ويعرض هذا البروتوكول على سير العمل متكامل للتميز هيستون التعديلات بعد متعدية باستخدام مطياف الكتلة (MS). يتضمن سير العمل تنقية هيستون من مزارع الخلايا أو الأنسجة، اشتقاق هيستون والهضم، وتحليل MS باستخدام النانو تدفق اللوني السائل وتعليمات لتحليل البيانات. تم تصميم بروتوكول لاستكمال غضون 2 – 3 أيام.
جسيم نووي هي أصغر وحدة الهيكلية للونين، ويتألف من 147 زوج قاعدي من الحمض النووي ملفوفة حول وجود octamer من البروتينات هيستون. وتتوسط وظيفة هيستون من تعديلات واسعة النطاق بعد متعدية من قبل عدد لا يحصى من البروتينات النووية. هذه التعديلات هي الحاسمة للسلامة النووية كما أنها تنظم لونين هيكل وتجنيد الأنزيمات المشاركة في تنظيم الجينات، وإصلاح الحمض النووي والتكثيف كروموسوم. على الرغم من أن جزءا كبيرا من المجتمع العلمي تتبنى التقنيات المعتمدة الأجسام المضادة لتوصيف هيستون PTM وفرة، وهذه الطرق هي منخفضة الإنتاجية ومنحازة ضد بروتينات hypermodified، كما يمكن أن يعرقل حاتمة من التعديلات المجاورة. يصف هذا البروتوكول استخدام اللوني نانو السائل (مؤتمر العمل النيجيري) ومطياف الكتلة (MS) لتقدير دقيق للتعديلات هيستون. تم تصميم هذا الأسلوب لوصف مجموعة كبيرة ومتنوعة من PTMs هيستون والوفرة النسبية لعدد من المتغيرات هيستون في الصورةيحلل إنجل. في هذا البروتوكول، وderivatized الهستونات مع أنهيدريد البروبيونيك تليها الهضم مع التربسين لتوليد الببتيدات من 5-20 أأ في الطول. بعد الهضم، وderivatized المكشوفة حديثا N-ترميني من الببتيدات هيستون لتحسين معدلات الاحتفاظ الكروماتوغرافي خلال مؤتمر العمل النيجيري-MS. وتسمح هذه الطريقة لتقدير النسبي للPTMs هيستون تمتد أربع درجات.
ويعرف علم التخلق مثل دراسة التغيرات الموروثة في التعبير الجيني التي تنشأ عن طريق آليات أخرى من تغيير الأساسي تسلسل الحمض النووي 1. تنظيم جينية أمر بالغ الأهمية خلال التنمية باعتبارها كائن يخضع المظهرية مثيرة يتغير على الرغم من أن لا يتم تغيير محتوى الحمض النووي. وهناك العديد من العناصر الأساسية اللازمة لصيانة جينية المناسبة، بما في ذلك هيستون التعديلات بعد متعدية (PTMs)، المتغيرات هيستون، الرنا غير الترميز، الحامض النووي والعوامل الحمض النووي ملزم، كل منها يؤثر على التعبير الجيني من خلال آليات مختلفة 2. على سبيل المثال، في حين الحامض النووي هو تعديل درجة عالية من الاستقرار الذي يقمع ترجمة الجينات 3، المتغيرات هيستون وPTMs هيستون أكثر ديناميكية بكثير، ويمكن أن تؤثر على لونين في مجموعة متنوعة من الطرق (4).
