Presentiamo un protocollo di etichettatura ottimizzato per tag di massa tandem (TMT) che include informazioni dettagliate per ciascuno dei seguenti passaggi: estrazione delle proteine, quantificazione, precipitazioni, digestione, etichettatura, presentazione a un impianto proteomico e analisi dei dati.
Le tecnologie proteomiche sono potenti metodologie che possono aiutare la nostra comprensione dei meccanismi di azione nei sistemi biologici, fornendo una visione globale dell’impatto di una malattia, di un trattamento o di altre condizioni sul proteoma nel suo complesso. Questo rapporto fornisce un protocollo dettagliato per l’estrazione, la quantificazione, la precipitazione, la digestione, l’etichettatura e la successiva analisi dei dati dei campioni di proteine. Il nostro protocollo di etichettatura TMT ottimizzato richiede una minore concentrazione di etichette tag e consente di ottenere dati costantemente affidabili. Abbiamo usato questo protocollo per valutare i profili di espressione delle proteine in una varietà di tessuti murini (cioè cuore, muscolo scheletrico e cervello) così come le cellule coltivate in vitro. Inoltre, dimostriamo come valutare migliaia di proteine dal set di dati risultante.
Il termine “proteomica” è stato inizialmente definito come la caratterizzazione su larga scala dell’intero complemento proteico di una cellula, tessuto o organismo1. Le analisi proteomiche consentono di sforare meccanismi e processi cellulari coinvolti nello sviluppo della malattia, percorsi terapeutici e sistemi sani utilizzando tecniche per eseguire la quantificazione relativa dei livelli di espressione proteica2. Le descrizioni iniziali di tali studi sono state pubblicate nel 1975 e hanno dimostrato l’uso dell’elettroforesi bidimensionale di gel di poliacrilammide (2D-PAGE) a questo scopo1,3. Il metodo 2D separa le proteine in base alla carica (messa a fuoco isoelettrica, IEF) e alla massa molecolare (elettroforesi del gel di solfato di sodio dodecyl, o SDS-PAGE)4. Per anni, la combinazione di 2D-PAGE e la successiva spettrometria di massa tandem eseguita su ogni componente del gel è stata la più comune tecnica di analisi dell’espressione proteica non mirata eseguita e identificata da numerosi profili di espressione proteica precedentemente sconosciuti5,6. Gli svantaggi generali dell’approccio 2D-PAGE sono che richiede molto tempo, non funziona bene per le proteine idrofobiche e ci sono limitazioni nel numero totale di proteine valutate a causa della bassa sensibilità7,8.
L’etichettatura isotopo stabile per aminoacidi nella coltura cellulare (SILAC) è diventato il prossimo approccio popolare per identificare e quantificare l’abbondanza di proteine nei campioni9. Consiste nell’etichettatura metabolica delle cellule che vengono incubate in media prive di un amminoacido essenziale standard e completate con una versione con etichetta isotopo di quello specifico aminoacido10. Il vantaggio di questa tecnica è la sua efficienza e l’etichettatura precisa9. La principale limitazione all’approccio SILAC è principalmente la riduzione del tasso di crescita cellulare causata dall’incorporazione dell’etichetta isotopa, che può essere particolarmente difficile nelle linee cellulari relativamente sensibili che modellano le malattie umane11.
Nel 2003, nel campo12è stata introdotta una nuova e robusta tecnica proteomica che coinvolge etichette isobariche in tandem (TMT). L’etichettatura TMT è un metodo potente grazie alla sua maggiore sensibilità per rilevare i livelli di espressione relativa delle proteine e le modifiche post-traduzionali13. A partire da questa data di pubblicazione, sono stati sviluppati kit TMT in grado di etichettare simultaneamente 6, 10, 11 o 16 campioni. Di conseguenza, è possibile misurare l’abbondanza di peptidi in più condizioni con repliche biologiche allo stesso tempo14,15,16. Recentemente abbiamo usato TMT per caratterizzare il profilo proteomico cardiaco di un modello murino della sindrome di Barth (BTHS)17. In questo modo, siamo stati in grado di dimostrare un diffuso miglioramento nei profili cardiaci dei topi BTHS trattati con la terapia genica e identificare nuove proteine colpite da BTHS che hanno rivelato nuovi percorsi terapeutici coinvolti nelle cardiomiopatie.
Qui, descriviamo un metodo dettagliato per eseguire analisi proteomiche quantitative TMT multiplex utilizzando campioni di tessuto o pellet cellulari. Può essere utile eseguire la preparazione e l’etichettatura del campione prima della presentazione a un nucleo perché i peptidi di tipo tryptic etichettati sono più stabili dei campioni congelati crudi, non tutti i nuclei hanno esperienza nella gestione di tutti i tipi di campioni e la preparazione di campioni in laboratorio può risparmiare tempo per i nuclei, che spesso hanno lunghi arretrati. Per una descrizione dettagliata della parte di spettroscopia di massa di questo processo si veda Kirshenbaum et al. e Perumal et al.18,19.
Il protocollo di preparazione di esempio prevede i seguenti passaggi principali: estrazione, quantificazione, precipitazioni, digestione ed etichettatura. I principali vantaggi di questo protocollo ottimizzato sono la riduzione dei costi di etichettatura, il miglioramento dell’estrazione delle proteine e la generazione coerente di dati di alta qualità. Inoltre, descriviamo come analizzare i dati TMT per vagliare migliaia di proteine in un breve lasso di tempo. Ci auguriamo che questo protocollo incoraggi altri gruppi di ricerca a considerare l’integrazione di questa potente metodologia nei loro studi.
