הפקת חלבון סה"כ ו2-D שיטות ג'ל אלקטרופורזה עבור<em> Burkholderia</em> מינים
Summary
חברים של סוג Burkholderia הם פתוגנים חשיבות קלינית. אנו מתארים שיטה לסך מיצוי חלבון חיידקים, תוך שימוש בהפרעה מכאנית, וג'ל אלקטרופורזה 2-D לניתוח proteomic שלאחר מכן.
Abstract
החקירה של רמות החלבון תאית של מיני חיידקים היא בעלת חשיבות להבנת המנגנונים פתוגניים במחלות הנגרמים על ידי אורגניזמים אלה. כאן אנו מתארים הליך להפקת חלבון ממינים Burkholderia מבוססת על תמוגה מכאנית באמצעות חרוזי זכוכית בנוכחות חומצת ethylenediamine tetraacetic ופלואוריד phenylmethylsulfonyl בופר פוספט. שיטה זו יכולה לשמש למיני Burkholderia שונים, לתנאי גידול שונים, וסביר להניח מתאים לשימוש במחקרי proteomic של חיידקים אחרים. לאחר מיצוי חלבון, טכניקת proteomic דו ממדים (2-D) ג'ל אלקטרופורזה מתוארת ללמוד שינויים הגלובליים בproteomes של אורגניזמים אלה. שיטה זו מורכבת של הפרדת חלבונים לפי הנקודה איזואלקטרית על ידי איזואלקטרית התמקדות בממד הראשון, ואחריו הפרדה על בסיס משקל מולקולריעל ידי ג'ל אלקטרופורזה acrylamide בממד השני. הדמיה של חלבונים מופרדים מתבצעת על ידי צביעת כסף.
Introduction
Burkholderia הסוג מונה יותר מ 62 מינים, אורגניזמים שליליים גרם מבודדים ממגוון רחב של נישות, והוא מחולק לשני אשכולות עיקריים 1,2. האשכול הראשון כולל בני אדם, בעלי חיים ואורגניזמים phytotrophic, ורוב המחקרים התמקדו במינים פתוגניים של קבוצה זו בשל החשיבות הקלינית שלהם. החברים פתוגניים ביותר הם B. pseudomallei ו-B mallei (מה שגורם melioidosis ונחרת בהתאמה) 3,4 ופתוגנים אופורטוניסטיים (17 מינים המוגדרים של מתחם Burkholderia cepacia, BCC) 5, הגורמים למחלות בסיסטיק פיברוזיס (CF) ומחלת granulomatous כרונית (CGD) 1. האשכול השני, עם יותר מ 30 מינים nonpathogenic, כולל חיידקים הקשורים צמחים או בסביבה, והם נחשבים למועילים פוטנציאליים למארח 2.
סיבוכים רבים לצאת frזיהום חיידקי אום עם החברים פתוגניים של סוג Burkholderia, כגון העברת של הפתוגן בין חולים, התפשטות המחלה וכישלון טיפול בשל ההתנגדות הפנימית או נרכשה לאנטיביוטיקה הופכת קשה למגר ברוב המקרים 6-9. לכן, צובר הבנה ברורה יותר של הבסיס להקמתה של זיהום חיידקים הוא חיוני לטיפול במחלות הנגרמות על ידי אורגניזמים אלה. על מנת לקבל תובנות לגבי הקמתה של זיהום, חקירות נרחבות על רכיבי חיידקים הקשורים בפתוגנזה יש צורך. לימודים מתמקדים בניתוח proteomic של אורגניזמים Burkholderia תוך שימוש בגישות proteomic תיארו חלבונים שהיו מעורבים בפתוגנזה של חיידקים, כמו גם שינויים בproteome פרופילי 10-16.
שיטות הפקת חלבון באמצעות sonication ומחזורי הקפאה מופשרת במאגר תמוגה המכיל גבוה קונצרט כלשהוentration של אוריאה, thiourea בשילוב עם חומרי ניקוי וampholytes כבר יושם במחקרי proteomic Burkholderia 10-13. למרות האוריאה היא די יעילה לdenaturation חלבון, זה יכול לבסס שיווי משקל בתמיסה מימית עם איזוציאניד אמוניום, אשר יכול להגיב עם קבוצות חומצת אמינו, ובכך יוצר חפצים (תגובת carbamylation) 17. לכן, מומלץ לכלול ampholytes המוביל, אשר פועל כמו אוכלי נבלות cyanate ולהימנע מטמפרטורות מעל 37 מעלות צלזיוס 17. יתר על כן, כדי למנוע כל הפרעה כימית של מאגר תמוגה עם כימות חלבון, אותו המאגר תמוגה יכול לשמש כדי ליצור עקומת הסטנדרט, כדי שהדגימות והסטנדרטים יש לו הרקע 10. מתודולוגיות אחרות כרוכות בשימוש במאגרים וחומרי ניקוי בסיסיים עם תקופות דגירה חום 17,18, אולם תנאים אלה עלולים לגרום לשינויים בproteome ושחומרי ניקוי מסוימים אינם תואמים ליחסי ציבוריישום oteomics אלא אם כן צעדים להסרת חומר ניקוי שלאחר מכן כלולים 17,18.