يتم ترجمة PTMs هيستون في الغالب على ذيول-N محطة، لأنها المنطقة الأكثر تعرضا ومرنةمن البروتين. ومع ذلك، يتم تعديل جوهر جسيم نووي أيضا بشكل كبير مقارنة بمتوسط البروتينات 5. على الرغم من علامات هيستون اتسمت على نطاق واسع في العقد الماضي، العديد من الروابط بين علامات هيستون المعروفة وظيفتها لا تزال غير واضحة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن معظم PTMs هيستون لا تعمل وحدها، وإنما وظيفة جنبا إلى جنب مع PTMs الأخرى ( "عبر الحديث") لتغيير عملية معينة مثل النسخ 6،7 هذا. على سبيل المثال، علامة H3S10K14ac اندماجي على P21 الجين ينشط النسخ، والذي لن يحدث مع واحد فقط من اثنين من PTMs 8. التعاقدات البروتين HP1 لونين من خلال الاعتراف H3K9me2 / ME3 ونشر تعديل جسيم نووي قريب. ومع ذلك، HP1 لا يمكن ربط H3K9me2 / 3 عندما S10 المجاور هو فسفرته 9. أستلة H3K4 يمنع الارتباط من spChp1 البروتين لH3K9me2 / ME3 في pombe السكيراء 10. وعلاوة على ذلك، فإن هيستون يسين دemethylase PHF8 لديها أعلى جسيم نووي كفاءة ملزمة عندما تكون موجودة 11 ثلاثة PTMs H3K4me3، K9ac، وK14ac. هذه الأمثلة تبرز أهمية تحقيق نظرة شاملة للتغيرات PTM هيستون بدلا من التركيز على التعديلات واحدة.
وجود تسلسل المتغيرات أيضا يزيد من تعقيد تحليل هيستون، كما فعل isotypes هيستون عموما تسلسل مشابهة إلى حد كبير، ولكن في كثير من الأحيان أدوارا مختلفة في لونين. على سبيل المثال، H2A.x لديه تسلسل C-المحطة التي فسفرته أكثر سهولة على الحمض النووي من التلف مقارنة H2A الكنسي 12، وكان مطلوبا لتثبيط الكروموسومات الجنسية في الذكور الماوس الانقسام الاختزالي 13؛ وبالمثل، CENP-A بدائل H3 هيستون الكنسي في القسيم 14. وعلى الرغم من وظائفهم مختلفة، وهذه المتغيرات تشترك في جزء كبير من تسلسل الأحماض الأمينية مع هيستون الكنسي منها، مما يجعل من الصعب تحديد وقياس كل منها على حدة. </p>
وقد تم اعتماد التقنيات المعتمدة الأجسام المضادة مثل النشاف الغربي على نطاق واسع لوصف الهستونات. ومع ذلك، والنهج القائم على الأجسام المضادة محدودة للأسباب التالية: (أ) يمكن أن تؤكد فقط وجود تعديل ولا يمكن تحديد PTMs غير المعروفة؛ (ب) ومنحازة بسبب وجود علامات موجودة المشترك، والتي يمكن أن تؤثر على تقارب ملزم. (ج) لا يمكن تحديد علامات اندماجي، كما ليست سوى عدد قليل جدا من الأجسام المضادة المتاحة لهذا الغرض و (د) عبورهم في رد الفعل بين المتغيرات هيستون مماثلة إلى حد كبير أو PTMs مماثلة (على سبيل المثال، دي وtrimethylation من بقايا يسين). Egelhofer وآخرون. وصف أن أكثر من 25٪ من الأجسام المضادة التجارية تفشل الإختبارات خصوصية لطخة نقطة أو لطخة غربية، وبين الاجسام المضادة المحددة تفشل أكثر من 20٪ في التجارب مناعي لونين 15. مطياف الكتلة (MS) هو حاليا أداة تحليلية أكثر ملائمة لدراسة الرواية و / أو اندماجي PTMs،وكان قد تم تنفيذها على نطاق واسع للبروتينات هيستون (إعادة النظر في 16). هذا يرجع في معظمه إلى حساسية عالية ودقة الجماعية لمرض التصلب العصبي المتعدد، وإمكانية لإجراء تحليلات واسعة النطاق هذا.
