Het onderzoeken van meerdere, kunnen endogene posttranslationele modificaties voor een eiwit-doelstelling zeer uitdagend. De hier beschreven technieken gebruiken een geoptimaliseerde lysis buffer en filter systeem ontwikkeld met specifieke PTM-targeting, affiniteit matrices te sporen van de acetylation, ubiquitination, SUMOylation 2/3 en tyrosine fosforylering wijzigingen voor een doel eiwit met behulp van een enkele, gestroomlijnde systeem.
Het is nu goed gewaardeerd dat posttranslationele modificaties (PTMs) een integrale rol spelen in het reguleren van de structuur en de functie, die essentieel zijn voor een bepaald eiwit rol zowel fysiologisch en pathologisch van een eiwit. Verrijking van PTMs is het vaak nodig bij het onderzoeken van de PTM status van een doel-eiwit, omdat PTMs vaak van voorbijgaande aard zijn en relatief laag in overvloed. Vele valkuilen worden aangetroffen als verrijkend voor een PTM van een doel-eiwitten, zoals buffer onverenigbaarheid, is het doel eiwit antilichaam niet IP-compatibele, verlies van PTM signaal, en anderen. De graad van moeilijkheid wordt vergroot bij het onderzoeken van meerdere PTMs zoals acetylation, ubiquitination, SUMOylation 2/3 en tyrosine fosforylering voor een bepaald doel-eiwit. Bestuderen van een combinatie van deze PTMs kan noodzakelijk zijn als Overspraak tussen PTMs overwegend en essentieel voor eiwit-verordening is. Deze PTMs worden vaak bestudeerd in verschillende lysis buffers en met unieke remmer composities. Om het proces te vereenvoudigen, unieke denatureren lysis werd een systeem ontwikkeld dat effectief isoleert en behoudt deze vier PTMs; waardoor onderzoek van potentiële overspraak in een enkele lysis-systeem. Een uniek filtersysteem werd ontworpen om te verwijderen besmetten genomic DNA van de lysate, die een problematische bijproduct van de denaturering van buffers. Robuuste affiniteit matrices gericht op elk van de vier PTMs werden ontwikkeld in samenspraak met de buffersysteem om de verrijking en de detectie van de endogene Staten van deze vier PTMs te maximaliseren. Deze uitgebreide PTM detectie toolset stroomlijnt het proces van het verkrijgen van belangrijke informatie over of een eiwit is gewijzigd door een of meer van deze PTMs.
Posttranslationele modificaties (PTMs) zijn sterk gereguleerde wijzigingen aan een proteïne, waarbij de wijziging wordt toegevoegd of verwijderd op een specifieke wijze. PTMs zijn vaak dynamische, voorbijgaande veranderingen die aanzienlijk veranderen de eiwitstructuur, interacties met partner eiwitten, ruimtelijke lokalisatie en uiteindelijk waardoor de eiwitten voor het uitvoeren van verschillende functies1,2 , 3 , 4. PTMs zijn zo overvloedig dat ze het aantal unieke eiwit vormen (of proteoforms) van ongeveer 30.000 genproducten tot meer dan een miljoen proteoforms5,6 stijgen. Het identificeren van PTMs en definiëren hun effect op een doel-proteïne is kritisch naar het begrip van het eiwit van fysiologische en pathologische functies7,8,9,10, 11,12,13,14. Werken op select eiwitten zoals tubuline, p53 en epidermale groeifactor receptor (EGFR) de regelgevende taken van PTMs15,16,17hebben toegelicht. Deze studies aan het licht gebracht dat de verordening van deze eiwitten ontstaat door meerdere PTMs, en in veel gevallen deze wijzigingen werken in concert ter bevordering van een specifieke functie. Nieuwe studies hebben aangetoond dat zowel de negatieve als de coöperatieve PTM Overspraak kan plaatsvinden op diverse verschillende eiwitten18,19,20,21,22, 23,24,25. Echter zijn de PTM profielen van de meerderheid van eiwitten opgebouwd uit verschillende studies die hebben gebruikt verschillende modellen en unieke omstandigheden. Een geoptimaliseerde systeem te onderzoeken van meerdere PTMs in één systeem zou zeer gunstig inzicht te krijgen in de potentiële PTM Overspraak voor een doel-eiwit.
