Un protocole de cryoslicing polyvalent BN-MS utilisant un microtome est présenté pour le profilage complexome à haute résolution.
Les protéines exercent généralement des fonctions biologiques par des interactions avec d’autres protéines, soit dans des assemblages de protéines dynamiques, soit dans le cadre de complexes formés de façon stable. Ce dernier peut être élégamment résolu selon la taille moléculaire en utilisant l’électrophoresis indigène de gel de polyacrylamide (BN-PAGE). L’accouplement de ces séparations à la spectrométrie de masse sensible (BN-MS) a été bien établi et permet théoriquement une évaluation exhaustive du complexe extractible dans des échantillons biologiques. Cependant, cette approche est plutôt laborieuse et fournit une résolution et une sensibilité de taille complexes limitées. En outre, son application est restée limitée aux protéines mitochondriales et plastides abondantes. Ainsi, pour la majorité des protéines, l’information concernant l’intégration dans des complexes protéiques stables fait encore défaut. Présenté ici est une approche optimisée pour le profilage complexome comprenant la séparation BN-PAGE à l’échelle préparative, l’échantillonnage sous-millimètre de larges voies de gel par le criblage cryomicrotome, et l’analyse spectrométrique de masse avec la quantification sans étiquette de protéine. Les procédures et les outils pour les étapes critiques sont décrits en détail. En tant qu’application, le rapport décrit l’analyse complexome d’une fraction de membrane endosome-endosome-endosome-enrichie de reins de souris, avec 2.545 protéines profilées au total. Les résultats démontrent l’identification des protéines membranaires uniformes et à faible abondance telles que les canaux ioniques intracellulaires ainsi que des modèles complexes d’assemblage de protéines à haute résolution, y compris les isoformes de glycosylation. Les résultats sont en accord avec des analyses biochimiques indépendantes. En résumé, cette méthodologie permet une identification complète et impartiale des protéines (super)complexes et de leur composition sous-unité, fournissant une base pour étudier la stoichiométrie, l’assemblage et la dynamique d’interaction des complexes protéiques dans système biologique.
La séparation BN-PAGE a d’abord été directement couplée à l’analyse LC-MS (BN-MS) par les groupes de recherche Majeran1 et Wessels2 à l’aide de découpemanuels des voies de gel BN-PAGE. Leurs analyses ont identifié un certain nombre de complexes protéiques membranaires abondants avec la composition connue de sous-unité des plastides végétaux et des mitochondries cellulaires HEK, respectivement. Toutefois, ces analyses étaient loin d’être exhaustives et ne permettaient pas d’identifier de nouvelles assemblées de façon impartiale. Les performances des spectromètres de masse et des méthodes de quantification sans étiquette se sont considérablement améliorées depuis, ce qui a permis des analyses complètes du BN-MS. Cela a inventé le terme «profilage complexe». Par exemple, Heide et ses collègues ont analysé les mitochondries cardiaques du rat, identifiant et regroupant 464 protéines mitochondriales, confirmant ainsi de nombreux assemblages connus. En outre, ils ont trouvé TMEM126B comme une sous-unité nouvelle et cruciale d’un complexe d’assemblage spécifique3. Des résultats comparables (avec 437 profils de protéines mitochondriales) ont été obtenus dans une étude parallèle des mitochondries des cellules HEK4.
Malgré ces améliorations, plusieurs questions sont demeurées qui limitent le plein potentiel de BN-MS pour le profilage complexome. Une limitation majeure est la résolution de taille effective des complexes qui est déterminée par deux facteurs : la (i) qualité de la séparation BN-PAGE, qui dépend de l’uniformité du gradient de pores de matrice de gel ainsi que de la stabilité/solubilité des complexes d’échantillon, et (ii) la taille d’étape de l’échantillonnage de gel, qui est au mieux 1 mm en utilisant le criage manuel conventionnel5,6. La mauvaise résolution de taille manque non seulement les isoformes et les hétérogénéités complexes subtiles, mais elle affecte également négativement la gamme dynamique et la confiance de l’affectation et de la quantité impartiaux de subunit de novo.
D’autres défis incluent la précision de la quantification des protéines et la couverture de la gamme dynamique réelle des abondances de protéines dans l’échantillon par analyse spectrométrique de masse. Par conséquent, l’application du profilage du complexe BN-MS est demeurée en grande partie limitée aux échantillons biologiques présentant une complexité plus faible, une expression élevée des complexes cibles et des propriétés favorables de solubilisation (c.-à-d. plastides, mitochondries et micro-organismes)6,7,8,9,10.
