Este protocolo implica el uso de tejidos cerebrales humanos o vertebrados. Toda la investigación se realizó de conformidad con las directrices institucionales aprobadas por la Universidad Northwestern. El flujo de trabajo actual está estandarizado utilizando APP-knock in (AppNL-G-F / NL-G-F) extractos de la región cerebral cortical e hipocampal del cerebro11. Este protocolo ha sido optimizado para extractos cerebrales de ratones a los 6-9 meses de edad, y puede purificar eficazmente los amiloides de animales machos y hembras.
Nota : para una mejor comprensión del procedimiento experimental general, consulte la Figura 1 para obtener un esquema del flujo de trabajo.
1. Recolección de tejidos y purificación amiloide
NOTA: Idealmente, las fibrillas amiloides deben aislarse de regiones cerebrales recién diseccionadas. Sin embargo, este método también funciona bien con tejidos cerebrales congelados a presión o flash. A continuación se muestra un breve resumen de los tejidos cerebrales de congelación instantánea para su almacenamiento para su uso en un momento posterior.
- Recolección y almacenamiento de tejido cerebral: Diseccione los cerebros de los ratones y recolecte rápidamente las regiones cargadas de amiloide (es decir, la corteza y el hipocampo), seguidas de una congelación instantánea en nitrógeno líquido o un baño de alcohol en hielo seco.
NOTA: La congelación instantánea ayuda a preservar los atributos estructurales de los componentes del tejido. Los ratones son sacrificados por isoflurano y luxación cervical12,13. Se recomienda evitar el uso de CO2, ya que puede comprometer la integridad del proteoma cerebral.
- Después de la disección, corte y almacene los tejidos frescos en pequeños bloques (por ejemplo, 5 mm x 5 mm), ya que esto facilita una homogeneización más eficiente antes de la extracción de amiloide. Transfiera el tejido al vial criogénico estéril, apriete su tapa y sumérjalo rápidamente.
- Mantenga los tejidos congelados en condiciones ultrafrías (es decir, -80 °C o nitrógeno líquido). Si la extracción se va a realizar unos días más tarde, almacene los tejidos a -20 °C y evite los ciclos de congelación y descongelación. Descongele los tejidos congelados en hielo húmedo cuando esté listo para la extracción y purificación.
NOTA: El contacto directo de los tejidos con nitrógeno líquido puede causar daño tisular y proteico. Tenga en cuenta que un baño de alcohol puede eliminar los marcadores permanentes de las etiquetas del tubo.
2. Enriquecimiento de material insoluble SDS
NOTA: Realice todos los pasos sobre hielo y centrífuga a 4 °C, a menos que se indique lo contrario. Los detalles de todos los búferes y soluciones utilizados en este protocolo se proporcionan en el archivo complementario 1. Los fabricantes y los números de catálogo de productos químicos e instrumentos se proporcionan en la Tabla de materiales.
- Comience con regiones de tejido cerebral recién diseccionadas o congeladas (descongeladas en hielo) colocadas en un tubo de 2 ml que contiene 6-8 perlas de cerámica y tampón de homogeneización helada recién preparado (1 ml para 0.25-1 g de masa de tejido húmedo).
- Transfiera los tubos al homogeneizador del molino de perlas y muela el contenido del tejido a 4000 rpm, con dos ciclos de 30 s cada uno y un intervalo de 30 s entre ellos.
NOTA: Alternativamente, se pueden utilizar sistemas de agitador motorizado u homogeneizador para moler y homogeneizar los tejidos.
- Agregue 9 ml de tampón de homogeneización en frío a 1 ml de tejido cerebral entero homogeneizado en tubos de 15 ml, selle con tiras de película de cera de laboratorio y gire de extremo a extremo durante la noche a 4 ° C para garantizar una solubilización robusta.
NOTA: Para eliminar los desechos celulares grandes no deseados y los lípidos, a la mañana siguiente, gire los tubos a 800 x g a 4 ° C durante 10 minutos y recoja el sobrenadante en un tubo fresco. Vuelva a suspender el pellet restante en 2 ml de tampón de homogeneización helado, mezcle bien, gire nuevamente durante 10 minutos a 4 ° C y combine los dos sobrenadantes.
- Agregue lentamente sacarosa sólida a la suspensión de extracto de tejido a una concentración final de 1.2 M, mezcle bien y centrífuga a 250,000 x g durante 45 min a 4 ° C.
