تقنيات قياس الطيف الكتلي للتنقل من أيون لتحديد بنية وآليات التعرف على الأيون المعدني ونشاط الأكسدة من Oligopeptides التجليد المعدني
Summary
يمكن أن يتسم قياس الطيف الكتلي للأيون وتقنيات النمذجة الجزيئية بالأداء الانتقائي للربط المعدني للببتيدات المصممة الملزمة بالمعادن والببتيد المربط بالنحاس ميثانوباكتين. تطوير فئات جديدة من الببتيدات المعدنية مخلب يساعد على أن يؤدي إلى العلاجات للأمراض المرتبطة بسوء التوازن الأيون المعادن.
Abstract
يمكن للأيونات الكهربائية (ESI) نقل الببتيد المائي المرحلة أو مجمع الببتيد إلى مرحلة الغاز مع الحفاظ على كتلته، والشحنة الإجمالية، والتفاعلات ملزمة للمعادن، والشكل المطابقة. يوفر اقتران ESI مع قياس الطيف الكتلي للتنقل أيون (IM-MS) تقنية مفيدة تسمح بالقياس المتزامن للبببببوب من الكتلة إلى الشحن (م/ض) والمقطع العرضي للتصادم (CCS) الذي يتعلق بالقياس إلى السطواط، حالة البروز، وشكل المطابقة. يتم التحكم في الشحنة الإجمالية لمجمع الببتيد من قبل protonation من 1) المواقع الحمضية والأساسية للبببتيد و 2) حالة الأكسدة من أيون (ق) المعادن. ولذلك، فإن حالة الشحن الكلي للمجمع هي وظيفة من درجة الحموضة من الحل الذي يؤثر على الببتيدات المعادن أيون تقارب ملزمة. بالنسبة لتحليلات ESI-IM-MS، يتم إعداد حلول الببتيد والأيونات المعدنية من حلول مائية فقط، مع ضبط درجة الحموضة مع حمض الخليك المائي المخفف أو هيدروكسيد الأمونيوم. وهذا يسمح للاعتماد على الحموضة وانتقائية الأيون المعدنية التي سيتم تحديدها لببتيد معين. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام م / ض وCCS من مجمع الببتيد مع B3LYP / LanL2DZ النمذجة الجزيئية لتمييز مواقع ملزمة لتنسيق أيون المعادن والهيكل الثالثي للمجمع. تظهر النتائج كيف يمكن لESI-IM-MS أن تميز الأداء الانتقائي لمجموعة من ببتيدات الميثانوباكتين البديلة ومقارنتها بالببتيد اتانوباكتين الملزم بالنحاس.
Introduction
أيونات النحاس والزنك ضرورية للكائنات الحية وحاسمة للعمليات بما في ذلك الحماية من الأكسدة، ونمو الأنسجة، والتنفس، والكوليسترول، والتمثيل الغذائي للجلوكوز، وقراءة الجينوم1. لتمكين هذه الوظائف، ومجموعات مثل ثيوليت من سايس، إيميدازول له2،3،(أكثر نادرا) ثيوثير من الميثيونين، وcarboxylate من غلو وAsp إدراج المعادن بشكل انتقائي كعوامل مساعدة في المواقع النشطة لل الإنزيمات المعدنية. ويثير التشابه بين مجموعات التنسيق هذه سؤالاً مثيراً للاهتمام فيما يتعلق بكيفية إدراج الأربطة له وشركة Cys بشكل انتقائي إما Cu(I/II) أو Zn(II) لضمان الأداء الصحيح.
وغالبا ما يتم تنفيذ الربط الانتقائي عن طريق اكتساب والاتجار الببتيدات، التي تسيطر على الزنك (II) أو Cu(I/II) تركيزات أيون4. Cu (I/II) هو رد فعل للغاية ويسبب الضرر التأكسدي أو الربط السبتي للإنزيمات، لذلك يتم تنظيم تركيزها الحر بإحكام من قبل مرافقي النحاس والبروتينات التي تنظم النحاس التي تنقلها بأمان إلى مواقع مختلفة في الخلية وبإحكام السيطرة على التوازن5،6. اضطراب التمثيل الغذائي للنحاس أو التوازن هو متورط مباشرة في مرض Menkes وويلسون7 وكذلك السرطانات7 والاضطرابات العصبية، مثل بريون8 ومرض الزهايمر9.