Per preparare con successo i campioni per l’analisi proteomica utilizzando metodologie di etichettatura isotope stabile basata su TMT, è fondamentale eseguire estrazioni proteiche con molta attenzione a 4 gradi centigradi e utilizzare un buffer di lisi che contiene un cocktail inibitore della proteasi24,25. Il cocktail inibitore della proteasi è un reagente cruciale per evitare una degradazione inaspettata delle proteine durante la digestione delle proteine. Una differenza fondamentale tra il nostro protocollo e quello attuale fornito dal fornitore è che consigliamo vivamente l’uso del buffer di lisi CHAPS in base alla nostra esperienza con le cellule e i tessuti dei mammiferi. Suggeriamo anche di utilizzare un approccio di precipitazione della proteina metanolo/cloroformio sia per pellet cellulari che per tessuti.
Idealmente, l’estrazione delle proteine, la misurazione, la riduzione/alchilante dei trattamenti di reagenti e le precipitazioni di metanolo/cloroformio vengono tutte eseguite nello stesso giorno. Seguendo questa raccomandazione si tradurrà in concentrazioni proteiche più accurate per la successiva etichettatura. La fase di precipitazione delle proteine è importante per la rimozione di reagenti che interferiranno con la spettrometria di massa tandem. L’inclusione della fase di precipitazione migliora significativamente la risoluzione di TMT26. In sintesi, i principali vantaggi del nostro protocollo TMT sono l’elevata efficienza di etichettatura per diversi tipi di campioni, la sua riproducibilità e i dati affidabili acquisiti.
Poiché la natura multiplex di questa strategia proteomica non mirata TMT continua ad espandersi, migliorerà progressivamente la capacità dei ricercatori in un’ampia varietà di campi di fare nuove scoperte. In particolare nel campo biomedico, noi e altri abbiamo trovato questa tecnologia sempre più informativa negli studi che esplorano nuovi meccanismi di azione nella malattia e impatti relativi di varie terapie. Per tutti questi motivi, questa potente tecnologia integra il repertorio di altri approcci OMICS utilizzati nei moderni studi di ricerca e fornisce informazioni chiave che possono guidare l’ulteriore sviluppo terapeutico.
The authors have nothing to disclose.
Vorremmo riconoscere la struttura proteomica UF-ICBR per la loro elaborazione dei nostri campioni. Questo lavoro è stato sostenuto in parte dai National Institutes of Health R01 HL136759-01A1 (CAP).
1 M Triethylammonium bicarbonate (TEAB), 50 mL | Thermo Fisher | 90114 | Reagent for protein labeling |
50% Hydroxylamine, 5 mL | Thermo Fisher | 90115 | Reagent for protein labeling |
Acetic acid | Sigma | A6283 | Reagent for protein digestion |
Anhydrous acetonitrile, LC-MS Grade | Thermo Fisher | 51101 | Reagent for protein labeling |
Benzonaze nuclease | Sigma-Aldrich | E1014 | DNA shearing |
Bond-Breaker TCEP solution, 5 mL | Thermo Fisher | 77720 | Reagent for protein labeling |
BSA standard | Thermo | 23209 | Reagent for protein measurement |
CHAPS | Thermo Fisher | 28300 | Reagent for protein extraction |
Chloroform | Fisher | BP1145-1 | Reagent for protein precipitation |
cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Tablet | Roche | 4693132001 | Reagent for protein extraction |
DC Protein Assay | BioRad | 500-0116 | Reagent for protein measurement |
Excel | Microsoft Office | Software for data analyses | |
Heat block | VWR analog | 12621-104 | Equipment for protein digestion incubation |
HEPES | Sigma | RDD002 | Reagent for protein extraction |
Methanol | Fisher | A452-4 | Reagent for protein precipitation |
Pierce Trypsin Protease, MS Grade | Thermo Fisher | 90058 | Reagent for protein digestion |
Potassium chloride | Sigma | 46436 | Reagent for protein extraction |
Sigma Plot 14.0 | Sigma Plot 14.0 | Software for data analyses | |
Sonicator | Fisher Scientific | FB120 | DNA shearing |
Spectra Max i3x Multi-Mode Detection Platform | Molecular Devices | Plate reader for protein measurement | |
Thermo Scientific Pierce Quantitative Colorimetric Peptide Assay | Thermo Fisher | 23275 | Reagent for protein measurement |
Thermo Scientific Pierce Quantitative Fluorescent Peptide Assay | Thermo Fisher | 23290 | Reagent for protein measurement |
Thermo Scientific Proteome Discoverer Software | Thermo Fisher | OPTON-30945 | Software for data analyses |
TMT 10plex Isobaric Label Reagent Set 0.8 mg, sufficient reagents for one 10plex isobaric experiment | Thermo Fisher | 90110 | Reagent for protein labeling |
TMT11-131C Label Reagent 5 mg | Thermo Fisher | A34807 | Reagent for protein labeling |
Water, LC-MS Grade | Thermo Fisher | 51140 | Reagent for protein extraction |