Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir.  Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Two-Dimensional Gel Electrophoresis
  • 00:00Genel Bakış
  • 01:04Principles of 2D Gel Electrophoresis
  • 02:37Sample Preparation and Running Isoelectric Focusing
  • 04:08Running SDS-PAGE and Visualization/Analysis
  • 05:25Applications
  • 07:07Özet

אלקטרופורזה ג'ל דו מימדית

English

Paylaş

Genel Bakış

אלקטרופורזה ג’ל דו מימדי (2DGE) היא טכניקה שיכולה לפתור אלפי ביומולקולים מתערובת. טכניקה זו כוללת שתי שיטות הפרדה נפרדות ששולבו יחד: מיקוד איזואלקטרי (IEF) ונתרן דודסיל סולפט אלקטרופורזה ג’ל פוליאקרילמיד (SDS-PAGE). זה מפריד פיזית תרכובות על פני שני צירים של ג’ל על ידי הנקודות האיזואלקטריות שלהם (מאפיין אלקטרוכימי) ואת המשקלים המולקולריים שלהם.

ההליך בסרטון זה מכסה את המושגים העיקריים של 2DGE והליך כללי לאפיון הרכב של פתרון חלבון מורכב. שלוש דוגמאות לטכניקה זו מוצגות בסעיף היישומים, כולל זיהוי סמנים ביולוגיים ליזום והתקדמות המחלה, ניטור הטיפול בחולים וחקר חלבונים לאחר שינוי פוסט-טרינסלציה (PTM).

אלקטרופורזה דו-ממדית, או דו-ממדית, היא טכניקה המשתמשת בשתי שיטות הפרדה נפרדות שיכולות להפריד אלפי חלבונים מתערובת אחת. אחת הטכניקות, SDS-PAGE או נתרן דודסיל סולפט אלקטרופורזה ג’ל פולאקרילמיד, לא יכולה להפריד באופן מלא תערובות מורכבות לבד. אלקטרופורזה ג’ל דו-פעמי משווה את ה-SDS-PAGE לשיטה שנייה, מיקוד איזואלקטרי או IEF, המפרידה על בסיס נקודות איזואלקטריות, ומאפשרת רזולוציה של כל החלבונים הפוטנציאליים בתא ליסאט. וידאו זה יציג את העקרונות של אלקטרופורזה ג’ל 2D, הליך כללי, וכמה היישומים הביו-רפואיים שלה.

אלקטרופורזה ג’ל 2D מתחיל עם IEF כממד הראשון. לכל חלבון יש ערך pH, הנקרא נקודה איזואלקטרית או pI, שבו המטען נטו הוא אפס. כאשר חלבון נתון לשדה חשמלי, הוא יעבור לכיוון האלקטרודה עם מטען הפוך. דגימות של עניין נטענות על שיפוע pH משותק, או IPG, רצועות אשר מוטבעים ampholytes, מולקולות המכילות קבוצות חומציות ובסיסיות. לאחר מכן מוחל שדה חשמלי על רצועת ההדרגה pH, מה שגורם לחלבונים לנדוד עד שהם מגיעים לערך ה- pH התואם את ה- pI שלהם, שם הם מאבדים את המטען נטו שלהם.

לפני הפעלת המימד השני, החלבונים המוטמעים מטופלים ב-SDS, מנודים אותם ומספקים מטען שלילי אחיד. לאחר השלמת, רצועות IPG ממוקמות על ג’ל פוליאקרילמיד. שדה חשמלי מיושם מושך את החלבונים לכיוון האנודה, כאשר חלבונים גדולים יותר נעים לאט יותר דרך הג’ל.

לאחר שתערובת החלבון הופרדו על פי pI ומשקל מולקולרי, מפת הפרוטאום מדמיינת באמצעות כתמים, וחלבונים בעלי עניין מזוהים.

עכשיו כשדיברנו על העקרונות של אלקטרופורזה של ג’ל 2D, בואו נעבור על הליך מעבדה טיפוסי.

לפני שניתן יהיה לבצע את הניסוי, החלבונים חייבים להיות solubilized לתוך מדיה. Solubilization של המדגם מושגת על ידי דה צבירה חלבונים עם שילוב של סוכנים כאוטרופיים לשיבוש אינטראקציות מימן מליטה, דטרגנטים לא יוניים כדי למנוע שינוי של המטען של החלבונים, הפחתת סוכנים לשבור קשרים דיסולפיד, ומאגרים. כדי להסיר הפרעה חלבונים שופעים ומולקולות אחרות, החומר מופק ברצף על ידי צנטריפוגה, ואיסוף של הכדור המתקבל; ואחריו טיפול עם אנדונוקלאז, אנזים המשמש לצרוך כל DNA שיפריע לניסוי.

