Summary
Протокол протеомики по маркировке близости нейронных лизосом описан здесь для характеристики динамического лизосомального микроокружения в индуцированных человеком плюрипотентных нейронах, полученных из стволовых клеток. Лизосомальные мембранные белки и белки, которые взаимодействуют с лизосомами (стабильно или временно), могут быть точно количественно определены в этом методе с отличным внутриклеточным пространственным разрешением в живых нейронах человека.
Abstract
Лизосомы часто общаются с различными биомолекулами для достижения деградации и других разнообразных клеточных функций. Лизосомы имеют решающее значение для функции человеческого мозга, поскольку нейроны являются постмитотическими и в значительной степени зависят от аутофагии-лизосомного пути для поддержания клеточного гомеостаза. Несмотря на достижения в понимании различных лизосомальных функций, захват высокодинамических связей между лизосомами и другими клеточными компонентами является технически сложным, особенно с высокой пропускной способностью. Здесь представлен подробный протокол для недавно опубликованного эндогенного (knock-in) лизосомного бесконтактного мечения протеомным методом в нейронах, полученных из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток (hiPSC).
Как лизосомальные мембранные белки, так и белки, окружающие лизосомы в радиусе 10-20 нм, могут быть уверенно идентифицированы и точно количественно определены в живых нейронах человека. Каждый шаг протокола подробно описан, т.е. культура hiPSC-нейронов, бесконтактная маркировка, сбор нейронов, флуоресцентная микроскопия, обогащение биотинилированного белка, переваривание белка, анализ LC-MS и анализ данных. Таким образом, этот уникальный эндогенный лизосомальный метод бесконтактной маркировки протеомики обеспечивает высокопроизводительный и надежный аналитический инструмент для изучения высокодинамной лизосомальной активности в живых нейронах человека.
Introduction
Лизосомы представляют собой катаболические органеллы, которые разлагают макромолекулы через лизосомально-аутофагический путь1. Помимо деградации, лизосомы участвуют в различных клеточных функциях, таких как сигнальная трансдукция, восприятие питательных веществ и секреция 2,3,4. Возмущения в лизосомальной функции были вовлечены в лизосомальные нарушения хранения, рак, старение и нейродегенерацию 3,5,6,7. Для постмитотических и высокополяризованных нейронов лизосомы играют решающую роль в нейрональном клеточном гомеостазе, высвобождении нейротрансмиттеров и переносе на большие расстояния вдоль аксонов 8,9,10,11. Тем не менее, исследование лизосом в нейронах человека было сложной задачей. Недавние достижения в области технологий нейронов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC), позволили культуре живых человеческих нейронов, которые ранее были недоступны, преодолев разрыв между животными моделями и пациентами-людьми для изучения человеческого мозга12,13. В частности, передовая технология i3Neuron стабильно интегрирует фактор транскрипции нейрогенина-2 в геном iPSC под действием промотора, индуцируемого доксициклином, заставляя iPSCs дифференцироваться в чистые корковые нейроны за 2 недели14,15.
Из-за высокодинамической лизосомальной активности захват лизосомальных взаимодействий с другими клеточными компонентами является технически сложным, особенно в высокопроизводительном режиме. Технология бесконтактной маркировки хорошо подходит для изучения этих динамических взаимодействий из-за ее способности захватывать как стабильные, так и переходные/слабые белковые взаимодействия с исключительной пространственной специфичностью16,17. Инженерная пероксидаза или биотинлигаза может быть генетически слита с белком приманки. После активации высокореакционноспособные радикалы биотина продуцируются для ковалентной маркировки соседних белков, которые затем могут быть обогащены шариками, покрытыми стрептавидином, для последующей протеомики снизу вверх с помощью платформ жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (LC-MS) 17,18,19,20,21.
Недавно был разработан эндогенный лизосомальный метод бесконтактной маркировки протеомики для захвата динамического лизосомального микроокружения в i3нейронах22. Сконструированная аскорбатпероксидаза (APEX2) была введена на С-конец лизосомально-ассоциированного мембранного белка 1 (LAMP1) в иПСК, который затем может быть дифференцирован в корковые нейроны. LAMP1 является обильным лизосомальным мембранным белком и классическим лизосомальным маркером23. LAMP1 также экспрессируется в поздних эндосомах, которые созревают в лизосомы; эти поздние эндосомы-лизосомы и недеградирующие лизосомы упоминаются в этом протоколе как лизосомы. Этот эндогенный зонд LAMP1-APEX, выраженный на физиологическом уровне, может уменьшить артефакты неправильной локализации и сверхэкспрессии LAMP1. Сотни лизосомальных мембранных белков и лизосомальных интеракторов могут быть идентифицированы и количественно определены с отличным пространственным разрешением в живых нейронах человека.
Здесь описан подробный протокол для лизосомной бесконтактной маркировки протеомики в нейронах человека, полученных из iPSC, с дальнейшими улучшениями по сравнению с недавно опубликованным методом22. Общий рабочий процесс показан на рисунке 1. Протокол включает в себя культуру нейронов, полученную из hiPSC, активацию бесконтактной маркировки в нейронах, проверку активности APEX с помощью флуоресцентной микроскопии, определение оптимального соотношения бусин стрептавидина к входному белку, обогащение биотинилированных белков, переваривание белка на шариках, обессоливание и количественное определение пептидов, анализ LC-MS и анализ данных протеомики. Также обсуждаются рекомендации по устранению неполадок и экспериментальные оптимизации для улучшения контроля качества и производительности бесконтактной маркировки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все процедуры были одобрены комитетом по биобезопасности и этике Университета Джорджа Вашингтона. Составы сред и буферов, используемых в этом протоколе, приведены в таблице 1. Информация о коммерческом продукте, используемая здесь, приведена в Таблице материалов.
