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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Nous présentons une méthode pour la purification, la détection et l’identification des peptides diGly qui proviennent de protéines ubiquitinées à partir d’échantillons biologiques complexes. La méthode présentée est reproductible, robuste et surpasse les méthodes publiées par rapport au niveau de profondeur de l’analyse ubiquitinome.
La modification posttranslationnelle des protéines par la petite ubiquitine protéique est impliquée dans de nombreux événements cellulaires. Après la digestion tryptique des protéines ubiquitinées, les peptides avec un reste de diglycine conjugués au groupe aminé d’epsilon de lysine ('K-'diglycine' ou simplement 'diGly') peuvent être utilisés pour suivre le site original de modification. L’immunopurification efficace des peptides diGly combinés à la détection sensible par spectrométrie de masse a entraîné une augmentation considérable du nombre de sites d’ubiquitination identifiés à jour. Nous avons apporté plusieurs améliorations à ce flux de travail, y compris la fractionnation hors ligne de la phase inverse de pH des peptides avant la procédure d’enrichissement, et l’inclusion de paramètres plus avancés de fragmentation de peptide dans le multipole de routage d’ion. En outre, un nettoyage plus efficace de l’échantillon à l’aide d’un bouchon filtré afin de conserver les perles d’anticorps entraîne une plus grande spécificité pour les peptides diGly. Ces améliorations ont comme conséquence la détection courante de plus de 23.000 peptides diGly des cellules cancéreuses humaines de cervical (HeLa) cellules lysates sur l’inhibition protéasome dans la cellule. Nous montrons l’efficacité de cette stratégie pour une analyse approfondie des profils ubiquitinome de plusieurs types de cellules et d’échantillons in vivo, tels que les tissus cérébraux. Cette étude présente un ajout original à la boîte à outils pour l’analyse d’ubiquitination des protéines pour découvrir l’ubiquitinome cellulaire profond.
La conjugaison de l’ubiquitine aux protéines les marque pour la dégradation par le protéasome et est un processus crucial dans la protéostasie. Le groupe carboxyl C-terminal d’ubiquitine forme un lien isopeptide avec le groupe lysine 'amino de la protéine cible1,2. En outre, l’ubiquitine peut être attachée à d’autres modules d’ubiquitine, résultant en la formation de structures homogènes (c.-à-d., K48 ou K11) ou ramifiées (c.-à-d. hétérogènes ou mixtes) structures de polyubiquitine1,3. La fonction la plus connue de l’ubiquitine est son rôle dans la dégradation protéasomique, médiée par la polyubiquitine liée à K48. Cependant, il est devenu clair que la mono- ainsi que la polyubiquitination jouent également des rôles dans de nombreux processus qui sont indépendants de la dégradation par le protéasome. Par exemple, les chaînes liées au K63 ont des rôles non dégradants dans le trafic intracellulaire, la dégradation lysosomale, la signalisation de la kinase et la réponse des dommages d’ADN4,5. Les six autres types de liaison sont moins abondants et leurs rôles sont encore largement énigmatiques, bien que les premières indications sur leurs fonctions dans la cellule émergent, en grande partie en raison du développement de nouveaux outils pour permettre la détection spécifique à la liaison6,7.
La spectrométrie de masse est devenue un outil indispensable pour les analyses de protéome et de nos jours des milliers de protéines différentes de pratiquement n’importe quelle source biologique peuvent être identifiées dans une seule expérience. Une couche supplémentaire de complexité est présentée par des modifications posttranslationnelles (PTM) de protéines (p. ex., phosphorylation, méthylation, acétylation et ubiquitination) qui peuvent moduler l’activité protéique. L’identification à grande échelle des protéines porteuses de PTM a également été rendue possible par les développements dans le champ de spectrométrie de masse. La stoichiométrie relativement faible des peptides portant des SMPT par rapport à leurs homologues non modifiés présente un défi technique et des étapes d’enrichissement biochimique sont généralement nécessaires avant l’analyse de spectrométrie de masse. Au cours des deux dernières décennies, plusieurs méthodes d’enrichissement spécifiques ont été développées pour l’analyse des MPT.