استراتيجية من أسفل إلى أعلى هي الأكثر استخداما استراتيجية البروتينات يستند إلى MS-لتوصيف هيستون وPTMs بهم، حيث يتم هضم البروتين سليمة إنزيمي في الببتيدات قصيرة (5-20 أأ). هذا الهضم يسهل على حد سواء فصل LC والكشف عن مرض التصلب العصبي المتعدد. الجماهير في حدود 600 – 2000 دا يشيع المتأين أكثر سهولة وحددت بدقة أعلى الجماعية وقرار من الجماهير الكبيرة. تم تحسين MS / MS تجزئة أيضا، كما هي عادة مناسبة تماما الببتيدات القصيرة للتصادم الناجم عن تفكك (CID). ومع ذلك، الهستونات تحديا لمن أسفل إلى أعلى MS كما هي التخصيب في مخلفات الأحماض الأمينية الأساسية، وهي يسين وأرجينين. لذلك، والهضم التربسين يؤدي إلى توليد الببتيدات التي هي أيضا SMجميع من أجل الاحتفاظ LC والتعريب لا لبس فيه من PTMs. للتحايل على هذه المسألة، ويتضمن بروتوكول لدينا ليسين والببتيد-N محطة الكيميائية اشتقاق 17. من المستحسن استخدام الخل البروبيونيك لكفاءة اشتقاق الكيميائية بالمقارنة مع الكواشف الأخرى 18. هذه القطع اشتقاق الفئات-ɛ الأمينية من بقايا يسين معدلة وmonomethyl، مما يسمح للالتربسين لأداء التحلل البروتيني فقط في C-محطة من بقايا أرجينين. الأمينات Derivatized لا يمكن تبادل البروتونات مع الحل، وبالتالي يتم عادة إلا مضاعفة أو ثلاثة أسباب اتهم الببتيدات، وتسهيل التصلب العصبي المتعدد والكشف MS / MS. وعلاوة على ذلك، اشتقاق N-محطة يزيد للا مائية الببتيد ومرحلة عكس بالتالي الاحتفاظ الكروماتوغرافي. هنا، نحن تصف سير العمل لتنقية الهستونات وإعدادهم للتحليل PTM عبر البروتينات من أسفل إلى أعلى (الشكل 1). هذه الاستراتيجية تحقق القياس الكمي للعلامات هيستون واحدة وعلامات اندماجي وأو PTMs هيستون التي هي قريبة نسبيا في تسلسل الأحماض الأمينية.
هو الأمثل بروتوكول صفها هنا النظر في التكاليف والوقت والأداء. استعدادات أخرى ممكنة، ولكن لديهم قيود، وخاصة في حالة اقتران مع تحليل MS. على سبيل المثال، بروتوكول استخراج عالية من الملح يمكن أن تستخدم لتنقية الهستونات 26 بدلا من هطول TCA (القسم 3). بروتوكول عالية من الملح أكثر اعتدالا في جوهرها، كما أنه لا يستخدم حمض قوي. هذا يحفظ PTMs حمض عطوب ويزيد من العائد من الهستونات المستخرج، كما TCA هطول المشارك يترسب العديد من البروتينات الأخرى لونين ملزمة. ومع ذلك، واستخراج عالية من الملح يؤدي إلى عينات تحتوي على الملح مركزة للغاية بالنسبة HPLC-MS / MS. في إعداد بديل، والهضم هيستون يمكن القيام بها دون propionylation (القسم 6-8)، على سبيل المثال من خلال تقليل الوقت التربسين الحضانة ونسبة انزيم / الركيزة 27 أو باستخدام ARGC كما انزيم الهضم 28-30. ومع ذلك، فمن المستحسن اشتقاق مع أنهيدريد البروبيونيك، وأنار يؤدي إلى توليد المزيد من الببتيدات مسعور، والتي يتم الاحتفاظ بشكل أفضل خلال اللوني السائل.
لاشتقاق الكيميائية، تم تقييم مجموعة متنوعة من المركبات الحمضية اثنين من الأحماض العضوية ومزاياها مناقشة شاملة 18. ومع ذلك، أثبتت أنهيدريد البروبيونيك إلى أفضل حل وسط بين الكفاءة والمنتجات الجانبية الحد الأدنى وتحسين للا مائية الببتيد. يحتمل، أنهيدريد البروبيونيك يمكن شراؤها في شكل المسمى isotopically. وهذا يسمح للتحليل الإرسال المتعدد نظرا لإمكانية خلط عينات متعددة وتميز على الصعيد MS على أساس كتل مختلفة المنقولة من التسمية الثقيلة. ومع ذلك، هذا التحليل يؤدي إلى زيادة تعقيد اللوني LC-MS ويقلل من كمية العينة التي يمكن حقنها في كل حالة واحدة.