לאחר חילוץ וכימות נאותים, ביטוי חלבון הגלובלי של כל חלבון בודד ניתן ללמוד באמצעות גישות proteomic כגון דו ממדים (2-D) ג'ל אלקטרופורזה. טכניקה זו תוארה לראשונה על ידי O'Farell 19 ומורכב בהפרדת חלבונים לפי הנקודה איזואלקטרית על ידי איזואלקטרית התמקדות בממד הראשון, ולאחר מכן בהתאם למשקל המולקולרי שלהם על ידי ג'ל אלקטרופורזה acrylamide בממד השני. בשל הרזולוציה והרגישות שלה, טכניקה זו היא כלי רב עוצמה לניתוח וזיהוי של חלבונים ממקורות ביולוגיים מורכבים 19,20. טכניקת הפרדה זו זמינה כיום בגישות חלבון ממוקד עם היתרון הגדול של פתרון isoforms החלבון נגרם על ידי שינויים לאחר תעתיק או עיבוד פרוטאוליטי. שינויים הכמותייםיכול להיות מזוהה על ידי השוואת עוצמת הנקודה המקבילה לאחר הצביעה של ג'ל 20. עם זאת, טכניקה זו אינה מתאימה לזיהוי של חלבונים גדולים מאוד, חלבונים בממברנה, חלבונים מאוד בסיסיים וחומצי או הידרופובי, והיא טכניקה קצת מייגע וגוזל זמן 20. גישות פפטיד הממוקד חדשות (המבוסס על ג'ל שאינו), כי הם יותר חזקים והמטרה להיות זמינות וניתן להשתמש בם להשוואת כמותית בשיטות תיוג איזוטופ היציב ההפרש כגון תיוג ציסטאין ידי זיקה מקודדת איזוטופ תיוג (ICAT) 21, וקבוצת אמינו תיוג על ידי תיוג איזוטופ כדי לכמת יחסי ומוחלט (iTRAQ) 22. השימוש בטכניקת proteomic אחת עשויה לתת מידע מספיק, ולכן השימוש בשני גישות proteomic משלימות הוא הכרחי עבור רוב השינויים בהערכה באופן מלא בproteome. עם זאת, ג'ל אלקטרופורזה 2-D נעשתה שימוש נרחב ויכולה להיות מיושמת באופן שיגרתי לקוואןtitative ביטוי של מספר חלבונים באורגניזמים שונים.
כאן אנו מתארים מיצוי חלבון כל התא ונהלי ג'ל אלקטרופורזה 2-D למיני Burkholderia שהותאמו ומותאמים מ2-D עקרונות אלקטרופורזה GE Healthcare ושיטות Handbook 80-6429-60AC 2004 (www.amershambiosciences.com). הפקת החלבון בוצעה באמצעות מקצף חרוז בחרוזי זכוכית בנוכחות של PBS המכילה 5 מ"מ EDTA (חומצת tetraacetic ethylenediamine) ו1 מ"מ PMSF (פלואוריד phenylmethylsulfonyl). הליך זה מאפשר כימות של חלבונים עם השפלה מינימלית הוא amendable לגישות proteomic כ15,23,24 שדווחו בעבר. ג'ל אלקטרופורזה 2-D בוצעה באמצעות 24 סנטימטר ארוך משותק pH 4-7 שיפוע וחלבונים הופרדו על פי נקודה איזואלקטרית. אז חלבונים הופרדו על פי Molecמשקל תואר בלבד על ידי ג'ל SDS-polyacrylamide. בנוסף, אנו תיארתי שיטת צביעת כסף להדמיה של חלבוני מקום, ושיטת כתם כסף שהוא תואם לניתוח ספקטרומטריית מסה. יחד נהלים אלה יכולים לאפשר זיהוי של חלבונים חשובים ממינים Burkholderia שיכול להיות מעורב בפתוגנזה.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטה להכנת חלבונים שתוארה שיכול לחלץ את רוב חלבוני Burkholderia עם שחזור טוב. זו באה לידי הביטוי על ידי קבלת באותו פרופיל חלבון משני תכשירים עצמאיים שבוצעו בימים שונים תוך שימוש באותה התרבות חיידקים גדלה בLB או מרק YEM כפי שמוצג באיור 1. החילוץ היה יעיל לחיידקים …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מלגת לימודים מאוניברסיטת בריטיש קולומביה (לBV) ומענקים מסיסטיק פיברוזיס מכוני קנדה וקנדיים לבריאות מחקר (לDPS). אנו מודים לז'קלין צ'ונג להכנה הראשונית של פרוטוקולים.