לאחר החלבונים כבר solubilized, רצועות IPG מוכנים על ידי שטיפה עם פתרון ניקוי רצועה נשאר הפוך לייבוש. לאחר מכן מוקצה לכל רצועה מספר מחזיק רצועה. לאחר מוכן, תמצית הסלולר נטען על הרצועות בתנועה איטית, הזזה מן השלילי לקצה החיובי. לצורך התייבשות, נייר סופג לח ממוקם על גבי האלקטרודה ומתחת לרצועות הג’ל; רצועות IPG מרופדים לאחר מכן על כלי IEF. זרם חשמלי גבוה מוחל, והחלבונים מתחילים לנדוד.

לאחר השלמת הממד הראשון, הג’ל עבור SDS-PAGE מוכן במנגנון ליהוק. רצועות IPG מטופלות על ידי הצבתן עם הפנים כלפי מטה במאגר שיווי משקל המכיל SDS. יחידת האלקטרופורזה מוכנה עם תוספת של מאגר אלקטרופורזה. רצועות IPG המטופלות נאספות באמצעות פינצטה, מונחות על גבי לוחות הג’ל, ואטומות בתמיסת איטום אגרוז. מקור מתח מחיל שדה חשמלי, המוחזק עד שהחלבונים הנעים במהירות הגבוהה ביותר הם 1 ס”מ מתחתית הג’ל.

לאחר השלמת האלקטרופורזה, החלבונים חייבים להיות חזותיים. באופן מסורתי זה מבוצע על ידי כתמים עם כחול קומאסי או כסף חנקתי. חלבונים מעניינים עשויים להיות מועברים מן הג’ל, וניתח על ידי ניתוח כתם מערבי.

גישת זיהוי שנייה כוללת כריתת החלבונים מהג’ל, עיכולם, מאשר ניתוחם באמצעות ספקטרומטריית מסה.

עכשיו שבדקנו הליך, בואו נסתכל על חלק מהשימושים לאלקטרופורזה של ג’ל 2D.

אחד השימושים הנפוצים ביותר בטכניקה זו הוא זיהוי של מולקולות המעורבות בייזום המחלה והתקדמותה. אלקטרופורזה ג’ל דו-מושבי, יחד עם ספקטרומטריית מסה, יכולים לזהות את הרגולציה של חלבונים ספציפיים באזורים חולים בהשוואה לחלבונים בריאים.

בנוסף, אלקטרופורזה ג’ל 2D שימושי בעקבות ההתקדמות של התגובה של חולים לתרופה טיפולית פוטנציאלית. ניתן לקחת דגימות מחולים בנקודות זמן שונות לאחר מתן הטיפול. בדרך זו, אלקטרופורזה ג’ל 2D בשילוב עם כתם מערבי או ניתוח ספקטרומטריית מסה, יכול לזהות חלבונים הקשורים לתגובות שליליות כגון דלקת; או היעדר חלבונים במצב מקל.

שימוש נוסף באלקטרופורזה של ג’ל דו-ממדי הוא בחקר מבנה החלבון ותפקודו לאחר שינוי פוסט-טרנסלציה, או PTM, שהם תוספות לחלבונים בעקבות התרגום שלהם מ- mRNA. PTM של יכול לווסת מגוון רחב של פונקציות, כולל איתות חלבון, ביטוי גנים, או לגרום נזק חמצוני. אלקטרופורזה ג’ל 2D רגיש לשינויים כגון מתילציה או אצטילציה, אשר יכול לגרום לשינוי pI, כמו גם את המשקל המולקולרי.

הרגע צפית בסרטון של ג’וב על אלקטרופורזה של ג’ל 2.די. וידאו זה תיאר את עקרונות הטכניקה, הליך ניסיוני טיפוסי, וכמה מיישומיה בתחום הביו-רפואה.

תודה שצפיתם!

Prosedür

אלקטרופורזה ג’ל דו מימדי (2DGE) היא טכניקה שיכולה לפתור אלפי ביומולקולים מתערובת. טכניקה זו כוללת שתי שיטות הפרדה נפרדות ששולבו יחד: מיקוד איזואלקטרי (IEF) ונתרן דודסיל סולפט אלקטרופורזה ג’ל פוליאקרילמיד (SDS-PAGE). זה מפריד פיזית תרכובות על פני שני צירים של ג’ל על ידי הנקודות האיזואלקטריות שלהם (מאפיין אלקטרו…

Açıklamalar

No conflicts of interest declared.

