本方法描述了一种简单且快速的组蛋白蛋白异构体表征与研究策略。
方法文章
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本方法描述了一种简单且快速的组蛋白蛋白异构体表征与研究策略。
组蛋白经历多种翻译后修饰(PTMs),如甲基化、乙酰化、磷酸化、酰基化和泛素化,这些修饰调控核小体的动态变化并决定细胞命运。核小体是染色质的功能单位,由DNA、构成球状核心的四对组蛋白(H3、H4、H2A和H2B)以及稳定染色质结构的连接组蛋白H1组成。组蛋白的氨基(N)端尾部从球状核心区域突出,并经历不同的PTMs,从而影响染色质的结构状态。一些证据表明,组蛋白PTM的稳态对于维持所有生理活动至关重要。组蛋白PTMs的失调是导致细胞异常增殖、侵袭和转移的主要原因。因此,开发用于表征组蛋白PTMs的方法至关重要。本文介绍了一种有效分离和分析组蛋白亚型的技术。该方法基于两种正交分离方式的结合,可实现组蛋白亚型的富集,并随后进行质谱鉴定。该技术最初由Shechter等人描述,结合了酸-尿素聚丙烯酰胺凝胶电泳(TAU-GEL)和十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE):前者可根据大小和电荷分离碱性组蛋白蛋白,后者可根据分子量分离蛋白质。结果得到一张组蛋白亚型的二维图谱,适用于胶内消化后进行质谱鉴定和Western印迹分析。这种蛋白质组学方法是一种稳健的技术,能够富集单一组蛋白亚型,并用于鉴定新的组蛋白PTMs。
癌症的发生、发展和化疗耐药性与遗传和表观遗传事件相关,包括组蛋白翻译后修饰。组蛋白经历多种翻译后修饰,这些修饰调控染色质动态并决定细胞命运1。
核小体是染色质的功能单位,是由DNA和蛋白质组成的分子复合物,可将DNA包装到细胞核内。它由四对组蛋白(H3、H4、H2A和H2B)构成核小体核心,还包括连接组蛋白H1,后者有助于稳定染色质结构。组蛋白的氨基(N)末端尾部从其球状核心区域伸出,并发生特定的翻译后修饰,从而影响染色质的结构状态2。
迄今为止,已知的组蛋白翻译后修饰(PTMs)至少有23类。这些PTMs主要是共价修饰,主要包括甲基化、乙酰化、磷酸化、糖基化、泛素化、SUMO化以及ADP-核糖基化3。此外,最近有研究提出表观基因组稳态与代谢重编程之间存在紧密关联,这解释了组蛋白PTMs可能种类数量呈指数增长的原因4,5,6,7,8,9,10,11,12,13。组蛋白PTMs由修饰酶进行添加、去除和识别,这些酶分别被称为“书写器”(writers)、“擦除器”(erasers)和“阅读器”(readers)。它们可影响染色质结构的物理和化学性质,进而调控基因表达谱,包括抑癌基因和癌基因的表达14,15,16。
当组蛋白变体整合到核小体中时,组蛋白蛋白形式的数量会增加。这些变体是经典组蛋白的非等位异构体,通过改变染色质的化学和物理特性而增加其复杂性。与经典组蛋白相比,组蛋白变体具有功能结构域,可发生独特的翻译后修饰或与特定的染色质组分相互作用,从而影响核小体的动力学和稳定性17。
在癌细胞中,组蛋白翻译后修饰(PTMs)和组蛋白变体的失调会影响基因表达谱,导致细胞异常增殖、侵袭、转移以及药物耐药通路的激活3,18,19,20。组蛋白或染色质重塑复合物的突变可改变细胞表型,促进肿瘤发生转化。表观遗传学改变(如组蛋白甲基化)的累积是激活药物耐药通路的关键因素之一21,22,23。SWI/SNF复合物由29个基因编码的15个亚基组成,该复合物的突变影响超过20%的人类癌症,涉及多种肿瘤类型。在过去十年中,基于表观遗传的药物策略(epi-drugs)已得到发展,许多靶向组蛋白修饰异常模式癌症的药物已获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准23。
组蛋白的分析具有相当大的挑战性,使其成为一个研究难度较高的领域。近年来,质谱技术已成为表征和研究组蛋白蛋白异构体的首选方法。然而,剧烈的提取条件,加之某些变体溶解度较低以及序列同源性极高,使得其分析过程仍面临诸多困难。
在过去十年中,已开发出多种基于质谱的技术用于组蛋白分析与研究24,25,26,27。在本研究中,我们提出了一种经济高效且可靠的方法,用于构建组蛋白蛋白异构体的二维图谱,该方法可提高发现新的翻译后修饰的可能性。
