Die zunehmende Schwere und Häufigkeit der Dürre dürfte sich auf die Produktivität der Getreidepflanzenauswirken 1,2. Sorghum ist eine Getreidenahrungs- und Energiepflanze, die für ihre außergewöhnliche Fähigkeit bekannt ist, wasserbegrenzenden Bedingungen standzuhalten3,4. Wir verfolgen ein mechanistisches Verständnis des Zusammenspiels von Dürrestress, Pflanzenentwicklung und Epigenetik von Sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench] Pflanzen. Unsere bisherige Arbeit hat starke Verbindungen zwischen Pflanzen- und Rhizosphärenmikrobiom bei der Dürreakklimatisierung und Reaktionen auf molekularer Ebene5,6,7gezeigt. Diese Forschung wird den Weg für die Nutzung epigenetischer Technik bei der Anpassung von Pflanzen an zukünftige Klimaszenarien ebnen. Als Teil der Bemühungen um das Verständnis der Epigenetik wollen wir Proteinmarker untersuchen, die die Genexpression innerhalb des Pflanzenorganismus beeinflussen.
Histone gehören zu einer hochkonservierten Familie von Proteinen in Eukaryoten, die DNA als grundlegende Chromatineinheiten in Nukleosomen verpacken. Posttranslationale Modifikationen (PTMs) von Histonen werden dynamisch reguliert, um die Chromatinstruktur zu steuern und die Genexpression zu beeinflussen. Wie andere epigenetische Faktoren, einschließlich DNA-Methylierung, spielen Histon-PTMs eine wichtige Rolle in vielen biologischen Prozessen8,9. Antikörperbasierte Assays wie Western Blots wurden häufig verwendet, um Histon-PTMs zu identifizieren und zu quantifizieren. Darüber hinaus kann die Wechselwirkung von Histon-PTMs und DNA durch Chromatin-Immunpräzipitation – Sequenzierung (ChIP-seq)10effektiv untersucht werden. In ChIP-seq wird Chromatin mit spezifischem gezielten Histon PTM durch Antikörper gegen diese spezifische PTM angereichert. Dann können die DNA-Fragmente aus dem angereicherten Chromatin freigesetzt und sequenziert werden. Regionen von Genen, die mit dem gezielten Histon PTM interagieren, werden aufgedeckt. Alle diese Experimente sind jedoch stark auf hochwertige Antikörper angewiesen. Bei einigen Histonvarianten/Homologen oder Kombinationen von PTMs kann die Entwicklung robuster Antikörper (besonders bei mehreren PTMs) äußerst anspruchsvoll sein. Darüber hinaus können Antikörper nur entwickelt werden, wenn der gezielte Histon PTM bekannt ist. 11 Daher sind alternative Methoden für eine ungezielte, globale Profilierung von Histon-PTMs erforderlich.
Massenspektrometrie (MS) ist eine ergänzende Methode zur Charakterisierung von Histon-PTMs, einschließlich unbekannter PTMs, für die Antikörper nicht verfügbar sind11,12. Der etablierte "Bottom-up"-MS-Workflow verwendet Proteasen, um Proteine vor der Flüssigkeitschromatographie (LC) Trennung und MS-Erkennung in kleine Peptide zu verdauen. Da Histone eine große Anzahl von Grundrückständen (Lysin und Arginin) aufweisen, schneidet die Trypsinverdauung (proteasespezifisch für Lysin und Arginin) im Standard-Bottom-up-Workflow die Proteine in sehr kurze Peptide. Die kurzen Peptide sind technisch schwierig zu analysieren von Standard-LC-MS, und bewahren nicht die Informationen über die Konnektivität und Stoichiometrie von mehreren PTMs. Die Verwendung anderer Enzyme oder chemische Etikettierung zur Blockierung von Lysinen erzeugt längere Peptide, die besser für die Charakterisierung von Histon-PTMs13,14geeignet sind.
Alternativ kann der Verdauungsschritt komplett weggelassen werden. Bei diesem "Top-down"-Ansatz werden intakte Proteinionen durch Elektrospray-Ionisation (ESI) nach Online-LC-Trennung in die MS eingeführt, wodurch Ionen der intakten Histonproteoformen entstehen. Darüber hinaus können Ionen (d.h. Proteoformen) von Interesse isoliert und im Massenspektrometer fragmentiert werden, um die Sequenzionen zur Identifizierung und PTM-Lokalisierung zu erhalten. Daher hat MS von oben nach unten den Vorteil, die Informationen auf Proteoform-Ebene beizubehalten und die Konnektivität mehrerer PTMs und Terminalkürzungen auf derselben Proteoform15,16zu erfassen. Top-down-Experimente können auch quantitative Informationen liefern und Einblicke in Biomarker auf dem intakten Proteinlevel17bieten. Hierin beschreiben wir ein Protokoll, um Histon aus Sorghumblatt zu extrahieren und die intakten Histone von oben nach unten LC-MS zu analysieren.
Die in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellten Beispieldaten stammen aus Sorghumblättern, die in Woche 2 nach der Pflanzung gesammelt wurden. Obwohl eine Variation des Ertrags erwartet wird, ist dieses Protokoll im Allgemeinen agnostisch für bestimmte Probenbedingungen. Das gleiche Protokoll wurde erfolgreich für Sorghum Pflanzenblattgewebe von 2, 3, 5, 8, 9 und 10 Wochen nach der Pflanzung gesammelt verwendet.