Este protocolo describe un flujo de trabajo totalmente integrado para la caracterización de las histonas modificaciones post-traduccionales utilizando espectrometría de masas (MS). El flujo de trabajo incluye la purificación de la histona de cultivos de células o tejidos, la derivación de histonas y la digestión, el análisis de MS utilizando cromatografía líquida de flujo nano e instrucciones para el análisis de datos. El protocolo está diseñado para dentro de 2 – 3 días.
Nucleosomas son la unidad estructural más pequeña de la cromatina, compuesta de 147 pares de bases de ADN envueltos alrededor de un octámero de proteínas histonas. la función de la histona está mediada por una amplia modificación posterior a la traducción por una miríada de proteínas nucleares. Estas modificaciones son críticas para la integridad nuclear ya que regulan la estructura de la cromatina y reclutar enzimas implicadas en la regulación génica, la reparación del ADN y la condensación de los cromosomas. A pesar de que una gran parte de la comunidad científica adopta técnicas basadas en anticuerpos para caracterizar la histona abundancia PTM, estos enfoques son el bajo rendimiento y sesgada contra proteínas hypermodified, ya que el epítopo puede ser obstruida por modificaciones cercanas. Este protocolo describe el uso de cromatografía líquida de nano (NLC) y espectrometría de masas (MS) para la cuantificación precisa de modificaciones de las histonas. Este método está diseñado para caracterizar una gran variedad de PTM histonas y la abundancia relativa de varios de histonas variantes dentro de sanaliza la ingle. En este protocolo, las histonas se derivatizan con anhídrido propiónico seguido por la digestión con tripsina para generar péptidos de 5-20 aa de longitud. Después de la digestión, la recién expuesta N-terminales de los péptidos de histonas se derivatizan para mejorar la retención cromatográfica durante nLC-MS. Este método permite la cuantificación relativa de PTM histonas que abarcan cuatro órdenes de magnitud.
La epigenética se define como el estudio de los cambios heredables en la expresión de genes que se presentan por mecanismos distintos de la alteración de la secuencia de ADN subyacente 1. Regulación epigenética es crítica durante el desarrollo como el organismo se somete a fenotípica dramático cambia a pesar de que su contenido de ADN no cambia. Hay varios componentes críticos necesarios para el mantenimiento epigenética adecuada, incluyendo histonas modificaciones post-traduccionales (PTMs), variantes de las histonas, ARN no codificantes, la metilación del ADN y factores de unión de ADN, cada uno de los cuales afectan a la expresión génica a través de diferentes mecanismos 2. Por ejemplo, mientras que la metilación del ADN es una modificación muy estable que reprime la traducción del gen 3, las variantes de las histonas y PTM histonas son mucho más dinámica y puede influir en la cromatina en una variedad de maneras 4.
PTM histonas se localizan principalmente en las colas N-terminal, ya que son la región más expuesta y flexiblede la proteína. Sin embargo, el núcleo del nucleosoma está también muy modificada en comparación con un promedio de 5 proteínas. A pesar de que las marcas de las histonas se han caracterizado ampliamente en la última década, muchos enlaces entre histonas marcas conocidas y su función aún no están claros. Esto se debe en gran parte al hecho de que la mayoría de los PTM histonas no trabajan solos, sino más bien la función en conjunto con otra PTM ( "cross-talk") para alterar un proceso específico, como la transcripción de 6,7. Por ejemplo, la marca H3S10K14ac combinatoria en el gen p21 activa su transcripción, lo que no ocurriría con sólo uno de los dos PTM 8. Los compactos HP1 proteínas cromatina mediante el reconocimiento de H3K9me2 / ME3 y la difusión de la modificación de los nucleosomas cercanas. Sin embargo, no se puede enlazar HP1 H3K9me2 / 3 cuando el S10 adyacente es fosforilada 9. La acetilación de H3K4 inhibe la unión de la proteína a la spChp1 H3K9me2 / ME3 en Schizosaccharomyces pombe 10. Además, la histona lisina demethylase PHF8 tiene la mayor eficiencia de unión cuando tres nucleosoma PTM H3K4me3, K9ac, y K14ac están presentes 11. Estos ejemplos ponen de relieve la importancia de lograr una visión global de los cambios PTM histonas en lugar de centrarse en las modificaciones individuales.