- Retire con cuidado y deseche el sobrenadante con una pipeta. Resuspend el pellet en 2 mL de tampón de homogeneización que contiene 1,9 M de sacarosa por trituración, seguido de centrifugación a 125.000 x g durante 45 min a 4 °C.
NOTA: El volumen del búfer se puede ajustar en función de la cantidad de material recuperado del paso anterior. En general, 10 volúmenes de búfer de homogeneización (V/V) es ideal para este paso.
- Recoja la capa sólida blanca superior con una pipeta, transfiérala a un tubo fresco y solubilice en 1 ml de tampón de lavado helado mediante pipeteo hacia arriba y hacia abajo varias veces, sin introducir burbujas de aire.
- Además de la capa superior, el pellet también está enriquecido con fibrillas amiloides. Para un mayor rendimiento, combine las dos fracciones y proceda. Retire con cuidado la capa acuosa media con una pipeta y deséchela.
- Centrifugar las fracciones combinadas a 8000 x g durante 20 min a 4 °C. Deseche el sobrenadante.
- Agregue 1 ml de tampón de digestión helada al pellet lavado, resuspenda e incube a temperatura ambiente (RT) durante 3 h.
- Centrifugar a 8000 x g durante 20 min a 4 °C y retirar el sobrenadante con una pipeta.
- Vuelva a suspender y lavar (igual que el Paso 2.8.) el pellet digerido dos veces en 1 ml de tampón Tris helado.
- Resuspend el pellet lavado en 1 mL de tampón de solubilización que contiene 1% de SDS y 1.3 M de sacarosa mediante pipeteo hacia arriba y hacia abajo. Centrifugar rápidamente a 200.000 x g durante 60 min a 4 °C.
NOTA: Aunque las fibrillas amiloides son altamente resistentes a los detergentes y desnaturalizantes, las exposiciones muy largas al detergente (1% SDS) pueden afectar la integridad de las fibrillas o eliminar las proteínas estrechamente unidas, lo que comprometerá los análisis posteriores. Por lo tanto, inmediatamente después de resuspender los gránulos, proceda a la centrifugación.
- Guarde el pellet y aumente el volumen del sobrenadante restante agregando un tampón Tris de 50 mM (en relación 1:0.3) para reducir la concentración de sacarosa de 1.3 a 1 M y centrifugar una vez más a 200,000 x g durante 45 min a 4 °C.
- Disolver los dos pellets en 100 μL de tampón Tris que contiene 0,5% SDS y pool para la purificación de amiloide. Los gránulos visibles son pequeños y deben aparecer opacos y blanquecinos (ver Figura 2A).
3. Purificación amiloide
NOTA: Combinar los dos pellets, solubilizar mediante pipeteo hasta obtener una solución uniforme y proceder con los siguientes pasos de purificación amiloide.
- Para una solubilización completa del material rico en amiloide presente en los gránulos, someta el tubo a un cizallamiento mecánico producido por ondas de ultrasonido en un dispositivo de sonicación de baño que funciona durante 30 s ON y 30 s OFF a una frecuencia de rango medio durante 20 ciclos.
- Centrifugar inmediatamente el material a 20.000 x g durante 30 min a 4 °C y volver a suspender el pellet en 500 μL de tampón SDS Tris al 0,5%.
- Repita el paso 3.1. y paso 3.2. cuatro veces para un total de cinco lavados. El número de lavados se puede aumentar para mejorar la pureza.
NOTA: Los pasos de sonicación y lavado se optimizan al 0,5% de SDS, ya que las concentraciones más altas pueden afectar la estructura, la integridad o la composición proteica de las fibrillas. No se recomienda aumentar la concentración de SDS en este paso.
- Después de la etapa final de centrifugación, lave el pellet en 200 μL de agua ultrapura y centrífuga a 20.000 x g durante 30 min a 4 °C para eliminar el detergente restante. El pellet lavado que contiene fibrillas amiloides purificadas parece de color semitransparente y a veces es difícil de ver.
- Disolver el pellet final que contiene fibrillas amiloides purificadas en 100 μL de agua ultrapura. Continúe con el siguiente paso inmediatamente para el procesamiento posterior o guarde la suspensión de la fibrilla a -20 ° C para un análisis posterior. Si está congelado, descongele en hielo antes de comenzar la precipitación.
