Isolamento dell'istono dal tessuto fogliare di sorgo per la profilazione della spettrometria di massa dall'alto verso il basso dei potenziali marcatori epigenetici
Summary
Il protocollo è stato sviluppato per estrarre efficacemente istoni intatti dai materiali fogliari di sorgo per la profilazione di modifiche post-tras trasunzionali istone che possono servire come potenziali marcatori epigenetici per aiutare le colture resistenti alla siccità ingegneristica.
Abstract
Gli istoni appartengono a una famiglia di proteine altamente conservate negli eucarioti. Impacchettano il DNA in nucleosomi come unità funzionali di cromatina. Le modifiche post-trascizionali (PTM) degli istoni, che sono altamente dinamiche e possono essere aggiunte o rimosse dagli enzimi, svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione dell’espressione genica. Nelle piante, i fattori epigenetici, comprese le PTT istono, sono correlati alle loro risposte adattive all’ambiente. Comprendere i meccanismi molecolari del controllo epigenetico può portare opportunità senza precedenti per soluzioni innovative di bioingegneria. Qui descriviamo un protocollo per isolare i nuclei e purificare gli istoni dal tessuto fogliare di sorgo. Gli istone estratti possono essere analizzati nelle loro forme intatte mediante spettrometria di massa dall’alto verso il basso (MS) accoppiata con cromatografia liquida in fase inversa (RP) online (LC). Le combinazioni e la stechiometria di più PTM sullo stesso proteoforma istono possono essere facilmente identificate. Inoltre, il ritaglio della coda istonale può essere rilevato utilizzando il flusso di lavoro LC-MS dall’alto verso il basso, producendo così il profilo PTM globale degli istoni principali (H4, H2A, H2B, H3). Abbiamo applicato questo protocollo in precedenza per profilare le PLOM istone dal tessuto fogliare di sorgo raccolte da uno studio sul campo su larga scala, volto a identificare marcatori epigenetici di resistenza alla siccità. Il protocollo potrebbe potenzialmente essere adattato e ottimizzato per il sequenziamento dell’immunoprecipitazione della cromatina (ChIP-seq), o per lo studio delle PTM istonali in piante simili.
Introduction
Si prevede che la crescente gravità e frequenza della siccità influirà sulla produttività delle colturecerealicole 1,2. Il sorgo è una coltura alimentare ed energetica di cereali nota per la sua eccezionale capacità di resistere alle condizioni di limitazionedell’acqua 3,4. Stiamo perseguendo la comprensione meccanicistica dell’interazione tra stress da siccità, sviluppo delle piante ed epigenetica delle piante disorgo [Sorgo bicolore (L.) Moench]. Il nostro precedente lavoro ha dimostrato forti connessioni tra microbioma vegetale e rizosfera nell’acclimatazione della siccità e risposte alivello molecolare 5,6,7. Questa ricerca spianerà la strada all’utilizzo dell’ingegneria epigenetica per adattare le colture ai futuri scenari climatici. Come parte degli sforzi per comprendere l’epigenetica, miriamo a studiare marcatori proteici che hanno un impatto sull’espressione genica all’interno dell’organismo vegetale.
Gli istoni appartengono a una famiglia altamente conservata di proteine negli eucarioti che confezionano il DNA in nucleosomi come unità fondamentali di cromatina. Le modifiche post-tras traslazione (PTM) degli istoni sono regolate dinamicamente per controllare la struttura della cromatina e influenzare l’espressione genica. Come altri fattori epigenetici, tra cui la metilazione del DNA, le PTM istono svolgono ruoli importanti in molti processibiologici 8,9. Test a base di anticorpi come le macchie occidentali sono stati ampiamente utilizzati per identificare e quantificare le PTT istonali. Inoltre, l’interazione delle PTM istonali e del DNA può essere efficacemente sondata dall’immunoprecipitazione della cromatina – sequenziamento (ChIP-seq)10. In ChIP-seq, la cromatina con PTM istonale mirato specifico è arricchita da anticorpi contro quel PTM specifico. Quindi, i frammenti di DNA possono essere rilasciati dalla cromatina arricchita e sequenziati. Vengono rivelate regioni di geni che interagiscono con la PTM istono mirata. Tuttavia, tutti questi esperimenti si basano fortemente su anticorpi di alta qualità. Per alcune varianti/omologhi istoni o combinazioni di PTM, lo sviluppo di anticorpi robusti può essere estremamente impegnativo (specialmente per più PTM). Inoltre, gli anticorpi possono essere sviluppati solo se è noto il PTM istonale mirato. 11 Pertanto, sono necessari metodi alternativi per una profilazione globale non mirata delle PTM istone.
La spettrometria di massa (SM) è un metodo complementare per caratterizzare le PTT istonali, comprese le PTM sconosciute per lequali non sono disponibili anticorpi 11,12. Il consolidato flusso di lavoro MS “bottom-up” utilizza le proteasi per digerire le proteine in piccoli peptidi prima della separazione della cromatografia liquida (LC) e del rilevamento della SM. Poiché gli istoni hanno un gran numero di residui di base (lisina e arginina), la digestione della tripsina (proteasi specifica della lisina e dell’arginina) nel flusso di lavoro standard dal basso verso l’alto taglia le proteine in peptidi molto brevi. I peptidi brevi sono tecnicamente difficili da analizzare per standard LC-MS e non conservano le informazioni sulla connettività e la stechiometria di più PTM. L’uso di altri enzimi o etichettatura chimica per bloccare le lisina genera peptidi più lunghi che sono più adatti per la caratterizzazione delle PTT istono13,14.
