالية (HRPF) طرق التحقيق في إمكانية الوصول إلى المذيبات البروتين عن طريق تعديل سلاسل الجانب من الأحماض الأمينية البروتين. وقد استخدمت طريقة HRPF، الأكسدة الكيميائية الضوئية السريعة من البروتينات (FPOP)1،للتحقيق في بنية البروتين في المختبر2،في الخلية (IC-FPOP)3،ومؤخرا في الجسم الحي (IV-FPOP)4. FPOP يستخدم ليزر excimer الطول الموجي 248 نانومتر من أجل توليد بسرعة الجذور هيدروكسيل عن طريق التحلل الضوئي من بيروكسيد الهيدروجين لتشكيل الجذور هيدروكسيل1. بدوره، يمكن لهذه الجذور تسمية 19 من أصل 20 الأحماض الأمينية على مقياس زمني ميكروثانية، أسرع من البروتينات يمكن أن تتكشف. على الرغم من أن تفاعل كل حمض أميني مع الجذور الهيدروكسيل يمتد 1000 أضعاف، فمن الممكن لتطبيع الأكسدة سلسلة الجانب عن طريق حساب عامل الحماية (PF)5.
منذ FPOP يمكن تعديل البروتينات أكسدة بغض النظر عن حجمها أو تسلسل الأولية، فإنه يثبت أن تكون مفيدة لدراسات البروتين في الخلية وفي الجسم الحي. IV-FPOP تحقيقات بنية البروتين في C. elegans بالمثل في المختبر ودراسات في الخلية4. C. elegans هي جزء من عائلة النيماتودا وتستخدم على نطاق واسع كنموذج لدراسة الأمراض البشرية. قدرة الدودة على الاستفادة من بيروكسيد الهيدروجين عن طريق الانتشار السلبي والنشط على حد سواء يسمح لدراسة بنية البروتين في أنظمة الجسم المختلفة. وبالإضافة إلى ذلك، C. elegans هي مناسبة لIV-FPOP بسبب شفافيتها في الطول الموجي ليزر 248 نانومتر اللازمة لFPOP6. يسمح اقتران هذه الطريقة بالقياس الطيفي الكتلي لتحديد البروتينات المعدلة المتعددة باستخدام نهج البروتيوميك التقليدية من أسفل إلى أعلى.
في هذا البروتوكول، ونحن نصف كيفية تنفيذ IV-FPOP لتحليل بنية البروتين في C. elegans. يتطلب البروتوكول التجريبي تجميع وإعداد نظام التدفق الميكرووسيري لIV-FPOP المقتبس من Konermann et al7. بعد IV-FPOP، يتم تجانس العينات لاستخراج البروتين. عينات البروتين هي البروتين والبروتين ويتم تحليل الببتيدات بواسطة الكروماتوغرافي السائل (LC) MS جنبا إلى جنب، تليها القياس الكمي.
المعيار الحالي لدراسة في التفاعلات البروتين والبروتين الحي (PPI) هو نقل الطاقة بالرنين الفلورسينس (FRET). في أبسط أشكاله، هذه التقنية تدرس PPI عن طريق نقل الطاقة بين جزيئين عندما تكون على مقربة من بعضها البعض15. على عكس تقنيات MS، لا تملك FRET القرار لتوصيف التغيرات المطابقة ومواقع التفاعل على مستوى الأحماض الأمينية. وقد استخدمت تقنيات MS القائمة على نحو متزايد لدراسة PPI16. IV-FPOP هو أسلوب HRPF الذي يسمح للتحليل الهيكلي في البروتين الحي في C. elegans. من أجل تسمية C. elegans بنجاح بواسطة IV-FPOP ، من المهم تجميع نظام التدفق الميكروونيتي بشكل صحيح للحد من فقدان العينة. وقد أظهرت الشعيرات الدموية 250 ميكرون i.d. لتعظيم استرداد العينة بالمقارنة مع أصغر i.d. الشعيرات الدموية4. لم يتم اختبار الشعيرات الدموية الأكبر حجماً، غير أن نظام التدفق الميكروواني مصمم باستخدام الشعيرات الدموية بنفس الـ i.d. كنظام قياس مجرى التدفق المتاح تجارياً لفرز C. elegans. 17 حجم عينة دودة مهم أيضا، وحجم عينة أقل من ~ 10،000 لكل عينة قبل FPOP لا تسفر عن تركيزات البروتين عالية بما يكفي لتحليل LC-MS /MS. ويمكن أيضاً استخدام أحجام عينات أعلى (أكثر من 000 10 دودة) عن طريق ضبط حجم البداية الأولي (الخطوة 4.5).