ويرتبط مرض ويلسون مع زيادة مستويات النحاس في العينين والكبد وأجزاء من الدماغ، حيث ردود فعل الأكسدة من Cu (I / II) تنتج أنواع الأكسجين التفاعلية، مما تسبب في انحطاط الكبد والعصبية. علاجات إزالة معدن ثقيل الموجودة هي الأحماض الأمينية الصغيرة ثيول بينيسيلامين وثلاثي إيثيلينتيترامين. بدلا من ذلك، والببتيدات methanotrophic النحاس اكتساب methanobactin (ميغابايت)10،11 تظهر الإمكانات العلاجية بسبب تقاربها ملزمة عالية لCu(I)12. عندما تمت دراسة ميثانوباكتين (mb-OB3b) من ميثيلوسينوس trichosporium OB3b في نموذج حيواني لمرض ويلسون، تمت إزالة النحاس بكفاءة من الكبد وتفرز من خلال الصفراء13. في التجارب المختبرية أكدت أن MB-OB3b يمكن أن مخلب النحاس من metallothionein النحاس الواردة في الكبد cytosol13. وقد بحثت تقنيات التصوير بالتحليل الطيفي الكتلي للاستئصال بالليزر في التوزيع المكاني للنحاس في عينات كبد مرض ويلسون14و15و16، وأظهرت أن mb-OB3b يزيل النحاس مع فترات معالجة قصيرة من 8 أيام فقط17.
كما سيتم ربط MB-OB3b مع أيونات معدنية أخرى، بما في ذلك Ag(I) وAu(III) وPb(II) وMn(II) و Co(II) وFe(II) وNi(II) وZn(II)18و19. يتم عرض المنافسة على موقع الربط Cu(I) الفسيولوجية من قبل Ag(I) لأنه يمكن أن تحل محل Cu(I) من مجمع mb-OB3b، مع كل من Ag(I) و Ni(II) كما تظهر ملزمة لا رجعة فيها لMb التي لا يمكن إزاحتها من قبل Cu(I)19. في الآونة الأخيرة، وقد درست سلسلة من الماثانوبكتين البديلة (أمب) oligopeptides مع عزر 2His-2Cysملزمة 20،21،والزنك (II) وCu (I / II) خصائص ملزمة تتميز. تسلسل الأحماض الأمينية الأولية متشابهة، وأنها تحتوي على كل عزر 2His-2Cys، برو وأسيتيلاتي N-terminus. وهي تختلف أساسا عن MB-OB3b لأن عزر 2His-2Cys يحل محل موقعين ربط oxazolone enethiol من MB-OB3b.
يوفر التأين الكهربائي المقترن بقياس الطيف الكتلي للأيون (ESI-IM-MS) تقنية مفيدة قوية لتحديد خصائص الببتيدات الملزمة بالمعادن لأنها تقيس من الكتلة إلى الشحن(م/ض)والاصطدام المقطع العرضي (CCS) مع الحفاظ على كتلتهم، تهمة، وشكل المطابقة من مرحلة الحل. وm /z وCCS تتعلق بالببتيدات stoichiometry، حالة البروتونيشن، وشكل المطابقة. يتم تحديد قياس التبشّر لأن هوية وعدد كل عنصر موجود في الأنواع يتم تحديده بوضوح. التهمة الإجمالية لمجمع الببتيد تتعلق بحالة البروز للمواقع الحمضية والأساسية وحالة الأكسدة لأيون (أيون) المعادن. يعطي CCS معلومات عن الشكل المطابقة لمجمع الببتيد لأنه يقيس الحجم المتوسط التناوب الذي يتعلق بالهيكل الثالث للمجمع. حالة الشحن العام للمجمع هو أيضا وظيفة من درجة الحموضة ويؤثر على تقارب ربط أيون المعادن الببتيد لأن المواقع الأساسية أو الحمضية deprotonated مثل carboxyl، له، Cys وTyr هي أيضا مواقع ملزمة المحتملة لأيون المعادن. للتحليلات، يتم إعداد الببتيد وأيون المعادن في حلول مائية مع الحموضة المعدلة عن طريق تخفيف حمض الخليك المائي أو هيدروكسيد الأمونيوم. وهذا يسمح للاعتماد على الحموضة وانتقائية الأيون المعدنية التي سيتم تحديدها للبببتيد. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام الـ m/z وCCS التى يحددها ESI-IM-MS مع النمذجة الجزيئية B3LYP/LanL2DZ لاكتشاف نوع تنسيق أيون المعادن والهيكل الثالثي للمجمع. النتائج المبينة في هذه المقالة تكشف كيف ESI-IM-MS يمكن أن تميز الأداء الانتقائي مخلب مجموعة من الببتيدات أمب ومقارنتها بالببتيد النحاس ملزمة MB-OB3b.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات الحاسمة: الحفاظ على سلوكيات مرحلة الحل للفحص عن طريق ESI-IM-MS
