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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
La oxidación fotoquímica rápida in vivo de proteínas (IV-FPOP) es una técnica de huella de proteína sinterión radical hidroxilo que permite mapear la estructura proteica en su entorno nativo. Este protocolo describe el montaje y la configuración del sistema de flujo microfluídico IV-FPOP.
La oxidación rápida de proteínas (FPOP) es un método de huella de proteína sradical hidroxilo (HRPF) utilizado para estudiar la estructura de proteínas, las interacciones proteína-ligand e interacciones proteína-proteína. FPOP utiliza un láser excimer KrF a 248 nm para la fotólisis de peróxido de hidrógeno para generar radicales hidroxilo que a su vez oxidativamente modifican las cadenas laterales de aminoácidos solventes accesibles. Recientemente, ampliamos el uso de FPOP de etiquetado oxidativo in vivo en Caenorhabditis elegans (C. elegans), titulado IV-FPOP. Los nematodos transparentes se han utilizado como sistemas modelo para muchas enfermedades humanas. Los estudios estructurales realizados en C. elegans por IV-FPOP son factibles debido a la capacidad del animal para la toma de peróxido de hidrógeno, su transparencia a la irradiación láser a 248 nm y la naturaleza irreversible de la modificación. El montaje de un sistema de flujo microfluídico para etiquetado IV-FPOP, parámetros IV-FPOP, extracción de proteínas y parámetros optimizados LC-MS/MS se describen aquí.
La huella proteica acoplada a la espectrometría de masas (EM) se ha utilizado en los últimos años para estudiar las interacciones proteicas y los cambios de conformación. Los métodos de huella de proteína sorplícea radical (HRPF) sondean la accesibilidad de los disolventes de proteínas mediante la modificación de las cadenas laterales de aminoácidos de proteínas. El método HRPF, la rápida oxidación fotoquímica de proteínas (FPOP)1, se ha utilizado para sondear la estructura proteica in vitro2, in-cell (IC-FPOP)3, y más recientemente in vivo (IV-FPOP)4. FPOP utiliza un láser excimer de longitud de onda de 248 nm con el fin de generar rápidamente radicales hidroxilo por fotólisis de peróxido de hidrógeno para formar radicales hidroxilo1. A su vez, estos radicales pueden etiquetar 19 de 20 aminoácidos en una escala de tiempo de microsegundos, más rápido de lo que las proteínas pueden desplegarse. Aunque, la reactividad de cada aminoácido con radicales hidroxilo se extiende 1000 veces, es posible normalizar la oxidación de la cadena lateral calculando un factor de protección (PF)5.
Dado que el FPOP puede modificar oxidativamente las proteínas independientemente de su tamaño o secuencia primaria, resulta ser ventajoso para los estudios de proteínas en las células e in vivo. IV-FPOP sondas la estructura proteica en C. elegans de forma similar a los estudios in vitro y en células4. C. elegans son parte de la familia de los nematodos y son ampliamente utilizados como modelo para estudiar enfermedades humanas. La capacidad del gusano para la adquisición de peróxido de hidrógeno por difusión pasiva y activa permite el estudio de la estructura proteica en diferentes sistemas corporales. Además, los C. elegans son adecuados para IV-FPOP debido a su transparencia en la longitud de onda láser de 248 nm necesaria para FPOP6. El acoplamiento de este método a la espectrometría de masas permite la identificación de múltiples proteínas modificadas utilizando enfoques proteómicos tradicionales de abajo hacia arriba.
En este protocolo, describimos cómo realizar IV-FPOP para el análisis de la estructura proteica en C. elegans. El protocolo experimental requiere el montaje y la configuración del sistema de flujo microfluídico para IV-FPOP adaptado de Konermann et al7. Después de IV-FPOP, las muestras se homogeneizan para la extracción de proteínas. Las muestras de proteínas son proteolizadas y los péptidos son analizados por ms tándem de cromatógrafo líquido (LC), seguido de cuantificación.