In alternativa, il passaggio di digestione può essere completamente omesso. In questo approccio “top-down”, gli ioni proteici intatti vengono introdotti nella SM mediante ionizzazione elettrospray (ESI) dopo la separazione LC online, producendo ioni delle proteoforme istone intatte. Inoltre, gli ioni (cioè le proteoforme) di interesse possono essere isolati e frammentati nello spettrometro di massa per produrre gli ioni di sequenza per l’identificazione e la localizzazione della PTM. Pertanto, l’MS dall’alto verso il basso ha il vantaggio di preservare le informazioni a livello di proteoforma e acquisire la connettività di più PTM e troncazioni terminali sullo stesso proteoforma15,16. Gli esperimenti dall’alto verso il basso possono anche fornire informazioni quantitative e offrire approfondimenti sui biomarcatori al livello proteicointatto 17. Nel presente documento, descriviamo un protocollo per estrarre l’istono dalla foglia di sorgo e analizzare gli istoni intatti dall’alto verso il basso LC-MS.
I dati di esempio riportati nella figura 1 e nella figura 2 provengono dalla foglia di sorgo raccolta alla settimana 2 dopo la semina. Sebbene sia prevista una variazione della resa, questo protocollo è generalmente indipendente da specifiche condizioni di campionamento. Lo stesso protocollo è stato utilizzato con successo per il tessuto fogliare vegetale di sorgo raccolto da 2, 3, 5, 8, 9 e 10 settimane dopo la semina.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo presentato descrive come estrarre gli istoni da campioni di foglie di sorgo (o più in generale foglie vegetali). La resa media dell’istone dovrebbe essere di 2-20 μg per 4-5 g di materiale fogliare di sorgo. I materiali sono sufficientemente puri per l’analisi dell’istone a valle da parte di LC-MS (per lo più istoni con contaminazione da proteine ribosomiali ~20%). È possibile ottenere una resa inferiore a causa di variazioni del campione o potenziali errori di gestione/guasti in tutto il protocollo. Ma…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo Ronald Moore e Thomas Fillmore per aver aiutato con gli esperimenti di spettrometria di massa e Matthew Monroe per la deposizione dei dati. Questa ricerca è stata finanziata da sovvenzioni del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) Biological and Environmental Research attraverso il progetto Epigenetic Control of Drought Response in Sorghum (EPICON) con il numero di premio DE-SC0014081, del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti (USDA; CRIS 2030-21430-008-00D), e attraverso il Joint BioEnergy Institute (JBEI), una struttura sponsorizzata da DOE (Contract DE-AC02-05CH11231) tra Lawrence Berkeley National Laboratory e DOE. La ricerca è stata eseguita utilizzando l’Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL) (grid.436923.9), un DOE Office of Science User Facility sponsorizzato dall’Office of Biological and Environmental Research.
Materials
| Acetonitrile | Fisher Chemical | A955-4L | |
| Dithiothreitol (DTT) | Sigma | 43815-5G | |
| EDTA, 500mM Solution, pH 8.0 | EMD Millipore Corp | 324504-500mL | |
| Formic Acid | Thermo Scientific | 28905 | |
| Guanidine Hydrochloride | Sigma | G3272-100G | |
| MgCl2 | Sigma | M8266-100G | |
| Potassium phosphate, dibasic | Sigma | P3786-100G | |
| Protease Inhibitor Cocktail, cOmplete tablets | Roche | 5892791001 | |
| Sodium butyrate | Sigma | 303410-5G | Used for histone deacetylase inhibitor |
| Sodium Chloride (NaCl) | Sigma | S1888 | |
| Sodium Fluoride | Sigma | S7020-100G | Used for phosphatase inhibitor |
| Sodium Orthovanadate | Sigma | 450243-10G | Used for phosphatase inhibitor |
| Sucrose | Sigma | S7903-5KG | |
| Tris-HCl | Fisher Scientific | BP153-500 g | |
| Triton X-100 | Sigma | T9284-100ML | |
| Weak cation exchange resin, mesh 100-200 analytical (BioRex70) | Bio-Rad | 142-5842 | |
| Disposables | |||
| Chromatography column (Bio-Spin) | BIO-RAD | 732-6008 | |
| Mesh 100 filter cloth | Millipore Sigma | NY1H09000 | This is part of the Sigma kit (catalog # CELLYTPN1) for plant nuclei extraction. Similar filters with the same mesh size can be used. |
| Micropipette tips (P20, P200, P1000) | Sigma | ||
| Tube, 50mL/15mL, Centrifuge, Conical | Genesee Scientific | 28-103 | |
| Tube, Microcentrifuge, 1.5/2 mL | Sigma | ||
| Equipment | |||
| Analytical Balance | Fisher Scientific | 01-912-401 | |
| Beakers (50mL – 2L) | |||
| Microcentrifuge with cooling | Fisher Scientific | 13-690-006 | |
| Micropipettes | |||
| Swinging-bucket centrifuge with cooling | Fisher Scientific | ||
| Vortex | Fisher Scientific | 50-728-002 | |
| Water bath Sonicator | Fisher Scientific | 15-336-120 |
References
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