Este protocolo descreve um procedimento para extrair e enriquecer o phosphopeptides de linhas de células de câncer de próstata ou tecidos para uma análise da phosphoproteome através de massa baseado em espectrometria proteômica.
Phosphoproteomics envolve o estudo em larga escala de proteínas fosforiladas. Fosforilação de proteínas é uma etapa crítica em muitas vias de transdução de sinal e é fortemente regulamentada por quinases e fosfatases. Portanto, caracterizar o phosphoproteome pode fornecer insights sobre identificação de novos alvos e biomarcadores para terapia oncológica. Espectrometria de massa fornece uma maneira para globalmente detectar e quantificar milhares de eventos de fosforilação exclusivo. No entanto, phosphopeptides são muito menos abundantes do que não-phosphopeptides, fazendo a análise bioquímica mais desafiador. Para contornar essa limitação, métodos para enriquecer phosphopeptides antes da análise de espectrometria de massa são necessários. Descrevemos um procedimento para extrair e digerir as proteínas do tecido para produzir peptídeos, seguidos por um enriquecimento para phosphotyrosine (pY) e peptídeos de phosphoserine/treonina (pST) usando um anticorpo-baseado e/ou dióxido de titânio (TiO2)-com base método de enriquecimento. Após a preparação da amostra e espectrometria de massa, posteriormente identificar e quantificar phosphopeptides usando líquida cromatografia / espectrometria de massa e software de análise.
Um estimado de 165.000 novos casos e cerca de 29.000 mortes ocorrerão em 2018 devido a câncer de próstata, que representa o câncer mais comum e a segunda causa principal de morte por câncer em homens no Estados Unidos1. Estágios iniciais de câncer de próstata são tratáveis com terapia de ressecção ou radiação de doença órgão-confinado, onde a taxa de recorrência de 10 anos está entre 20% e 40% para pacientes submetidos a prostatectomia e entre 30% e 50% para os pacientes que recebem a radiação terapia2. Porque o câncer de próstata depende de andrógeno sinalização para crescimento, terapias de castração cirúrgica e químicos também são empregadas para pacientes de alto risco. No entanto, recidiva ocorre quando o câncer já não responde à terapia de privação do andrógeno, como evidenciado pela recorrência bioquímica, onde o antígeno específico da próstata em soro sobe novamente. Neste momento na progressão, metástases são detectados frequentemente também. Este estágio avançado, chamado de câncer de próstata metastático resistente à castração, representa a forma letal da doença onde o prognóstico é um tempo de sobrevida média de menos de dois anos3. Poucas opções de tratamento estão disponíveis na doença do tarde-estágio, incluindo Antiandrogénios segunda geração como enzalutamide e abiraterone, bem como a quimioterapia baseada em taxano como docetaxel. Apesar de tratamentos disponíveis, a doença progride, muitas vezes. Portanto, a descoberta e o desenvolvimento de modalidades de tratamento romance são necessários para melhorar o cuidado de pacientes com câncer de próstata com doença avançada.
Espectrometria de massa (MS)-baseado em abordagens fornecem uma análise global do proteome através da detecção de centenas a milhares de peptídeo analitos4. Em particular, descoberta proteomics, aquisição de dados dependentes também conhecido como (DDA), pode render a identificação e quantificação de milhares de peptídeos4,5. Proteomics descoberta baseada em MS pode ser ainda mais delineado em proteômica de cima para baixo, onde as proteínas intactas são caracterizadas, e proteomics ascendente (também conhecido como espingarda), onde os peptídeos são analisados para caracterizar proteínas5. Assim, na espingarda proteomics, um passo de proteólise tem lugar na preparação amostra anterior a análise de MS para clivar as proteínas em peptídeos. No final, é feita uma pesquisa de banco de dados para mapear os peptídeos volta para as proteínas para identificação. Etiqueta-livre, bem como vários isótopos-rotulagem [por exemplo, isótopo estável rotulagem por aminoácidos na cultura de pilha (SILAC)] métodos podem ser usados para comparar quantitativamente peptídeos entre amostras6,7. Enquanto técnicas de rotulagem de isótopo são o padrão-ouro, livre de rótulo métodos demonstraram semelhante quantificação exatidões8,9 e tem compensações comparáveis entre sensibilidade e especificidade10. Quantificação da etiqueta livre proporciona maior cobertura e permite comparações entre muitos mais amostras, Considerando que os métodos baseados no rótulo são limitados pelo custo e multiplexação capacidades6,7,8.
Além disso, espingarda MS pode também ser usada para interrogar modificações borne-translational (PTMs) como fosforilação11. Devido à natureza estequiométrica inferior dos phosphopeptides em relação ao totais peptídeos, vários métodos são empregados para enriquecer para phosphopeptides, incluindo os baseados em anticorpo da imunoprecipitação de peptídeos phosphotyrosine (pY), dióxido de titânio (TiO2 ) e imobilizada afinidade metal cromatografia (IMAC)5,12. Porque a fosforilação de proteínas é uma etapa chave em muitos celulares, sinalização de caminhos, espingarda phosphoproteomics permite que os pesquisadores investigar mudanças em diferentes tipos de câncer, incluindo mama13,14de próstata, renal,15, de sinalização celular e ovário,16,17 para entender melhor a biologia do câncer e identificar potenciais novos alvos para a terapia.