En raison des rôles multiformes de l’ubiquitination des protéines dans la cellule, il ya une grande demande pour le développement de méthodes analytiques pour la détection des sites d’ubiquitination sur les protéines8. L’application de méthodes spectrométriques de masse a conduit à une explosion du nombre de sites d’ubiquitination identifiés dans les protéines de mouche des fruits, souris, humains et levures9,10,11,12,13,14. Une étape majeure a été présentée par le développement de stratégies d’enrichissement basées sur l’immunoprécipitation au niveau du peptide à l’aide d’anticorps dirigés contre le motif de reste K-GG (également appelé «diglycine» ou «diGly»). Ces peptides diGly sont produits sur la digestion des protéines ubiquitinées utilisant la trypsine comme la protéase15,16.
Ici, nous présentons un flux de travail optimisé pour enrichir les peptides diGly à l’aide de l’immunopurification et de la détection ultérieure par spectrométrie de masse Orbitrap. À l’aide d’une combinaison de plusieurs modifications des flux de travail existants, en particulier dans les étapes de préparation de l’échantillon et de spectrométrie de masse, nous pouvons maintenant identifier systématiquement plus de 23 000 peptides diGly provenant d’un seul échantillon de cellules HeLa traitées avec un protéasome inhibiteur et 10 000 euros provenant de cellules HeLa non traitées. Nous avons appliqué ce protocole aux lysates de l’étiquetage isotopique non étiqueté et stable avec des acides aminés dans la culture cellulaire (SILAC) étiquetés cellules HeLa ainsi que pour des échantillons endogènes tels que le tissu cérébral.
Ce flux de travail présente un ajout précieux au répertoire d’outils pour l’analyse des sites d’ubiquitination afin de découvrir l’ubiquitinome profond. Le protocole suivant décrit en détail toutes les étapes du flux de travail.
Toutes les méthodes décrites ici ont été approuvées par le Comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux (EDC) d’Erasmus MC.
1. Préparation de l’échantillon
2. Fractionnement hors ligne de peptide
3. Nanoflow LC-MS/MS
4. Analyse des données
Les protéines ubiquitinées laissent un reste de diglycine de 114,04 Da sur les résidus de lysine cible lorsque les protéines sont digérées avec de la trypsine. La différence de masse causée par ce motif a été utilisée pour reconnaître sans ambiguïté le site de l’ubiquitination dans une expérience de spectrométrie de masse. La stratégie que nous décrivons ici est une méthode de pointe pour l’enrichissement et l’identification subséquente des peptides diGly par nanoflow LC-MS/MS(figure 1A). Dans cette étude, les cellules cultivées et le matériel in vivo ont été utilisés comme source biologique de protéines, mais ce protocole est compatible avec n’importe quelle source de protéines. Suivant les étapes du protocole, il devrait être simple d’identifier 10 000 à 25 000 peptides diGly de 2 à 20 mg d’apport de protéines. Pour augmenter l’étendue de l’ubiquitination des protéines dans les cellules, un inhibiteur protéasome tel que le bortétéomène ou MG132 peut être ajouté quelques heures avant la récolte des cellules. Si aucun inhibiteur protéasome n’a été utilisé, le nombre de peptides diGly identifiés a eu tendance à être significativement plus faible (30-40%).
Nous avons apporté plusieurs améliorations aux protocoles existants. Tout d’abord, une fractionnement brute en trois fractions basée sur la chromatographie de phase inversée et l’elution subséquente à un pH élevé est effectuée pour réduire la complexité du mélange de peptide. Ces fractions montrent un chevauchement très faible dans les identifications de peptide, et un nombre comparable de peptides diGly devrait être identifié par fraction(figure 2). Il en résulte un grand nombre de peptides diGly uniques identifiés dans chacune de ces fractions. Fait important, l’une des fractions (généralement la seconde) devrait contenir le propre peptide de diGly de ubiquitin K48 modifié LIFAGK (GG)QLEDGR (m/z 730.39). C’est de loin le peptide le plus abondant de la fraction immunoprécipitée et se caractérise par le pic intense et large du chromatogramme LC(figure 1B). Il s’agit d’un pic chromagraphique de référence et s’il est absent du chromatogramme, l’IP a probablement échoué.