وفي هذا الصدد، ينبغي إبراز بعض الجوانب الهامة من البروتوكول. وينبغي أن تستخدم ما يلي كما الفصلecklist إلى العثور على أخطاء في تنفيذ الإجراء في حال الحصول على نتائج سلبية. أولا، بعد هطول الأمطار أنويتها يجب غسلها بيليه بعناية مع بنك الاستثمار القومي دون (القسم 2.10) حتى الاستئصال الكامل للمنظفات (ملحوظ بسبب عدم وجود فقاعات خلال خلط) NP-40 البديل. ان الفشل في القيام بذلك تنازلات استخراج هيستون مع الأحماض. ثانيا، بعد هطول الأمطار هيستون مع TCA (القسم 3.9) يغسل بيليه مع الأسيتون أمر بالغ الأهمية. ان وجود حمض المركزة تضر الخطوة التالية إذا يتم تنفيذ propionylation والهضم (القسم 6.1) مباشرة. وسيكون من لا مشكلة في تجزئة القضية هيستون يتم تنفيذ (القسم 5). ثالثا، من الضروري أن رد الفعل propionylation تتم بسرعة (قسم 6،3-6،7). للقيام بذلك، تجنب استخدام مزيج propionylation نفسه (أنهيدريد البروبيونيك + الأسيتونتريل) لأكثر من 3-4 عينات متتالية. بالإضافة إلى ذلك، ودرجة الحموضة هو الجانب الأكثر أهمية في عملية الهضم التربسين (المادة 7). ان لمحول 8.0 (7،5-8،5) ستكون عملية الهضم غير فعالة. هذا يمكن أن يحدث، كما العينة سوف تكون غنية في حمض البروبيونيك في هذه الخطوة. NH 4 OH يمكن إضافة حتى لزم الأمر. أيضا، للباحثين على دراية سير العمل البروتينات وسوف تشعر الطبيعي أن يحمض عينة لإنهاء التربسين الهضم. لا ينبغي أن يتم هذا، لأنها سوف يعرض للخطر التفاعل التالي، أي propionylation الببتيد N-ترميني (القسم 8.1). وأخيرا، في نفس القضية، من المهم أن نتذكر لتحليل البيانات أن الببتيدات معدلة ليست معدلة في الواقع. جميع سيتم المحتلة بقايا يسين مجاني وN-ترميني من propionylation (56،026 دا). وهكذا، وأداء استخراج اللوني ايون من كتلة المقابلة فريد لتسلسل الببتيد من شأنه أن يؤدي إلى أية نتائج.
القيود المفروضة على طريقة هي في معظمها ذات الصلة إلى عدم القدرة على اكتشاف PTMs اندماجي، ويرجع ذلك إلى تسلسل الببتيد قصيرة، والتحيز في تحقيق أبون صحيحرقصة التعديل، ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الببتيدات في أشكال معدلة مختلفة قد تأيين مع كفاءات مختلفة. العدد الأول يمكن حلها عن طريق الجمع بين هذه التقنية مع لأسفل المتوسط أو نهج من أعلى إلى أسفل (التي استعرضت في 16). هذا النوع من التحليل، حتى لو كان من الناحية الفنية أكثر تحديا، مثالية لدراسة الترددات التعايش بين التعديلات. وعلاوة على ذلك، فإنه يسمح بالتمييز أفضل من المتغيرات هيستون، الذي لا يمكن أن يتحقق دائما مع القاعدة إلى القمة منذ بعض الببتيدات لديها نفس تسلسل في المتغيرات هيستون مختلفة. المسألة الثانية، تتعلق كفاءة التأين، يمكن حلها باستخدام مكتبة من الببتيدات الاصطناعية 31. هذا النهج يضمن تقدير أكثر دقة من الوفرة النسبية للPTMs هيستون. ومع ذلك، في معظم التجارب، والنتيجة المرجوة هي التغيرات النسبية من تعديلات معينة بين الظروف تحليلها. في هذه الحالة، هذا التصحيح ليس من الضروري، ويرجع ذلك إلى حقيقة أن جميع العينات لها نفس بياالصورة.