1. Культура нейронов человека, полученная из iPSC
- Человеческая культура iPSC и интеграция зонда LAMP1-APEX (7 дней)
- Разморозьте раствор матригеля в ведре со льдом при 4 °C на ночь, аликвотируйте 500 мкл раствора в холодных стерильных трубках и храните аликвоты при −80°C. Приготовьте 50 мл раствора для покрытия, добавив 500 мкл запаса Matrigel в 49,5 мл холодной среды DMEM/F12.
ПРИМЕЧАНИЕ: Держите Matrigel холодным и используйте предварительно охлажденные конические трубки и наконечники пипеток для предотвращения полимеризации. Раствор покрытия можно хранить при 4 °C в течение 2 недель. - Покройте чашку для культивирования клеток 10 см 4 мл раствора для нанесения покрытия в течение 1 ч в инкубаторе с температурой 37 °C.
ПРИМЕЧАНИЕ: Витронектин может быть альтернативным раствором покрытия при концентрации 5 мкг/мл и 2-часовом покрытии для культуры iPSC. Витронектин (однобелковый компонент) дороже, чем Matrigel, но имеет меньше вариаций партии и более чистые фоновые сигналы, чем Matrigel, который извлекается из опухоли мыши с многочисленными белками внеклеточного матрикса. Необработанная тканевая культуральная пластина необходима для витронектинового покрытия. Покрытие Matrigel работает как для обработанных, так и для необработанных тканевых культуральных пластин. - Разморозка и тарелка 1-3 миллиона hiPSCs на каждой покрытой 10 см чашке, предварительно загруженной 8 мл полноценной среды Essential E8, дополненной ингибитором ROCK (конечная концентрация 10 мкМ Y-27632 или 50 нМ Chroman1).
ПРИМЕЧАНИЕ: Добавление ингибитора ROCK (Y-27632 или Chroman1) в среду культивирования стволовых клеток сводит к минимуму диссоциационно-индуцированный апоптоз после расщепления и криогенного сохранения. Недавно было показано, что Chroman1 более эффективен, чем Y-27632, при ингибировании как ROCK1, так и ROCK224. - Изменение до 10 мл полной среды E8 без ингибитора ROCK после образования колоний иПСК, как правило, через 1-2 дня. Поддерживайте культуру iPSC в полной среде E8 и заменяйте супернатант свежей средой через день.
- Интегрируйте фермент бесконтактной маркировки, инженерную аскорбатпероксидазу (APEX2), в С-конец эндогенного гена LAMP1 с помощью геномной инженерии CRISPR. Для получения подробных шагов по созданию инженерной стабильной клеточной линии обратитесь к ранее опубликованному методу (Frankenfield et al). 22.
- Разморозьте раствор матригеля в ведре со льдом при 4 °C на ночь, аликвотируйте 500 мкл раствора в холодных стерильных трубках и храните аликвоты при −80°C. Приготовьте 50 мл раствора для покрытия, добавив 500 мкл запаса Matrigel в 49,5 мл холодной среды DMEM/F12.
- Дифференциация iPSC-нейронов человека (3 дня)
- Перед дифференцировкой нанесите 10-сантиметровую чашку для культивирования клеток на ночь 4 мл раствора с покрытием Matrigel в инкубаторе с температурой 37 °C.
- Поддерживайте hiPSCs до ~70% слияния. Аккуратно промыть hiPSCs фосфатно-буферным физиологическим раствором (PBS) 2x для удаления мертвых клеток. Аспирировать PBS и добавить 3 мл Accutase в 10 см чашку клеток. Встряхните тарелку для равномерного распределения и инкубируйте в течение 8 минут в инкубаторе при температуре 37 °C.
- Добавьте 2 мл PBS для промывки и подъема клеток с пластины и соберите весь клеточный раствор в коническую трубку объемом 15 мл. Гранулируют клетки центрифугированием при 300 × г в течение 5 мин. Пластина 2-4 × 106 hiPSCs на пластину с покрытием Matrigel, предварительно загруженную 8 мл теплой среды индукции нейронов (таблица 1). Равномерно распределите клетки и поместите в инкубатор при температуре 37 °C.
ПРИМЕЧАНИЕ: Дифференцировка нейронов обусловлена доксициклин-индуцируемым фактором транскрипции, нейрогенином-2 (NGN2), который был переэкспрессирован в этой стабильной клеточной линии hiPSC15. - Осторожно промойте hiPSC pBS на 1-й день дифференцировки, чтобы удалить омертвевшие остатки клеток. Заменить 10 мл теплой индукционной среды без ингибитора ROCK.
- Менять теплой индукционной средой без ингибитора ROCK каждый день до 3 дня дифференцировки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Нейроны готовы к перекладыванию в нейронную среду.
- Покрытие нейронов и поддержание культуры нейронов (10 дней)
- Приготовьте 0,1 мг/мл раствора поли-L-орнитина (PLO) в боратном буфере (таблица 1).
- Покройте чашку для клеточной культуры раствором покрытия PLO в инкубаторе с температурой 37 °C в течение, по меньшей мере, 1 ч или на ночь до покрытия нейронов 3-го дня. Трижды вымойте посуду 4 мл стерильной воды и дайте ей полностью высохнуть на воздухе внутри шкафа биобезопасности.
- Диссоциировать 3 нейрона дня из каждой чашки размером 10 см с 3 мл аккутазы и пластиной 8-10 миллионов клеток на каждую 10-сантиметровую чашку, покрытую ПЛО, предварительно загруженную теплой кортикальной нейронной средой (таблица 1).
- Выполняйте половинную смену среды каждые 2-3 дня с теплой нейронной средой, пока i3нейрона не достигнут созревания через 2 недели после дифференцировки.