Een uitdaging met het onderzoek naar PTMs in één systeem is dat er specifieke PTMs worden onderzocht met behulp van verschillende lysis buffers. Bijvoorbeeld het gebruik van buffers zoals RIPA of NP-40 die vaak worden gebruikt voor fosforylatie of ubiquitination onderzoeken mogelijk onvoldoende voor het bestuderen van een labiele PTM zoals kleine ubiquitin-achtige modifier (SUMO) ylation26. Bovendien, niet-denaturering buffers niet toereikend zijn om eiwitinteractie distantiëren, en kunnen leiden tot valse positieve PTM identificatie27. Onderzoek naar PTMs in een denatureren lysis-buffermengsel kan zijn voorkeur, en het is aanzienlijk beter bij het isoleren van eiwitten uit alle cellulaire compartimenten28, zal de meeste eiwitinteractie distantiëren, zal remmen proteasen die veranderen van PTM Staten, zoals deSUMOylases 26; echter de denaturering van buffers kan de integriteit van specifieke affiniteit reagentia zoals ubiquitin bindend domein gebaseerde tools27compromis. Ontwikkeling van een systeem van de lysis van de denaturering-achtige om te bestuderen van meerdere PTMs van een proteïne in een affiniteit reagens-compatibel systeem zou zeer nuttig zijn voor PTM Overspraak onderzoeken.
Hoewel denatureren buffers belangrijke voordelen ten opzichte van niet-denaturering buffers hebben voor het onderzoek naar PTMs, ze kunnen minder vaak gebruikte vanwege hun aanzienlijke nadelen, zoals incompatibiliteit met conventionele eiwit testen, aanzienlijke genomic deoxyribonucleic acid (DNA) verontreiniging en verstoring van immunoprecipitation (IP) reagentia29. Deze nadelen kunnen leiden tot langere voorbereidingstijd en mogelijke schade aan target eiwitten wanneer scheren genomic DNA. Twee veelgebruikte methoden wilt schuintrekken DNA omvatten spuit lysis en ultrasoonapparaat29. Beide methoden vereisen uitgebreide optimalisatie en ontbreekt het vaak aan precieze reproduceerbaarheid. Alternatieve methoden voor het verwijderen van genomic DNA omvatten de toevoeging van DNAses; echter hiervoor kunnen aanvullende optimalisatie en wijzigingen in de samenstelling van de buffer. Uiteindelijk, een eenvoudige en reproduceerbare methode om te verwijderen van genomic DNA besmetting zou zinvol zijn bij het werken met de denaturering van lysis buffers voor PTM onderzoeken.
Het doel van deze techniek is het ontwikkelen van een systeem om te isoleren en onderzoeken ubiquitination (Ub), tyrosine fosforylering (pY), SUMOylation 2/3 (SUMO 2/3) en acetylation (Ac) PTMs in één systeem beter onderzoeken PTM Overspraak voor een doel-eiwit. Dit detectiesysteem PTM werd gebruikt om te onderzoeken snel het endogene PTM-Profiel van verschillende doel eiwitten in een enkel systeem. Nieuw inzicht in de potentiële Overspraak was geïdentificeerde30,31. Over het geheel genomen de hier beschreven techniek verbetert op bestaande methoden te onderzoeken PTMs en PTM Overspraak op drie verschillende manieren: 1) een unieke denatureren buffer werd ontwikkeld dat isoleert van eiwitten uit alle cellulaire compartimenten, terwijl nog steeds compatibel met PTM affiniteit reagentia, 2) een uniek filtersysteem werd ontwikkeld dat snel genomic DNA besmetting verwijderd gedenatureerde lysates met hoge reproduceerbaarheid en vereist geen gespecialiseerde apparatuur, en 3) de robuuste affiniteit kralen, lysis systeem, en remmende reagentia stroken; Dus, het vereenvoudigen van het isolement van deze vier PTMs voor een doel-eiwit om te maximaliseren PTM verrijking, en potentiële Overspraak efficiënt te onderzoeken.
