Summary

זיהוי חלבוני חסינות אנטיבקטריאליים ב- Escherichia coli באמצעות MALDI-TOF-TOF-MS/MS וניתוח פרוטאומי מלמעלה למטה

Published: May 23, 2021
doi:

Summary

כאן אנו מציגים פרוטוקול לזיהוי מהיר של חלבונים המיוצרים על ידי חיידקים פתוגניים ברצף גנומי באמצעות ספקטרומטריית מסה יחד MALDI-TOF-TOF וניתוח פרוטאומי מלמעלה למטה עם תוכנה שפותחה בתוך הבית. שבר יונים חלבון Metastable בגלל אפקט חומצה אספרטית וספציפיות זו מנוצל לזיהוי חלבון.

Abstract

פרוטוקול זה מזהה את חלבוני החסינות של אנזימי החיידקים: קוליצין E3 ובקטריוצין, המיוצר על ידי זן Escherichia coli פתוגניים באמצעות אינדוקציה אנטיביוטית, וזוהה על ידי ספקטרומטריית מסה דו-מושבית MALDI-TOF-TOF וניתוח פרוטאומי מלמעלה למטה עם תוכנה שפותחה בתוך הבית. חלבון החסינות של קוליצין E3 (Im3) וחלבון החסינות של בקטריוצין (Im-Bac) זוהו מיונים בולטים מסוג b ו/או y שנוצרו על ידי מחשוף עמוד השדרה הפוליפפטיד (PBC) בצד ה- C-מסוף של חומצה אספרטית, חומצה גלוטמית ושאריות אספרגין על ידי מנגנון הפיצול של אפקט חומצה אספרטית. התוכנה סורקת במהירות רצפי חלבון סיליקו שמקורם ברצף הגנום כולו של זן החיידקים. התוכנה גם מסירה באופן איטרטיבי שאריות חומצת אמינו של רצף חלבון במקרה שרצף החלבון הבוגר נחתך. רצף חלבונים יחיד היה בעל מסה ורסיסים בקנה אחד עם אלה שזוהו עבור כל חלבון חסינות. לאחר מכן נבדק רצף המועמדים באופן ידני כדי לאשר שניתן להקצות את כל יונים הרסיסים שזוהו. המתיונין N-terminal של Im3 הוסר לאחר התרגום, ואילו לאים-באק היה את הרצף המלא. בנוסף, מצאנו כי רק שניים או שלושה יונים שבר לא משלימים שנוצרו על ידי PBC נחוצים כדי לזהות את רצף החלבון הנכון. לבסוף, מקדם (תיבת SOS) זוהה במעלה הזרם של הגנים האנטיבקטריאליים והחסינות בגנום פלסמיד של זן החיידקים.

Introduction

ניתוח וזיהוי של חלבונים לא מעוכאים על ידי ספקטרומטריית מסה מכונה ניתוח פרוטאומי מלמעלה למטה1,2,3,4. זוהי כעת טכניקה מבוססת המשתמשת יינון אלקטרו-ספריי (ESI)5 ומנתחי מסה ברזולוציה גבוהה6, וטכניקות דיסוציאציה מתוחכמות, למשל, דיסוציאציה להעברת אלקטרונים (ETD), דיסוציאציה לכידת אלקטרונים (ECD)7, דיסוציאציה פוטו-דיסוציאציה אולטרה סגולה (UV-PD)8,וכו ‘.