Une autre amélioration est l’adaptation de la procédure d’analyse DDA est le multipole de routage d’ion dans le spectromètre de masse. Dans le top conventionnel N data-dependent acquisition (DDA), N pics du spectre MS1 sont sélectionnés pour la fragmentation. Ce schéma de fragmentation commence avec le pic d’intensité le plus élevé d’abord, suivi par le pic de deuxième plus haute intensité, et ainsi de suite. Dans un schéma de fragmentation alternatif, le pic le moins intense est choisi en premier, suivi du deuxième pic le moins intense, etc. La raison d’être de cet ordre de sélection est qu’il y a suffisamment de temps pour fragmenter les peptides abondants très faibles ainsi. En fait, nous avons constaté que le nombre d’identifications de peptides augmente lorsque les « premières » et les « premières » courses de PDD étaient combinées comparativement à une analyse LC-MS en double avec des paramètres standard de PDD (c.-à-d. les plus élevés en premier). Pour un profilage ubiquitinome plus complet, il est donc recommandé de combiner les pistes LC-MS avec des régimes de fragmentation « les plus élevés d’abord » et les « premiers » les plus faibles dans la procédure d’analyse des données. Cette stratégie « la plus basse d’abord » peut produire plus de 4 000 peptides diGly uniques, qui n’ont pas été détectés lorsque seul le régime conventionnel du PDD a été utilisé(figure 2).
Enfin, les IP supplémentaires de la durée de circulation après la première ADRESSE peuvent produire un autre peptides diGly unique(figure 2).
Les articles dans la littérature sur le profilage d’ubiquitination rapportent typiquement environ 10.000 peptides diGly identifiés12,21. Ici, de tous les peptides diGly identifiés sur trois écrans biologiques de réplique, 'gt;9,000 étaient présents dans les trois, tandis que 'gt;17,000 étaient présents dans au moins deux sur trois répliques (figure 3). Typiquement, en suivant le protocole décrit ici, on devrait identifier les peptides diGly uniques d’un échantillon de protéine de 15-20 mg à l’aide d’un lot standard de perles d’anticorps CST. En termes de pureté et de sélectivité, le rapport entre les peptides diGly identifiés et les peptides non modifiés devrait toujours être de 0,5 . Le nombre d’identifications de peptide diGly dépendait fortement de la quantité de matériel d’entrée de protéine. Une adresse IP effectuée avec seulement 1 mg de matériel d’entrée a produit environ 2.500 identifications de peptide diGly, tandis qu’avec 10 mg de matériel d’entrée de protéine -gt;15,000 identifications de peptide diGly ont été produites. Le tableau 1 énumère le nombre prévu de peptides diGly identifiés pour chaque condition. Il convient de noter que ces chiffres ne sont que des estimations et dépendent du type de spectromètre de masse utilisé. La figure 4 montre le chevauchement entre les identifications de peptide diGly avec des quantités faibles, moyennes et élevées de matériel d’entrée.
Afin d’illustrer la valeur ajoutée des améliorations pour l’analyse du site d’ubiquitination décrite ci-dessus, nous avons également effectué une analyse ubiquitinomique quantitative des cellules HeLa étiquetées SILAC qui ont été traitées avec le bortéomique protéasome comparé aux cellules de contrôle non traitées dans un essai d’échange d’étiquettes en double. Plus de la moitié (-gt;55%) de tous les peptides identifiés dans l’eluate sur IP étaient des peptides diGly. Plus de 19 000 peptides diGly uniques ont été identifiés, ce qui n’est qu’un peu moins que dans un échantillon non étiqueté PAR le SILAC. La raison en est peut-être la complexité plus élevée des spectres MS1 dans un essai SILAC en raison de la présence de paires de pics de peptide. Dans l’analyse siLAC, des différences relativement importantes ont été observées entre les nombres de peptides diGly qui ont été identifiés exclusivement dans l’état avancé (c.-à-d. cellules traitées par bortezomib dans le canal lourd, cellules témoins dans le canal lumineux) et celles exclusivement identifiées dans l’état inverse (c.-à-d. les cellules traitées par bortézomib dans le canal lumineux, cellules témoins dans le canal lourd), dans ce cas 1 752 contre 6 356(tableau supplémentaire 1). Lors de l’utilisation du logiciel MaxQuant en mode « multiplicité 2 » (c.-à-d. SILAC à deux canaux), 7 555 peptides diGly ont été identifiés avec une intensité nulle dans le canal lourd (pratiquement tous venant dans l’expérience inverse) et une valeur d’intensité non nulle dans le canal lumineux. En revanche, aucun peptides diGly simple n’a été identifié avec une valeur d’intensité non-zéro dans le canal lourd accompagné d’une valeur d’intensité zéro dans le canal léger. Quand une analyse de MaxQuant sur le même ensemble de données a été exécutée dans le mode « multiplicité 1 » avec la moiety diGly et l’acide aminé étiqueté combiné en une seule modification variable, beaucoup de variantes lourdes de peptide diGly ont été identifiées, même quand aucune contrepartie légère de ce peptide n’a pu être détectée. L’explication la plus probable est l’incapacité du logiciel à faire face à l’identification des peptides diGly qui sont exclusivement présents dans le canal lourd. Ce phénomène est susceptible de se produire largement, parce que l’inhibition du protéasome déclenchera la formation de nouveaux sites d’ubiquitination. Le fait de cocher la case à cocher d’option « requantifier » max., qui a été développée pour traiter ces questions et qui devrait corriger cette question, semble insuffisant pour éviter complètement cette question. Évidemment, la grande majorité des peptides diGly sont en cours d’éréglementation ou formé de novo sur l’inhibition protéasome, parce que plus des deux tiers de la piscine de peptide ont des ratios H:L d’au moins 1,5 (figure 5B).