Materials
| Reagents | |||
| Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF) | Sigma | P7626 | Toxic, corrosive |
| Acetone | Fisher | A18-1 | Flammable |
| PBS Buffer | Bioscience | R028 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Fisher | BP118-500 | toxic |
| Glass beads (0.1 mm) | BioSpec Products | 11079101 | |
| Nalgene Oak Ridge Centrifuge tubes, polycarbonate (50 ml) | VWR | 21009-342 | |
| MicroBCA protein extraction kit | Pierce | 23235 | |
| Microcentrifuge Tubes 2.0 ml conical Screw cap Tubes with Cap and O-Ring | Fisher | 02-681-375 | |
| 2-D Clean-Up kit | GE Healthcare | 80-6484-51 | |
| Urea | Invitrogen | 15505-050 | Irritant |
| CHAPS | Amersham Biosciences | 17-1314-01 | |
| Dithiothreitol (DTT) | MPBiomedical, LCC | 856126 | Irritant |
| Immobiline DryStrips pH 4-7 24 cm | Amersham Biosciences | 176002-46 | |
| Duracryl | Proteomic Solutions | 80-0148 | Very toxic, carcinogen |
| Ammonium persulfate | Fisher | BP179-100 | Flammable, toxic, corrosive |
| N,N,N’,N’-tetramethylethylenediamine (TEMED) | Invitrogen | 15524-010 | Flammable |
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Fisher | BP166-500 | Acute toxicity, flammable |
| Agarose | Invitrogen | 15510-027 | |
| Ethanol | Fisher | HC1100-1GL | Flammable, toxic |
| Acetic acid | Fisher | A491-212 | Flammable, corrosive |
| Glutaraldehyde | Fisher | G151-1 | Very toxic, corrosive, dangerous for the environment |
| Potassium tetrathionate | Sigma | P2926 | Irritant |
| Sodium acetate | EM Science | 7510 | |
| Silver nitrate | Sigma | 209139 | Corrosive, dangerous for the environment |
| Formaldehyde | Sigma | 252549 | Toxic |
| Sodium thiosulfate | Sigma | S7026 | |
| Tris Base | EMD | 9230 | |
| Glycine | MPBiomedical, LCC | 808831 | |
| Glycerol | MPBiomedical, LCC | 800688 | |
| Methanol | Fisher | A412-4 | Flammable, toxic, health hazard |
| Sodium carbonate anhydrous | EMD | SX0400-3 | Toxic |
| Mineral oil | ACROS | 415080010 | |
| Equipment | |||
| JA-20 ultracentrifuge rotor | Beckman Coulter | 334831 | |
| Mini Beadbeater | Biospec Products | 3110BX | |
| Ettan IPGphor II Isoelectric Focusing System and accessories | GE Healthcare | 80-6505-03 | www.amershambiosciences.com |
| Ettan DALT Large Vertical electrophoresis system | GE Healthcare | 80-6485-27 | www.amershambiosciences.com |
References
- Drevinek, P., Mahenthiralingam, E. Burkholderia cenocepacia in cystic fibrosis: epidemiology and molecular mechanisms of virulence. Clin. Microbiol. Infect. 16, 821-830 (2010).
- Suarez-Moreno, Z. R., et al. Common Features of Environmental and Potentially Beneficial Plant-Associated Burkholderia. Microb. Ecol. , (2011).
- Wiersinga, W. J., van der Poll, T., White, N. J., Day, N. P., Peacock, S. J. Melioidosis: insights into the pathogenicity of Burkholderia pseudomallei. Nat. Rev. Microbiol. 4, 272-282 (2006).
- White, N. J. Melioidosis. Lancet. 361, 1715-1722 (2003).
- Mahenthiralingam, E., Urban, T. A., Goldberg, J. B. The multifarious, multireplicon Burkholderia cepacia complex. Nat. Rev. Microbiol. 3, 144-156 (2005).
- Speert, D. P., Henry, D., Vandamme, P., Corey, M., Mahenthiralingam, E. Epidemiology of Burkholderia cepacia complex in patients with cystic fibrosis. Canada. Emerg. Infect. Dis. 8, 181-187 (2002).
- Dance, D. A., Wuthiekanun, V., Chaowagul, W., White, N. J. The antimicrobial susceptibility of Pseudomonas pseudomallei. Emergence of resistance in vitro and during treatment. J. Antimicrob. Chemother. 24, 295-309 (1989).