2. Бесконтактная маркировка in situ и лизис нейронов (2 ч)
- Готовят 500 мМ раствора биотин-фенола (АД) в диметилсульфоксиде (ДМСО) и хранят при температуре −20 °C. В день бесконтактной маркировки разбавляют раствор запаса АД теплой нейронной средой и обрабатывают нейроны в конечной концентрации 500 мкМ в течение 30 мин в инкубаторе с температурой 37 °C.
ПРИМЕЧАНИЕ: Доксициклин добавляется в нейронную среду, которая активирует экспрессию фермента APEX. Докциклин необходимо добавить не менее чем за 24 часа до эксперимента по бесконтактной маркировке. - Инициируют реакцию маркировки, добавляяH2O2 в конечной концентрации 1 мМ в культуру нейронов и инкубируют ровно 1 мин. Сразу же аспирировать среду и промыть 3 раза буфером закалки (табл. 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: РастворH2O2 следует сделать свежим перед реакцией маркировки. АктивацияH2O2 должна составлять ровно 1 мин, чтобы уменьшить экспериментальные вариации и свести к минимуму окислительный стресс, вызванный длительной обработкойH2O2. - Наклоните пластину, чтобы аспирировать весь остаточный буфер. Добавьте ледяной буфер лизиса клеток (таблица 1) непосредственно на пластину нейрона. Используйте 100 мкл буфера лизиса клеток на 1 миллион нейронов. Закрутите пластину для достаточного лизиса клеток и поместите на лед.
- Соскоблите лизаты клеток в холодные пробирки объемом 1,5 мл. Сонуйте на ледяной водяной бане с помощью ультразвукового аппарата для ванны (>100 Вт) в течение 15 мин с чередованием циклов 40 с включением, 20 с выключением.
ПРИМЕЧАНИЕ: Достаточно лизированный белковый раствор должен быть прозрачным без гранул или избыточных пузырьков. Достаточная обработка клеточным лизатом ультразвуком имеет решающее значение для сдвига нуклеиновых кислот и снижения липкости лизата клеток, чтобы уменьшить неспецифическое связывание в последующих процедурах. Зондовый ультразвуковой аппарат также может использоваться для обеспечения более сильного и быстрого лизиса клеток, но для минимизации перекрестного загрязнения и потери образцов требуется промывка зонда между образцами. - Добавьте холодный ацетон (−20 °C) в образец в 4-кратном объеме лизисного буфера. Вихрь кратковременно и инкубируют при −20 °C в течение 3 ч.
- Центрифуга при 16 500 × г в течение 10 мин при 2 °C. Удалите супернатант, не нарушая белковую гранулу. Вымойте гранулу 1 мл ацетона −20 °C 2x и удалите супернатант после центрифугирования.
- Высушите белковую гранулу вакуумным концентратором в течение 1 мин. Добавьте буфер лизиса клеток, чтобы полностью растворить гранулу. При необходимости ненадолго соникуйте. Храните образцы при температуре −80 °C.
ПРИМЕЧАНИЕ: Осаждение ацетона может удалить остаток биотин-фенола в образце, что может помешать последующему обогащению биотинилированных белков.
3. Флуоресцентная микроскопия для проверки локализации и активности APEX (1,5 дня)
- Инкубируют i3нейрона, экспрессирующие эндогенный LAMP1-APEX с 500 мкМ АД в течение 30 мин при 37 °C. Активируйте маркировку с помощью обработки 1 мМ H2O2 всего за 1 с, чтобы ограничить диффузию биотинового облака.
- Немедленно зафиксируйте клетки с 4% параформальдегидом в буфере закалки и аккуратно промыть 3x PBS.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для посуды размером 10 см необходимо 4-6 мл для достаточного мытья. - Блокируйте и пермеабилизируйте клетки, используя 3% ослиную сыворотку и 0,1% сапонина в PBS в течение 30 мин при комнатной температуре (RT).
- Инкубировать клетки с первичным антителом против LAMP1 (мышиный моноклональный H3A4, 1:1000) в течение ночи при 4 °C.
- Промывайте нейроны 3 x осторожно с помощью PBS. Инкубируют нейроны с антимышевым вторичным антителом AF561 (1:1000) и Стрептавидином-680 (1:1000) в течение 1 ч при РТ.
- Промыть 2x с PBS и инкубировать с Hoechst или 4',4-диамидино-2-фенилиндолом (DAPI) ядерным маркером в течение 10 мин на RT. Промыть клетки 2x PBS.
- Визуализируйте фиксированные нейроны под флуоресцентным микроскопом. Наблюдайте за биотинилированными белками, окрашенными стрептавидином и колокализованными окрашиванием LAMP1 вне ядра, чтобы подтвердить правильное местоположение активности APEX.
4. Определение соотношения бусин стрептавидина к входному белку (1,5 дня)
- Выполнение моющего средства-совместимого анализа белка (DCA) для определения общих концентраций белка в клеточных лизатах
- Растворяют стандартный белок бычьего сывороточного альбумина (BSA) в буфере лизиса клеток в концентрации 4 мг/мл. Готовят серию стандартных растворов белка BSA (0,2-2 мг/мл, 5 разведений) с использованием буфера лизиса клеток.
- Перенесите 5 мкл из каждого образца белка, стандартного раствора белка BSA и буфера лизиса пустых клеток в трех экземплярах в каждую лунку в 96-луночной пластине.
- Добавьте 2 мкл реагента S на 1 мл реагента A, чтобы получить реагент A'. Добавьте 25 мкл реагента А' в каждую лунку. Добавьте 200 мкл реагента В в каждую лунку. Смешайте и лопайте пузырьки, если таковые имеются.
- Инкубируйте эту 96-луночную пластину на RT в течение 15 минут, считывайте поглощение при 750 нм в считывателе микропластин и количественно оценивайте концентрации образцов белка на основе стандартной кривой BSA.
