ההרכב המבני של אלפא-סינוקלאין מונומרי משפיע על תפקודו הפיזיולוגי ועל תכונותיו הפיזיקוכימיות. הפרוטוקול הנוכחי מתאר כיצד לבצע ספקטרומטריית מסות חילופי מימן/דאוטריום של אלפיות השנייה וניתוחי נתונים מאוחרים יותר כדי לקבוע מידע קונפורמי על המונומר של חלבון זה בעל הפרעה פנימית בתנאים פיזיולוגיים.
אלפא-סינוקלאין (aSyn) הוא חלבון בעל הפרעה פנימית, שאגרגטי הפיברילאר שלו מצויים בשפע בגופי לוי ובנוייריטים, שהם סימני ההיכר של מחלת הפרקינסון. עם זאת, חלק גדול מהפעילות הביולוגית שלו, כמו גם הצבירה שלו, כוללים באופן מרכזי את צורת המונומר המסיסה של החלבון. הבהרת המנגנונים המולקולריים של הביולוגיה והפתופיזיולוגיה של aSyn דורשת שיטות פתורות מאוד מבחינה מבנית והיא רגישה לתנאים ביולוגיים. המבנים המטא-יציבים שלה, המתגלגלים באופן מקורי, הופכים את ה-aSyn המונומרי לבלתי ניתן לתיקון לטכניקות רבות של ביולוגיה מבנית. כאן מתואר היישום של גישה אחת כזו: ספקטרומטריית מסה של חילופי מימן/דאוטריום (HDX-MS) על ציר הזמן של אלפית השנייה לחקר חלבונים עם יציבות תרמודינמית נמוכה וגורמי הגנה חלשים, כגון aSyn. בקנה מידה של אלפית השנייה, נתוני HDX-MS מכילים מידע על נגישות הממס ועל המבנה הקשור למימן של aSyn, אשר הולכים לאיבוד בזמני תיוג ארוכים יותר, ובסופו של דבר מניבים רזולוציה מבנית עד לרמת חומצות האמינו. לכן, HDX-MS יכול לספק מידע ברזולוציות מבניות וטמפורליות גבוהות על דינמיקה קונפורמציה ותרמודינמיקה, אינטראקציות תוך-מולקולריות ובין-מולקולריות, וההשפעה המבנית של מוטציות או שינויים בתנאים הסביבתיים. למרות שהוא ישים באופן נרחב, הוא מודגם כיצד לרכוש, לנתח ולפרש מדידות HDX-MS של אלפיות השנייה ב- aSyn מונומרי.
מחלת פרקינסון (PD) היא מחלה נוירודגנרטיבית המשפיעה על מיליוני אנשים ברחבי העולם1. הוא מאופיין על ידי היווצרות של תכלילים ציטופלסמיים הידועים בשם גופי לוי ונויריטים לוי באזור substantia nigra pars compacta של המוח. תכלילים ציטופלסמיים אלה נמצאו כמכילים אגרגטים של החלבון aSyn2 בעל הפרעה פנימית. ב-PD ובסינוקלינופתיות אחרות, aSyn הופך ממצב של הפרעה מסיסה למצב מחלה בלתי מסיס ומובנה מאוד. בצורתו המקורית, aSyn מונומרית מאמצת מגוון רחב של קונפורמציות המיוצבות על ידי אינטראקציות אלקטרוסטטיות ארוכות טווח בין N ו-C-termini שלה לבין אינטראקציות הידרופוביות בין C-terminus שלה לבין רכיב בטא שאינו עמילואידי (NAC) באזור 3,4,5,6. כל שיבוש באותן אינטראקציות מייצבות, כגון מוטציות, שינויים לאחר תרגום ושינויים בסביבה המקומית, יכול להוביל לקיפול שגוי של המונומר, ובכך לעורר את תהליך הצבירה7.