La presencia de variantes de secuencia también aumenta la complejidad del análisis de la histona, como isotipos histonas generalmente tienen secuencias muy similares, pero a menudo tienen diferentes funciones en la cromatina. Por ejemplo, H2A.X tiene una secuencia C-terminal que está más fácilmente fosforilados sobre el daño del ADN en comparación con H2A canónica 12, y se requiere para la inactivación de los cromosomas sexuales en la meiosis masculina ratón 13; Del mismo modo, CENP-A sustituye a la histona H3 canónica en centrómeros 14. A pesar de sus diferentes funciones, estas variantes comparten una gran parte de su secuencia de aminoácidos con el respectivo histona canónica, lo que hace difícil identificar y cuantificar por separado. </p>
técnicas basadas en anticuerpos, tales como transferencia Western han sido ampliamente adoptado para caracterizar las histonas. Sin embargo, los enfoques basados en anticuerpos son limitadas por las siguientes razones: (i) que sólo se puede confirmar la presencia de una modificación y no pueden identificar PTM desconocidos; (Ii) que tienen un sesgo debido a la presencia de las marcas de co-existentes, lo que puede influir en la afinidad de unión; (iii) que no pueden identificar marcas combinatorias, ya que sólo muy pocos anticuerpos están disponibles para tal propósito y (iv) que una reacción cruzada entre las variantes de las histonas altamente similares o PTMs similares (por ejemplo, di- y trimethylation de residuos de lisina). Egelhofer et al. describe que más del 25% de los anticuerpos comerciales no superen las pruebas de especificidad por transferencia de puntos o transferencia de Western, y entre los anticuerpos específicos de más de 20% de fracaso en experimentos de inmunoprecipitación de la cromatina 15. Espectrometría de masas (MS) es actualmente la herramienta de análisis más adecuado para estudiar nuevos y / o combinatorios PTM,y se ha aplicado ampliamente para las proteínas histonas (revisado en 16). Esto se debe principalmente a la alta sensibilidad y exactitud de la masa de la EM, y la posibilidad de realizar análisis a gran escala.
La estrategia de abajo hacia arriba es la estrategia proteómica basadas en MS más comúnmente utilizado para la caracterización de histonas y sus PTM, en el que la proteína intacta es digerido enzimáticamente en péptidos cortos (de 5 – 20 aa). Esta digestión facilita tanto la separación y detección LC MS. Masas en el rango de 600 – 2.000 Da son comúnmente más fácilmente ionizadas y se identificaron con una mayor exactitud de la masa y de la resolución de masas mayores. MS / MS de fragmentación también se mejora, ya que los péptidos cortos son generalmente muy adecuados para disociación inducida por colisión (CID). Sin embargo, las histonas presentan un desafío para abajo hacia arriba MS, ya que son altamente enriquecido en residuos de aminoácidos básicos, a saber, la lisina y la arginina. Por lo tanto, la digestión con tripsina da lugar a la generación de péptidos que son demasiado smtodo para la retención de LC y la localización no ambigua de la PTM. Para sortear este problema, nuestro protocolo incluye la lisina y la derivación química péptido N-terminal de 17. El uso de anhídrido propiónico se recomienda para la derivatización química eficiente en comparación con otros reactivos 18. Tales bloques de derivatización de los grupos ɛ-amino de residuos de lisina no modificados y monometil, permitiendo que la tripsina para llevar a cabo la proteolisis sólo en el C-terminal de los residuos de arginina. aminas derivatizados no pueden intercambiar protones con la solución y por lo tanto los péptidos generalmente sólo se doble o triplemente cargado, facilitando MS y detección MS / MS. Por otra parte, la derivatización N-terminal aumenta la hidrofobicidad del péptido y la retención cromatográfica de fase inversa de este modo. A continuación, se describe el flujo de trabajo para purificar las histonas y prepararlos para el análisis de proteómica PTM a través de abajo hacia arriba (Figura 1). Esta estrategia logra cuantificación de marcas de histona individuales y marcas combinatorias fo PTM histonas que están relativamente cerca en la secuencia de aminoácidos.
El protocolo descrito aquí está optimizado teniendo en cuenta los costos, tiempo y rendimiento. Otras preparaciones son posibles, pero tienen limitaciones, especialmente en el caso de acoplamiento con el análisis de MS. Por ejemplo, el protocolo de extracción de alto contenido de sal se puede utilizar para purificar histonas 26 en lugar de la precipitación con TCA (sección 3). protocolo de alta sal es intrínsecamente más suave, ya que no utiliza ácido fuerte. Esto preserva PTM lábiles en medio ácido y aumenta el rendimiento de las histonas extraídos, como precipitación con TCA co-precipitados de muchas otras proteínas de unión a la cromatina. Sin embargo, la extracción de alto contenido de sal conduce a muestras que contienen sal demasiado concentrada para HPLC-MS / MS. En una preparación alternativa, la digestión de la histona se puede realizar sin propionilación (sección 6-8), por ejemplo al reducir el tiempo de incubación de la tripsina y la relación enzima / sustrato 27 o el uso de ArgC como enzima de digestión 28-30. Sin embargo, se recomienda derivatización con anhídrido propiónico, como yot conduce a la generación de los péptidos más hidrófobos, que son mejor retenidos durante la cromatografía líquida.