טכניקת היוניזציה הרכה האחרת היא desorption/ יינון לייזר בסיוע מטריצה (MALDI)9,10,11 כי כבר פחות נרחב בשימוש לניתוח מלמעלה למטה, בין היתר משום שהוא מצמיד בעיקר מנתחי מסה זמן טיסה (TOF), אשר יש רזולוציה מוגבלת לעומת מנתחי מסה אחרים. למרות מגבלות אלה, מכשירי MALDI-TOF ו- MALDI-TOF-TOF נוצלו לניתוח מהיר מלמעלה למטה של חלבונים טהורים ותערובות מופרדות ולא מופות של חלבונים. לזיהוי חלבונים טהורים, ריקבון במקור (ISD) היא טכניקה שימושית במיוחד מכיוון שהיא מאפשרת ניתוח ספקטרומטריית מסה (MS) של יונים של שברי ISD, כמו גם ספקטרומטריית מסה דו-מושבית (MS/MS) של שברי יון חלבון המספקים שבר ספציפי לרצף לעתים קרובות מה- N- ו- C-termini של חלבון היעד, בדומה לרצף אדמן12,13 . החיסרון בגישת ISD הוא, כמו ברצף אדמן, המדגם חייב להכיל רק חלבון אחד. דרישת החלבון האחת נובעת מהצורך בייחוס חד משמעי של יונים מקובעים ליון מקדים. אם שני חלבונים או יותר נמצאים במדגם, ייתכן שיהיה קשה להקצות אילו יונים מקדים שייכים לאיזה יונים קודמים.

ניתן לטפל בייחוס יון יון/מבשר באמצעות MALDI-TOF-TOF-MS/MS. כמו בכל ניסוי קלאסי של MS/MS, יונים קודמים נבחרים/מבודדים במסה לפני הפיצול, וניתן לייחס את יונים השברים שזוהו ליון מקדים ספציפי. עם זאת, טכניקות הניתוק הזמינות לגישה זו מוגבלות בעיקר לניתוק המושרה בהתנגשות אנרגיה גבוהה (HE-CID)14 או ריקבון לאחר המקור (PSD)15,16. HE-CID ו PSD הם היעילים ביותר בפיצול פפטידים וחלבונים קטנים, ואת כיסוי הרצף יכול, במקרים מסוימים, להיות מוגבל. בנוסף, PSD תוצאות מחשוף עמוד השדרה פוליפפטיד (PBC) בעיקר בצד C-מסוף של שאריות חומצה אספרטית וגלוטמית על ידי תופעה הנקראת אפקט חומצה אספרטית17,18,19,20.

MALDI-TOF-MS מצא גם יישום נישה בזיהוי טקסונומי של מיקרואורגניזמים: חיידקים21, פטריות22, ווירוסים23. לדוגמה, ספקטרום MS משמש לזיהוי חיידקים לא ידועים בהשוואה לספריית ייחוס של ספקטרום MS של חיידקים ידועים באמצעות אלגוריתמים לזיהוי דפוסים לשם השוואה. גישה זו הוכיחה את עצמה כמוצלחת מאוד בגלל המהירות והפשטות שלה, אם כי דורשת פולחן בן לילה של הבידוד. יונים חלבון שזוהו על ידי גישה זו (בדרך כלל תחת 20 kDa) מורכב טביעת אצבע MS המאפשר רזולוציה טקסונומית ברמת הסוג והמינים ובמקרים מסוימים בתת מינים24 ורמתזן 25,26. עם זאת, עדיין יש צורך לא רק לסווג טקסונומית מיקרואורגניזמים פתוגניים, אלא גם לזהות גורמי וירוליציה ספציפיים, רעלים, וגורמי התנגדות מיקרוביאלית (AMR). כדי להשיג זאת, המסה של פפטידים, חלבונים, או מולקולות קטנות נמדדים על ידי MS ולאחר מכן מבודדים ומפוצלים על ידי MS / MS.

חיידקים פתוגניים נושאים לעתים קרובות חתיכות עגולות של DNA הנקראות פלסמידים. פלסמידים, יחד עם פרופג’ים, הם וקטור מרכזי של העברת גנים אופקית בין חיידקים ואחראים להתפשטות המהירה של עמידות מיקרוביאלית וגורמי אלימות אחרים על פני חיידקים. פלסמידים עשויים גם לשאת גנים אנטיבקטריאליים (AB), למשל, קוליצין ובקטריוצין. כאשר גנים אלה באים לידי ביטוי והחלבונים מופרשים, הם פועלים כדי להשבית את מכונות תרגום החלבון של חיידקים שכנים הכובשים את אותה נישה סביבתית27. עם זאת, אנזימים חיידקיים אלה יכולים גם להוות סיכון לפונדקאי שייצר אותם. כתוצאה מכך, גן מתבטא במשותף על ידי המארח המעכב באופן ספציפי את תפקודו של אנזים AB ומכונה חלבון החסינות שלו (Im).