التجميع السليم لنظام التدفق الميكرووتوني مهم. التسريبات في مسار العينة تؤدي إلى تدفق غير متناسق من الديدان أو H2O2. يمكن إعادة استخدام الصمامات المنظّمة من الصمامات الوريدية والنصف من تجارب IV-FPOP المتعددة إذا تم تنظيفها بشكل صحيح بعد كل تجربة. ومع ذلك، نوصي بتجميع نظام تدفق ميكرووتوني جديد لكل تكرار بيولوجي. إذا تم تجميع microfluidics بشكل صحيح ، فإن الديدان وH2O2 سيختلطان عند الخلط – T مع الحد الأدنى من ضغط الظهر. كما مراقبة الجودة (QC) من نظام التدفق microfluidic، ونحن نوصي اختبار كفاءة خلط باستخدام الأصباغ الملونة. من المهم مراقبة حركة الستيرات المغناطيسية داخل حقنة الدودة أثناء IV-FPOP ، أو خلط العينة غير السليم في حقنة الدودة أو خلط T يمكن أن يؤدي إلى ضغط الظهر مما تسبب في تسرب. وبالإضافة إلى ذلك، تؤدي ظروف الخلط السيئة إلى خسائر كبيرة في العينة، وضعف التعرض للديدان بالليزر عند نافذة الليزر، وانسدادها.
C. elegans صيانة مهم من أجل تقليل الأكسدة الخلفية. نوصي بزراعة الديدان في درجات حرارة منخفضة في ظل ظروف منخفضة الإجهاد حيث يمكن أن تؤثر درجات الحرارة المرتفعة على أكسدة الخلفية الإجمالية. ويوصى بمجموعة عينة تحكم من الديدان فقط، لا H2O2 ولا تشعيع الليزر، لجميع التجارب IV-FPOP لحساب أكسدة الخلفية بسبب الصيانة المختبرية. واحدة من القيود الحالية لهذه التقنية هو العدد الإجمالي للببتيدات المعدلة الأكسدية التي تم تحديدها والعدد الإجمالي للمخلفات المؤكسدة لكل ببتيد من أجل الحصول على معلومات هيكلية أعلى البروتين. على الرغم من عدم التوصية، يمكن تحقيق زيادة في التعديلات التأكسدية باستخدام تركيزات أعلى من بيروكسيد الهيدروجين. زيادة في بيروكسيد الهيدروجين يمكن أن يغير بشكل كبير المسارات البيولوجية الهامة وكذلك يؤدي إلى التتكشف الناجمعن الأكسدة. إذا تم زيادة تركيز بيروكسيد الهيدروجين لIV-FPOP، فمن المستحسن لاختبار قابلية دودة وأكسدة الخلفية كما تركيزات أعلى من 200 mM لم يتم اختبارها.
