Deze methode beschrijft de beoordeling van wereldwijde veranderingen in de ubiquitin ketentopologie. De beoordeling wordt uitgevoerd door de toepassing van een op massaspectrometrie gebaseerde gerichte proteomics-benadering.
Beoordeling van het globale profiel van ubiquitin ketentopologieën binnen een proteoom is van belang om een breed scala aan biologische vragen te beantwoorden. Het hier geschetste protocol maakt gebruik van de di-glycine (-GG) modificatie die overblijft na de tryptische vertering van ubiquitin opgenomen in een keten. Door deze topologie-karakteristieke peptiden te kwantificeren kan de relatieve overvloed van elke ubiquitin ketentopologie worden bepaald. De stappen die nodig zijn om deze peptiden te kwantificeren door middel van een experiment voor parallelle reactiemonitoring worden gerapporteerd rekening houdend met de stabilisatie van alomtegenwoordige ketens. Voorbereiding van zware controles, cellyse en spijsvertering worden beschreven, samen met de juiste workflow voor het instellen van massaspectrometers en gegevensanalyse. Een voorbeeld van een dataset met verstoringen in de ubiquitin topologie wordt gepresenteerd, vergezeld van voorbeelden van hoe optimalisatie van het protocol de resultaten kan beïnvloeden. Door de beschreven stappen te volgen, kan een gebruiker een globale beoordeling uitvoeren van het alomtegenwoordige topologielandschap binnen hun biologische context.
De nauwe regulering van de eiwitfunctie en -stabiliteit is van het grootste belang, omdat ze belangrijke aanjagers zijn van fenotypische controle van de biologie. De functie van een eiwit is opgebouwd uit twee componenten: de intrinsieke polypeptidesequentie en eventuele posttranslationele modificaties (PTM’s). Er zijn verschillende chemische PTM’s geïdentificeerd, waaronder glycosylatie, fosforylering, acetylatie en methylatie1. In 1975 identificeerden Goldstein et al.2 een klein eiwit en noemden het alomtegenwoordig vanwege zijn alomtegenwoordige aard. Ubiquitin bleek belangrijk te zijn bij eiwitafbraak3. Sindsdien is echter vastgesteld dat de functie van alomtegenwoordigheid als signaalmolecuul veel verder reikt dan de regulering van eiwitstabiliteit. Ubiquitin-signalering is betrokken bij een breed scala aan andere biologische functies, zoals eiwitstabilisatie, autofagie, celcycluscontrole en eiwithandel4.
Terwijl andere PTM’s over het algemeen binair zijn (d.w.z. het eiwit wordt gewijzigd of ongewijzigd gelaten) voor een bepaalde site, kan ubiquitin een eiwit zowel als monomeer als als polymere keten wijzigen, waarbij de bijgevoegde ubiquitin zelf wordt alomtegenwoordig. Verder kan deze polyubiquitinatieketen zich in verschillende topologieën ontwikkelen met de alomtegenwoordigheid van de vorige ubiquitin die zich hecht aan een van de acht koppelingsplaatsen5,6. Ubiquitin wordt overgedragen door een multistep enzymatisch proces (Figuur 1) waarbij het C-eindpunt van ubiquitin is gekoppeld aan een van de zeven lysineresiduen (K06, K11, K27, K29, K33, K48 of K63) of de N-terminal van de vorige ubiquitin (aangeduid als de M1 of lineaire ubiquitinatie)5,6. Deze ketentopologie is de sleutel tot het lot van het eiwit onder modificatie. De modificatie met een K48- of K11-gekoppelde keten leidt bijvoorbeeld tot de afbraak van het gemodificeerde eiwit bij het proteasoom, terwijl een lineaire keten nodig is voor de activering van NF-kB-signalering. De relatieve verdeling van deze ketentopologieën is dus relevant voor een breed scala aan biologische vragen.
Het gebruik van massaspectrometrie (MS) is van bijzonder belang voor de analyse van de ubiquitinketentopologie, omdat het niet afhankelijk is van op antilichamen gebaseerde of op affiniteit gebaseerde interacties7,8, waarvan er vele een beperkte specificiteit hebben en geen onderscheid maken tussen de verschillende ketentypen. Een andere detectiemogelijkheid is het gebruik van genetisch gemodificeerde ubiquitin mutanten. Hier wordt een specifieke lysine ingeruild voor arginine, die de modificatie door ubiquitin niet kan ondersteunen. Het gebrek aan ubiquitin ketenvorming op het substraateiwit wordt vervolgens geïnterpreteerd als bewijs voor een specifieke topologie9.
Ms-gebaseerde identificatie van alomtegenwoordige eiwitten is gebaseerd op het feit dat het C-eindpunt van ubiquitin een arginineresidu in positie 74 bevat dat door trypsine wordt herkend tijdens de proteolytische bereiding van de monsters voor MS-analyse, waarbij de C-terminale dubbele glycine wordt gescheiden. Deze GlyGly (-GG) blijft verbonden met de ε-aminogroep van het lysineresidu van het substraateiwit. Voor ubiquitin topologie analyse, de wijziging vindt plaats op een van de zeven lysine residuen van ubiquitin. Hierdoor ontstaat een set van zeven belangrijke peptiden die een lysineresidu bevatten dat wordt gewijzigd door GG, specifiek voor elk van de topologieën (Figuur 2). Bijvoorbeeld, met K06 topologie, de lysine op positie 6 op de aminozuur volgorde zal worden beschermd tegen tryptische spijsvertering met een -GG modificatie van 114 Da toegevoegd aan deze lysine.