1. C. elegans mantenimiento y cultura
2. Montaje del sistema de flujo microfluídico

3. Sistema de flujo microfluídico para FPOP in vivo
4. In vivo FPOP
5. Extracción, purificación y proteólisis de proteínas
6. Espectrometría de masas tándem de cromatografía líquida de alto rendimiento (LC-MS/MS)
7. Análisis de datos

En el sistema de flujo microfluídico utilizado para IV-FPOP, H2O2 y los gusanos se mantienen separados hasta justo antes de la irradiación láser. Esta separación elimina la descomposición de H2O2 por catalasa endógena y otros mecanismos celulares12. El uso de un capilar de 250 m i.d. muestra una recuperación total de la muestra entre el 63 y el 89 % en dos réplicas biológicas, mientras que el capilar de 150 m i.d. sólo muestra una recuperación del 21-31%(Figura 3A). El uso de un capilar i.d. más grande (250 m) conduce a un mejor flujo de gusano durante el IV-FPOP y el flujo de gusano único(Figura 3B)en comparación con un capilar i.d. más pequeño (150 m)(Figura 3C). El capilar de 150 m i.d. no permite un solo flujo de gusano(Figura 3C)y se ven varios gusanos fluyendo juntos en la ventana de irradiación láser que disminuye la cantidad de exposición láser por gusano individual.
IV-FPOP es una técnica de etiquetado covalente que sondea la accesibilidad solvente en C. elegans. La Figura 4A muestra un representativo cromatogramas iónicos extraídos (EIC) de un péptido modificado y no modificado por FPOP. La etiqueta de radical hidroxilo cambia la química de los péptidos modificados oxidativamente, haciendo que los péptidos modificados FPOP sean más polares. En la cromatografía de fase inversa, los péptidos modificados IV-FPOP tienen tiempos de retención más tempranos que los péptidos no modificados. La fragmentación MS/MS de péptidos aislados permite la identificación de residuos modificados oxidativamente(Figura 4B).
IV-FPOP ha demostrado modificar oxidativamente un total de 545 proteínas a través de dos réplicas biológicas dentro de C. elegans (Figura 5A,B). Una ventaja de IV-FPOP como método de huella proteica se basa en la capacidad de la técnica para modificar proteínas en una variedad de sistemas corporales dentro de los gusanos (Figura 5C). Este método permitiría sondear la estructura de proteínas y las interacciones proteicas independientemente del tejido corporal u órgano dentro del gusano. Además, el análisis de LAM en tándem confirma la accesibilidad in vivo de las sondas IV-FPOP. Se analizó el patrón de oxidación de la proteína de choque térmico 90 (Hsp90) en complejo con la proteína de chaperon de miosina UNC-45 (Figura 6). El análisis de MS/MS para Hsp90 muestra cuatro residuos modificados oxidativamente(Figura 6C,D),la extensión normalizada de la modificación FPOP (ln(PF))5 indica que el residuo M698 de Hsp90 es menos accesible al disolvente que los residuos R697, E699 y E700 cuando se enlazan a UNC-45(Figura 6C). Estas diferencias en la oxidación se validan mediante cálculos de superficie accesible con disolvente de literatura (SASA) (PDB 4I2Z13). El residuo M698 tiene un valor SASA de 0,03 que se considera un residuo enterrado en comparación con los residuos R697, E699 y E700 con valores SASA más altos(Figura 6C). 14

Figura 1. Esquema del sistema de flujo microfluídico In vivo FPOP. (A) Las dos líneas de infusión (naranja) del sistema de flujo IV-FPOP se muestran dentro del tubo FEP (amarillo), la posición de unión correcta de la resina epoxi está representada por el círculo azul claro. (B) Mezcla completa montada-T formada por los tres capilares de 250 m i.d. La posición correcta de unión a la resina del capilar de salida al tubo FEP está representada por el círculo azul claro. (C) El sistema de flujo ensamblado completo para el etiquetado covalente in vivo de C. elegans. Antes de FPOP, los gusanos se mantienen separados de H2O2 hasta justo antes del etiquetado; la ventana de irradiación láser se muestra en azul claro y el rayo láser está representado por el rayo púrpura. Las cifras no se escalan. Esta cifra ha sido modificada de Espino et al.4. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Sistema microfluídico durante IV-FPOP. (A) Imagen representativa de C. elegans dentro de la jeringa de 5 ml. Sin agitar, los gusanos se asientan en la parte inferior de la jeringa (izquierda). Los agitadores magnéticos y el bloque del agitador mantienen a los gusanos en suspensión durante los experimentos IV-FPOP (derecha). (B) Imagen representativa de una jeringa de 5 ml, que infunde capilar y extrae capilar conectado a la válvula 3-2. La manija de la válvula 3-2 se muestra en la posición de retirada. (C) Sistema de flujo microfluídico durante IV-FPOP, el bloque de agitador magnético se coloca por encima de la jeringa de 5 ml de los gusanos. (D) Capilar de salida fijado a la etapa radiante. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Comparación del flujo y recuperación de C. elegans utilizando dos capilares i.d. (A) Porcentaje de recuperación de gusanos después de IV-FPOP para dos réplicas biológicas (BR) con 250 (gris) y 150 (negro) ám i.d. capilares. Las barras de error se calculan a partir de la desviación estándar entre los triplicados técnicos. C. elgans que fluyen a través de la ventana de irradiación láser a través de un capilar de 250 m(B)y 150 m(C)i.d. Los gusanos están más estrechamente compactados en el capilar más pequeño. El capilar de 150 m i.d. muestra aglomeración de gusanos. Esta cifra ha sido modificada de Espino et al.4. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. Resultados representativos de LC-MS/MS tras IV-FPOP. (A) EIC de un péptido modificado FPOP (rojo) y no modificado (azul). El péptido seleccionado pertenece a la proteína actin-1. (B) Espectro MS/MS de péptido de actina-1 doblemente cargado 317-327. (C) El espectro MS/MS del péptido modificado FPOP doblemente cargado 317-327, en este ejemplo P323 se modificó oxidativamente(y 5+ ion, rojo). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. IV-FPOP modifica oxidativamente las proteínas dentro de C. elegans. (A) Diagrama de Venn de proteínas modificadas oxidativamente en presencia de peróxido de hidrógeno de 200 mM a 50 Hz a través de dos réplicas biológicas (BR), BR1 está en azul y BR2 está en amarillo. (B) Diagrama de Venn de proteínas modificadas oxidativamente identificadas en muestras irradiadas, control de peróxido de hidrógeno y control solo de gusano en BR2 a través de triplicados técnicos. (C) Gráfico circular de proteínas oxidativamente modificadas dentro de diferentes sistemas corporales De. elegans. Esta cifra ha sido modificada de Espino et al.4. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. Correlacionar las modificaciones IV-FPOP en la accesibilidad de disolventes. (A) Proteína de chaperon de miosina UNC-45 (gris) (PDB ID 4I2Z13) destacando dos péptidos modificados identificados por el análisis LC/MS/MS, 669-680 y 698-706 (verde, recuadro izquierdo). UNC-45 está unido al fragmento de péptido Hsp90 (azul). Los residuos modificados oxidativamente dentro de este fragmento se muestran en palos (rojo), y UNC-45 se representa como una superficie (recuadro derecho). (B) Espectros tándem ms del péptido UNC-45 669-680 (arriba) y 698-706 (abajo) que muestran los iones b e y para la pérdida de CO2,una modificación fPOP. (C) El ln(PF) calculado para los residuos modificados oxidativamente Hsp90, R697, M698, E699 y E700. Los valores SASA calculados para Hsp90 se indican por encima de cada residuo. (D) Espectros tándem MS para R697, M698, E699 y E700 que muestran una modificación +16 FPOP. Esta cifra ha sido modificada de Espino et al.4. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Esta publicación fue escrita en cumplimiento parcial de la tesis de JAE Ph.D. Los autores no declaran conflicto de intereses.
La oxidación fotoquímica rápida in vivo de proteínas (IV-FPOP) es una técnica de huella de proteína sinterión radical hidroxilo que permite mapear la estructura proteica en su entorno nativo. Este protocolo describe el montaje y la configuración del sistema de flujo microfluídico IV-FPOP.
Este trabajo fue apoyado por fondos de la Start-up de la Universidad de Maryland, Baltimore y el NIH 1R01 GM 127595 otorgado a LMJ. Los autores agradecen al Dr. Daniel Deredge su ayuda en la edición del manuscrito.