- Анализ титрования бусин (1,5 дня)
- Перенесите серию суспензии магнитных шариков стрептавидина (20 мкл, 15 мкл, 12 мкл, 10 мкл, 8 мкл, 4 мкл, 1 мкл, 0 мкл) в ленточные трубки ПЦР. Поместите трубки для полосы ПЦР на магнитную стойку, вымойте шарики 3x со 100 мкл 2% буфера SDS и полностью снимите буфер стирки, находясь на магнитной стойке.
- Добавьте 50 мкг образца белка в каждую пробирку. Добавьте больше буфера лизиса к общему объему 80 мкл. Плотно закройте каждую трубку и вращайте при 4 °C в течение ночи.
- Центрифугируйте трубки для полосы ПЦР на настольной микроцентрифуге. Поместите трубки для полосы ПЦР на магнитную стойку на 1 мин. Поместите 2 мкл супернатанта из каждой трубки на сухую нитроцеллюлозную мембрану и дайте мембране полностью высохнуть.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если интенсивность сигнала низкая, на мембране может быть обнаружено более 2 мкл. Объем может быть увеличен путем пятнистости несколько раз на одном и том же месте после того, как мембрана высушивается на воздухе между каждым разом. Также может быть использован аппарат Bio-Dot. - Инкубируют мембрану в блокирующий буфер (TBS) в течение 1 ч. Инкубируют мембрану в конъюгате Streptavidin Alexa Fluor 680 (1:1000 в блокирующем буфере) в течение 1 ч. Затем промыть мембрану с помощью TBS-T (табл. 1) 5x.
ПРИМЕЧАНИЕ: Альтернативой анализу точечного пятна является вестерн-блоттинг с использованием антитела к стрептавидину. - Измерьте флуоресцентный сигнал каждой точки на мембране под длиной волны 680 нм и сгенерируйте диаграмму рассеяния с флуоресцентным сигналом по объему шариков. Выберите оптимальный объем шариков, необходимый для 50 мкг входного образца белка, исходя из того, где заканчивается экспоненциальный распад кривой.
ПРИМЕЧАНИЕ: Интенсивность флуоресценции представляет собой обилие биотинилированных белков в надосадочном веществе, которое должно уменьшаться с увеличением количества шариков.
5. Обогащение биотинилированных белков и переваривание бисера (3 дня)
- Перенесите образцы лизата белка от −80 °C и обжайте образцы ультразвуком в пробирках по 1,5 мл в течение 30 с в анализаторе ванны для быстрого размораживания растворов. Вихрь и поместите пробоотборники на лед.
- Переложите 250 мкл магнитного шарика стрептавидина (SA) в каждую трубку объемом 1,5 мл. Положите трубки на магнитную стойку, вымойте шарики 3x с 1 мл Wash Buffer A (2% SDS) и удалите остаточный буфер.
- Основываясь на результатах анализа точечного пятна и анализа белка DC, рассчитайте количество образца белка (мкг), необходимого для 250 мкл суспензии магнитных шариков стрептавидина.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эндогенно экспрессированном зонде LAMP1-APEX на 50 мкг входного белка необходимо 5 мкл шариков. Поэтому к 250 мкл бусин добавляют 2,5 мг общего белка. Менее 250 мкл шариков SA может быть использовано для ограниченного входного образца материала. - Добавьте буфер лизиса клеток в трубку, содержащую магнитную шарико-лизатную смесь, общим объемом 1 мл и вращайте при 4 °C в течение ночи.
ПРИМЕЧАНИЕ: Образцы из разных групп или реплик должны быть нормализованы до одинаковой концентрации белка, объема и количества шариков, чтобы уменьшить экспериментальные вариации. - Кратковременно открутите все трубки на настольной микроцентрифуге и поместите трубки на магнитную стойку на 1 мин. Извлеките супернатант, находясь на магнитной стойке.
ПРИМЕЧАНИЕ: Очень важно ждать в течение 1 минуты после размещения пробок на магнитной стойке каждый раз. Это может свести к минимуму потери бусин из-за невидимого небольшого количества бусин, все еще движущихся к магниту в растворе. - Вымойте шарики 2 раза с 1 мл Wash Buffer A при RT (5 мин вращения каждый раз). Повторите процесс с каждым буфером промывки 2 раза последовательно при 4 °C. (Буфер B, Буфер C и Буфер D; Таблица 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: Высокая концентрация раствора SDS может выпадать в осадок при низких температурах. Первая стирка должна быть выполнена на RT. - Поместите трубки на магнитную стойку. Вымойте бусины 2x с помощью Buffer D, чтобы полностью удалить остаточное моющее средство. Повторно суспендируют шарики в 100 мкл буфера Tris 50 мМ и добавляют 5 мМ TCEP (конечная концентрация) для инкубации в течение 30 мин при 37 °C в смесителе с контролируемой температурой, встряхивая при 1 200 об/мин.
- Добавьте 15 мМ йодоацетамида (IAA, конечная концентрация) в каждую трубку и инкубируйте в течение 30 мин при 37 °C в смесителе с контролируемой температурой, встряхивая при 1 200 об/мин в темноте (крышка смесителя включена).
ПРИМЕЧАНИЕ: IAA светочувствительна и должна быть сделана свежей за 5 минут до этого шага. - Добавьте 5 мМ TCEP (конечная концентрация) для гашения избытка IAA. Инкубировать в течение 10 мин при 37 °C в смесителе с регулируемой температурой с встряхиванием при 1 200 об/мин (крышка смесителя выключена).
- Ненадолго центрифугируйте пробирки для образцов и поместите на магнитную стойку на 1 мин, чтобы удалить супернатант. Добавьте 200 мкл 5 мМ TCEP в буфер Tris 50 мМ для повторного суспендирования шариков. Добавьте к образцу 1 мкг смеси Трипсин/Лис-С и инкубируйте в течение 14 ч при 37 °C в смесителе с контролируемой температурой, встряхивая при 1 200 об/мин.
- Добавьте дополнительно 0,2 мкг смеси Трипсина/Лис-С и переваривайте в течение 3 ч.