4. Precipitación de cloroformo de metanol
NOTA: Si el objetivo final es realizar un análisis de proteínas, se recomienda desalinizar y eliminar impurezas no proteínicas adicionales.
- Agregue 400 μL de metanol a los 100 μL purificados de fibrillas amiloides en un tubo de 1.5 ml y un pozo de vórtice.
- Agregue 100 μL de cloroformo al tubo y al vórtice bien.
- Agregue 300 μL de agua ultrapura y vórtice a fondo. Esto vuelve la mezcla turbia debido a la precipitación de proteínas.
- Centrifugadora a 12.000 x g durante 2 min a RT.
- Retire con cuidado la capa acuosa (es decir, la parte superior) sin perturbar la capa de interfaz que contiene la escama de proteína.
- Añadir de nuevo el mismo volumen de metanol y centrifugar a 12.000 x g durante 2 min a RT.
- Deseche el sobrenadante con una pipeta y seque al aire el pellet en RT. Evite el secado excesivo; La fracción amiloide es difícil de redisolver si se seca en exceso.
5. Digestión de tripsina
- Disolver el pellet en 50 μL de tampón de clorhidrato de guanidina (GuHCl). Sonicar en un baño de agua helada y calentar a 95 °C durante 5 min, si es necesario.
- Vórtice a fondo en RT durante 45 min a 1 h para disolverlo por completo. El pellet no será visible después de este paso, y la solución se ve clara en apariencia.
- Añadir el mismo volumen de solución de surfactante al 0,2%. Solubilizar en RT con vórtice durante 60 min. Este paso mejora la actividad enzimática de tripsina.
- Añadir 1 μL de tris-2-carboxietilfosfina (TCEP) de la solución madre de 500 mM. Incubar durante 60 min.
- Añadir 2 μL de yodoacetamida (IAA) de 500 mM e incubar en la oscuridad durante 20 min.
- Apague el IAA con 5 μL de solución de TCEP durante 15 min.
- Agregue el volumen requerido de 50 mM de solución de bicarbonato de amonio al tubo para reducir la concentración de guanidina a 1.5 M.
- Añadir una solución de surfactante al 1% al tubo (1 μL/50 μg de proteína).
- Añadir tripsina (1 μg/100 μg de proteína) y dejar la mezcla del tubo a 37 °C durante la noche.
6. Limpieza de péptidos
- A la mañana siguiente, acidifique la solución peptídica digerida reduciendo el pH a 2.0 agregando ácido fórmico.
- Active la columna de espín C18 (n-octadecil) en un tubo receptor de 2 ml agregando 200 μL de solución de metanol al 50% y gire a 1500 x g durante 2 minutos en RT. Repita el paso de activación.
- Equilibre los lechos de resina de columna C18 agregando 200 μL de tampón de equilibrio e girando durante 2 min con las mismas condiciones. Repita este paso.
- Cargue la solución peptídica acidificada en la columna C18 y centrífuga a 1500 x g durante 2 min en RT. Recoja el flujo y vuelva a cargarlo una vez más. Descarta el segundo flujo.
- Lave los péptidos unidos a la resina C18 con el tampón de lavado 2x, como se hace en el Paso 6.3. Utilice el mismo tampón de equilibrio para lavar la columna.
- Eluya los péptidos agregando 40 μL de tampón de elución seguido de centrifugación a 1500 x g, durante 2 min en RT. Repita el paso de elución tres veces para aumentar el rendimiento de los péptidos recuperados.
- Seque los péptidos en un concentrador de vacío de velocidad evaporando la solución acuosa. Los pellets secos se pueden guardar a -20 °C durante unas semanas antes del análisis de EM.
7. Configuración del espectrómetro de masas para el análisis de péptidos
NOTA: Para los parámetros de MS, consulte el Archivo suplementario 1 (adaptado de una publicación anterior del laboratorio)14.
- Antes de cargar las muestras de péptidos para el análisis de EM, disuelva los gránulos de péptidos secos en 20 μL de tampón de carga de muestras y realice micro BCA para cuantificar la concentración de péptidos recuperados.
- Transfiera los péptidos disueltos en un vial de vidrio y cargue 3 μg (cuantificados a partir de micro BCA) de péptidos en el muestreador automático del sistema UPLC.