Este método de phosphoproteomic livre de rótulo espingarda foi construído e refinado com base em trabalho anterior por Graeber grupo18,19,20. Este protocolo começa por descrever a extração e a digestão de proteínas e as fosfoproteínas do tecido em peptídeos. Em seguida, detalhamos o enriquecimento dos peptides pY usando anticorpos específicos phosphotyrosine e TiO2. Descrevemos também o enriquecimento de peptídeos de phosphoserine/treonina (pST) usando catiónica forte (SCX) seguida pelo TiO2. Este protocolo conclui com a apresentação das amostras a uma instalação de MS e o uso de software de análise de MS para identificar e quantificar phosphopeptides e seus correspondentes fosfoproteínas. A aplicação do presente protocolo pode estender além do câncer de próstata em outros campos fora da Oncologia e cânceres.
Antes de utilizar este protocolo para enriquecer para phosphopeptides, uma consideração cuidadosa do projeto experimental é fundamental. Usar repetições biológicas é um uso mais rentável dos recursos de espectrometria de massa do que repetições de técnicas. O número de repetições necessárias dependerá em parte a variabilidade dos dados. Um estudo recente demonstrou que, enquanto o aumento do número de repetições, além de três apenas marginalmente aumenta o número de identificações, o número de identificações significativas entre grupos aumenta com mais repetições10.
Devido à baixa abundância de fosfoproteínas na célula, quantidades suficientes de proteína inicial são necessárias para obter um phosphoproteome global das amostras de câncer de próstata no modo de descoberta. Nesses experimentos, utilizou-se 5 mg de proteína. Aproximadamente cinco pratos de 15 cm quase confluentes de células fornecem proteína suficiente como entrada no presente protocolo, embora este será célula dependente da linha. Quanto ao tecido do tumor, o rendimento previsto de proteína é cerca de 6-8% do peso do tecido. No cenário em vitro , uma amostra de controlo positivo a considerar é a adição de Vanadato de 1 mM para 30 min antes da colheita das células. Vanadato, um inibidor da fosfatase do competidor proteínas phosphotyrosyl, preservará a fosforilação da tirosina, aumentando assim o número de identificações de peptídeo pY29.
Digestão limpo é um passo chave para maximizar a identificação de Fosfopeptida. Além do teste de mancha de Coomassie, a porcentagem de segmentações perdidas nos dados pode ser usada para avaliar a eficiência da digestão (Figura 2). Software de controle de qualidade está disponível que analisa decotes perdidas e outras métricas para avaliar MS dados qualidade30. Enquanto a tripsina é que as mais comuns, alternativas proteases estão disponíveis5 para endereço cobertura lacunas do proteome onde peptídeos tryptic ideais não podem ser gerado31. As configurações de software de análise do MS seria então necessário ser modificado de acordo para ajustar para alterações em proteases.
O protocolo emprega imunoprecipitação (para enriquecimento do pY) bem como de dióxido de titânio (TiO2) enriquecer para phosphopeptides. Abordagens alternativas para enriquecer para peptídeos incluem cromatografia de afinidade de metal imobilizado (IMAC), outros óxidos de metal para cromatografia de afinidade de óxido de metal (MOAC) tais como hidróxido de alumínio e captura de afinidade do polímero do íon do metal (PolyMAC) 5,12. Estudos anteriores mostraram que os métodos diferentes de enriquecimento enriquecem para diferentes populações de phosphopeptides32. Por exemplo, IMAC enriquece mais multi-fosforilada peptídeos enquanto MOAC enriquece de preferência para mono-fosforilada peptídeos33. Os Resultados do representante do presente protocolo refletem esta observação (Figura 4B). Uma publicação recente demonstrou que combinar IMAC e MOAC usando um material híbrido potencialmente poderia proporcionar maior cobertura de espécies de Fosfopeptida34. Assim, este protocolo pode ser modificado para utilizar outros métodos de enriquecimento em paralelo para permitir análises de phosphoproteomic ainda mais abrangentes.
A suíte de softwares de26 MaxQuant é usada para analisar os dados do MS no presente protocolo, mas aplicações comerciais35 também estão disponíveis para quantificação e identificação de Fosfopeptida. Para a identificação de Fosfopeptida, uma probabilidade de localização corte é aplicada. Este filtro é realizado para selecionar para phosphopeptides com uma alta confiança (ou seja, superior a 0,75) na identificação de phosphoresidue10,28. Em outras palavras, a probabilidade somada de todos os outros resíduos que potencialmente pode conter o phospho-grupo é inferior a 0,25. Este corte pode ser aumentado para aumentar o rigor da seleção Fosfopeptida. No que se refere o número de identificações, o número esperado de peptídeos de pY é na ordem das centenas, enquanto o número esperado de peptídeos de pST é alta milhares. Esses valores refletem a distribuição phosphoproteome observadas anteriormente, onde cerca de 2%, 12% e 86% da phosphosites são pY, pT e pS, respectivamente,28.