二维TAU电泳结合了酸性条件下的分离与SDS-PAGE。在第一维中,介质的酸性环境使碱性蛋白质带上净正电荷。由于组蛋白是强碱性蛋白质,其等电点(pH)高于介质的pH值,因此带正电荷,并在电场作用下发生迁移。在第二维中,组蛋白被SDS变性,并根据其分子量进行分离。所得的二维图谱可用于在单一位点分辨率下富集特定的蛋白质变体,进而用于质谱分析和免疫学研究28,29。电泳完成后,二维TAU斑点可进行脱色、胰蛋白酶消化,并通过质谱分析。或者,可将二维TAU图谱转印至硝酸纤维素膜或PVDF膜上,通过免疫染色进行检测27。
在此背景下,这些方法可能有助于改进与代谢重编程相关的新颖翻译后修饰的鉴定与分析30,31。
我们通过引入超声处理步骤进一步优化了原始方法,该步骤有助于降解DNA并提高蛋白质的溶解性。此外,我们延长了组蛋白提取过程中的孵育时间,以获得高纯度的蛋白质样品。同时,在本方案中,我们在第一维电泳中采用较低电压并延长运行时间,以实现更佳的分离分辨率。所得凝胶可用于研究经典组蛋白翻译后修饰,并表征如糖化等新型修饰10,32。
总体而言,我们建立了一种提取和纯化组蛋白的方法,并通过二维图谱对组蛋白蛋白异构体进行分离。本工作还包括用于质谱分析的凝胶内消化步骤,以及二维蛋白质印迹分析的操作流程。
1. 组蛋白提取
2. 微型二维凝胶Triton-酸-尿素(TAU)电泳
3. 银染法 32
4. 胶内消化
5. 2DTAU 蛋白质印迹
在图1A中,可以观察到组蛋白在1D凝胶中的迁移情况。这是理解第一维电泳运行时间的重要初步步骤。一旦确定了合适的分离时间,即可进行第二维电泳。组蛋白蛋白变体的二维图谱呈现出独特的拓扑模式(图1B)。图1B中的每个斑点代表一种特定的组蛋白类型。请仔细观察每种组蛋白变体在凝胶上的确切位置。每种组蛋白变体的质谱鉴定结果已在Perri等人的研究中报道32。因此,在该条件下,每个斑点均对应一种特定的组蛋白类型。除经典斑点外,若出现额外斑点,可能提示存在新的修饰形式。凝胶图像可通过密度测定法获取,并使用图像分析软件对所得图像进行分析。
2D TAU 图谱的可靠性取决于蛋白点的圆整度。如果电泳运行正确,蛋白点应呈现为清晰分明的信号,且凝胶中不应出现水平或垂直的拖尾现象。相反,样品、溶液以及琼脂糖覆盖层中的杂质可能导致凝胶中出现条纹或条带。凝胶的质量将影响图像的数字化以及后续的定性和定量分析,还可能影响 Western Blot 分析和质谱(MS)检测的成功率。为了验证该方法的可靠性,我们使用乙酰化赖氨酸一抗 Acetylated-Lysine (Ac-K2-100) Rabbit mAb32 对分离出的组蛋白蛋白变体在硝酸纤维素膜上进行检测(图2)。采用抗兔 HRP 标记的二抗来检测组蛋白信号。正如预期,利用密度计可以对印迹中每种组蛋白变体所特有的翻译后修饰进行定量分析。

图1:一维和二维TAU凝胶电泳(TAUgel)。(A)使用一维TAUgel获得的组蛋白拓扑图谱的代表性图像。(B)使用二维TAUgel获得的组蛋白拓扑图谱的代表性图像。数据鉴定信息由Perri等32报道。如预期所示,每个斑点代表一种特定的组蛋白蛋白变体。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:代表性2DTAU蛋白印迹。在该图像中,可观察到每种组蛋白蛋白变体的赖氨酸乙酰化水平。请点击此处查看此图的放大版本。
| 试剂 | 浓度:15% |
| 40% 丙烯酰胺/双丙烯酰胺 | 3.75 |
| 1.5 M Tris pH 8.8 | 2.5 mL |
| MilliQ 水 | 3.6 mL |
| 10% SDS | 100 µL |
| 10% APS | 50 µL |
| TEMED | 5 µL |
表1:分离胶溶液的组成。
| 步骤 | 时间 |
| 固定液(50%甲醇 / 5%乙酸) | 1 h |
| 30%乙醇洗涤 | 2 × 20 min |
| 去离子水洗涤 | 1 × 20 min |
| 敏化剂 硫代硫酸盐试剂 | 1 min |
| 去离子水洗涤 | 3 × 20 s |
| 银染 硝酸银 | 30 min |
| 去离子水洗涤 | 3 × 1 min |
| 显影 显影液 | 25–30 min 注:显影至条带可见(浅棕色) |