אנטיביוטיקה מזיקה לדנ”א כגון mitomycin-C וציפרופלוקסצין משמשות לעתים קרובות כדי לגרום לתגובת SOS ב- E. coli המייצר רעלן Shiga (STEC) שהגן שלו רעלן שיגה(STX) נמצא בתוך גנום פרופג ‘הנמצא בגנום החיידקי28. השתמשנו באינדוקציה אנטיביוטית, MALDI-TOF-TOF-MS/MS, וניתוח פרוטאומי מלמעלה למטה בעבר כדי לזהות ולזהות סוגי Stx וסוגי משנה המיוצרים על ידי זני STEC29,30,31,32. בעבודה הקודמת, STEC O113:H21 זן RM7788 היה תרבותי בן לילה על תקשורת אגר בתוספת mitomycin-C. עם זאת, במקום לזהות את B-subunit הצפוי של Stx2a ב m / z ~7816, יון חלבון שונה זוהה ב m / z ~ 7839 וזוהה כחלבון היפותטי מקודד פלסמיד של פונקציה לא ידועה33. בעבודה הנוכחית, זיהינו שני חלבוני AB-Im מקודדים פלסמיד המיוצרים על ידי זן זה באמצעות אינדוקציה אנטיביוטית, MALDI-TOF-TOF-MS/ MS, וניתוח פרוטאומי מלמעלה למטה באמצעות תוכנה עצמאית שפותחה לעיבוד וסריקה ברצפי חלבון סיליקו המופקים מרצף גנום שלם (WGS). בנוסף, האפשרות של שינויים לאחר התרגום (PTM) מעורבים truncation רצף שולבו בתוכנה. חלבוני החסינות זוהו באמצעות תוכנה זו מהמסה הנמדדת של יון החלבון הבוגר ויוני שבר ספציפיים לרצף מ- PBC שנגרמו על ידי אפקט החומצה אספרטית וזוהו על ידי MS/ MS-PSD. לבסוף, מקדם זוהה במעלה הזרם של הגנים AB / Im בגנום plasmid שעשוי להסביר את הביטוי של גנים אלה כאשר זן זה נחשף לאנטיביוטיקה מזיקה ל- DNA. חלקים מעבודה זו הוצגו בכנס הווירטואלי של האגודה האמריקנית הלאומית לכימיה בסתיו 2020 (17-20 באוגוסט 2020)34.

Protocol

1. הכנת דגימה מיקרוביולוגית לחסן 25 מ”ל של מרק לוריא (LB) בצינור חרוט 50 מ”ל עם E. coli O113:H21 זן RM7788 (או זן חיידקי אחר) ממלאי גליצל באמצעות לולאת μL סטרילית. מכסים את הצינור ואת טרום התרבות ב 37 °C (37 °F) עם רועד (200 סל”ד) עבור 4 שעות. Aliquot 100 μL של מרק מתורבת מראש להתפשט על צלחת אגר LB בתוספת 400 או 8…

Representative Results

איור 3 (פאנל עליון) מציג את MS של STEC O113:H21 זן RM7788 מתורבת בן לילה על LBA בתוספת 400 ng / mL mitomycin-C. פסגות ב m/ z 7276, 7337, ו 7841 זוהו בעבר כמו חלבון הלם קר C (CspC), חלבון הלם קר E (CspE), וחלבון נישא פלסמיד של פונקציה לא ידועה, בהתאמה33. יון החלבון ב-m/z 9780 [M+H]+ נותח על-ידי MS/MS-PSD כפי שמוצג …

Discussion

שיקולי פרוטוקול
החוזקות העיקריות של הפרוטוקול הנוכחי הן המהירות, הפשטות של הכנת המדגם, ושימוש במכשיר קל יחסית לתפעול, להיות מאומן ולתחזק. למרות שניתוח פרוטאומי מלמטה למעלה ולמעלה למטה על ידי כרומטוגרפיה נוזלית-ESI-HR-MS נמצאים בכל מקום ועליונות בהרבה במובנים רבים מלמעלה למטה על יד…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

תוכנת מחפש סמן ביולוגי חלבון זמינה באופן חופשי (ללא עלות) על ידי יצירת קשר עם קליפטון ק. פג’רקוויסט בשעה clifton.fagerquist@usda.gov. אנו רוצים להכיר בתמיכה במחקר זה על ידי ARS, USDA, מענק CRIS: 2030-42000-051-00-D.