Enfin, nous avons appliqué cette méthode d’analyse du site d’ubiquitination à un échantillon de tissu in vivo. Pour évaluer l’efficacité, nous avons extrait environ 32 mg de protéines du cerveau frais de souris (10 % du poids des tissus humides est une protéine). Le matériau de cerveau n’a pas été traité avec des inhibiteurs protéasome ou n’importe quel autre réactif qui pourrait amplifier l’ubiquitination globale de protéine. À partir de cet échantillon, 10 871 peptides diGly uniques ont été identifiés(tableau supplémentaire 2). Tous les peptides diGly identifiés dans ce tissu provenaient des emplacements endogènes de l’ubiquitination dans une situation stable-état. Aucun traitement n’a été imposé pour stimuler l’ubiquitination mondiale (p. ex., inhibition du protéasome). Nous émettons donc l’hypothèse que ces sites d’ubiquitination proviennent au moins partiellement de (poly)ubiquitination impliquée dans des événements de signalisation cellulaire non protéasome négociés, qui est en accord avec les idées proposées dans la littérature5,16,22.
En conclusion, la méthode décrite ici permet l’exploration approfondie de l’ubiquitinome d’une manière reproductible. Pour un aperçu des résultats typiques obtenus avec cette procédure voir Van Der Wal et al.23.

Figure 1 : Aperçu expérimental. (A) Aperçu de l’approche expérimentale. Des échantillons ont été préparés, trypsinisés et fractionnés en trois fractions utilisant la chromatographie de phase inverse avec l’elution élevée de pH. Un lot de perles commerciales d’anticorps peptide a été divisé en six fractions égales et les trois fractions de peptide ont ensuite été chargées sur trois des fractions de perles. Les peptides diGly ont été immunopurifiés, elfés, et recueillis, et le flowthrough a été plus tard transféré aux trois fractions restantes de perles fraîches. Les peptides diGly recueillis ont été analysés par spectrométrie de masse sur un spectromètre de masse Lumos Orbitrap selon un schéma à deux niveaux combinant un cycle dans lequel les pics les plus intenses ont d’abord été sélectionnés pour la fragmentation du peptide et le cycle suivant dans lequel les pics les moins intenses ont été sélectionnés en premier. L’ensemble complet des courses nLC-MS/MS a ensuite été analysé à l’aide de MaxQuant. (B) L’une des fractions devrait contenir le propre peptide de diGly de ubiquitin K48 modifié LIFAGK (GG)QLEDGR (m/z 730.39). C’est de loin le peptide le plus abondant dans la fraction immunoprécipitée et a été caractérisé par le pic intense et large dans le chromatogramme de LC entre 50-55 min sur un gradient de 120 min. Si ce pic de référence est absent du chromatogramme, la propriété intellectuelle a probablement échoué. Ce chiffre a été modifié à partir de Van Der Wal et al.23. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : Nombre de peptides diGly détectés pour chacune des trois étapes d’amélioration. (A) Effet de fractionnement brut avant l’immunoprécipitation. Le chevauchement entre les populations de peptides diGly identifiées dans les trois fractions distinctes est montré. (B) Effet des première et deuxième étapes d’incubation. (C) Résultats du régime ajusté de fragmentation des peptides. Ce chiffre a été modifié à partir de Van Der Wal et al.23. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Peptides diGly détectés dans trois répliques biologiques des cellules traitées par bortezomib montrant la quantité de chevauchement entre les courses. Ce chiffre a été modifié à partir de Van Der Wal et al.23. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4 : Chevauchement des peptides diGly identifiés provenant d’analyses ayant de faibles (4 mg), moyennes (10 mg) et des quantités d’intrants totales élevées (40 mg). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5 : Détection de peptides diGly dans les cellules étiquetées SILAC. (A) Nombres de peptides détectés dans les conditions avant et inverse des cellules HeLa étiquetées SILAC pour les réglages multiplicité 1 et 2. (B) Scatterplot of diGly peptide SILAC ratios in Bortezomib (Btz) treated HeLa cells. Seuls les peptides qui ont été identifiés et quantifiés dans les expériences avant et inverse sont montrés. Ce chiffre a été modifié à partir de Van Der Wal et al.23. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Condition | Quantité de matériel d’entrée (mg) | Nombre prévu de peptides diGly identifiés |
| Cellules HeLa non traitées | 10 | 7,500 |
| Inhibiteur protéasome traité cellules HeLa | 1 | 2,500 |
| 2 | 5,000 | |
| 10 | 15,000 | |
| 20 | 20,000 | |
| 40 | 25 000 euros | |
| Tissu (cerveau de souris) | 30 | 10 000 euros |
Tableau 1 : Nombre prévu d’identifications de peptide diGly pour différentes conditions. Ces chiffres ne sont que des estimations et dépendent des paramètres expérimentaux utilisés.
Tableau supplémentaire 1. S’il vous plaît cliquez ici pour voir ce tableau (Cliquez à droite pour télécharger).
Tableau supplémentaire 2. S’il vous plaît cliquez ici pour voir ce tableau (Cliquez à droite pour télécharger).
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Nous présentons une méthode pour la purification, la détection et l’identification des peptides diGly qui proviennent de protéines ubiquitinées à partir d’échantillons biologiques complexes. La méthode présentée est reproductible, robuste et surpasse les méthodes publiées par rapport au niveau de profondeur de l’analyse ubiquitinome.
Ces travaux s’ursent dans le cadre du projet "Proteins at Work", un programme du Centre de protéomique des Pays-Bas financé par l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO) dans le cadre des installations nationales de recherche à grande échelle (projet numéro 184.032.201 ).
| 1,4-Dithioérythritol | Sigma-Aldrich | D8255 | |
| 3M Empore C18 Disques octadécyles | Supelco | 66883-U | produit abandonné chez Supelco ; CDS Analytical est le nouveau fabricant (https://www.cdsanalytical.com/empore) |
| Formate d’ammonium | Sigma-Aldrich | 70221 | |
| Bortezomib | UBPbio | ||
| CSH130 résine, 3.5 &mu ; m, 130 et Aring ; | Waters | ||
| Diméthylsulfoxyde (DMSO) | Sigma-Aldrich | 34869 | |
| DMEM | ThermoFisher | ||
| EASY-nanoLC 1200 | ThermoFisher | ||
| FBS | Gibco | ||
| GF/F bouchon de filtre | Whatman | 1825-021 | |
| Iodoacétamide | Sigma-Aldrich | I6125 | |
| Lysine, Arginine | Sigma-Aldrich | ||
| Lysine-8 (13C6 ; 15N2), arginine-10 (13C6 ; 15N4)Cambridge | Isotope Laboratories | ||
| Lysyl Endopeptidase(LysC) | Wako Pure Chemicals | 129-02541 | |
| Four | NanoLC MPI design, MS Wil GmbH | ||
| N-Lauroylsarcosine sel de sodium | Sigma-Aldrich | L-5125 | |
| Orbitrap Fusion Lumos | spectromètre ThermoFisher | ||
| Pierce BCA Kit de dosage des protéines | ThermoFisher / Pierce | 23225 | |
| PLRP-S (300 Å ;, 50 µ ; m) particules polymères en phase inverse | Agilent Technologies | PL1412-2K01 | |
| PTMScan Ubiquitin Remnant Motif (K-&epsilon ;-GG) Kit | Cell Signaling Technologies | 5562 | |
| Sep-Pak tC18 6 cc | Vac Cartridge Waters | WAT036790 | Retirez le matériau tC18 de la cartouche avant de remplir la cartouche avec du désoxycholate de sodium PLRP-S |
| Sigma-Aldrich | 30970 | ||
| Tris-base | Sigma-Aldrich | T6066 | |
| Tris-HCl | Sigma-Aldrich | T5941 | |
| Trypsine, traité TPCK | ThermoFisher | 20233 |