يمكن تحسين بروتوكول LC-MS/MS الموصوف وتعديله لتلبية MS QC من المختبرات الأخرى. وقد ثبت سابقا استخدام تقنيات الكروماتوغرافيا 2D لزيادة تحديد الببتيدات المعدلة أكسدة والبروتينات18. ومع ذلك، لا ينصح تقنيات إثراء البروتين التي تستهدف بروتين معين من الفائدة، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر هطول الأمطار المضادة للأجسام أو المقالات المنسدلة. هذه التقنيات يمكن أن تنحاز إلى واحد متوافق البروتين إذا تم تعديل موقع epitope / ملزمة من البروتين أكسدة IV-FPOP. التطورات الجديدة في البصمة الكواشف الراديكالية، مثل الأنيون الراديكالي كبريتات10 أو ثلاثي فلوروميثيليشن19 يمكن أن تزيد من براعة IV-FPOP. على الرغم من أن كاشف الوسم الوحيد الذي تم اختباره في الجسم الحي حتى الآن هو بيروكسيد الهيدروجين ، إلا أنه يمكن تحسين الجذور الأخرى التي يتم تنشيطها بالليزر. وينبغي أن يثبت استخدام الجذور الأخرى لتكون متوافقة مع قابلية الدودة، نفاذية الخلية، والطول الموجي ليزر 248 نانومتر. بسبب استخدام C. elegans كنظام نموذجي للعديد من الأمراض البشرية ، فإن IV-FPOP لديه القدرة على أن يكون له تأثير قوي في دراسة دور بنية البروتين في مسببات الأمراض.
The authors have nothing to disclose.
وقد تم دعم هذا العمل من خلال صناديق بدء التشغيل من جامعة ماريلاند وبالتيمور وNIH 1R01 GM 127595 الممنوحة لLMJ. يشكر المؤلفون الدكتور دانيال ديردج على مساعدته في تحرير المخطوطة.
15mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-959-53A | any brand is sufficient |
5 mL Gas Tight Syringe, Removable Luer Lock | SGE Analytical Science | 008760 | 2 minimum |
60 Sonic Dismembrator | Fisher Scientific | FM3279 | This item is no longer available. Any low-volume sonicator will be sufficient |
Acetone, HPLC Grade | Fisher Scientific | A929-4 | 4 L quantity is not necessary |
Acetonitrile with 0.1% Formic Acid (v/v), LC/MS Grade | Fisher Scientific | LS120-500 | |
ACQUITY UPLC M-Class Symmetry C18 Trap Column, 100Å, 5 µm, 180 µm x 20 mm, 2G, V/M, 1/pkg | Waters | 186007496 | |
ACQUITY UPLC M-Class System | Waters | ||
Aluminum Foil | Fisher Scientific | 01-213-100 | any brand is sufficient |
Aqua 5 µm C18 125 Å packing material | Phenomenex | ||
Centrifuge | Eppendorf | 022625501 | |
Delicate Task Wipers | Fisher Scientific | 06-666A | |
Dissecting Needle | Fisher Scientific | 50-822-525 | only a couple are needed |
Dithiothreiotol (DTT) | AmericanBio | AB00490-00005 | |
DMSO, Anhydrous | Invitrogen | D12345 | |
Epoxy instant mix 5 minute | Loctite | 1365868 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Fisher Scientific | S311-100 | |
EX350 excimer laser (248 nm wavelength) | GAM Laser | ||
FEP Tubing 1/16" OD x 0.020" ID | IDEX Health & Sciene | 1548L | |
Formic Acid, LC/MS Grade | Fisher Scientific | A117-50 | |
HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | |
HV3-2 VALVE | Hamilton | 86728 | 2 minimum |
Hydrochloric Acid | Fisher Scientific | A144S-500 | |
Hydrogen Peroxide | Fisher Scientific | H325-100 | any 30% hydrogen peroxide is sufficient |
Iodoacetamide (IAA) | ACROS Organics | 122270050 | |
Legato 101 syringe pump | KD Scientific | 788101 | |
Luer Adapter Female Luer to 1/4-28 Male Polypropylene | IDEX Health & Sciene | P-618L | 2 minimum |
Magnesium Sulfate | Fisher Scientific | M65-500 | |