Materials

4000 Series Explorer software AB Sciex Version 3.5.3
4800 Plus MALDI TOF/TOF Analyzer AB Sciex
Acetonitrile Optima LC/MS grade Fisher Chemical A996-1
BSL-2 biohazard cabinet The Baker Company SG403A-HE
Cytochrome-C Sigma C2867-10MG
Data Explorer software AB Sciex Version 4.9
Focus Protein Reduction-Alkylation kit G-Biosciences 786-231
GPMAW software Lighthouse Data Version 10.0
Incubator VWR 9120973
LB Agar Invitrogen 22700-025
Luria Broth Invitrogen 12795-027
Lysozyme Sigma L4919-1G
Microcentrifuge Tubes, 2 mL, screw-cap, O-ring Fisher Scientific 02-681-343
MiniSpin Plus Centrifuge Eppendorf 22620207
Mitomycin-C (from streptomyces) Sigma-Aldrich M0440-5MG
Myoglobin Sigma M5696-100MG
Shaker MaxQ 420HP Model 420 Thermo Scientific Model 420
Sinapinic acid Thermo Scientific 1861580
Sterile 1 uL loops Fisher Scientific 22-363-595
Thioredoxin (E. coli, recombinant) Sigma T0910-1MG
Trifluoroacetic acid Sigma-Aldrich 299537-100G
Water Optima LC/MS grade Fisher Chemical W6-4

