本文介绍了一种磷酸化蛋白质组学方法,即基于停止-洗脱提取尖端的磷酸化蛋白质组学技术,可实现高通量且深度覆盖的 拟南芥 磷酸化蛋白质组。该方法阐明了渗透胁迫信号传导的总体概况 拟南芥
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本文介绍了一种磷酸化蛋白质组学方法,即基于停止-洗脱提取尖端的磷酸化蛋白质组学技术,可实现高通量且深度覆盖的 拟南芥 磷酸化蛋白质组。该方法阐明了渗透胁迫信号传导的总体概况 拟南芥
在渗透胁迫条件下,蛋白质磷酸化对酶活性和基因表达的调控至关重要。基于质谱(MS)的磷酸化蛋白质组学已彻底改变了植物信号转导的研究方式。然而,由于需要大量起始材料以及长时间的质谱检测才能实现较深的覆盖深度,限制了对植物全磷酸化蛋白质组动态变化进行高通量研究的应用。为了提高植物磷酸化蛋白质组学的灵敏度和通量,我们开发了一种基于停止-洗脱提取(stage tip)技术并结合串联质谱标签(TMT)标记的磷酸化蛋白质组学方法,用于快速、全面地分析植物在渗透胁迫下的磷酸化变化。该方法充分利用了stage tip技术操作简便和高通量的特点,整个流程使用两个tip仅需约一小时即可完成磷酸肽的富集、分级和样品纯化步骤,显示出该方法易于使用且效率高。该方法不仅实现了深度的植物磷酸化蛋白质组分析(> 11,000个磷酸肽鉴定),还表现出优异的分级分离效率(相邻组分间的重叠率 < 5%)。此外,通过TMT标记实现了多重检测,用于定量野生型和snrk2十重突变体植物的磷酸化蛋白质组变化。该方法已成功应用于揭示Raf样激酶在渗透胁迫下的磷酸化事件,为理解陆生植物早期渗透信号通路提供了新的见解。
高盐、低温和干旱会引起渗透胁迫,这是影响植物生产力的主要环境因素1,2。蛋白质磷酸化是植物响应渗透胁迫过程中介导信号感知与转导的最重要翻译后修饰之一3,4,5。SNF1相关蛋白激酶2(SnRK2s)参与渗透胁迫信号通路6。SnRK2家族的十个成员中有九个在渗透胁迫下表现出显著激活7,8。在所有十个SnRK2基因均发生突变的snrk2.1/2/3/4/5/6/7/8/9/10十重(snrk2-dec)突变体中,植物对渗透胁迫表现出超敏感性。在snrk2-dec突变体中,渗透胁迫诱导的肌醇1,4,5-三磷酸(IP3)积累、脱落酸(ABA)生物合成以及基因表达均显著降低,凸显了SnRK2s在渗透胁迫响应中的关键作用6。然而,SnRK2激酶如何调控这些生物学过程仍不清楚。分析渗透胁迫下磷酸化蛋白质组的动态变化是填补这一空白、阐明植物中渗透胁迫触发的防御机制的有效途径。
质谱法(MS)是绘制植物磷酸化蛋白质组的有力技术9。然而,由于植物蛋白质组的动态范围广泛以及植物裂解液成分复杂,植物磷酸化蛋白质组的表征仍然面临挑战4。为克服这些挑战,我们开发了一种通用的植物磷酸化蛋白质组学工作流程,可有效去除光合色素和次生代谢物等不必要的干扰,实现对植物磷酸化蛋白质组的深度覆盖10。已有多种磷酸化肽段富集方法被用于质谱分析前的样品前处理,例如固定化金属离子亲和色谱(IMAC)和金属氧化物色谱(MOC)11,12,13,14,15,16。酸性非磷酸化肽段与磷酸化肽段共纯化是影响磷酸化肽段检测的主要干扰因素。此前,我们通过标准化IMAC上样缓冲液的pH值和有机酸浓度,有效抑制了非磷酸化肽段的结合,无需进行预分级步骤即可实现超过90%的富集特异性11。