Methanol, LC/MS Grade | Fisher Scientific | A454SK-4 | 4 L quantity is not necessary |
Microcentrifuge | Thermo Scientific | 75002436 | |
N,N′-Dimethylthiourea (DMTU) | ACROS Organics | 116891000 | |
NanoTight Sleeve Green 1/16" ID x .0155" ID x1.6"' | IDEX Health & Sciene | F-242X | |
NanoTight Sleeve Yellow 1/16" OD x 0.027" ID x 1.6" | IDEX Health & Sciene | F-246 | |
N-tert-Butyl-α-phenylnitrone (PBN) | ACROS Organics | 177350250 | |
OmniPur Phenylmethyl Sulfonyl Fluoride (PMSF) | Sigma-Aldrich | 7110-OP | any protease inhibitor is sufficient |
Orbitrap Fusion Lumos Tribrid Mass Spectrometer | Thermo Scientific | other high resolution instruments (e.g. Q exactive Orbitrap or Orbitrap Fusion) can be used | |
PE50-C pyroelectric energy meter | Ophir Optronics | 7Z02936 | |
Pierce Quantitative Colorimetric Peptide Assay | Thermo Scientific | 23275 | |
Pierce Rapid Gold BCA Protein Assay Kit | Thermo Scientific | A53225 | |
Pierce Trypsin Protease, MS Grade | Thermo Scientific | 90058 | |
Polymicro Cleaving Stone, 1" x 1" x 1/32” | Molex | 1068680064 | any capillary tubing cutter is sufficient |
Polymicro Flexible Fused Silica Capillary Tubing, Inner Diameter 250µm, Outer Diameter 350µm, TSP250350 | Polymicro Technologies | 1068150026 | |
Polymicro Flexible Fused Silica Capillary Tubing, Inner Diameter 450µm, Outer Diameter 670µm, TSP450670 | Polymicro Technologies | 1068150625 | |
Polymicro Flexible Fused Silica Capillary Tubing, Inner Diameter 75µm, Outer Diameter 375µm, TSP075375 | Polymicro Technologies | 1068150019 | |
Potassium Phosphate Monobasic | Fisher Scientific | P382-500 | |
Proteome Discover (bottom-up proteomics software) | Thermo Scientific | OPTON-30799 | |
Rotary Magnetic Tumble Stirrer | V&P Scientific, Inc. | VP 710D3 | |
Rotary Magnetic Tumble Stirrer, accessory kit for use with Syringe Pumps | V&P Scientific, Inc. | VP 710D3-4 | |
Scissors | Fisher Scientific | 50-111-1315 | any scissors are sufficient |
Self-Adhesive Label Tape | Fisher Scientific | 15937 | one roll is sufficient |
Snap-Cap Microcentrifuge Flex-Tube Tubes | Fisher Scientific | 05-402 | any brand is sufficient |
Sodium Chloride | Fisher Scientific | S271-500 | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Fisher Scientific | 15-525-017 | |
Sodium Phosphate Dibasic Heptahydrate | Fisher Scientific | S373-500 | |
Stereo Zoom Microscope | Fisher Scientific | 03-000-014 | a magnifying glass is sufficient |
Super Flangeless Ferrule w/SST Ring, Tefzel (ETFE), 1/4-28 Flat-Bottom, for 1/16" OD | IDEX Health & Sciene | P-259X | |
Super Flangeless Nut PEEK 1/4-28 Flat-Bottom, for 1/16" & 1/32" OD | IDEX Health & Sciene | P-255X | |
Super Tumble Stir Discs, 3.35 mm diameter, 0.61 mm thick | V&P Scientific, Inc. | VP 722F | |
Tris Base | Fisher Scientific | BP152-500 | |
Universal Base Plate, 2.5" x 2.5" x 3/8" | Thorlabs Inc. | UBP2 | |
Urea | Fisher Scientific | U5378 | |
VHP MicroTight Union for 360µm OD | IDEX Health & Sciene | UH-436 | 2 minimum |
Water with 0.1% Formic Acid (v/v), LC/MS Grade | Fisher Scientific | LS118-500 | |
Water, LC/MS Grade | Fisher Scientific | W6-4 |