Identificatie van specifieke vooraf bepaalde peptiden door MS wordt aangeduid als gerichte proteomics, of meer specifiek, gerichte peptide acquisitie10. Afhankelijk van de prestaties van de gebruikte massaspectrometer zijn twee methoden ontwikkeld. Dit zijn selected reaction monitoring (SRM), ook wel multiple reaction monitoring (MRM) en parallel reaction monitoring (PRM) genoemd. SRM omvat de selectie van overgangen bestaande uit de precursor m/z en het product ion m/z. Omgekeerd vereist PRM alleen de voorloper m/z. Na de selectie wordt een volledige enquêtescan van de productionen uitgevoerd. Dit heeft als voordeel dat vóór de meting geen geschikte productionen voor kwantificering op de specifieke massaspectrometer nodig zijn. Zowel SRM als PRM kunnen, afhankelijk van het instrument, worden ingepland. Planning is de praktijk van het toewijzen van een tijdvenster waarin een bepaald ion zal worden opgenomen voor analyse, omdat peptiden eluting op gedefinieerde retentietijden van het chromatografische systeem. Het verminderen van het aantal ionen dat op een bepaald moment wordt ondervraagd, verhoogt de frequentie van ondervraging van die ionen die op dat moment zijn gepland, waardoor de nauwkeurigheid van de gegevens wordt verbeterd.
Over het algemeen is de toepassing van gerichte proteomica voor alomtegenwoordige topologie hetzelfde als elk ander gericht proteomics-experiment. Twee belangrijke verschillen zijn echter belangrijk: ten eerste moet rekening worden gehouden met de stabiliteit van alomtegenwoordige ketens. Er zijn meerdere krachtige deubiquitinerende enzymen (DUBs) die snel ketens afbreken bij cellysis. De alomtegenwoordige proteasen vallen in twee categorieën, de thioesterases en metalloproteases. De meeste ubiquitin-hydrolasen zijn thioesterases en dragen een cysteïneresidu in hun actieve centrum. Door dit cysteïneresidu te alkyleren, kunnen ze worden geactiveerd. Als zodanig is het gebruik van ubiquitin stabilisatiebuffers die alkylerende middelen bevatten, zoals N-ethylmaleimide (NEM), en sterk denaturerende chemicaliën, en het gekoeld houden van monsters van vitaal belang voor een succesvolle analyse. Ten tweede, in tegenstelling tot andere gerichte experimenten, is de peptidekeuze vast. In een typisch gericht experiment kan een proteotypisch peptide worden geselecteerd voor goede chromatografische en ionisatieprestaties. Voor sommige topologie-karakteristieke peptiden zoals K48 zijn deze eigenschappen goed, terwijl ze voor anderen minder wenselijk zijn. K33-chromatografie in een typische omgekeerde fase-instelling is bijvoorbeeld slecht vanwege de vorming van een uitgerekt elutieprofiel en de slechte ionisatie-eigenschappen van het K27-peptide verminderen de zichtbaarheid met MS12.
In dit protocol beschrijven we hoe we een alomtegenwoordige topologiebeoordeling van een biologisch monster door PRM kunnen uitvoeren. Voorbeeldgegevens voor de procedure worden gepresenteerd met behulp van een verstoring van het proteasoom met behulp van MG-132-remmerbehandeling in verschillende celtypen.
Analyse van de alomtegenwoordige toestand binnen een proteoom is van toenemend belang voor een breed scala aan biologische vragen. De beschrijving van de alomtegenwoordigheidstoestand van een monster moet zich niet alleen richten op het profiel van eiwitten die alomtegenwoordig zijn, maar ook op de topologie van een dergelijke alomtegenwoordigheid. De beoordeling van deze topologie door gerichte MS, zoals hier beschreven, speelt een rol in een breed scala aan biologische onderzoeken.
Het moet …
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen Céline Jeanty bedanken voor haar hulp bij het maken van cellulaire pellets met behandeling van MG-132 zoals beschreven in de representatieve resultaten en Elise Mommaerts voor haar levering van E. coli pellets die in het protocol worden gebruikt.
Acetonitrile (ACN) | Merck | 100029 | |
Ammonium bicarbonate (ABC) | Fluka | 9830 | |
Centrifuge | Beckman Coulter | Microfuge 16 | |
Chloroacetamide (CAA) | Sigma | 22790 | |
Eppendorf LoBind | Eppendorf | 22431081 | |
Formic acid (FA) | Thermo Fisher Scientific | 85178 | |
Heavy Peptides | JPT Peptide Technologies | ||
HPLC | Dionex | Ulitimate 3000 | |
LC Column | Thermo Fisher Scientific | 160321 | |
Lys C | Wako | 125-05061 | |
Mass Spectrometer | Thermo Fisher Scientific | Q-Exactive Plus | |
N-ethylmaleimide (NEM) | ACROS Organics | 156100050 | |
Positive Control Chain K48 | Boston Biochem | UC-240 | |
Positive Control Chain K63 | Boston Biochem | UC-340-100 | |
Positive Control Chain M1 | Boston Biochem | UC-710B-025 | |
Sodium Hydroxide (NaOH) | Sigma | S5881 | |
Sonifier | Branson sonifier | SFX 150 | |
Thermomixer | Eppendorf | Thermomixer Comfort | |
Trifluoroacetic acid (TFA) | Sigam | T6508 | |
Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP) | Thermo Fisher Scientific | 77720 | |
Trypsin | Promega | V1511A | |
Urea | Sigma | 51456 | |
Waters μElution C18 plates | Waters | 186002318 |