Para la derivatización química, una variedad de anhídridos de ácidos orgánicos han sido evaluados y sus méritos ampliamente discutido 18. Sin embargo, anhídrido propiónico resultó el mejor compromiso entre la eficiencia, productos secundarios minimizados y la mejora de la hidrofobicidad del péptido. Potencialmente, anhídrido propiónico se pueden comprar en forma marcado con isótopos; Esto permite el análisis de multiplexado debido a la posibilidad de mezclar múltiples muestras y discriminar ellos en el nivel de MS en base a las diferentes masas impartidas de la etiqueta pesado. Sin embargo, este análisis conduce a un aumento de la complejidad del cromatograma LC-MS y reduce la cantidad de muestra que se puede inyectar para cada condición individual.
En este sentido, hay que destacar algunos aspectos críticos del protocolo. Lo siguiente debe ser utilizado como checklist para encontrar errores en la realización del procedimiento en caso de que se obtengan resultados negativos. En primer lugar, después de la precipitación núcleos el sedimento se debe lavar cuidadosamente con NIB sin NP-40 Alternativa (sección 2.10) hasta la eliminación total del detergente (perceptible por la falta de burbujas durante el mezclado). De no hacerlo, podría comprometer la extracción de histonas con ácidos. En segundo lugar, después de la precipitación con TCA histona (sección 3.9) lavados del precipitado con acetona es crucial. La presencia de ácido concentrado dañaría el siguiente paso si propionilación y la digestión (sección 6.1) se realizan directamente. No sería problemático en caso de fraccionamiento de la histona se lleva a cabo (sección 5). En tercer lugar, es esencial que la reacción se lleva a cabo de forma rápida propionilación (sección 06.03 a 06.07). Para ello, evitar el uso de la misma mezcla propionilación (anhídrido propiónico + acetonitrilo) durante más de 3 – 4 muestras consecutivas. Además, el pH es el aspecto más importante de la digestión con tripsina (sección 7). Si noalrededor de 8.0 (7.5 a 8.5) la digestión será ineficaz. Esto puede suceder, ya que la muestra será rico en ácido propiónico en este paso. NH4OH se puede añadir hasta que sea necesario. Además, para los investigadores familiarizados con los flujos de trabajo de la proteómica se siente normal para acidificar la muestra de interrumpir la digestión con tripsina. Esto no se debe hacer, ya que pondrá en peligro la siguiente reacción, es decir, propionilación del péptido N-terminal (sección 8.1). Por último, en el mismo número, es importante tener en cuenta para el análisis de los datos que los péptidos no modificados no son en realidad no modificado; todos los residuos de lisina libre y N-terminales serán ocupados por propionilación (56.026 Da). Por lo tanto, la realización de cromatografía iónica extracción de la masa correspondiente a la forma única secuencia peptídica conduciría a ningún resultado.
Las limitaciones del método son en su mayoría relacionados con la incapacidad de detectar PTM combinatorias, debido a las secuencias de péptidos cortos, y los sesgos en el logro de la verdadera abunbaile de una modificación, debido al hecho de que los péptidos en diferentes formas modificadas pueden ionizar con diferentes eficiencias. El primer problema puede ser resuelto mediante la combinación de esta técnica con una media hacia abajo o de arriba hacia abajo (revisado en 16). Este tipo de análisis, incluso si es técnicamente más difícil, es ideal para el estudio de las frecuencias de co-existencia de modificaciones. Además, permite una mejor discriminación de las variantes de las histonas, que no siempre pueden ser alcanzados con de abajo hacia arriba, ya que algunos péptidos tienen la misma secuencia en diferentes variantes de las histonas. El segundo problema, relacionado con la eficacia de ionización, se puede resolver utilizando una biblioteca de péptidos sintéticos 31. Este enfoque garantiza una estimación más precisa de la abundancia relativa de PTM histonas. Sin embargo, en la mayoría de los experimentos, el resultado deseado es que los cambios relativos de modificaciones dadas entre las condiciones analizadas. En este caso, dicha corrección no es necesario, debido al hecho de que todas las muestras tienen los mismos BIAs.
En conclusión, este protocolo permite el análisis de PTM histonas que se puede completar en 3 días usando nLC acoplado a MS en tándem. Las comparaciones con técnicas distintas de la MS, es decir, el uso de estrategias basadas en anticuerpos como se explica en la introducción, no son adecuados, ya que no pueden lograr aún casi este nivel de rendimiento. Además, las técnicas basadas en anticuerpos no permiten el descubrimiento de nuevas modificaciones, pero que se basan exclusivamente en confirmar y cuantificar marcas predichos. por tanto, se especula que la proteómica de abajo hacia arriba en péptidos histonas ganará popularidad en los laboratorios de proteómica debido a las ventajas intuitivas en conocer la regulación de las marcas de las histonas, que son protagonistas en la expresión génica de sintonización y por lo tanto afectar a la regulación del proteoma. Por otra parte, el protocolo descrito incluye mejoras recientes en la preparación de la muestra y el software de análisis de datos, que hacen que el análisis de la histona más triviales también para laboraconservadores que nunca tuvieron una caracterización de este tipo de péptidos hypermodified.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por la financiación de subvenciones del NIH (DP2OD007447, R01GM110174 y 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 |