- Кратковременно покрутите пробирки и поместите трубки на магнитную стойку на 1 мин. Перенесите пептидный супернатант для очистки трубок, находясь на магнитной стойке. Вымойте шарики с буфером 50 мКл 50 мМ Tris (встряхивайте в течение 5 мин) и соедините пептидные супернатанты.
- Добавьте 30 мкл 10% трифторуксусной кислоты (TFA) в пробирку, содержащую пептидный супернатант, чтобы получить рН <3.
6. Пептидное обессоливание и фракционирование (2 ч)
- Смочите обратнофазную твердофазную экстракционную пластину (только скважины для использования) 200 мкл метанола марки ВЭЖХ (MeOH) 3x на вакуумном коллекторе. Добавьте 200 мкл 1% TFA в воду класса ВЭЖХ 3x, чтобы уравновесить пластину.
- Загрузите образцы пептидов в пластину, медленно включив вакуум для скорости потока ниже 3 капель / с, чтобы свести к минимуму потери образца.
- Вымойте экстракционную пластину 3x с 200 мкл 1% TFA. Снова промыть экстракционную пластину 200 мкл 1% TFA, содержащей 2% MeOH (v/v). Держите скорость потока ниже 3 капель/с.
- Замените коллекционную пластину на коллекционную пластину с 96 лунками. Если фракционирование не требуется, элюируют образцы пептидов 3x со 100 мкл 1% TFA, содержащим 80% MeOH, и объединяют в новую пробирку. Высушите образцы пептидов в вакуумном концентраторе без нагрева.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если требуется фракционирование, образцы пептидов могут быть элюированы на 4 фракции впоследствии с использованием 200 мкл 1% TFA, содержащего 15%, 35%, 50% и 90% MeOH, соответственно, в другой коллекционной пластине.
7. Колориметрический количественный анализ пептидов (необязательно) (1 ч)
- Повторно суспендируйте образцы пептидов в 50 мкл воды класса LC-MS и возьмите 20 мкл аликвот для выполнения пептидного анализа.
ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе потребляется большое количество пептидного образца, но может обеспечить точную количественную оценку концентрации пептида перед анализом LC-MS. Обычно это проводится только один раз для каждого типа образца для тестирования перед крупномасштабной пробоподготовкой. - Готовят серийные разведения стандартных растворов пептидов (входят в набор для колориметрического анализа) в воде марки LC-MS. Приготовьте рабочий реагент путем смешивания 50% реагента А, 48% реагента В и 2% реагента С.
- Перенос 20 мкл каждого стандартного пептидного раствора (три реплики) и неизвестного образца пептида в 96-луночную микропластину. Добавьте в каждую лунку 180 мкл рабочего реагента, хорошо перемешайте и инкубируйте пластину в течение 30 мин при РТ.
- Считайте абсорбцию при 480 нм в считывателе микропластин и количественно оцените концентрации образцов пептидов на основе стандартной кривой пептида.
8. Анализ LC-MS
- Повторное суспендирование пептидных образцов в LC Buffer A (2% ацетонитрила и 0,1% муравьиной кислоты, класс LC-MS). Центрифуга при 16 500 × г в течение 10 мин при 4 °C для избавления от любых возможных частиц.
- Переведите супернатант на флаконы LC-MS. Анализируйте образцы с помощью прибора nanoLC-MS.
ПРИМЕЧАНИЕ: Подробные параметры LC-MS/MS зависят от прибора и были описаны ранее 22,25,26. - Сгенерируйте пользовательский список исключений LC-MS с диапазоном времени удержания для высокообильных пиков загрязняющих пептидов, таких как стрептавидин и трипсин с точностью массы 5 ppm22 (например, общие пики пептида стрептавидина составляют m/z 402.5435 [заряд 3], m/z 603.3117 [заряд 2], m/z 654.9733 [заряд 3], m/z 678.6812 [заряд 3], m/z 1017.5182 [заряд 2], и так далее.; распространенными пиками пептида трипсина являются m/z 421.7584 [заряд 2], m/z 523.2855 [заряд 2] и m/z 737.7062 [заряд 3]).
9. Анализ данных протеомики
- Анализируйте необработанные данные LC-MS с помощью программного обеспечения для анализа данных протеомики, такого как Proteome Discoverer, MaxQuant27 или MS-Fragger28. Включить две библиотеки FASTA для анализа данных: 1) справочную базу данных Swissprot Homo Sapiens ; 2) недавно созданная универсальная библиотека загрязняющих веществ FASTA (https://github.com/HaoGroup-ProtContLib), которая, как было доказано, улучшает идентификацию протеомики и уменьшает ложные открытия29.
- Настройка параметров анализа данных протеомики с отсечкой 1% ложного обнаружения (FDR) для идентификации спектрального соответствия белков и пептидов (PSM). Выберите переваривание трипсина с максимум тремя пропущенными расщеплениями, фиксированной модификацией карбамидометилирования цистеина и переменной модификацией окисления метионина и N-концевым ацетилированием белка. Используйте пиковые интенсивности пептида MS1 для количественной оценки без маркировки. Нормализовать интенсивность пептидов до эндогенно биотинилированной карбоксилазы, пропионил-КоА-карбоксилазы (PCCA), чтобы уменьшить вариации бесконтактной маркировки, как описано ранее22.