- Thibault, F. M., Hernandez, E., Vidal, D. R., Girardet, M., Cavallo, J. D. Antibiotic susceptibility of 65 isolates of Burkholderia pseudomallei and Burkholderia mallei to 35 antimicrobial agents. J. Antimicrob. Chemother. 54, 1134-1138 (2004).
- Govan, J. R. W., et al. Evidence for transmission of Pseudomonas cepacia by social contact in cystic fibrosis. Lancet. 342, 15-19 (1993).
- Thongboonkerd, V., et al. Altered proteome in Burkholderia pseudomallei rpoE operon knockout mutant: insights into mechanisms of rpoE operon in stress tolerance, survival, and virulence. J. Proteome. Res. 6, 1334-1341 (2007).
- Park, K. H., Lipuma, J. J., Lubman, D. M. Comparative proteomic analysis of B. cenocepacia using two-dimensional liquid separations coupled with mass spectrometry. Anal Chim. Acta. 592, 91-100 (2007).
- Wongtrakoongate, P., Mongkoldhumrongkul, N., Chaijan, S., Kamchonwongpaisan, S., Tungpradabkul, S. Comparative proteomic profiles and the potential markers between Burkholderia pseudomallei and Burkholderia thailandensis. Mol. Cell Probes. 21, 81-91 (2007).
- Harding, S. V., et al. The identification of surface proteins of Burkholderia pseudomallei. Vaccine. 25, 2664-2672 (2007).
- Madeira, A., Santos, P. M., Coutinho, C. P., Pinto-de-Oliveira, A., Sa-Correia, I. Quantitative proteomics (2-D DIGE) reveals molecular strategies employed by Burkholderia cenocepacia to adapt to the airways of cystic fibrosis patients under antimicrobial therapy. Proteomics. 11, 1313-1328 (2011).
- Zlosnik, J. E. A., Speert, D. P. The Role of Mucoidy in Virulence of Bacteria from the Burkholderia cepacia Complex: A Systematic Proteomic and Transcriptomic Analysis. J. Infect. Dis. 202, 770-781 (2010).
- Riedel, K., Carranza, P., Gehrig, P., Potthast, F., Eberl, L. Towards the proteome of Burkholderia cenocepacia H111: setting up a 2-DE reference map. Proteomics. 6, 207-216 (2006).
- Weiss, W., Gorg, A. Sample solublization buffers for two-dimensional electrophoresis. Methods Mol. Biol. 424, 35-42 (2008).
- von der Haar, T. Optimized protein extraction for quantitative proteomics of yeasts. PLoS One. 2, e1078 (2007).
- O’Farrell, P. H. High resolution two-dimensional electrophoresis of proteins. J. Biol. Chem. 250, 4007-4021 (1975).
- Gorg, A., Weiss, W., Dunn, M. J. Current two-dimensional electrophoresis technology for proteomics. Proteomics. 4, 3665-3685 (2004).
- Gygi, S. P., Rist, B., Griffin, T. J., Eng, J., Aebersold, R. Proteome analysis of low-abundance proteins using multidimensional chromatography and isotope-coded affinity tags. J. Proteome Res. 1, 47-54 (2002).
- Ross, P. L., et al. Multiplexed protein quantitation in Saccharomyces cerevisiae using amine-reactive isobaric tagging reagents. Mol. Cell Proteomics. 3, 1154-1169 (2004).
- Velapatiño, B., Limmathurotsakul, D., Peacock, S. J., Speert, D. P. Identification of differentially expressed proteins from Burkholderia pseudomallei isolated during primary and relapsing melioidosis. Microbes. Infect. 14, 335-340 (2012).
- Chung, J. W., Speert, D. P. Proteomic identification and characterization of bacterial factors associated with Burkholderia cenocepacia survival in a murine host. Microbiology. 153, 206-214 (2007).
- Rotz, L. D., Khan, A. S., Lillibridge, S. R., Ostroff, S. M., Hughes, J. M. Public health assessment of potential biological terrorism agents. Emerg. Infect. Dis. 8, 225-230 (2002).
- Thon, J. N., et al. Comprehensive proteomic analysis of protein changes during platelet storage requires complementary proteomic approaches. Transfusion. 48, 425-435 (2008).
- Wu, T. In New and Emerging Proteomic Techniques. Methods Mol. Biol. 328, 71-95 (2006).
- Lopez, M. F., et al. A comparison of silver stain and SYPRO Ruby Protein Gel Stain with respect to protein detection in two-dimensional gels and identification by peptide mass profiling. Electrophoresis. 21, 3673-3683 (2000).