Referências

  1. Fornelli, L., et al. Accurate sequence analysis of a monoclonal antibody by top-down and middle-down orbitrap mass spectrometry applying multiple ion activation techniques. Analytical Chemistry. 90 (14), 8421-8429 (2018).
  2. Fornelli, L., et al. Top-down proteomics: Where we are, where we are going. Journal of Proteomics. 175, 3-4 (2018).
  3. He, L., et al. Top-down proteomics-a near-future technique for clinical diagnosis. Annals of Translational Medicine. 8 (4), 136 (2020).
  4. Wu, Z., et al. MASH explorer: A universal software environment for top-down proteomics. Journal of Proteome Research. 19 (9), 3867-3876 (2020).
  5. Konermann, L., Metwally, H., Duez, Q., Peters, I. Charging and supercharging of proteins for mass spectrometry: recent insights into the mechanisms of electrospray ionization. Analyst. 144 (21), 6157-6171 (2019).
  6. Bourmaud, A., Gallien, S., Domon, B. Parallel reaction monitoring using quadrupole-Orbitrap mass spectrometer: Principle and applications. Proteomics. 16 (15-16), 2146-2159 (2016).
  7. Hart-Smith, G. A review of electron-capture and electron-transfer dissociation tandem mass spectrometry in polymer chemistry. Analitica Chimica Acta. 808, 44-55 (2014).
  8. Brodbelt, J. S., Morrison, L. J., Santos, I. Ultraviolet photodissociation mass spectrometry for analysis of biological molecules. Chemical Reviews. 120 (7), 3328-3380 (2020).
  9. Karas, M., Bachmann, D., Bahr, U., Hillenkamp, F. Matrix-assisted ultraviolet-laser desorption of nonvolatile compounds. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes. 78, 53-68 (1987).
  10. Karas, M., Bachmann, D., Hillenkamp, F. Influence of the wavelength in high-irradiance ultraviolet-laser desorption mass-spectrometry of organic-molecules. Analytical Chemistry. 57 (14), 2935-2939 (1985).
  11. Tanaka, K., et al. Protein and polymer analyses up to m/z 100 000 by laser ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2 (8), 151-153 (1988).
  12. Resemann, A., et al. Top-down de Novo protein sequencing of a 13.6 kDa camelid single heavy chain antibody by matrix-assisted laser desorption ionization-time-of-flight/time-of-flight mass spectrometry. Analytical Chemistry. 82 (8), 3283-3292 (2010).
  13. Suckau, D., Resemann, A. T3-sequencing: targeted characterization of the N- and C-termini of undigested proteins by mass spectrometry. Analytical Chemistry. 75 (21), 5817-5824 (2003).
  14. Mikhael, A., Jurcic, K., Fridgen, T. D., Delmas, M., Banoub, J. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight/time-of-flight tandem mass spectrometry (negative ion mode) of French Oak Lignin: A Novel Series of Lignin and Tricin Derivatives attached to Carbohydrate and Shikimic acid Moieties. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 34 (18), 8841 (2020).
  15. Demirev, P. A., Feldman, A. B., Kowalski, P., Lin, J. S. Top-down proteomics for rapid identification of intact microorganisms. Analytical Chemistry. 77 (22), 7455-7461 (2005).
  16. Fagerquist, C. K. Unlocking the proteomic information encoded in MALDI-TOF-MS data used for microbial identification and characterization. Expert Review of Proteomics. 14 (1), 97-107 (2017).
  17. Gu, C., Tsaprailis, G., Breci, L., Wysocki, V. H. Selective gas-phase cleavage at the peptide bond C-terminal to aspartic acid in fixed-charge derivatives of Asp-containing peptides. Analytical Chemistry. 72 (23), 5804-5813 (2000).
  18. Herrmann, K. A., Wysocki, V. H., Vorpagel, E. R. Computational investigation and hydrogen/deuterium exchange of the fixed charge derivative tris(2,4,6-trimethoxyphenyl) phosphonium: implications for the aspartic acid cleavage mechanism. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 16 (7), 1067-1080 (2005).
  19. Rozman, M. Aspartic acid side chain effect-experimental and theoretical insight. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 18 (1), 121-127 (2007).
  20. Yu, W., Vath, J. E., Huberty, M. C., Martin, S. A. Identification of the facile gas-phase cleavage of the Asp-Pro and Asp-Xxx peptide bonds in matrix-assisted laser desorption time-of-flight mass spectrometry. Analytical Chemistry. 65 (21), 3015-3023 (1993).
  21. Luethy, P. M., Johnson, J. K. The use of Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS) for the identification of pathogens causing sepsis. The Journal of Applied Laboratory Medicine. 3 (4), 675-685 (2019).
  22. Knabl, L., Lass-Florl, C. Antifungal susceptibility testing in Candida species: current methods and promising new tools for shortening the turnaround time. Expert Review of Anti-Infective Therapy. 18 (8), 779-787 (2020).
  23. Gould, O., Ratcliffe, N., Krol, E., de Lacy Costello, B. Breath analysis for detection of viral infection, the current position of the field. Journal of Breath Research. 14 (4), 041001 (2020).