Eerste benaderingen gebruikt om te bepalen of een doel-proteïne is gewijzigd door een PTM kunnen worden uitgevoerd met behulp van het doel eiwit specifieke antilichaam voor IP, gevolgd door westelijke vlek met een antilichaam PTM (bv., anti-acetyl lysine), of met behulp van een antilichaam PTM voor IP, gevolgd door westelijke vlek met de doelgroep eiwit specifiek antilichaam30,31,33. Hoewel beide benaderingen theoretisch werken, heeft gebruik makend van een doel-eiwit-specifieke antilichaam meer potentiële valkuilen, zoals het antilichaam niet IP compatibel worden kan of grote PTM wijzigingen de antilichaam erkenning site op het doel eiwit34 blokkeren kunnen ,35. Het voordeel van de PTM affiniteit kralen is dat het antilichaam of bindende domeinen specifiek de PTM van belang herkennen; Dus, aangebrachte wijzigingen in het doel-eiwit moeten niet meer wijzigen erkenning door de affiniteit kralen. Als voorbeeld, PD-L1 Ub werd geïdentificeerd met de hier beschreven techniek, en zowel endogene mono – en poly-Ub werd waargenomen (Figuur 4). Een recente publicatie door Lim et al. in vitro Ub technieken om te onderzoeken PD-L1 Ub gebruikt, en het resultaat was erg vergelijkbaar met de resultaten die worden weergegeven in Figuur 436. Interessant, traden ze ook IP met een antilichaam PD-L1 te verrijken PD-L1 uit cel lysate, waar Ub was overexpressie en MG-132 is toegevoegd aan het verbeteren van het signaal. De Ub-patroon was niet robuust en zeer verschillend zijn van het in vitro Ub patroon. Onderzoek van endogene PD-L1 Ub in cel cultuur modellen werd niet in de Lim et al.uitgevoerd. verslag aan het verschil tussen hun cultuur en in vitro celgegevens verduidelijken.
Onderzoeken of een eiwit is gewijzigd door een PTM kan lastig zijn, vanwege de lage overvloed en38van de37,van voorbijgaande aard, en vaak vereist verrijking via IP. Effectieve IP van PTMs vereist optimalisatie van verschillende belangrijke stappen en reagentia, zoals lysis buffers en affiniteit reagentia. Bij het onderzoeken van meerdere PTMs van een doel-eiwit, verhoogt de vereiste optimalisatie waarschijnlijk. Met behulp van het systeem van de lysis van de blastR is een cruciale stap in dit protocol, zoals het onderhoudt robuuste IP-vermogen, terwijl het toelaten van PTM detectie van de pY, SUMO 2/3, Ub en Ac PTMs in één systeem. Deze techniek wordt geoptimaliseerd voor de tijd en middelen vereist om te bepalen of een specifiek streefcijfer proteïne is gewijzigd door deze vier PTMs en potentieel geeft een beter beeld van PTM Overspraak ten opzichte van het vergelijken van PTM resultaten uitgevoerd met behulp van meerdere lysis van de systemen. Onderzoek van het blastR systeem van de lysis van de compatibiliteit met alternatieve PTMs, zoals glycosylatie, werd uitgevoerd; echter, het is niet onderzocht uitputtend voor alle soorten PTMs.
Overvloedige genomic DNA kan interfereren met eiwit metingen met behulp van hetzij colorimetrische of nanodrop methoden, invloed op de migratie van eiwitten in een SDS acrylamide gel en voorkomen van eiwitten en affiniteit matrix interactie tijdens IP-testen. De hier beschreven methode maakt gebruik van een speciale filter om effectief verwijderen van genomic DNA besmetting, dat een andere kritische stap van dit protocol is. Nadruk wordt gelegd op dit punt, viscositeit tests werden uitgevoerd voor en na blastR filter behandeling en de resultaten toonden een vermindering van een hoge viscositeit tot de viscositeit van water (gegevens niet worden weergegeven). Deze verandering in de viscositeit werd gesteund door de resultaten in Figuur 3, waaruit blijkt dat bijna alle van de genomic DNA had verwijderd. Nog belangrijker is, is DNA niet geschoren met deze methode, zoals elke sheared DNA zal niet worden onderschept door het filter (gegevens niet worden weergegeven). Dit hulpprogramma is superieur aan conventionele methoden, zoals ultrasoonapparaat of spuit-DNA-scheren, omdat het vereist geen gespecialiseerde apparatuur, zeer reproduceerbaar, en verwijdert het DNA in plaats van het scheren. Bovendien, het zal niet degraderen eiwit in de lysate, die zich kan voordoen met behulp van conventionele methoden29. Met behulp van het filter duurt 5-30 seconden per monster vergeleken met alternatieve methoden waar effectieve verdeling van DNA kan enige tijd duren (d.w.z., spuit schuintrekken) en kan leiden tot voorbeeld heterogeniteit zoals DNA verontreinigingen in de lysate blijven. Uitgebreide analyse van het filteren van de lysate pre- en post-blastR werd uitgevoerd, en geen waarneembaar verschil in het profiel van eiwit werd waargenomen door Coomassie, doelgroepen gerichte westerse, of totale en doelgroepen gerichte PTM analyses; Dus, de integriteit van het eiwit-profiel kan niet zijn getroffen door de genomic DNA worden uitgefilterd. Uiteindelijk, dit filtersysteem is heilzaam voor een westerse of IP-applicatie waar genomic DNA is aanwezig en kan van invloed zijn op de interpretatie van de eiwit-analyse.
