Questo protocollo descrive un flusso di lavoro completamente integrato per la caratterizzazione di istone modificazioni post-traslazionali utilizzando la spettrometria di massa (MS). Il flusso di lavoro prevede la purificazione istone da colture di cellule o tessuti, istone derivatizzazione e la digestione, analisi MS utilizzando nano-flusso cromatografia liquida e le istruzioni per l'analisi dei dati. Il protocollo è stato progettato per il completamento entro 2 – 3 giorni.
Nucleosomi sono la più piccola unità strutturale della cromatina, composto da 147 coppie di basi di DNA avvolte attorno ad un ottamero di proteine istoni. funzione Histone è mediata da una vasta modificazione post-traduzionale da una miriade di proteine nucleari. Queste modifiche sono fondamentali per l'integrità nucleare come regolano cromatina struttura e reclutare enzimi coinvolti nella regolazione genica, la riparazione del DNA e cromosomi condensa. Anche se una gran parte della comunità scientifica adotta tecniche a base di anticorpi per caratterizzare istone PTM abbondanza, questi approcci sono bassi throughput e prevenuto contro le proteine hypermodified, come l'epitopo potrebbe essere ostacolato da modifiche nelle vicinanze. Questo protocollo descrive l'uso della cromatografia liquida nano (nLC) e spettrometria di massa (MS) per un'accurata quantificazione modificazioni degli istoni. Questo metodo è stato progettato per caratterizzare una grande varietà di PTM istone e la relativa abbondanza di diversi istone varianti all'interno di sanalisi ingle. In questo protocollo, gli istoni sono derivatizzati con anidride propionica seguita da digestione con tripsina per generare peptidi di 5-20 aa di lunghezza. Dopo la digestione, il che viene mostrata N-terminali dei peptidi istone sono derivatizzato per migliorare la ritenzione cromatografica durante NLC-MS. Questo metodo consente la quantificazione relativa dei PTM istone abbracciano quattro ordini di grandezza.
Epigenetica è definita come lo studio delle variazioni ereditarie nella espressione genica che sorgono da meccanismi diversi da alterare la sequenza sottostante 1. regolazione epigenetica è un fattore critico durante lo sviluppo come l'organismo subisce drammatico fenotipica cambia anche se il suo contenuto di DNA non cambia. Ci sono diversi componenti critici necessari per una corretta manutenzione epigenetica, tra cui istone modificazioni post-traduzionali (PTM), le varianti istone, RNA non codificanti, la metilazione del DNA e fattori di legame al DNA, ognuno dei quali influenzano l'espressione genica attraverso diversi meccanismi 2. Per esempio, mentre la metilazione del DNA è una modificazione altamente stabile che reprime traduzione gene 3, varianti istoni e PTMs istoni sono molto più dinamico e può influenzare cromatina in una varietà di modi 4.
PTM istoni sono prevalentemente localizzati sulle code N-terminale, in quanto sono la regione più esposta e flessibiledella proteina. Tuttavia, il nucleo nucleosoma è anche fortemente modificata rispetto alle proteine medi 5. Anche se i marchi istoni sono stati ampiamente caratterizzato negli ultimi dieci anni, molti collegamenti tra marchi istoni noti e la loro funzione non sono ancora chiare. Ciò è dovuto al fatto che la maggior parte PTMs istone non operano da soli, ma funzioni in tandem con altri PTM ( "cross-talk") alterare un processo specifico come trascrizione 6,7. Ad esempio, il contrassegno H3S10K14ac combinatoria sul gene p21 attiva la trascrizione, che non si verificherebbe con uno solo dei due PTM 8. I patti proteina HP1 cromatina riconoscendo H3K9me2 / ME3 e diffondere la modifica nucleosomi vicini. Tuttavia, HP1 non può legare H3K9me2 / 3 quando l'adiacente S10 è fosforilata 9. Acetilazione di H3K4 inibisce il legame della proteina spChp1 a H3K9me2 / ME3 in SCHIZOSACCHAROMYCES POMBE 10. Inoltre, l'istone lisina demethylase PHF8 ha la più alta efficienza di legame nucleosoma quando tre PTM H3K4me3, K9ac e K14ac sono presenti 11. Questi esempi mettono in evidenza l'importanza di raggiungere una visione globale dei cambiamenti PTM istone piuttosto che concentrarsi su singole modifiche.