  24. Fagerquist, C. K., et al. Sub-speciating Campylobacter jejuni by proteomic analysis of its protein biomarkers and their post-translational modifications. Journal of Proteome Research. 5 (10), 2527-2538 (2006).
  25. Sandrin, T. R., Goldstein, J. E., Schumaker, S. MALDI TOF MS profiling of bacteria at the strain level: a review. Mass Spectrometry Reviews. 32 (3), 188-217 (2013).
  26. Christner, M., et al. Rapid MALDI-TOF mass spectrometry strain typing during a large outbreak of Shiga-Toxigenic Escherichia coli. PLoS One. 9 (7), 101924 (2014).
  27. Masaki, H., Ohta, T. Colicin E3 and its immunity genes. Journal of Molecular Biology. 182 (2), 217-227 (1985).
  28. Michel, B. After 30 years of study, the bacterial SOS response still surprises us. PLoS Biology. 3 (7), 255 (2005).
  29. Fagerquist, C. K., Sultan, O. Induction and identification of disulfide-intact and disulfide-reduced beta-subunit of Shiga toxin 2 from Escherichia coli O157:H7 using MALDI-TOF-TOF-MS/MS and top-down proteomics. Analyst. 136 (8), 1739-1746 (2011).
  30. Fagerquist, C. K., Sultan, O. Top-down proteomic identification of furin-cleaved alpha-subunit of Shiga toxin 2 from Escherichia coli O157:H7 using MALDI-TOF-TOF-MS/MS. Journal of Biomedicine & Biotechnology. 2010, 123460 (2010).
  31. Fagerquist, C. K., et al. Top-down proteomic identification of Shiga toxin 2 subtypes from Shiga toxin-producing Escherichia coli by matrix-assisted laser desorption ionization-tandem time of flight mass spectrometry. Applied and Environmental Microbiology. 80 (9), 2928-2940 (2014).
  32. Fagerquist, C. K., Zaragoza, W. J., Lee, B. G., Yambao, J. C., Quiñones, B. Clinically-relevant Shiga toxin 2 subtypes from environmental Shiga toxin-producing Escherichia coli identified by top-down/middle-down proteomics and DNA sequencing. Clinical Mass Spectrometry. 11, 27-36 (2019).
  33. Fagerquist, C. K., Lee, B. G., Zaragoza, W. J., Yambao, J. C., Quiñones, B. Software for top-down proteomic identification of a plasmid-borne factor (and other proteins) from genomically sequenced pathogenic bacteria using MALDI-TOF-TOF-MS/MS and post-source decay. International Journal of Mass Spectrometry. 438, 1-12 (2019).
  34. Fagerquist, C. K., Rojas, E. . ACS Fall 2020 Virtual Meeting & Expo. American Chemical Society, Virtual. , (2020).
  35. Fagerquist, C. K., Sultan, O. A new calibrant for matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight-time-of-flight post-source decay tandem mass spectrometry of non-digested proteins for top-down proteomic analysis. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 26 (10), 1241-1248 (2012).
  36. Fagerquist, C. K., Zaragoza, W. J. Complementary b/y fragment ion pairs from post-source decay of metastable YahO for calibration of MALDI-TOF-TOF-MS/MS. International Journal of Mass Spectrometry. 415, 29-37 (2017).
  37. Quinones, B., Yambao, J. C., Lee, B. G. Draft genome sequences of Escherichia coli O113:H21 strains recovered from a major produce production region in California. Genome Announcements. 5 (44), 01203-01217 (2017).
  38. Harrison, A. G. The gas-phase basicities and proton affinities of amino acids and peptides. Mass Spectrometry Reviews. 16 (4), 201-217 (1997).
  39. Fagerquist, C. K. Polypeptide backbone cleavage on the C-terminal side of asparagine residues of metastable protein ions analyzed by MALDI-TOF-TOF-MS/MS and post-source decay. International Journal of Mass Spectrometry. 457, (2020).
  40. Fagerquist, C. K., Zaragoza, W. J. . Mass Spectrometry: Application to the Clinical Lab 2019 (MSACL 2019). , (2019).
  41. Fagerquist, C. K., Zaragoza, W. J. Bacteriophage cell lysis of Shiga toxin-producing Escherichia coli for top-down proteomic identification of Shiga toxins 1 & 2 using matrix-assisted laser desorption/ionization tandem time-of-flight mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 30 (6), 671-680 (2016).
  42. Fagerquist, C. K., et al. Web-based software for rapid top-down proteomic identification of protein biomarkers, with implications for bacterial identification. Applied and Environmental Microbiology. 75 (13), 4341-4353 (2009).
  43. Fagerquist, C. K., et al. Rapid identification of protein biomarkers of Escherichia coli O157:H7 by matrix-assisted laser desorption ionization-time-of-flight-time-of-flight mass spectrometry and top-down proteomics. Analytical Chemistry. 82 (7), 2717-2725 (2010).
  44. Maus, A., Bisha, B., Fagerquist, C., Basile, F. Detection and identification of a protein biomarker in antibiotic-resistant Escherichia coli using intact protein LC offline MALDI-MS and MS/MS. Journal of Applied Microbiology. 128 (3), 697-709 (2020).

Play Video

Citar este artigo
Fagerquist, C. K., Rojas, E. Identification of Antibacterial Immunity Proteins in Escherichia coli using MALDI-TOF-TOF-MS/MS and Top-Down Proteomic Analysis. J. Vis. Exp. (171), e62577, doi:10.3791/62577 (2021).

View Video