في الختام، يسمح هذا البروتوكول لتحليل PTMs هيستون الذي يمكن أن تكتمل في 3 أيام باستخدام NLC بالإضافة إلى بالترادف MS. مقارنات مع غيرها من التقنيات من مرض التصلب العصبي المتعدد، أي باستخدام استراتيجيات الأجسام المضادة تستند كما جاء في المقدمة، ليست مناسبة، لأنها لا يمكن أن تحقق حتى ما يقرب من هذا المستوى من الإنتاجية. وبالإضافة إلى ذلك، وتقنيات الأجسام المضادة على أساس لا تسمح لاكتشاف تعديلات جديدة، لكنها تستند حصرا على تأكيد وقياس العلامات المتوقعة. وبالتالي فإننا نفترض أن البروتينات أسفل إلى أعلى على الببتيدات هيستون سوف تكسب شعبية في المختبرات البروتينات نظرا لمزايا بديهية في معرفة تنظيم علامات هيستون، والتي هي أبطال في التعبير ضبط الجينات، وبالتالي تؤثر على تنظيم بروتيوم. وعلاوة على ذلك، وصفت البروتوكول يشمل التحسينات الأخيرة في إعداد العينات والبرمجيات لتحليل البيانات، مما يجعل تحليل هيستون أكثر تافهة أيضا للمختبرالمحافظين الذي لم يشهد توصيف هذا النوع من الببتيدات hypermodified.
The authors have nothing to disclose.
وأيد هذا العمل من خلال تمويل من منح المعاهد الوطنية للصحة (DP2OD007447، R01GM110174 وR01AI118891).
Trypsin 0.25% EDTA | Invitrogen | 25200056 | For harvesting cells |
PBS | Invitrogen | 14200075 | |
Tris | Roche | 77-86-1 | |
Potassium Chloride | Fisher Scientific | BP366-500 | |
Sodium Chloride | Sigma | S9888 | |
Magnesium Chloride hexahydrate | Sigma | M9272 | |
Calcium Chloride, anhydrous | Sigma | C1016 | |
Sucrose | Fisher Scientific | BP220-1 | |
DTT | Invitrogen | 15508-013 | |
AEBSF | EMD Millipore Corp | 101500 | |
Microcystin | Sigma | M4194 | |
Sodium Butyrate | Sigma | B5887 | |
Halt Protease and Phosphatase Inhibitor Cocktail, EDTA-free (100X) | Fisher Scientific | 78445 | |
NP-40 Alternative | CALBIOCHEM | 492016 | |
Sulfuric Acid, ACS grade | Fisher Chemical | 7664-93-9 | |
Trichloroacetic acid | Sigma | T6399 | |
Acetone | Sigma | 179124 | |
HCl | Fisher Chemical | A144-500 | |
Bradford reagent | Biorad | 500-0006 | |
30% acrylamide/bis 29:1 — 500ml | Biorad | 1610156 | |
Coomassie | Fisher Scientific | 20278 | |
C18 Column (5um) 2.1mm x 250mm | Grace | 218TP52 | |
C18 Column (5um) 4.6mm x 250mm | Grace | 218TP54 | |
HPLC grade acetonitrile | Fisher Chemical | A955-4 | |
HPLC grade water | Fisher Scientific | W6 4 | |
TFA | Fisher Scientific | A11650 | |
Ammonium Bicarbonate | Sigma | A6141 | |
ammonium hydroxide | Sigma | 338818 | |
propionic anhydride | Sigma | 240311 | |
Sequencing grade modified trypsin | Promega | PRV5113 | For digesting histones for MS |
Acetic Acid | Sigma | 49199 | |
C18 extraction disk | Empore | 2215 | |
Formic Acid | Sigma | F0507 |