| 终止液 | 1 × 10 min |
| 去离子水洗涤 | 2 × 5 min |
| 去离子水洗涤 | 1 h |
表2:银染法。
在过去十年中,通过识别驱动癌症发生和发展的多种分子改变,癌症患者的治疗得到了彻底革新。现代肿瘤学最重要的进展是基于全面分子分析的疗法的建立。基因组学和蛋白质组学的技术进步在特异性生物标志物的谱型分析中发挥了关键作用,可用于早期检测、监测、预后评估以及药物疗效监控。蛋白质组学被定义为在特定条件下对细胞、组织或生物体全部蛋白质组分的分析,同时也包括对蛋白质相互作用、翻译后修饰及定位的研究34。蛋白质组学的一个特定领域是表观蛋白质组学(epi-proteomics),其涉及组蛋白翻译后修饰的系统性研究。这些修饰已被证实与癌症的发生和发展相关35。本文介绍了一种用于鉴定影响细胞表型的特异性组蛋白异构体的方法。
该方法的关键步骤是组蛋白的提取,因为组蛋白溶解度低且碱性较强。其主要局限性在于二维图谱的复杂性以及组蛋白变体数量较少,这可能会使串联质谱(MS/MS)分析变得困难。
总体而言,该方法的主要优势在于其可在任何实验室中实施,且配备适当的防护措施后,可拥有小型凝胶电泳装置。在此背景下,我们相信该方法将有助于大量科研人员,例如那些无法在其所属机构使用大型设施的研究者,用于鉴定新的表观遗传标记物,以增进对表观蛋白质组的认识。此外,该方法可与质谱技术联用,而质谱服务可外包获取,从而发现新的蛋白质变体形式。该方法也可与免疫学检测联合使用,以验证特定翻译后修饰的变化情况,前提是存在相应的商用抗体。
该方法已被用于研究与乳腺癌发展相关的组蛋白修饰的典型变化28,并用于检测小鼠胚胎干细胞中H1的修饰情况36。此外,该方法还成功用于测量快速增殖的成纤维细胞中组蛋白羰基化水平37,并探索新的组蛋白修饰形式,如组蛋白糖基化和组蛋白MAR化修饰38。
从我们的角度来看,我们确信该方法可成功用于分析新型组蛋白翻译后修饰,特别是那些与特定代谢通路异常激活相关的修饰,例如乙酰化、丙二酰化、甲基化、脂化、乳酸化、丁酰化等。最终,该方法还可作为微量化制备工具,用于分离单个蛋白质变体,并有助于分析与代谢相关的翻译后修饰,从而加深我们对该关键研究领域的理解。
作者声明无利益冲突。
本工作由PRIN2022资助,DS、CF和AC由PRIN2022资助,MLC由分子肿瘤学博士项目(UMG博士项目学院)资助。本工作还得到了PNRR INSIDE项目(CUP:B83C22003920001)的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1,4-二硫苏糖醇 | SIGMA-ALDRICH | D8255 | 用于维持的试剂 −还原态的SH基团;可定量还原二硫键。 |
| 1.5 M Tris-HCl 缓冲液,pH 8.8 | BIO-RAD | 161-0798 | 分离胶缓冲液 |
| 10x Tris/甘氨酸/SDS | BIO-RAD | 1610772 | 使用这种预混的10倍浓度Tris/甘氨酸/SDS电泳缓冲液,通过SDS-PAGE分离蛋白质样品。 |
| 2-丙醇 | SIGMA-ALDRICH | 33539 | 2-丙醇(异丙醇)是一种仲醇。它已被测试作为多种燃料电池中的燃料替代品。氧化铜(CuO)粉末溶于2-丙醇中,用于激光烧蚀辅助合成铜胶体。将2-丙醇与硝酸锌(Zn(NO3)2)形成悬浮液,用于制备表面均匀涂覆P25-TiO2层的二氧化钛包覆不锈钢(P25-TiO2/SS)光阳极。该光阳极被应用于电化学光催化(ECPC)降解过程。 |
| 30% 丙烯酰胺/双丙烯酰胺溶液 | BIO-RAD | 1610158 | 2.6% 交联剂。电泳纯度试剂 |
| 冰醋酸 | Carlo Erba Reagennts | 401392 | 乙酸是一种重要的化学试剂,具有广泛的工业应用。 |
| 丙酮 | Panreac Applichem | 211007.1214 | 丙酮 是一种溶剂,因其在各种实验室、制造和清洁应用中的多功能性而闻名。 |
| 乙腈 | VWR | 83640320 | 用于高效液相色谱 LC-MS级 |
| 琼脂糖 | Invitrogen | 15510-027 | 琼脂糖 是一个 杂多糖 分子生物学中常用。 |