在多步磷酸化肽富集与分级过程中,样品损失会降低磷酸化肽鉴定的灵敏度,并限制磷酸化蛋白质组的覆盖深度。停止-洗脱-提取小柱(stage tips)是一种移液枪头,其末端装有小型圆盘,可用于色谱法进行肽段的分级和纯化17。通过避免在管之间转移样品,可最大限度减少stage tip操作过程中的样品损失。我们已成功将stage tip应用于Ga3+-IMAC和Fe3+-IMAC,以分离低丰度的多磷酸化肽与单磷酸化肽,从而提升了人类磷酸化蛋白质组的覆盖深度15。此外,高pH反相(Hp-RP)stage tip的应用相比强阳离子交换(SCX)和强阴离子交换(SAX)色谱法,实现了更广泛的人类膜蛋白质组覆盖18。因此,整合IMAC与Hp-RP stage tip技术可简化流程,同时以高特异性和高通量提升植物磷酸化蛋白质组的覆盖范围。我们已证实,该策略从拟南芥(Arabidopsis)幼苗中鉴定出超过20,000个磷酸化位点,显著增强了植物磷酸化蛋白质组的覆盖深度19。
本文报道了一种基于Stage Tip的磷酸化蛋白质组学实验方案,用于拟南芥(Arabidopsis)中的磷酸化蛋白质组分析。该工作流程被应用于研究野生型和snrk2-dec突变体幼苗在渗透胁迫下的磷酸化蛋白质组变化。磷酸化蛋白质组分析揭示了参与激酶激活和早期渗透胁迫信号传导的磷酸化位点。通过对野生型与snrk2-dec突变体磷酸化蛋白质组数据的比较分析,发现了RAF样激酶(RAF)-SnRK2激酶级联反应,该级联在高等植物的渗透胁迫信号传导中发挥关键作用。
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1. 样品制备
2. 串联质谱标签(TMT)标记
3. IMAC阶段尖端的制备
4. Hp-RP 柱尖的制备
5. 旋转适配器的制备
6. 使用 IMAC 阶段尖端进行磷酸化肽段富集
7. 使用 Hp-RP C18 层析尖端进行磷酸化肽段的分级分离
8. 液相色谱-串联质谱分析及数据分析
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为了展示该工作流程的性能,我们利用IMAC阶段尖端富集结合Hp-RP阶段尖端分级分离,检测了野生型和snrk2-dec突变体幼苗在有或无甘露醇处理30分钟后的磷酸化蛋白质组变化。每个样本均设置三个生物学重复,实验流程如图1所示。每个样本的消化后肽段(400 µg)用一个TMT-6plex通道标记,混合后进行脱盐。使用IMAC阶段尖端进一步富集磷酸化肽段,纯化的磷酸化肽段随后通过Hp-RP阶段尖端分离为八个组分。每个组分均采用90分钟的液相色谱梯度进行分析。原始数据文件通过搜索引擎在Arabidopsis thaliana数据库中进行检索。
共鉴定出 11,077 条独特的磷酸化肽段,对应于 3,630 种磷酸化蛋白,包含 6,852 个定位明确的磷酸化位点(I 类,定位概率 > 0.75)。 > 0.75),表明其覆盖范围广泛 拟南芥 磷酸化蛋白质组。从野生型和 snrk2-dec 突变样本。这说明了该工作流程在提供深入覆盖以阐明信号转导全局视图...