Se as etapas de enriquecimento pY e pST são executadas em paralelo, as etapas de preparação de amostra no protocolo podem ser concluídas em seis dias. Emparelhando com a poderosa ferramenta do MS, protocolos de enriquecimento Fosfopeptida como este fornecem uma abordagem global para os cientistas a recolher dados para analisar o phosphoproteome em seus campos respectivos de pesquisa.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a membros do laboratório de Drake para fornecer conselhos e entrada no manuscrito. Agradecemos também os membros do biológico massa espectrometria de instalações de Robert Wood Johnson medicina e Rutgers, The estado University de New Jersey, para aconselhamento e executando a espectrometria de massa em nossas amostras. Larry C. Cheng é suportado pelo Instituto Nacional de General Medical Ciências, dos institutos nacionais de saúde, sob número prêmio T32 GM008339. Thomas G. Graeber é suportado pelo NCI/NIH (SPORE no câncer de próstata P50 CA092131; P01 CA168585) e um prêmio de estudioso de pesquisa de sociedade americana do câncer (RSG-12-257-01-TBE). Justin M. Drake é suportado pelo departamento de defesa próstata câncer pesquisa programa W81XWH-15-1-0236, câncer de próstata Foundation Young Investigator Award, a Fundação de saúde de Nova Jersey e uma precisão medicina iniciativa piloto prêmio da Rutgers Instituto do câncer de Nova Jersey.
Ultra-Low Temperature Freezer | Panasonic | MDF-U76V | |
Freezer -20 °C | VWR | scpmf-2020 | |
Swing rotor bucket | ThermoFisher Scientific | 75004377 | |
Vacuum manifold | Restek | 26080 | |
Lyophilizer | Labconco | 7420020 | |
CentriVap Benchtop Vacuum Concentrator | Labconco | 7810010 | |
End-over-end rotator | ThermoFisher Scientific | 415110Q | |
Razor blade | Fisher Scientific | 620177 | |
Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units | Millipore Sigma | UFC901024 | |
Glass culture tubes | Fisher Scientific | 14-961-26 | |
Parafilm | Fisher Scientific | 13-374-12 | |
20G needle | BD | B305175 | |
Kimwipes | Fisher Scientific | 06-666A | |
Screw cap cryotube | ThermoFisher Scientific | 379189 | |
Nunc 15 mL conical tubes | ThermoFisher Scientific | 12-565-268 | |
Gel loading tips | Fisher Scientific | 02-707-181 | |
Millipore 0.2 µm spin filter | Millipore Sigma | UFC30GVNB | |
Low protein-binding Eppendorf tubes | Eppendorf | 22431081 | |
anti-Phosphotyrosine, Agarose, Clone: 4G10 | Millipore Sigma | 16101 | |
27B10.4 antibody | Cytoskeleton | APY03-beads | |
Peptide assay kit | Thermo Scientific | 23275 | Step 7 |
TopTip | PolyLC Inc | TT200TIO.96 | Steps 5 and 9 |
SCX columns (PolySULFOETHYL A) | PolyLC Inc | SPESE1203 | |
3 mL syringe | BD | 309657 | |
Trifluoracetic Acid (TFA) | Fisher Scientific | PI-28904 | |
Acetonitrile (ACN) | Fisher Scientific | A21-1 | |
Lactic acid | Sigma-Aldrich | 69785-250ML | |
Ammonium Hydroxide | Fisher Scientific | A669S-500 | |
Potassium Phosphate Monobasic | Fisher Scientific | BP362-500 | |
Potassium Chloride | Fisher Scientific | BP366-500 | |
Calcium Chloride Dihydrate | Fisher Scientific | BP510-500 | |
Tris Base | Fisher Scientific | BP152-5 | |
Trypsin, TPCK Treated | Worthington Biochemicals | LS003740 | |
Lysyl Endopeptidase | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 125-05061 | |
MonoTip | PolyLC Inc | TT200TIO.96 | Step 10 |
ZipTip | MilliporeSigma | ZTC18S096 | Step 6 |
nanoEase, MZ peptide BEH C18, 130A, 1.7 μm, 75 μm x 20 cm | Waters | 186008794 | Step 11: analytical column |
Acclaim PepMap 100 C18 LC Columns | ThermoFisher Scientific | 164535 | Step 11: trap column |
Ultimate 3000 RLSCnano System | Dionex | ULTIM3000RSLCNANO | Step 11 |
Q Exactive HF | ThermoFisher Scientific | IQLAAEGAAPFALGMBFZ | Step 11 |
MilliQ water | deionized water used to prepare all solutions and bufferes | ||
Sonic Dismembrator | Fisher Scientific | FB-120 | sonicator |
Polytron System PT | Kinematica AG | PT 10-35 GT | homogenizer |