ПРИМЕЧАНИЕ: Нормализацию PCCA можно выбрать в программном обеспечении Proteome Discoverer, включив файл FASTA последовательности белков PCCA. В качестве альтернативы, нормализация PCCA может быть проведена в последующем анализе данных. - Экспорт результатов на уровне белка из программного обеспечения протеомики. Удалите загрязняющие белки перед статистическим анализом29. Удалите белки только с 1 PSM или без результата количественной оценки. Проведение анализа онтологии генов белка (GO) с помощью Enrichr30 и анализа белковой сети с помощью STRING31.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Это исследование протеомики, маркирующей близость лизосом, было проведено в нейронах человека, полученных из iPSC, для захвата динамического лизосомального микроокружения in situ в живых нейронах. Клеточные морфологии hiPSCs и нейронов, полученных hiPSC, в разные моменты времени проиллюстрированы на рисунке 2A. Человеческие ИПСК растут колониями в среде E8. Дифференцировка инициируется окрашиванием иПСК в доксициклинсодержащую среду индукции нейронов. Расширения нейритов становятся более заметными с каждым днем в течение 3-дневной дифференциации. После перехода на пластины, покрытые PLO, в нейронной среде, нейриты образуют сеть между нейронами, и аксональные расширения становятся более заметными, когда нейроны достигают созревания через 2 недели. В нейронах i3локализация зонда APEX проверяется флуоресцентной микроскопией после быстрой активации APEX. Биотинилированные белки окрашивают с использованием антитела к стрептавидину (SA), а лизосомы окрашивают с использованием антитела против LAMP1. Объединенное изображение подтверждает правильную локализацию LAMP1-APEX на белок приманки (рисунок 2B).
Анализ бисерного титрования имеет решающее значение для определения оптимального соотношения бусин к белку, чтобы количество шариков стрептавидина было достаточным для обогащения всех биотинилированных белков, но не настолько чрезмерным, чтобы вызвать серьезное загрязнение стрептавидином в LC-MS. Оптимальный объем шариков, необходимый для 50 мкг входного образца белка, выбирается на основе того, где заканчивается экспоненциальный распад кривой (Рисунок 3А) Как показано на Фиг.3А, сигналы точечного пятна от бусин-белкового инкубационного супернатанта уменьшались по мере захвата большего количества биотинилированных белков с увеличением количества стрептавидиновых шариков. Для эндогенных образцов LAMP1-APEX 5 мкл шариков стрептавидина были оптимальными для 50 мкг входного белка (выделено на рисунке 3A). После обогащения количество белка, захваченного шариками стрептавидина, неизвестно. Избыток протеолитического фермента (трипсина) может увеличить аутопереваривание фермента, с обильными пиками пептида трипсина в LC-MS. Чрезмерный трипсин также может переваривать больше пептидов стрептавидина в образцах. Поэтому количество протеазы, необходимое для переваривания шариков, должно быть оптимизировано. По сравнению с одним только трипсином, переваривание шариков смесью Трипсин /Lys-C привело к идентификации большего количества белков и пептидов и меньшему количеству пропущенных расщеплений (рисунок 3B). Кроме того, 1-1,5 мкг протеазы на 250 мкл магнитных шариков стрептавидина было оптимальным для получения наибольшего количества идентифицированных белков и самого низкого процента пропущенных расщеплений (рисунок 3C). При оптимальном соотношении бусин к белку одинаковое количество бусин должно захватывать одинаковое количество биотинилированных белков. Поэтому это оптимизированное количество протеазы может быть использовано для всех экспериментов, которые обогащают биотинилированные белки с использованием одних и тех же магнитных шариков стрептавидина.
Ферменты бесконтактной маркировки на основе пероксидазы активируются инкубацией биотин-фенола и кратковременнойобработкой H2O2 (1 мин). Этот шаг является основным источником вариаций в протеомике бесконтактной маркировки. Ранее мы обнаружили, что нормализация до наиболее распространенной эндогенно биотинилированной карбоксилазы, PCCA, может значительно уменьшить экспериментальные вариации, что позволяет сравнивать данные протеомики бесконтактной маркировки в разных экспериментальных партиях (рисунок 4)22. Для эндогенных нейронов LAMP1-APEX в качестве контрольной группы использовалась родительская линия без экспрессии зонда LAMP1-APEX. Контрольные нейроны также обрабатывали биотин-фенолом иH2O2. Распределение белковых соотношений LAMP1-APEX по сравнению с контрольной группой проиллюстрировано на рисунке 5А. Все эндогенно биотинилированные карбоксилазы были обогащены шариками, покрытыми стрептавидином, но остались неизменными. Как показано в анализе GO-term и анализе белковой сети (рисунок 5B,C), как стабильные лизосомальные мембранные белки, так и переходные лизосомальные интеракторы, связанные с эндолисосомальным трафиком и транспортом, были обогащены протеомикой LAMP1-APEX 32,33,34.