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植物蛋白质组和磷酸化蛋白质组的动态范围和复杂性仍然是限制磷酸化蛋白质组学分析深度的因素。尽管单次液相色谱-质谱/质谱(LC-MS/MS)分析已能够鉴定出超过10,000个磷酸化位点21,22,但对整个植物磷酸化蛋白质组的覆盖仍有限。因此,迫切需要一种具有高灵敏度和优异分离效率的磷酸化蛋白质组学工作流程,以全面描绘植物在响应环境胁迫时的信号转导网络。基于商用高压液相色谱(HPLC)柱的色谱技术是质谱分析前降低肽段复杂性的常用方法23,24。然而,HPLC方法在灵敏度和通量方面面临样品收集步骤繁琐以及洗脱体积较大的主要挑战。StageTip是一种可用于实现肽段预分级或富集的替代方法,适用于高灵敏度和高通量的研究。这种结合了同重标记、磷酸肽富集与分级的新磷酸化蛋白质组学工作流程,相较于其他磷酸化蛋白质组学方法,能够实现更全面的覆盖和更深的检测深度25,<...
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作者声明无利益冲突。
本工作得到中国科学院战略性先导科技专项(XDB27040106)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 离心管 | eppendorf | 22431081 | Protein LoBind,1.5 mL,PCR 洁净,无色,100 支 |
| 200 µL 吸头 | Gilson | F1739311 | |
| 2-氯乙酰胺 | Sigma-Aldrich | C0267 | |
| 乙酸 | Sigma-Aldrich | 5438080100 | |
| 乙腈 | Sigma-Aldrich | 271004 | |
| 氢氧化铵 | Sigma-Aldrich | 338818 | |
| 磷酸二氢铵 | Sigma-Aldrich | 216003 | |
| BCA 蛋白定量试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | 23227 | |
| 平头针头 | Hamilton | 90516 | Kel-F 接头(KF),3 型针尖,16 号规格 |
| C18-AQ 填料 | Dr. Maisch | ReproSil-Pur-C18-AQ 5 µm | |
| C8 Empore 萃取盘 | 3 M | 2214 | 47 mm |
| 离心机 | eppendorf | 22620444 | |
| 氯仿 | Sigma-Aldrich | CX1058 | |
| 数据分析软件 | Perseus 1.6.2.1 | https://maxquant.net/perseus/ | |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | Sigma-Aldrich | ||
| 甲酸 | Sigma-Aldrich | 5330020050 | |
| 筛板 | Agilent | 12131024 | SPE 小柱用筛板 |
| 盐酸胍 | Sigma-Aldrich | 50933 | |
| H2O | Sigma-Aldrich | 1153334000 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| 三氯化铁 | Sigma-Aldrich | 157740 | |
| LTQ-orbitrap | Thermo Fisher Scientific | Velos Pro | |
| 质谱仪 | Thermo Fisher Scientific | LTQ-Orbitrap Velos Pro | |
| 甲醇 | Sigma-Aldrich | 34860 | |
| 纳米液相色谱系统 | Thermo Fisher Scientific | Easy-nLC 1000 | |
| Ni-NTA 离心柱 | Qiagen | 31014 | |
| 月桂酰肌氨酸钠 | Sigma-Aldrich | L9150 | |
| 推杆 | Hamilton | 1122-01 | 适用于 1702 型(25 μl)的 N、RN、LT、LTN 型推杆组件 |
| 搜索引擎软件 | MaxQuant 1.5.4.1 | https://www.maxquant.org | |
| SEP-PAK 小柱 50 mg | Waters | WAT054960 | |
| 脱氧胆酸钠 | Sigma-Aldrich | D6750 | |
| 真空离心浓缩仪 | Thermo Fisher Scientific | SPD121P | |
| TMT 6-plex | Thermo Fisher Scientific | 90061 | |
| 三乙基碳酸氢铵缓冲液 | Sigma-Aldrich | T7408 | |
| 三氟乙酸 | Sigma-Aldrich | 91707 | |
| 三(2-羧乙基)膦盐酸盐 | Sigma-Aldrich | C4706 | |
| Tris 盐酸盐 | Sigma-Aldrich | T3253 |
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