| Tubos de centrífuga cónicos de 15 ml | Fisher Scientific | 14-959-53A | cualquier marca es suficiente |
| 5 mL jeringa hermética al gas, bloqueo Luer extraíble | SGE Analytical Science | 008760 | 2 mínimo |
| 60 Desmembrador sónico | Fisher Scientific | FM3279 | Este artículo ha sido vendido . Cualquier sonicador de bajo volumen será suficiente |
| Acetona, Grado HPLC | Fisher Scientific | A929-4 | 4 L cantidad no es necesaria |
| Acetonitrilo con 0,1% de ácido fórmico (v/v), Grado LC/MS Fisher | Scientific | LS120-500 | |
| ACQUITY UPLC Clase M Simetría C18 Columna de trampa, 100Å, 5 µ m, 180 y micro; m x 20 mm, 2G, V/M, 1/pkg | Waters | 186007496 | |
| ACQUITY UPLC M-Class System | Waters | Papel de aluminio Fisher||
| Scientific | 01-213-100 | cualquier marca es suficiente | |
| Aqua 5 µ m C18 125 y Aring; material de embalaje | Centrífuga Phenomenex | ||
| Eppendorf 022625501 | |||
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| ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) | Fisher Scientific | S311-100 | |
| EX350 láser excímero (longitud de onda de 248 nm) | GAM Laser | ||
| FEP Tubing 1/16" OD x 0.020" ID | IDEX Health & Sciene | 1548L | |
| Ácido fórmico, grado LC/MS | Fisher Scientific | A117-50 | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | |
| HV3-2 VÁLVULA | Hamilton | 86728 | 2 mínimo |
| Ácido clorhídrico | Fisher Scientific | A144S-500 | |
| Peróxido de hidrógeno | Fisher Scientific | H325-100 | cualquier 30% el peróxido de hidrógeno es suficiente |
| Yodoacetamida (IAA) | ACROS Organics | 122270050 | |
| Bomba de jeringa Legato 101 | KD Scientific | 788101 | |
| Luer Adaptador Luer Hembra Luer a 1/4-28 Polipropileno Macho | IDEX Health & Sciene | P-618L | 2 |
| mínimo Sulfato de magnesio | Fisher Scientific | M65-500 | |
| Metanol, LC/MS Grado | Fisher Scientific | A454SK-4 | 4 L cantidad no es necesaria |
| Microcentrífuga | Thermo Scientific | 75002436 | |
| N,N′-Dimetiltiourea (DMTU) | ACROS Organics | 116891000 | |
| Funda NanoTight Verde 1/16" ID x .0155" ID x1.6"' | IDEX Health & Sciene | F-242X | |
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| N-terc-butil-&alfa;-fenilnitrona (PBN) | ACROS Organics | 177350250 | |
| OmniPur Fluoruro de fenilmetilsulfonilo (PMSF) | Sigma-Aldrich | 7110-OP | ,cualquier inhibidor de la proteasa es suficiente, |
| Orbitrap Fusion, Lumos, Espectrómetro de masas Tribrid | ,Thermo Scientific | , otros instrumentos de alta resolución (por ejemplo, Q exactive, Orbitrap u Orbitrap Fusion) se puede utilizar | |
| Medidor de energía piroeléctrica PE50-C | Ophir Optronics | 7Z02936 | |
| Pierce Ensayo de péptidos colorimétricos cuantitativos | Thermo Scientific | 23275 | |
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| Pierce Tripsina proteasa, grado MS | Thermo Scientific | 90058 | |
| Piedra de corte Polymicro, 1" x 1" x 1/32" | Molex | 1068680064 | cualquier cortador de tubos capilares es suficiente |
| Tubo capilar de sílice fundida flexible Polymicro, diámetro interior 250 y micro; m, diámetro exterior 350µ m, TSP250350 | Polymicro Technologies | 1068150026 | |
| Tubo capilar de sílice fundida flexible Polymicro, diámetro interior 450 y micro; m, diámetro exterior 670µ m, TSP450670 | Polymicro Technologies | 1068150625 | |
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| Fosfato de potasio monobásico | Fisher Scientific | P382-500 | |
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| Cinta de etiqueta autoadhesiva | Fisher Scientific | 15937 | un rollo es suficiente |
| Microcentrífuga Snap-Cap Flex-Tube Tubos | Fisher Scientific | 05-402 | cualquier marca es suficiente |
| Cloruro de sodio | Fisher Scientific | S271-500 | |
| Dodecil Sulfato de Sodio (SDS) | Fisher Scientific | 15-525-017 | |
| Fosfato de Sodio Dibásico Heptahidratado | Fisher Scientific | S373-500 | |
| Microscopio Estereoscópico | con Zoom Fisher Scientific | 03-000-014 | una lupa es suficiente |
| Férula Super Flad. con Anillo SST, Tefzel (ETFE), 1/4-28 Fondo Plano, para 1/16" de diámetro exterior | IDEX Health & Sciene | P-259X | |
| Super Flaningess Tuerca PEEK 1/4-28 Fondo Plano, para 1/16" y 1/32" de diámetro exterior | IDEX Health & Discos de agitación Sciene | P-255X | |
| Super Tumble, 3,35 mm de diámetro, 0,61 mm de grosor | V& P Científico, Inc. | VP 722F | |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP152-500 | |
| Placa base universal, 2.5" x 2.5" x 3/8" | Thorlabs Inc. | UBP2 | |
| Urea | Fisher Scientific | U5378 | |
| VHP MicroTight Unión para 360µ m OD | IDEX Salud & Sciene | UH-436 | 2 mínimo |
| Agua con 0.1% de Ácido Fórmico (v/v), Grado LC/MS | Fisher Scientific | LS118-500 | |
| Agua, Grado LC/MS | Fisher Scientific W6-4 |