Nous avons récemment introduit le BN-MS (csBN-MS) assisté par cryomicrotome, qui combine un échantillonnage précis de voies de gel BN-PAGE sous-millimétriques avec une analyse complète de la SP et un traitement élaboré des données sur la SP pour déterminer les profils protéiques à haute confiance11. L’application à une préparation mitochondriale de membrane des cerveaux de rat a démontré la résolution efficace précédemment non satisfaite de taille complexe et la couverture maximale des sous-unités oxydantes de chaîne respiratoire (OXPHOS) (c.-à-d., 90 de 90 MS-accessible). Cet exemple a également permis d’identifier un certain nombre de nouveaux assemblages de protéines.
Décrits ici sont des procédures optimisées pour la séparation à l’échelle préparative BN-PAGE des complexes protéiques (non limité à une source biologique particulière), la coulée de grands gels préparatifs BN-PAGE, le découpage cryomicrotome de larges voies de gel, et les données de SP traitement. La performance du profilage à haute résolution est démontrée pour une préparation complexe de protéine des membranes endosome-enrichies de rein de souris. Enfin, les avantages d’une résolution et d’une précision accrues de la quantification spectrométrique de masse sont discutés.
L’étude présentée s’est construite sur la technique csBN-MS précédemment comparée à une préparation mitochondriale11 et a incorporé des améliorations dans la préparation d’échantillon, le traitement de gel, et l’évaluation de données de SP. L’analyse ciblée d’une section du gel BN-PAGE de séparation à grande échelle a fourni un ensemble complet de données montrant des mesures de qualité comparables à l’étude avec des membranes mitochondriales. Les erreurs de temps de masse et de rétention ainsi que les variations de courant à fonctionnement ont été maintenues très faibles et ont fourni la base pour déterminer les profils fiables d’abondance de protéine. La résolution de la taille semblait bonne, avec des largeurs de pointe demi-maximales aussi basses que six tranches (correspondant à 1,5 mm, figure 4) et des différences de taille relatives inférieures à 10 % résolues (Figure 3, Figure 5A). Ces valeurs ne répondaient pas entièrement à la qualité de résolution de la taille de l’analyse csBN-MS précédente des mitochondries (malgré la taille plus petite de l’étape d’échantillonnage de gel choisie), mais elles sont nettement meilleures que les performances du BN-MS conventionnel ou de la SP d’exclusion de taille approche20 qui sont récemment devenus populaires.
L’importance d’une résolution de taille complexe efficace est soulignée par l’expérience de simulation de la figure 3 (à l’aide des complexes associés au TPC1) qui peut difficilement être résolue par l’analyse de la tache occidentale 2D BN/SDS-PAGE ( Figure1B). Ces résultats suggèrent que le tranchage de 0,25 mm dans ce cas a entraîné un certain suréchantillonnage, mais il s’est avéré tout de même utile pour l’élimination du « bruit de quantification » sans compromettre la résolution efficace de la taille. Ainsi, conformément aux résultats précédents11, une taille d’étape d’échantillonnage de 0,3 mm est généralement recommandable.
Notamment, la discrimination des complexes associés à TPC1 est complètement perdue avec l’échantillonnage de gel de 1 mm, qui est la plus petite taille d’étape fournie par le découpage manuel dans le BN-MS5conventionnel,6. Cela peut expliquer le fait que, malgré les puissantes technologies de sP disponibles, très peu de complexes protéiques et de sous-unités ont été identifiés par le profilage complexome. Outre sa bonne puissance de résolution, csBN-MS offre une grande polyvalence. Les complexes membranaires et les complexes protéiques solubles allant de 50 kDa à plusieurs MDa peuvent être résolus efficacement dans une seule expérience avec un biais minimum11. Cela contraste avec les techniques de séparation alternatives utilisées pour le profilage complexome comme l’exclusion de taille ou la chromatographie d’échange d’ions, qui fonctionnent avec des sous-ensembles de protéines solubles avec certaines gammes de taille ou des propriétés de charge. En revanche, le csBN-MS est moins évolutif (charge maximale de 3 mg de protéines par gel), peut être techniquement difficile et ne peut pas être automatisé.