La presenza della sequenza di varianti aumenta anche la complessità dell'analisi istoni, come isotipi istoni hanno generalmente sequenze altamente simili, ma spesso hanno ruoli diversi nella cromatina. Ad esempio, H2A.x ha una sequenza C-terminale che viene più facilmente fosforilata sul danno al DNA rispetto al H2A canonica 12, ed è necessario per l'inattivazione dei cromosomi sessuali in meiosi maschile del mouse 13; Allo stesso modo, CENP-A sostituisce canonica H3 istone in centromeri 14. Nonostante le loro diverse funzioni, queste varianti condividono una grande parte della loro sequenza aminoacidica con la rispettiva istone canonica, rendendo difficile identificare e quantificare separatamente. </p>
tecniche a base di anticorpi, come western blotting sono stati ampiamente adottati per caratterizzare istoni. Tuttavia, approcci basati su anticorpi sono limitati per i seguenti motivi: (i) possono confermare la presenza di una modifica e non possono identificare PTMs sconosciuti; (Ii) sono polarizzati a causa della presenza di segni coesistenti, che può influenzare affinità di legame; (iii) non possono identificare segni combinatori, come solo pochissimi anticorpi sono disponibili per tale scopo e (iv) attraversare-reagiscono tra le varianti istoni altamente simili o PTM simili (ad esempio, di- e trimethylation di residui di lisina). Egelhofer et al. ha descritto che più del 25% degli anticorpi commerciali non superano i test di specificità di Dot Blot o Western Blot, e tra gli anticorpi specifici oltre il 20% non in esperimenti di immunoprecipitazione della cromatina 15. La spettrometria di massa (MS) è convertita in uno analitico più adatto per studiare nuovi e / o combinatori PTM,ed è stato ampiamente implementato per istoni (recensiti 16). Ciò è dovuto principalmente alla elevata sensibilità ed accuratezza di massa di MS, e la possibilità di eseguire analisi su larga scala.
La strategia bottom-up è il più comunemente usato strategia proteomica MS-based per la caratterizzazione degli istoni e loro PTM, in cui la proteina intatta è enzimaticamente digerito in peptidi brevi (5-20 aa). Questo facilita sia la digestione separazione LC e la rilevazione MS. Masse nell'intervallo 600 – 2.000 Da sono comunemente più facilmente ionizzati e identificati con maggiore precisione massa e risoluzione di grandi masse. MS / MS frammentazione è anche migliorata, come peptidi sono generalmente ben adatti per la dissociazione di collisione indotta (CID). Tuttavia, istoni rappresentano una sfida per la bottom-up MS in quanto sono altamente arricchito nei residui di aminoacidi essenziali, vale a dire lisina ed arginina. Pertanto, la digestione tripsina porta alla generazione di peptidi che sono troppo smtutto per la conservazione e la localizzazione LC inequivocabile del PTM. Per aggirare questo problema, il nostro protocollo comprende lisina e peptide chimico N-terminale derivatizzazione 17. L'uso di anidride propionica è raccomandato efficiente derivatizzazione chimica rispetto ad altri reagenti 18. Tali blocchi derivatizzazione dei gruppi Ɛ-amino di residui di lisina non modificate e monometilici, permettendo tripsina eseguire proteolisi solo al C-terminale di residui di arginina. ammine derivatizzato non possono scambiarsi protoni con la soluzione e quindi i peptidi sono generalmente solo doppiamente o triplamente carica, facilitando MS e rilevazione MS / MS. Inoltre, derivatizzazione N-terminale aumenta peptide idrofobia e la ritenzione cromatografica quindi in fase inversa. Qui, descriviamo il flusso di lavoro per purificare istoni e li prepara per l'analisi PTM tramite proteomica bottom-up (Figura 1). Questa strategia realizza quantificazione dei marchi istoni singole e marchi combinatori Fo PTMs istoni che sono relativamente vicini nella sequenza aminoacidica.
Il protocollo qui descritto è ottimizzato considerare i costi, il tempo e le prestazioni. Altre preparazioni sono possibili, ma hanno limitazioni, soprattutto nel caso di accoppiamento con analisi MS. Per esempio, il protocollo di estrazione ad alta sale può essere usato per purificare istoni 26 invece di TCA precipitazioni (punto 3). protocollo di alto sale è intrinsecamente più lieve, in quanto non utilizza acido forte. Questo conserva PTM acido-labili e aumenta il rendimento degli istoni estratti, come TCA precipitazioni co-precipitati molte altre proteine di legame della cromatina. Tuttavia, l'estrazione alto contenuto di sale porta a campioni contenenti il sale troppo concentrato per HPLC-MS / MS. In una preparazione alternativa, istone digestione può essere eseguita senza propionylation (sezione 6 – 8), ad esempio riducendo il tempo tripsina incubazione e il rapporto enzima / substrato 27 o usando ARGC la digestione enzimatica 28-30. Tuttavia, si raccomanda derivatizzazione con anidride propionica, come hot porta alla generazione di peptidi più idrofobi, che sono meglio mantenuti durante cromatografia liquida.
Per derivatizzazione chimica, una varietà di anidridi di acidi organici sono stati valutati e loro meriti ampiamente discusso 18. Tuttavia, anidride propionica dimostrò il miglior compromesso tra efficienza, prodotti laterali attenuate e migliore idrofobicità peptide. Potenzialmente, anidride propionica può essere acquistato in forma marcati con isotopi; ciò consente un'analisi multiplexing a causa della possibilità di miscelazione più campioni e discriminare al livello MS sulla base delle differenti masse impartiti dall'etichetta pesante. Tuttavia, tale analisi porta ad una maggiore complessità del cromatogramma LC-MS e riduce la quantità di campione che può essere iniettato per ogni singola condizione.