- Cargue las muestras en una columna de trampa ventilada (columna C18 HPLC, 0,075 mm x 20 mm) con un caudal de 250 nL/min.
- Coloque la columna de trampa de acuerdo con una columna analítica (0.075 μm x 500 mm) y ensamble una punta emisora a la fuente de ionización por electropulverización (ESI) sometida a un voltaje de pulverización de 2000 V.
NOTA: En este estudio, se realiza ESI, en el que la fase móvil se somete a ionización de alto voltaje en la fase gaseosa. El spray creado por esto se dirige a la cámara de vacío de la EM a través de un capilar calentado. Mientras está bajo vacío, la dessolvatación de gotas y la eyección de iones se produce en presencia de calor y voltaje. A partir de entonces, los iones se aceleran hacia el analizador de masas en presencia de un entorno de alto voltaje.
- Analizar las muestras con tiradas de adquisición de 2 h. Este estudio se realiza utilizando la adquisición dependiente de datos con el paradigma de selección de iones precursores más intenso de los 20 principales.
NOTA: En la adquisición dependiente de datos, se detecta un número limitado de péptidos precursores en la exploración MS1 y se someten a fragmentación para el análisis MS2. Sin embargo, la exclusión dinámica es problemática aquí, ya que los péptidos Aβ altamente abundantes se omitirán para la fragmentación y darán lugar a una subestimación de su cantidad.
- Para la cuantificación absoluta de los péptidos Aβ, ejecute las mismas muestras una vez más utilizando el método MS/MS dirigido. Para este estudio, se prepara una lista exhaustiva de todas las proporciones m/z para varios posibles péptidos Trípticos Aβ para los modelos de ratón KNOCK-in APP (ver Tabla suplementaria 1). Otros grupos deben preparar una lista similar de acuerdo con el modelo de ratón disponible y los posibles péptidos generados a partir de la proteína de interés (por ejemplo, Aβ para la EA).
NOTA: Para abordar la exclusión de péptidos altamente abundantes, utilice un enfoque específico proporcionando una lista de valores m/z seleccionados correspondientes a péptidos trípticos Aβ. Este enfoque aborda el problema de la exclusión dependiente de datos de los péptidos Aβ y puede cuantificar las cantidades absolutas de diferentes monómeros (Aβ38, 40 y 42 péptidos) con alta resolución.
- El espectrómetro de masas genera espectros MS de las muestras de péptidos y guarda archivos de datos sin procesar en el directorio de destino. Utilice este archivo para realizar la coincidencia espectral utilizando herramientas estadísticas y bioinformáticas bien establecidas. Múltiples herramientas de búsqueda y análisis de bases de datos en línea y fuera de línea están disponibles.
8. Análisis de datos de EM
- Extraiga los archivos MS1 y MS2 utilizando la herramienta Rawconverter sin conexión (http://www.fields.scripps.edu/rawconv/).
- Realizar identificación, cuantificación y análisis detallados de los datos en un motor de búsqueda de datos de EM basado en la web. En este estudio, se utilizó Integrated Proteomics Pipeline - IP2 (Bruker: http://www.integratedproteomics.com/).
NOTA: Varias otras herramientas de análisis de datos de EM en línea y fuera de línea están disponibles y también se pueden usar, como MaxQuant (https://www.maxquant.org/).
- Después de cargar los archivos MS1 y MS2, seleccione una base de datos de proteoma de mouse actualizada. Aquí, se selecciona una base de datos de ratones actualizada que contiene mutaciones específicas adicionales de App knock-in para la identificación de péptidos utilizando los algoritmos ProLuCId y SEQUEST11.
- En el sistema de análisis IP2, seleccione los parámetros predeterminados y modifíquelos de acuerdo con los requisitos experimentales. En este estudio, se utiliza una tolerancia de masa peptídica de 50 ppm para el precursor y 600 ppm para los fragmentos (consulte el Archivo Suplementario 1 para otros parámetros utilizados en IP2).
NOTA: Los investigadores pueden modificar los parámetros de búsqueda de acuerdo con los objetivos experimentales. Por ejemplo, para identificar modificaciones post-traduccionales, agregue valores de modificación diferencial para varios PTM (por ejemplo, ubiquitinación, SUMOilación, fosforilación).