يجب استخدام إعدادات ESI الآلية الأصلية التي تحافظ على قياس الببتيدات، وحالة الشحن، والهيكل التوافقي. بالنسبة للظروف المحلية، يجب تحسين الظروف في مصدر ESI مثل الفولتية المخروطية ودرجات الحرارة وتدفقات الغاز. أيضا،…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وتستند هذه المواد إلى العمل الذي تدعمه المؤسسة الوطنية للعلوم بموجب 1764436، ودعم أجهزة NSF (MRI-0821247)، ومؤسسة ويلش (T-0014)، وموارد الحوسبة من وزارة الطاقة (TX-W-20090427-0004-50) وL3 Communications . نشكر مجموعة باور من جامعة كاليفورنيا – سانتا باربرا لتقاسم برنامج سيغما وAyobami Ilesanmi لإظهار هذه التقنية في الفيديو.
Materials
| acetonitrile HPLC-grade | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A998SK-4 | |
| ammonium hydroxide (trace metal grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A512-P500 | |
| cobalt(II) chloride hexahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 255599-5G | |
| copper(II) chloride 99.999% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203149-10G | |
| copper(II) nitrate hydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 229636-5G | |
| designed amb1,2,3,4,5,6,7 peptides | Neo BioLab (neobiolab.com) | designed peptides were synthized by order | |
| designed amb5B,C,D,E,F peptides | PepmicCo (www.pepmic.com) | designed peptides were synthized by order | |
| Driftscope 2.1 software program | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
| Freeze-dried, purified, Cu(I)-free mb-OB3b | cultured and isolated in the lab of Dr. DongWon Choi (Biology Department, Texas A&M-Commerce) | ||
| glacial acetic acid (Optima grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A465-250 | |
| Iron(III) Chloride Anhydrous 98%+ | Alfa Aesar (www.alfa.com) | 12357-09 | |
| lead(II) nitrate ACS grade | Avantor (www.avantormaterials.com) | 128545-50G | |
| manganese(II) chloride tetrahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203734-5G | |
| MassLynx 4.1 | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
| nickel chloride hexahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203866-5G | |
| poly-DL-alanine | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | P9003-25MG | |
| silver nitrate 99.9%+ | Alfa Aesar (www.alfa.com) | 11414-06 | |
| Waters Synapt G1 HDMS | Waters (www.waters.com) | quadrupole – ion mobility- time-of-flight mass spectrometer | |
| zinc chloride anhydrous | Alfa Aesar (www.alfa.com) | A16281 |
Referências
- Dudev, T., Lim, C. Competition among Metal Ions for Protein Binding Sites: Determinants of Metal Ion Selectivity in Proteins. Chemical Reviews. 114 (1), 538-556 (2014).
- Sovago, I., Kallay, C., Varnagy, K. Peptides as complexing agents: Factors influencing the structure and thermodynamic stability of peptide complexes. Coordination Chemistry Reviews. 256 (19-20), 2225-2233 (2012).
- Sóvágó, I., Várnagy, K., Lihi, N., Grenács, &. #. 1. 9. 3. ;. Coordinating properties of peptides containing histidyl residues. Coordination Chemistry Reviews. 327, 43-54 (2016).
- Rubino, J. T., Franz, K. J. Coordination chemistry of copper proteins: How nature handles a toxic cargo for essential function. Journal of Inorganic Biochemistry. 107 (1), 129-143 (2012).
- Robinson, N. J., Winge, D. R. Copper Metallochaperones . Annual Review of Biochemistry. 79, 537-562 (2010).
- Scheiber, I. F., Mercer, J. F. B., Dringen, R. Metabolism and functions of copper in brain. Progress in Neurobiology. 116, 33-57 (2014).