Dans l’ensemble, les résultats démontrent que le profilage du complexome basé sur le csBN-MS peut être appliqué avec succès à des cibles non mitochondriales, mais indique également certains défis associés. Ainsi, l’extraction efficace et la stabilité biochimique des complexes protéiques nécessitent plus d’optimisation, et les étapes de nettoyage et peuvent encore être limitées. Dans la fenêtre de taille étudiée, le nombre de complexes protéiques bien ciblés et monodispersés était en effet considérablement plus faible (données non montrées) par rapport à un échantillon mitochondrial. Il est également recommandé d’abaisser les charges d’échantillon BN-PAGE pour obtenir une séparation acceptable du gel. Des charges plus élevées peuvent nécessiter des voies de gel plus larges qui sont plus difficiles à traiter correctement pour le découpage (voir la vidéo d’accompagnement). En outre, la complexité des protéines des échantillons était plus élevée (environ deux fois) que les digestes de tranches dérivées des mitochondries, ce qui a conduit à plus de valeurs PV manquantes et une plage dynamique réduite. En fait, certaines petites protéines qui devraient faire partie des complexes présentés à la figure 5 manquaient dans les analyses. Ces problèmes peuvent être résolus à l’avenir en utilisant des instruments de SP plus rapides et plus sensibles ou des modes d’acquisition indépendants des données.
La préparation de l’échantillon est très critique pour la récupération complexe de protéines, la stabilité et la qualité de séparation du gel. Les paramètres et les procédures doivent être optimisés pour chaque tissu source, lysate cellulaire, membrane (fraction) et complexe protéique d’intérêt. Les recommandations générales suivantes sont fournies qui peuvent aider à étendre les applications de csBN-MS :
(i) Préparation d’échantillons frais et éviter le réchauffement/congélation, fortes dilutions, changements dans les conditions tampons et retards inutiles;
(ii) Utilisation de tampons essentiellement dépourvus de sels (remplacer par une bêtaine ou un acide aminocaproïque de 500 à 750 mM), environ un pH neutre et contenir jusqu’à 1 % (w/v) de détergent non dénaturant (rapport protéine/détergent entre 1:4-1:10 pour la solubilité de la membrane complexes protéiques, aucun détergent requis pour les complexes protéiques solubles);
(iii) Des essais et un ajustement minutieux des conditions détergentes par l’analyse BN-PAGE, car ceux-ci peuvent avoir un impact important sur l’efficacité de la solubilité complexe, de la représentation des complexes protéiques membranaires dans l’échantillon, de la stabilité et de l’homogénéité des micelles détergentes. Ces dernières sont des conditions préalables pour que les protéines se concentrent en bandes distinctes/populations complexes sur les gels BN-PAGE. La littérature précédente offre un large éventail de détergents neutres. Cependant, DDM (n-dodecyl -d-maltoside)1,2,4,5,6 et la numérisation3,5,7,8, 9,10,13,18 ont été les choix les plus populaires pour les analyses BN-MS à ce jour. Il faut souligner que toute condition détergente représente nécessairement un compromis entre l’efficacité de la solubilité et la préservation des interactions protéiques et peut ne pas être également adaptée à tous les types de protéines cibles et de matériel source;
(iv) Enlever les polymères chargés comme les fibrilles, les filaments, la polylysine, l’ADN et les composants abondants de poids moléculaire inférieur (c.-à-d. les métabolites, les lipides ou les peptides). Ceci peut être accompli par ultracentrifugation, filtration de gel, ou dialyse. Ceci est particulièrement important pour les lysates totaux de cellules ou de tissu ;
(v) Ajout de Coomassie G-250 (concentration finale 0,05%-0,1%) et le saccharose (pour augmenter la densité pour le chargement, la concentration finale de 10 %-20 % [w/v]) à l’échantillon juste avant le chargement, pour effacer par ultracentrifugation courte, charger l’échantillon sans perturbation, et commencer la course immédiatement après.
À l’avenir, le profilage complexome basé sur le csBN-MS offre des options pour le multiplexage afin d’étudier la dynamique complexe protéique ou les changements liés à des conditions biologiques spécifiques. La séparation combinée des échantillons étiquetés métaboliquement tel que proposé pour le profilage basé sur l’exclusion de taille21 semble simple, mais elle peut être entravée par l’échange spontané de sous-unité dans des complexes se produisant indépendamment de la séparation utilisée méthode. Alternativement, les échantillons étiquetés peuvent être résolus dans les voies de gel voisines, qui peuvent ensuite être co-tranchées ou combinées post-digestion pour l’analyse différentielle avec une sensibilité et une robustesse élevées.