Het is belangrijk op te merken dat er is potentieel voor valse negatieve detectie met behulp van deze techniek, die wijten zijn gedeeltelijk aan affiniteit kraal verzadiging, bindende site interferentie of PTM maskeren te kan. Bijvoorbeeld, kan een bepaald doel-eiwit worden gewijzigd door Ac op een zeer laag niveau; het kan dus niet worden geïsoleerd door pan-acetyl lysine affiniteit kralen die hebben al verzadigd door meer overvloedig doel Ac gemodificeerde eiwitten. Lopende studies worden uitgevoerd voor de beoordeling van de detectiegrenzen van de affiniteit reagentia die in dit protocol wordt gebruikt, maar een recente publicatie suggereert dan ook een zeer robuuste detectiegrens. De gegevens bleek dat deze techniek kon identificeren slechts 17 geacetyleerd doel eiwitmolecules per cel31. Nog steeds, specifieke omstandigheden zoals cell type specificiteit, voorbijgaande PTMs in antwoord op specifieke stimuli, of maskeren van PTMs als gevolg van eiwit interactie kan alle leiden tot vals-negatieve resultaten. Dit zijn de mogelijke valkuilen van deze techniek, evenals de meeste PTM IP methoden. Het is dus aangeraden resultaten met behulp van meerdere benaderingen te bevestigen.
Wijzigingen zoals glycosylatie en fosforylering is gebleken om te concurreren voor soortgelijke aminozuren39,40, en andere PTMs zoals ubiquitination en fosforylering is aangetoond dat ze werken achter elkaar om te regelen van een eiwit functie17,41. Recent werk op de neuropathologische eiwit Tau gewezen op het belang van PTM Overspraak, waar-hyper Tau fosforylatie en Tau SUMOylation elkaar42 versterkt. Bovendien, deze groep toonde dat SUMOylation van Tau voorkomen poly-Ub en latere Tau aantasting, eventueel leiden tot samenvoeging. Dit is enkel één van vele voorbeelden van regelgevende PTM overspraak en het nut van deze techniek voor het verlichten van het belang van PTMs en hun Overspraak bij het reguleren van de belangrijke eiwitten in gezondheid en ziekte zal helpen.
The authors have nothing to disclose.
We bedanken cytoskelet Inc. onderzoekswetenschappers en Drs. Brian Hoover en Ashley Davis voor hun kritische recensie, bewerken en vruchtbare discussies over het manuscript. Bovendien, danken wij Dr. Robert Hom voor zijn bijdrage tijdens de productie van de video manuscript. Dit werk werd gesteund door financiële middelen van het cytoskelet Inc.