- Tisato, F., Marzano, C., Porchia, M., Pellei, M., Santini, C. Copper in Diseases and Treatments, and Copper-Based Anticancer Strategies. Medicinal Research Reviews. 30 (4), 708-749 (2010).
- Millhauser, G. L. Copper and the prion protein: Methods, structures, function, and disease. Annual Review of Physical Chemistry. 58, 299-320 (2007).
- Arena, G., Pappalardo, G., Sovago, I., Rizzarelli, E. Copper(II) interaction with amyloid-beta: Affinity and speciation. Coordination Chemistry Reviews. 256 (1-2), 3-12 (2012).
- Kim, H. J., et al. Methanobactin, a copper-acquisition compound from methane-oxidizing bacteria. Science. 305 (5690), 1612-1615 (2004).
- Di Spirito, A. A., et al. Methanobactin and the link between copper and bacterial methane oxidation. Microbiology Molecular Biology Reviews. 80 (2), 387-409 (2016).
- Kenney, G. E., Rosenzweig, A. C. Chemistry and biology of the copper chelator methanobactin. ACS Chemical Biology. 7 (2), 260-268 (2012).
- Summer, K. H., et al. The biogenic methanobactin is an effective chelator for copper in a rat model for Wilson disease. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 25 (1), 36-41 (2011).
- Hachmoeller, O., et al. Investigating the influence of standard staining procedures on the copper distribution and concentration in Wilson’s disease liver samples by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 44, 71-75 (2017).
- Hachmoeller, O., et al. Spatial investigation of the elemental distribution in Wilson’s disease liver after D-penicillamine treatment by LA-ICP-MS. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 44, 26-31 (2017).
- Hachmoeller, O., et al. Element bioimaging of liver needle biopsy specimens from patients with Wilson’s disease by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 35, 97-102 (2016).
- Mueller, J. C., Lichtmannegger, J., Zischka, H., Sperling, M., Karst, U. High spatial resolution LA-ICP-MS demonstrates massive liver copper depletion in Wilson disease rats upon Methanobactin treatment. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 49, 119-127 (2018).
- Choi, D. W., et al. Spectral and thermodynamic properties of Ag(I), Au(III), Cd(II), Co(II), Fe(III), Hg(II), Mn(II), Ni(II), Pb(II), U(IV), and Zn(II) binding by methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b. Journal of Inorganic Biochemistry. 100, 2150-2161 (2006).
- McCabe, J. W., Vangala, R., Angel, L. A. Binding Selectivity of Methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b for Copper(I), Silver(I), Zinc(II), Nickel(II), Cobalt(II), Manganese(II), Lead(II), and Iron(II). Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 28, 2588-2601 (2017).
- Sesham, R., et al. The pH dependent Cu(II) and Zn(II) binding behavior of an analog methanobactin peptide. European Journal of Mass Spectrometry. 19 (6), 463-473 (2013).
- Wagoner, S. M., et al. The multiple conformational charge states of zinc(II) coordination by 2His-2Cys oligopeptide investigated by ion mobility – mass spectrometry, density functional theory and theoretical collision cross sections. Journal of Mass Spectrom. 51 (12), 1120-1129 (2016).
- Bandow, N. L., et al. Isolation of methanobactin from the spent media of methane-oxidizing bacteria. Methods in Enzymology. 495, 259-269 (2011).
- Choi, D. W., et al. Spectral and thermodynamic properties of methanobactin from γ-proteobacterial methane oxidizing bacteria: a case for copper competition on a molecular level. Journal of Inorganic Biochemistry. 104 (12), 1240-1247 (2010).
- Pringle, S. D., et al. An investigation of the mobility separation of some peptide and protein ions using a new hybrid quadrupole/travelling wave IMS/oa-ToF instrument. International Journal of Mass Spectrometry. 261 (1), 1-12 (2007).
- Forsythe, J. G., et al. Collision cross section calibrants for negative ion mode traveling wave ion mobility-mass spectrometry. Analyst. 14 (20), 6853-6861 (2015).
- Allen, S. J., Giles, K., Gilbert, T., Bush, M. F. Ion mobility mass spectrometry of peptide, protein, and protein complex ions using a radio-frequency confining drift cell. Analyst. 141 (3), 884-891 (2016).