בעוד שקיימת כמות עצומה של מחקר על הצורות האוליגומריות והפיברילאריות של aSyn 8,9,10,11, יש צורך מכריע לחקור את הצורה המונומרית של החלבון ולהבין טוב יותר אילו קונפורמרים מתפקדים (וכיצד) ואילו נוטים לצבור 8,9,10,11 . בהיותו בעל הפרעה פנימית, רק בגודל 14 kDa, וקשה להתגבש, המונומר aSyn אינו מקובל על רוב הטכניקות הביולוגיות המבניות. עם זאת, טכניקה אחת המסוגלת למדוד את הדינמיקה הקונפורמיונלית של aSyn מונומרית היא אלפית השנייה HDX-MS, אשר יצרה לאחרונה תצפיות מבניות חשובות שיהיו מאתגרות או בלתי אפשריות להשיג אחרת 12,13,14. אלפית השנייה HDX-MS מודדת ברגישות את הממוצע של ההרכב הקונפורמציה של החלבון על ידי ניטור ההחלפה האיזוטופית באמיד מימן, מה שמעיד על נגישות ממסים והשתתפות ברשת קשרי מימן של אזור חלבון מסוים על ציר הזמן של אלפית השנייה. יש צורך להדגיש את ההיבט של אלפית השנייה של HDX-MS שכן, בשל אופיו המטא-יציב, המתגלגל באופן מקורי, aSyn מציג קינטיקה מהירה מאוד של חילופי מימן המתבטאת הרבה מתחת לגבול התחתון של מערכות HDX-MS קונבנציונליות. לדוגמה, רוב מולקולת aSyn החליפה לחלוטין מימן עבור דאוטריום בתנאים תוך תאיים בפחות משנייה אחת. מספר מעבדות בנו כעת מכשור ערבוב מהיר; במקרה זה, אב טיפוס של מכשיר זרימת מרווה מהיר בערבוב מהיר המסוגל לבצע HDX-MS עם זמן מת של 50 אלפיות השנייה ורזולוציה זמנית של 1 אלפיות השנייה משמש15. בעוד אלפית השנייה HDX-MS היה לאחרונה חשוב מאוד במחקר של aSyn, זה עומד להיות בעל ערך בחקר חלבונים / אזורים מופרעים במהותם באופן נרחב יותר ומספר רב של חלבונים עם לולאות / אזורים שהם רק יציבים חלשה. לדוגמה, תרופות פפטידיות (למשל, אינסולין; GLP-1/גלוקגון; tirzepatide) וחלבוני היתוך פפטידים (למשל, מעכב ה- HIV FN3-L35-T1144) הם פורמטים עיקריים של תרופות שבהן מידע מבני ויציבות בשלב התמיסה יכול להיות קלט קריטי להחלטות פיתוח תרופות, ובכל זאת, הפפטיד מואטי הוא לעתים קרובות רק יציב חלש ובלתי ניתן לתיקון על ידי HDX-MS בלוח הזמנים של השניות 16,17,18,19,20 . שיטות HDX-MS מתפתחות עם תיוג בתחומים של שניות/דקות הוכחו כמפיקות מידע מבני עבור דנ”א G-quadxes, אך יש לאפשר להרחיב זאת למבנים אוליגונוקלאוטידים מגוונים יותר על ידי יישום של אלפית השנייה HDX-MS21.
ניסויי HDX-MS יכולים להתבצע בשלוש רמות שונות: (1) מלמטה למעלה (לפיה החלבון המסומן מתעכל באופן פרוטאוליטי), (2) אמצע-מטה (לפיו החלבון המסומן מתעכל באופן פרוטאוליטי, והפפטידים המתקבלים מקוטעים עוד יותר על ידי טכניקות פיצול רך), ו-(3) מלמעלה למטה (לפיהם טכניקות פיצול רך מפרקות ישירות את החלבון המסומן)22 . לפיכך, נתוני HDX-MS תת-מולקולריים מאפשרים לנו להתאים את התנהגות החליפין לאזורים ספציפיים של חלבון, מה שהופך את זה לחיוני שיהיה כיסוי רצפים הולם לניסויים כאלה. הרזולוציה המבנית של כל ניסוי HDX-MS מסתמכת על מספר הפפטידים או השברים הפרוטאוליטיים שמקורם בחלבון בעת העיכול או בפיצול רך, בהתאמה. בכל אחד משלושת סוגי הניסויים שתוארו לעיל, השינוי בחילופי האמיד בכל פפטיד/מקטע ממופה בחזרה למבנה הראשוני של החלבון כדי להצביע על התנהגותם של אזורים מקומיים של החלבון. בעוד שהרזולוציה המבנית הגבוהה ביותר מושגת באמצעות פיצול רך, התיאור של ניסויים אלה הוא מחוץ לתחום המחקר הנוכחי, המתמקד במדידת קונפורמציות מונומר aSyn. תוצאות מצוינות ניתן להשיג עם זרימת העבודה הנפוצה “מלמטה למעלה” המתוארת כאן.
כאן, ניתנים נהלים על (1) כיצד להכין ולטפל בדגימות aSyn ובמאגרי HDX-MS, (2) כיצד לבצע מיפוי פפטידים עבור ניסוי HDX-MS מלמטה למעלה, (3) כיצד לרכוש נתוני HDX-MS על aSyn מונומרי בתנאים פיזיולוגיים, במיוחד בתחום הזמן של אלפית השנייה (באמצעות מכשיר שנבנה בהתאמה אישית; תוארו גם מכשירים חלופיים לתיוג אלפיות השנייה), וכן (4) כיצד לעבד ולנתח את נתוני HDX-MS. שיטות המשתמשות ב- aSyn מונומרי ב- pH פיזיולוגי (7.40) בשני מצבי תמיסה מודגמות כאן. למרות שהם שימושיים באופן קריטי במחקר של aSyn, הליכים אלה יכולים להיות מיושמים על כל חלבון ואינם מוגבלים לחלבונים עם הפרעה פנימית.