Cell lysis/genomic DNA removal and analysis | |||
1x phosphate buffered saline (PBS) | common buffer | Recipe: NaCl, KCl, Na2HPO4, KH2PO4 | |
BlastR lysis buffer | Cytoskeleton Inc. | BLST01 | Proprietary mixture of detergents, salts, and other buffer additives |
Radioimmunoprecipitation assay buffer (RIPA) | common buffer | Recipe: Tris-HCl, NaCl, SDS, Sodium Deoxycholate, Igepal | |
Mammalian protein extraction reagent (mPER) | Thermofisher | 78503 | Proprietary mixture of detergents, salts, and other buffer additives |
Immunoprecipitation (IP) Lysis | Pierce | 87787 | Proprietary mixture of detergents, salts, and other buffer additives |
1% sodium dodecyl sulfate (SDS) denaturing buffer | common buffer | Recipe: PBS, SDS, EDTA, EGTA | |
Laemmli | common buffer | Recipe: Tris-HCl, SDS, glycerol, bromophenol blue | |
BlastR dilution buffer | Cytoskeleton Inc. | BDB01 | Proprietary mixture of detergents, salts, and other buffer additives |
Protease Inhibitor Cocktail | Cytoskeleton Inc. | PIC02 | |
N-Ethylmaleimide (NEM) & N,N,N′,N′-Tetrakis(2-pyridylmethyl)ethylenediamine (TPEN) | Cytoskeleton Inc. | NEM09BB | |
Trichostatin A (TSA) & Nicotinamide | Cytoskeleton Inc. | TSA01 | |
Activated Sodium Orthovanadate (Na3VO4) | Cytoskeleton Inc. | PYI01 | |
cell scrapers | Costar | 3008 | |
BlastR Filter | Cytoskeleton Inc. | BLR02 | |
BD Insulin syringe needle | BD | 08290-3284-11 | |
sonicator (Branson Sonifier) | Branson | Sonifier 450 | |
Precision Red Advanced Protein Reagent | Cytoskeleton Inc. | ADV02 | |
1 mL cuvettes | Fisher | 14955127 | |
Spectrophotometer (Genesys20) | Thermofisher | 4001 | Other spectrophotomers can be used to measure protein concentration |
Agarose | Fisher | BP1356-500 | |
1kb Deoxyribonucleic acid (DNA) ladder | NEB | N3232L | |
DNA gel box | Thermofisher | 7312 B1A | |
Tris/Borate/EDTA (TBE) buffer | common buffer | Recipe: Tris-HCl, Boric Acid, EDTA | |
PTM Immunoprecipitation | |||
Phosphotyrosine beads | Cytoskeleton Inc. | APY03-beads | |
Ubiquitination beads | Cytoskeleton Inc. | UBA01-beads | |
SUMOylation 2/3 beads | Cytoskeleton Inc. | ASM24-beads | |
Acetylation beads | Cytoskeleton Inc. | AAC04-beads | |
Phosphotyrosine control beads | Cytoskeleton Inc. | CIG01-beads | |
Ubiquitination control beads | Cytoskeleton Inc. | CUB02-beads | |
SUMOylation 2/3 control beads | Cytoskeleton Inc. | CIG01-beads | |
Acetylation control beads | Cytoskeleton Inc. | CIG02-beads | |
BlastR wash buffer | Cytoskeleton Inc. | BWB02 | Proprietary mixture of detergents, salts, and other buffer additives |
Bead elution buffer | Cytoskeleton Inc. | BEB01 | Proprietary mixture of detergents, salts, and other buffer additives |
microcentrifuge | Eppendorf | 5417 | Other microcentrifuges can be used |
tube rotator | ATR | RKVSD | Other end-over-end tube rotators can be used |
protein loading tips | VWR | 37001-150 | |
spin columns | Cytoskeleton Inc. | SPN22 | |
heat block 95 °C | Benchmark | BSH1002 | |
SDS-PAGE/Transfer/Western analysis | |||
5x sample buffer | common buffer | recipe: Bromophenol blue, dithiothreitol (DTT), Glycerol, SDS, Tris-HCl | |
novex wedge well 4-20% Tris-gly gels | Invitrogen | XP04200BOX | The large wedgewells are excellent for loading large volumes |
1x Running buffer | common buffer | recipe: Tris-HCl , Glycine, SDS | |
seeblue protein ladder | Life Technologies | LC5625 | |
electrophoresis cell | Invitrogen | Xcell surelock electrophoresis cell | Other electrophoresis cells can be used, however these are compatible the novex wedgewell gels |
power supply | Biorad | PowerPac HC | Other power supplies can be used |
1x Transfer buffer | common buffer | recipe: Tris-HCl, glycine, methanol | |
Transfer cell | Biorad | mini trans-blot cell | Other transfer cells can be used |
Immobilon- P membranes (PVDF) | millipore | IPVH 304F0 | |
non-fat milk | thrive | 813503015095 | |
Tris buffered saline with tween (TBST) | common buffer | recipe: Tris-HCl, NaCl, Tween 20 | |
Chemiluminescent Detection Reagent | Cytoskeleton Inc. | CLRA/CLRB | |
Cell growth and treatment | |||
Dulbecco's Modified Eagle's medium | ATCC | 30-2002 | |
Fetal bovine serum | ATLAS | F-0500-A | |
Epidermal growth factor | Cytoskeleton Inc. | CN02-A | |
150 mm cell culture plates | Corning | 430599 |