- Bush, M. F., Campuzano, I. D. G., Robinson, C. V. Ion Mobility Mass Spectrometry of Peptide Ions: Effects of Drift Gas and Calibration Strategies. Analytical Chemistry. 84 (16), 7124-7130 (2012).
- Salbo, R., et al. Traveling-wave ion mobility mass spectrometry of protein complexes: accurate calibrated collision cross-sections of human insulin oligomers. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 26 (10), 1181-1193 (2012).
- Smith, D. P., et al. Deciphering drift time measurements from travelling wave ion mobility spectrometry-mass spectrometry studies. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 113-130 (2009).
- Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. Journal of Chemical Physics. 98 (7), 5648-5652 (1993).
- Dunning, T. H., Hay, P. J. Gaussian basis sets for molecular calculations. Modern Theoretical Chemistry. 3, 1-27 (1977).
- Hay, P. J., Wadt, W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for potassium to gold including the outermost core orbitals. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 299-310 (1985).
- Hay, P. J., Wadt, W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for the transition metal atoms scandium to mercury. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 270-283 (1985).
- Wadt, W. R., Hay, P. J. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for main group elements sodium to bismuth. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 284-298 (1985).
- . Gaussian 09, Revision C.01. Gaussian, Inc. , (2012).
- Wyttenbach, T., von Helden, G., Batka, J. J., Carlat, D., Bowers, M. T. Effect of the long-range potential on ion mobility measurements. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 8 (3), 275-282 (1997).
- Choi, D., et al. Redox activity and multiple copper(I) coordination of 2His-2Cys oligopeptide. Journal of Mass Spectrometry. 50 (2), 316-325 (2015).
- Rigo, A., et al. Interaction of copper with cysteine: stability of cuprous complexes and catalytic role of cupric ions in anaerobic thiol oxidation. Journal of Inorganic Biochemistry. 98 (9), 1495-1501 (2004).
- Vytla, Y., Angel, L. A. Applying Ion Mobility-Mass Spectrometry Techniques for Explicitly Identifying the Products of Cu(II) Reactions of 2His-2Cys Motif Peptides. Analytical Chemistry. 88 (22), 10925-10932 (2016).
- Choi, D., Sesham, R., Kim, Y., Angel, L. A. Analysis of methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b via ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 18 (6), 509-520 (2012).
- Martell, A. E., Motekaitis, R. J. NIST Standard Reference Database 46. Institute of Standards and Technology. , (2001).
- Pesch, M. L., Christl, I., Hoffmann, M., Kraemer, S. M., Kretzschmar, R. Copper complexation of methanobactin isolated from Methylosinus trichosporium OB3b: pH-dependent speciation and modeling. Journal of Inorganic Biochemistry. 116, 55-62 (2012).
- Amin, E. A., Truhlar, D. G. Zn Coordination Chemistry: Development of Benchmark Suites for Geometries, Dipole Moments, and Bond Dissociation Energies and Their Use To Test and Validate Density Functionals and Molecular Orbital Theory. Journal of Chemical Theory and Computation. 4 (1), 75-85 (2008).
- Sorkin, A., Truhlar, D. G., Amin, E. A. Energies, Geometries, and Charge Distributions of Zn Molecules, Clusters, and Biocenters from Coupled Cluster, Density Functional, and Neglect of Diatomic Differential Overlap Models. Journal of Chemical Theory and Computation. 5 (5), 1254-1265 (2009).
- Lillo, V., Galan-Mascaros, J. R. Transition metal complexes with oligopeptides: single crystals and crystal structures. Dalton Transactions. 43 (26), 9821-9833 (2014).
- Choutko, A., van Gunsteren, W. F. Conformational Preferences of a beta-Octapeptide as Function of Solvent and Force-Field Parameters. Helvetica Chimica Acta. 96 (2), 189-200 (2013).
- Angel, L. A. Study of metal ion labeling of the conformational and charge states of lysozyme by ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 17 (3), 207-215 (2011).
- Kelso, C., Rojas, J. D., Furlan, R. L. A., Padilla, G., Beck, J. L. Characterisation of anthracyclines from a cosmomycin D-producing species of Streptomyces by collisionally-activated dissociation and ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 73-81 (2009).
- El Ghazouani, A., et al. Copper-binding properties and structures of methanobactins from Methylosinus trichosporium OB3b. Inorganic Chemistry. 50 (4), 1378-1391 (2011).