A questo proposito, alcuni aspetti critici del protocollo devono essere evidenziati. Il seguente dovrebbe essere utilizzato come checklist per trovare errori nello svolgimento della procedura nel caso in cui si ottengono risultati negativi. In primo luogo, dopo precipitazione nuclei il pellet deve essere accuratamente lavato con NIB senza NP-40 Alternative (sezione 2.10) fino alla rimozione completa del detergente (evidente dalla mancanza di bolle durante la miscelazione). Non riuscendo a farlo comprometterebbe l'estrazione istone con acidi. In secondo luogo, dopo l'istone precipitazione con TCA (punto 3.9) lavaggi del pellet con acetone è cruciale. La presenza di acido concentrato avrebbe danneggiato il passo successivo, se propionylation e la digestione (paragrafo 6.1) vengono eseguite direttamente. Sarebbe non problematico in caso di frazionamento istone (sezione 5) viene eseguita. In terzo luogo, è essenziale che la reazione propionylation viene eseguita rapidamente (paragrafo 6.3 – 6.7). Per fare ciò, evitare di utilizzare lo stesso mix propionylation (propionico anidride + acetonitrile) per più di 3 – 4 campioni consecutivi. Inoltre, il pH è l'aspetto più importante della tripsina digestione (sezione 7). Altrimentiintorno a 8,0 (7,5-8,5) la digestione sarà inefficace. Questo può accadere, come il campione sarà ricco di acido propionico in questa fase. NH 4 OH può essere aggiunto finché non è necessario. Inoltre, per i ricercatori che hanno familiarità con i flussi di lavoro di proteomica si sentirà normale per acidificare il campione di interrompere tripsina digestione. Questo non dovrebbe essere fatto, in quanto metterà a repentaglio la seguente reazione, vale a dire, propionylation di peptide N-Termini (paragrafo 8.1). Infine, nello stesso numero, è importante da ricordare per l'analisi dei dati che i peptidi non modificati, non sono in realtà non modificato; Tutti i residui liberi di lisina e N-termini saranno occupati da propionylation (56,026 Da). Così, eseguendo l'estrazione cromatografia ionica della massa corrispondente univoco alla sequenza peptidica porterebbe ad alcun risultato.
I limiti del metodo sono per lo più legati alla incapacità di rilevare PTM combinatorie, a causa delle brevi sequenze peptidiche, ei pregiudizi per raggiungere il vero Abundanza di una modifica, dovuta al fatto che i peptidi in diverse forme modificate possono ionizzare con diversa efficienza. Il primo problema può essere risolto mediante la combinazione di questa tecnica con una media verso il basso o approccio top-down (rivisto in 16). Questo tipo di analisi, anche se tecnicamente più impegnativo, è ideale per studiare le frequenze di coesistenza di modifiche. Inoltre, esso consente una migliore discriminazione di varianti istoni, che non sempre possono essere conseguiti con bottom-up poiché alcuni peptidi hanno la stessa sequenza in diverse varianti istoni. Il secondo problema, legato alla efficienza di ionizzazione, può essere risolto utilizzando una libreria di peptidi sintetici 31. Questo approccio garantisce una stima più accurata della relativa abbondanza di PTM istoni. Tuttavia, nella maggior parte degli esperimenti, il risultato desiderato è le variazioni relative dei trovati modifiche tra condizioni analizzati. In questo caso, tale correzione non è necessaria, dovuta al fatto che tutti i campioni hanno gli stessi biaS.
In conclusione, questo protocollo permette l'analisi di PTM istoni che può essere completato in 3 giorni utilizzando nLC accoppiato a tandem MS. I confronti con tecniche diverse da MS, cioè, utilizzando strategie di anticorpi base come discusso nell'Introduzione, non sono adatti, in quanto non possono ottenere ancora quasi questo livello di produttività. Inoltre, le tecniche di anticorpi base non consentono la scoperta di nuovi modifiche, ma si basano esclusivamente su conferma e quantificazione contrassegni previsti. Abbiamo quindi ipotizzare che la proteomica bottom-up su peptidi istoni si guadagnare popolarità in laboratori proteomica grazie ai vantaggi intuitivi a conoscere la regolamentazione dei marchi istoni, che sono protagonisti di espressione genica messa a punto e quindi influenzare la regolazione del proteoma. Inoltre, il protocollo descritto include i recenti miglioramenti nella preparazione dei campioni e software per l'analisi dei dati, che rendono l'analisi istone più banale anche per laboraTories che mai sperimentato caratterizzazione di questo tipo di peptidi hypermodified.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato sostenuto da un finanziamento dal NIH sovvenzioni (DP2OD007447, R01GM110174 e R01AI118891).
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 |