במאמר הנוכחי מתוארים ההליכים הבאים: (1) ביצוע ניסויי מיפוי פפטידים על aSyn מונומרי כדי לקבל את כיסוי הרצף הגבוה ביותר, (2) רכישת נתוני HDX-MS של אלפיות השנייה על aSyn מונומרי בתנאים פיזיולוגיים, ו-(3) ביצוע ניתוח נתונים ופרשנות של נתוני HDX-MS המתקבלים. ההליכים המסופקים הם בדרך כלל פשוטים לביצוע, כל ניסו…
The authors have nothing to disclose.
NS ממומן על ידי מלגת יובל היהלומים של מועצת האוניברסיטה. JJP נתמך על ידי מלגת מנהיגי העתיד של UKRI [מספר מענק: MR/T02223X/1].
1 × 100 mm ACQUITY BEH 1.7 μm C18 column | Waters Corporation | 186002346 | Analytical column |
Acetonitrile HPLC grade >99.9% HiPerSolv | VWR | 20060.420 | For LC mobile phases |
CaCl2 | Sigma Aldrich | C5670 | Salt for HDX buffers |
Chronos | Axel Semrau (Purchased from Waters Corporation) | 667006090 | Scheduling software to enable multiple HDX-MS sample injections automatically. Alternative software is available from other vendors e.g. HDXDirector or LEAP Shell |
Deuterium chloride | Goss Scientific (Cambridge Isotope Laboratories) | DLM-2-50 | For HDX labelling buffers |
Deuterium oxide (99.9% D2O) | Goss Scientific (Cambridge Isotope Laboratories) | DLM-4 | Deuterated water |
DynamX 3.0 | Waters Corporation | 176016027 | Isotopic assignment and deuterium incorporation calculation |
Enzymate BEH Pepsin Column | Waters Corporation | 186007233 | Pepsin digestion column |
Formic Acid, 99.0% LC/MS Grade | Fisher Scientific | 10596814 | For LC mobile phases |
Guanidinium hydrochloride | Sigma Aldrich | RDD001-500G | Chaotrope/Denaturant |
HDfleX | University of Exeter | N/A | https://ore.exeter.ac.uk/repository/handle/10871/127982 |
KCl | Sigma Aldrich | P3911 | Salt for HDX buffers |
LEAP HDX-2 CTC PAL sampling robot | Waters Corporation | 725000637 | Autosampler robot |
Leucine enkephalin | Waters Corporation | 186006013 | For mass spectrometry lockspray calibration. |
MassLynx | Waters Corporation | 667004007 | Software controlling inlet methods and mass spectrometer |
Maximum recovery vials | Waters Corporation | 600000670CV | 100 pack including caps – used for quench tray in LEAP HDX-2 |
MgCl2 | Sigma Aldrich | M8266 | Salt for HDX buffers |
Millipore 0.22 µm syringe filters | Millipore | N9CA7069B | Syringe filters |
ms2min | Applied Photophysics Ltd | N/A | fast-mix quench-flow millisecond hdx instrument |
NaCl | Sigma Aldrich | S9888 | Salt for HDX buffers |
Peltier temperature controller | LEAP Technologies Inc. | HP115-COOL/D | Peltier controller to set precise temperature of chambers in the LEAP robot. |
ProteinLynx Global Server 3.0 | Waters Corporation | 715001030 | Peptide identification software. Alternative software is available from other vendors. |
Reagent pot caps | Waters Corporation | 186004632 | 100 pack |
Reagent pots for LEAP HDX-2 | Waters Corporation | 186001420 | 100 pack excluding caps – used for buffers in LEAP HDX-2 |
Sodium deuteroxide (99.5% in D2O) | Goss Scientific (Cambridge Isotope Laboratories) | DLM-57 | For HDX labelling buffers |
Spin filter microcentrifuge tubes (3 kDa MWCO) | Amicon (Merck Sigma Aldrich) | UFC5003 | Micro centrifuge tubes to concentrate protein. This facilitates buffer exchange and accurate sample loading for HDX-MS experiments. |
Synapt G2-Si mass spectrometer | Waters Corporation | 176850035 | Mass spectrometer |
Total recovery vials | Waters Corporation | 600000671CV | 100 pack including caps – used for labelling tray in LEAP HDX-2 |
Tris-HCl | Sigma Aldrich | T3253-250G | Buffer |
Trizma base | Sigma Aldrich | T60040-B2005 | Buffer |
Urea | Sigma Aldrich | U5378-1KG | Chaotrope/Denaturant |
VanGuard 2.1 x 5 mm ACQUITY BEH C18 column | Waters Corporation | 186004623 | Trap desalting column |