The authors have nothing to disclose.
Cette étude a été soutenue par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) – Projet ID 40322702 – SFB 1381 et dans le cadre de la stratégie d’excellence de l’Allemagne CIBSS – EXC-2189 – Project ID 390939984. Nous remercions Katja Zappe pour son assistance technique.
30% Acrylamide/Bis Solution, 37.5:1 | Bio Rad | #1610158 | Recommended for acrylamide gradient gel solutions up to 13% |
30% Acrylamide/Bis Solution, 19:1 | Bio Rad | #1610154 | Recommended for acrylamide gradient gel solutions >13% |
SYPRO Ruby Protein Blot Stain | Bio Rad | #1703127 | Total protein stain on blot membranes; sensitive and compatible with immunodetection |
Coomassie Brilliant Blue G-250 | Serva | no. 35050 | Centrifugate stock solutions prior to use |
ComplexioLyte 47 | Logopharm | CL-47-01 | Ready-to-use detergent buffer (1%) for mild solubilization of membrane proteins |
Embedding Medium / Tissue Freezing Medium | Leica Biosystems | 14020108926 | Embedding medium for gel sections to be sliced by a cryo-microtome |
Immobilon-P Membrane, PVDF, 0,45 µm | Merck | IPVH00010 | |
ECL Prime Western Blotting Detection Reagent | GE Healthcare | RPN2232 | |
Plastic syringe with rubber stopper, 20-30 ml | n.a. | n.a. | any supplier, important for making gel section embedding tool |
broad razor blade | n.a. | n.a. | any supplier, for BN-PAGE gel trimming / excision of lanes |
metal tube / cylinder, ca. 4 cm long | n.a. | n.a. | mold for embedding and freezing of gel samples |
Protein LoBind Tubes, 1.5 ml | Eppendorf | Nr. 0030108116 | highly recommended to minimize protein/peptide loss due to absorption |
sequencing-grade modified trypsin | Promega | V5111 | |
C18 PepMap100 precolumn, particle size 5 µm | Dionex / Thermo Scientific | P/N 160454 | |
PicoTip emitter (i.d. 75 µm; tip 8 µm) | New Objective | FS360-75-8 | |
ReproSil-Pur 120 ODS-3 (C18, 3 µm) | Dr. Maisch GmbH | r13.93. | columns packed manually |
rabbit anti-TPC1 antibody | Gramsch Laboratories | custom production | described in Castonguay, et al., 2017 (Reference 12) |
Cy3-biotinylated goat anti-rabbit IgG | Vector Laboratories | CY-1300 | described in Castonguay, et al., 2017 (Reference 12) |
biotinylated Lotus tetragonolobus lectin, FITC-conjugated | Vector Laboratories | #B1325 | described in Castonguay, et al., 2017 (Reference 12) |
cryo-microtome Leica CM1950 | Leica Biosystems | 14047743905 | |
Mini Protean II Cell with wetblot unit | Bio Rad | n.a. | for SDS-PAGE and Westernblot (not sold any more) |
Penguin Midi Gel Electrophoresis System | PeqLab | n.a. | for BN-PAGE (not sold any more) |
Zeiss Axiovert 200 M microscope + Photometrics Coolsnap 2 digital camera | Zeiss / Photometrics | n.a. | |
peristaltic pump (IP high precision multichannel) | Ismatec | ISM940 | for casting of gradient polyacrylamide gels |
gradient mixer with stirring (two chambers) | selfmade, alternatively Bio Rad | 1652000 or 1652001 | for casting of gradient polyacrylamide gels, manual provides instructions to cast linear or hyperbolic gradient gels (http://www.bio-rad.com/webroot/web/pdf/lsr/literature/M1652000.pdf) |
ultracentrifuge Sorvall M120 with S80 AT3 rotor | Sorvall / Thermo Scientific | n.a. | for sample preparation (not sold any more) |
UltiMate 3000 RSLCnano HPLC | Dionex / Thermo Scientific | ULTIM3000RSLCNANO | |
Orbitrap Elite mass spectrometer | Thermo Scientific | IQLAAEGAAPFADBMAZQ |