Рисунок 1: Общий рабочий процесс для бесконтактной маркировки лизосом протеомики в нейронах, полученных из hiPSC. Сокращения: hiPSC = индуцированная человеком плюрипотентная стволовая клетка; LAMP1 = лизосомно-ассоциированный мембранный белок 1; APEX = аскорбатпероксидаза; dox = доксициклин; АД = биотин-фенол; DCA = анализ белка, совместимого с моющим средством; SA = стрептавидин; LC-MS/MS = жидкостная хроматография-тандемная масс-спектрометрия; PCCA = пропионил-КоА-карбоксилаза, эндогенно биотинилированный белок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Микроскопическая визуализация нейронов, полученных из hiPSC, и активности LAMP1-APEX. (A) Микроскопические изображения Brightfield различных стадий hiPSCs и нейронов, полученных hiPSC. (B) Флуоресцентная визуализация активности LAMP1-APEX в нейроне. Биотинилированные сигналы, окрашенные против стрептавидина, колокализуются окрашиванием LAMP1 вне ядра (HOECHST). Шкала стержней = (A) 50 мкм, (B) 1 мкм. Сокращения: hiPSC = индуцированная человеком плюрипотентная стволовая клетка; LAMP1 = лизосомно-ассоциированный мембранный белок 1; APEX = аскорбатпероксидаза; SA = стрептавидин. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Оптимизация соотношения бисера к входному белку и ферментативное переваривание белка могут улучшить идентификацию белка и уменьшить интерференцию. (A) Пример анализа бисера-титрования результатов анализа точечного пятна с использованием 50 мкг входного белка и различных количеств стрептавидиновых шариков. (B) Смесь трипсина/Lys-C привела к лучшей идентификации белка/пептида и меньшему количеству пропущенных расщеплений, чем только трипсин. (C) Оптимизация количества трипсина/Lys-C для переваривания шариков. Эта цифра была изменена по сравнению с Frankenfield et al.22. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Нормализация данных протеомики бесконтактной маркировки эндогенно-биотинилированной карбоксилазой, PCCA, может уменьшить вариации количественной оценки среди биологических реплик. Эта цифра была изменена по сравнению с Frankenfield et al.22. Аббревиатура: PCCA = пропионил-КоА-карбоксилаза. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Лизосомная бесконтактная маркировка протеомики, обогащенная лизосомальными мембранными белками и лизосомальными взаимодействующими белками в нейронах. (A) График рассеяния коэффициентов плотности белков LAMP1-APEX по сравнению с отсутствием контроля APEX, показывающий обогащенные лизосомальные мембранные белки и неизмененные эндогенно биотинилированные белки. (B) GO-терминальный анализ результатов протеомики, доказывающий обогащенный клеточный компонент в лизосоме. (C) Анализ белковой сети STRING, показывающий, что белки непосредственно взаимодействуют с белком приманки (LAMP1), лизосомальными мембранными белками и лизосомальными интеракторами, такими как белки мембранного трафика. Эта цифра была изменена по сравнению с Frankenfield et al.22. Сокращения: LAMP1 = лизосомно-ассоциированный мембранный белок 1; APEX = аскорбатпероксидаза; GO = онтология генов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Средний/Буферный | Компонент | Протокол | ||
| Раствор для покрытия базальной мембранной матрицы (Matrigel) | 1% матрицы базальной мембраны, 99% среды DMEM/F12 | 1.1, 1.2 | ||
| Раствор для покрытия витронектином | Конечная концентрация 5 мкг/мл в PBS | 1.1 | ||
| E8 полная среда с ингибитором ROCK | 98% среды E8, 2% добавки E8, 10 мкМ Y-27632 или 50 нМ хромана1 | 1.1 | ||
| Индукционная среда нейронов | 97% DMEM/F12 с HEPES, 1% добавкой N2, 1% заменимыми аминокислотами (NEAA), 1% L-глутамином, 2 мкг/мл доксициклина и ингибитором ROCK (10 мкМ Y-27632 или 5 нМ хромана 1) | 1.2 | ||
| Раствор для покрытия Neuron PLO | 0,1 мг/мл поли-L-орнитина (PLO), борная кислота 100 мМ, тетраборат натрия 25 мМ, хлорид натрия 75 мМ, гидроксид натрия 1 м | 1.3 | ||
| Нейронная среда | 98% среды корковых нейронов, 2% добавки B27, 10 нг/мл нейротрофического фактора мозга (BDNF), 10 нг/мл глиального нейротрофического фактора (GDNF), 10 нг/мл NT-3, 0,2 мкг/мл ламинина, 2 мкг/мл доксициклина | 1.3 | ||
| Буфер закалки | 10 мМ азида натрия, 10 мМ аскорбата натрия, 5 мМ TROLOX в PBS | 2.2 | ||
| Буфер лизиса клеток | 50 мМ Tris-HCl, 500 мМ NaCl, 0,2% SDS, 1% Тритон, 1 мМ Трис(2-карбоксиэтил)фосфин гидрохлорид (TCEP), 10 мМ азида натрия, 10 мМ аскорбата натрия, 5 мМ ТРОЛОКС, коктейль ингибитора протеазы | 2.3 | ||
| ТБС-Т | 0,05% Tween20, 20 мМ Tris, 150 мМ NaCl (pH 7,5) | 4.2 | ||
| Буфер A | 2% SDS буфер | 5.2 | ||
| Буфер B | 50 мМ Tris-HCl, 500 мМ NaCl, 2% Тритон-X | 5.6 | ||
| Буфер C | 50 мМ Tris-HCl, 250 мМ NaCl, 0,5% SDS, 0,5% Triton-X | 5.6 | ||
| Буфер D | 2 м мочевины, 50 мМ Tris-HCl | 5.6 | ||
Таблица 1: Составы сред и буферов, используемых в этом протоколе.