| 碳酸氢铵 | SIGMA-ALDRICH | A6141 | 最低 99.0% |
| 过硫酸铵 | SIGMA-ALDRICH | A3678 | 分子生物学用,电泳用 ≥98% |
| Bioruptor plus | Diagenode | B01020001 - B01020002 - B01020003 | 超声波破碎仪 |
| 二硫苏糖醇 | SIGMA-ALDRICH | D9163-5G | 用于还原蛋白质中二硫键的还原剂。 |
| 十二面体银染试剂盒 | BIO-RAD | 161-0480 | 十二面体银染试剂盒易于使用,可用于检测聚丙烯酰胺凝胶中纳克水平的蛋白质。 |
| 甘油 | GE - 医疗生命科学 | 171325010L | 甘油是一种简单的三元醇化合物,可用于辅助制备梯度凝胶、作为蛋白质稳定剂以及储存缓冲液的组分。 |
| 停止磷酸酶抑制剂 | 赛默飞世尔科技 | 78428 | Thermo Scientific Halt 磷酸酶抑制剂混合物在细胞裂解或组织蛋白提取过程中及之后维持蛋白质的磷酸化状态 单次使用混合液(100倍浓缩) |
| 蛋白酶抑制剂 | 赛默飞世尔科技 | 78430 | Thermo Scientific Halt 蛋白酶抑制剂混合液(100X)是即用型浓缩储存液,用于添加至样品中,防止细胞裂解和蛋白质提取过程中发生蛋白水解降解。单次使用型混合液(100X)。 |
| 盐酸 | SIGMA-ALDRICH | H1758 | 分子生物学用生化试剂 |
| 碘乙酰胺 | SIGMA-ALDRICH | I6125 | ≥99%(核磁共振),结晶状 |
| KCl | SIGMA-ALDRICH | P9541 | 氯化钾,KCl,是 通常用于实验室常规操作。它作为pH电极的储存缓冲液以及电导率测量的参比溶液已有广泛应用。 |
| MCF10细胞系 | atcc | CRL-10317 | 1984年从一名36岁白人女性的乳腺组织中分离得到的上皮细胞系,该女性患有乳腺纤维囊性病变。此细胞系由密歇根癌症基金会保存并提交。 |
| MgCl₂2 | SIGMA-ALDRICH | 208337 | 氯化镁是一种无色结晶固体。 |
| N,N,N',N'-四甲基乙二胺 | SIGMA-ALDRICH | T9281 | 用于电泳,约99% |
| 1×磷酸盐缓冲液 | 康宁 | 15373631 | 1 × PBS(磷酸盐缓冲盐水)是 缓冲的 平衡盐溶液 用于多种生物学和细胞培养应用,例如在细胞解离前洗涤细胞、运输细胞或组织、稀释细胞用于计数以及配制试剂。 |
| 六氰合铁(II)酸钾 | SIGMA-ALDRICH | 60299 | 电子受体,用于涉及电子传递的系统中 |
| 20% (w/v) SDS 溶液 | BIO-RAD | 161-0418 | 十二烷基硫酸钠。电泳纯试剂 |
| 硫代硫酸钠,ReagentPlus,99% | SIGMA-ALDRICH | 21,726-3 | 硫代硫酸钠,ReagentPlus,99% |
| 硫酸 | SIGMA-ALDRICH | 339741 | 硫酸,试剂级 一种极具腐蚀性的酸,呈微黄色略带黏性的液体,可溶于水,为二元酸。具有极强的腐蚀性、脱水性、氧化性,并具吸湿性。 |
| 三氯乙酸 | SIGMA-ALDRICH | T6399-5G | 三氯乙酸(TCA)是 用作蛋白质沉淀的试剂1,2 和核酸3. |
| 三氟乙酸 | Riedel-de Haën | 34957 | 三氟乙酸 |
| Triton X-100 | SIGMA-ALDRICH | T9284-1L | Triton X-100 是一种非离子型聚氧乙烯表面活性剂,最常用于蛋白质的提取和溶解。 |
| 猪胰蛋白酶 | SIGMA-ALDRICH | T6567 | 蛋白质组学级,生物试剂,二甲基化 |
| 尿素 | SIGMA-ALDRICH | 33247 | 尿素是一种变性剂,可用于蛋白质变性。它会破坏蛋白质二级、三级和四级结构中的氢键。它也可破坏DNA二级结构中存在的氢键。 |
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