DEŞİFRE METNİ

Two-dimensional, or 2D, gel electrophoresis is a technique utilizing two distinct separation methods which can separate thousands of proteins from a single mixture. One of the techniques, SDS-PAGE or sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, cannot fully separate complex mixtures alone. 2D gel electrophoresis couples the SDS-PAGE to a second method, isoelectric focusing or IEF, which separates based on isoelectric points, allowing for the resolution of potentially all proteins in a cell lysate. This video will show the principles of 2D gel electrophoresis, a general procedure, and some of its biomedical applications.

2D gel electrophoresis begins with IEF as the first dimension. Every protein has a pH value, called the isoelectric point or pI, where the net charge is zero. When a protein is subjected to an electric field, it will move toward the electrode with opposite charge. Samples of interest are loaded onto immobilized pH gradient, or IPG, strips which have embedded ampholytes, molecules containing both acidic and basic groups. An electric field is then applied to the pH gradient strip, causing the proteins to migrate until they reach the pH value matching their pI, where they lose their net charge.

Prior to running the second-dimension, the embedded proteins are treated with SDS, denaturing them and providing a uniform negative charge. Once completed, the IPG strips are placed onto a polyacrylamide gel. An applied electric field draws the proteins toward the anode, with larger proteins moving more slowly through the gel.

Once the protein mixture has been separated according to pI and molecular weight, the proteome map is visualized using stains, and proteins of interest are identified.

Now that we have discussed the principles of 2D gel electrophoresis, let’s go over a typical laboratory procedure.

Before the experiment can be performed, the proteins must be solubilized into media. Solubilization of the sample is achieved by de-aggregating proteins with a combination of chaotropic agents for disrupting hydrogen-bonding interactions, nonionic detergents to prevent altering of the proteins’ charge, reducing agents to break disulfide bonds, and buffers. To remove interfering abundant proteins and other molecules, the material is sequentially extracted by centrifugation, and collection of the resulting pellet; followed by treatment with endonuclease, an enzyme used to consume any DNA that would interfere with the experiment.

Once the proteins have been solubilized, IPG strips are prepared by rinsing with a strip-cleaning solution and left upside-down to dry. Each strip is then assigned a strip holder number. Once ready, the cellular extract is loaded onto the strips in a slow, sliding motion from the negative to the positive end. For the purpose of rehydration, damp blotting paper is placed on top of the electrode and under the gel strips; the IPG strips are then lined onto the IEF instrument. A high electric current is applied, and the proteins begin to migrate.

Following completion of the first dimension, the gel for SDS-PAGE is prepared in a casting apparatus. The IPG strips are treated by placing them face down in SDS-containing equilibration buffer. The electrophoresis unit is readied with the addition of electrophoresis buffer. The treated IPG strips are collected using tweezers, placed on top of the gel plates, and sealed with agarose-sealing solution. A voltage source then applies an electric field, which is held until the fastest-moving proteins are 1 cm from the bottom of the gel.

After completion of the electrophoresis, the proteins must be visualized. Traditionally this is performed by staining with Coomassie blue or silver nitrate. Proteins of interest may be transferred from the gel, and analyzed by Western blot analysis.

A second identification approach involves excision of the proteins from the gel, digesting them, than analyzing them by mass spectrometry.

Now that we’ve reviewed a procedure, let’s look at some of the uses for 2D gel electrophoresis.

One of the most common uses for this technique is the identification of molecules involved in disease initiation and progression. 2D gel electrophoresis, coupled with mass spectrometry, can detect the up- or down-regulation of specific proteins in diseased areas in comparison to healthy ones.

Additionally, 2D gel electrophoresis is useful in following the progress of patients’ response to a potential therapeutic drug. Specimens may be taken from patients at various timepoints following administration of the treatment. In this way, 2D gel electrophoresis coupled with Western blot or mass spectrometry analysis, can detect proteins associated with negative responses such as inflammation; or the absence of proteins in an alleviated state.

Another use for 2D gel electrophoresis is in the study of protein structure and function following posttranslational modification, or PTM, which are additions to proteins following their translation from mRNA. PTM’s can regulate a variety of functions, including protein signaling, gene expression, or cause oxidative damage. 2D gel electrophoresis is sensitive to modifications such as methylation or acetylation, which can cause a shift in pI as well as the molecular weight.

You’ve just watched JoVE’s video on 2D gel electrophoresis. This video described the principles of the technique, a typical experimental procedure, and several of its applications in the field of biomedicine.

Thanks for watching!

Etiketler

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Two-Dimensional Gel Electrophoresis. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

İlgili Videolar