| Проблема | Протокол | Решение/Предложение | ||||
| Отслаивание iPSC культуры с тарелки | 1.1 | Увеличивают концентрацию или время витронектиновом покрытии. | ||||
| Некоторые ИПСК не дифференцировались в нейроны | 1.2 | Увеличение времени обработки раствором клеточной отслойки для полной диссоциации ИПСК во время дифференциации d0. | ||||
| Культуры нейронов, отслаивающиеся от пластины | 1.3 | Мытье и смена среды должно быть бережным и от боковой стенки тарелки. | ||||
| Белки не растворяются полностью после осаждения ацетона | 2.7 | Сократите время высыхания белковой гранулы. Увеличьте объем буфера лизиса и ненадолго нанесите ультразвук, чтобы помочь растворению. | ||||
| Слабые сигналы окрашивания стрептавидином | 3 | Увеличьте времяобработки H2O2 до 2-3 с и закрутите пластину для равномерного распределения. | ||||
| Низкий сигнал титрования шариков | 4.2 | Подождите, пока мембрана полностью высохнет, и добавьте больше супернатанта в то же место (может повторяться до 3x), чтобы повысить интенсивность сигнала. | ||||
| Магнитные шарики не гранулируются в сторону магнитной стойки | 5 | Магнитная подвижность шарика снижается в буфере, не содержащем моющее средство. Более высокая концентрация мочевины до 4 М или LC-MS-совместимое моющее средство может быть использовано в буфере для стирки D. | ||||
| Потеря магнитных бусин во время стирки бисера | 5 | Увеличьте время ожидания, когда пробоотборники помещаются на магнитные шарики (1 мин или дольше) перед взятием супернатанта из пробирок. | ||||
| Одиночные пики загрязнения в LC-MS | 6 | Пептидной очистки недостаточно. Увеличьте объемы и время промывки во время обессоливания пептидов. | ||||
| Низкий сигнал пептидного анализа | 7 | Повторное суспендирование пептидных образцов в меньшем объеме для увеличения концентрации пептидов. | ||||
| Подавляющие сигналы стрептавидина в LC-MS | 8 | Уменьшите количество бусин стрептавидина. Если пик трипсина также обильный, уменьшите количество трипсина. | ||||
| Слишком много неспецифического фона маркировки | 9 | Стрептавидин стирки бисера было недостаточно. Удаляйте всю остаточную жидкость на каждом этапе стирки. Увеличьте время и объем стирки бисера. | ||||
Таблица 2: Устранение неполадок и способы их устранения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Используя этот зонд LAMP1-APEX, белки на лизосомальной мембране и рядом с ней биотинилируются и обогащаются. Учитывая типичный диаметр лизосомы 100-1 200 нм, этот метод обеспечивает отличное внутриклеточное разрешение с радиусом маркировки 10-20 нм. LAMP1 является обильным лизосомальным мембранным белком и классическим маркером для лизосом, служащим отличным белком-приманкой для лизосомальной маркировки APEX на уровне эндогенной экспрессии. Однако ограничения также существуют при использовании LAMP1 для нацеливания на лизосомы, поскольку LAMP1 также присутствует в поздних эндосомах и недеградативных лизосомах35. Большинство лизосомальных маркеров также экспрессируются в поздних эндосомах, которые в конечном итоге созревают в лизосомы. Альтернативными белками приманки для нацеливания на лизосомы являются LAMPTOR, LAMP2 и TMEM192 35,36,37. Важно отметить, что реактивные радикалы биотина не проникают через мембрану. Таким образом, большинство лизосомальных белков, содержащих только люмен, не захватываются этим методом протеомики LAMP1-APEX. Белки лизосомального просвета могут быть получены путем лизосомальной изоляции с помощью традиционного метода градиентной центрифугирования или лизосомной иммуноочистки 4,38. Однако белки на лизосомальной мембране могут быть нарушены во время лизосомальной изоляции и терять информацию для переходных и динамических лизосомальных взаимодействий. Таким образом, лизосомальная бесконтактная маркировка и лизосомальная изоляция могут быть объединены для получения полного снимка лизосомальной активности как снаружи, так и внутри лизосом.
Чтобы свести к минимуму изменчивость от культуры iPSC-нейронов, плотность покрытия нейронов должна быть согласованной во всех биологических репликах и группах сравнения. Те же уровни созревания нейронов и здоровья также имеют решающее значение по этой причине. Во время активации APEX добавление биотина-фенола иH2 O2к клеткам должно проводиться путем предварительного смешивания с теплой питательной средой, а затем добавления смеси в клетки с последующим немедленным, мягким встряхиванием для обеспечения равномерного распределения. ИспользованиеH2O2 также вызывает обеспокоенность по поводу окислительного стресса и возмущений в динамическом микроокружении клетки. Хотя на уровне содержания белка не было обнаружено существенных изменений, больше пептидов было модифицировано окислением метионина в обработанныхH2O2 по сравнению с контрольными нейронами22. Поэтому строгий контроль времени активацииH2O2 (1 мин) имеет решающее значение для минимизации окислительного стресса и уменьшения диффузии биотинового облака для обеспечения определенного радиуса маркировки, окружающего белок приманки.
Для неполяризованных клеточных линий, таких как HEK и U2OS, клетки могут быть собраны путем гранулирования после бесконтактной маркировки для удаления супернатанта, содержащего свободный биотин. Тем не менее, нейроны должны быть собраны путем непосредственного добавления буфера лизиса клеток к пластине и соскабливания в пробирки, чтобы избежать повреждения нейритов и потери образца во время гранулирования. Наличие свободного биотина может насытить бусины стрептавидина. Полное удаление свободного биотина может быть достигнуто путем многократной промывки и инкубации с буфером закалки в нейронах и/или осаждением белка после лизиса клеток. Поскольку различные белки приманки имеют разные уровни экспрессии, для каждого нового зонда APEX необходимо проводить анализ точечного пятна. После определения оптимального соотношения бусин к белку количество исходного белка и объем шариков должны быть согласованы для всех реплик для одного и того же зонда APEX. При сравнении различных зондов, таких как LAMP1-APEX и цитозольный-APEX, рекомендуется использовать одинаковый объем шариков, но варьировать количество исходного белка, чтобы отразить оптимальное соотношение шариков / белок для разных зондов APEX. Для дальнейшего уменьшения экспериментальных вариаций и увеличения пропускной способности можно проводить маркировку стабильных изотопов аминокислотами в клеточной культуре (SILAC)39. Мультиплексированная изобарическая маркировка также может быть использована для химической маркировки пептидов после переваривания белка с помощью тегов TMT / iTRAQ / DiLeu 20,40,41,42.
Бесконтактная маркировка широко применяется для захвата клеточной и молекулярной микросреды в различных организмах43. Тем не менее, бесконтактная маркировка по-прежнему сталкивается со многими техническими проблемами, такими как загрязнение сигналами стрептавидина, использование перекиси водорода для активации ферментов и присутствие эндогенно биотинилированных митохондриальных карбоксилаз. Поэтому протеомные эксперименты по бесконтактной маркировке требуют тщательного планирования и контроля качества. Чтобы помочь исследователям в устранении неполадок в эксперименте по бесконтактной маркировке, мы предоставляем краткое руководство по общим проблемам и решениям в таблице 2. Совсем недавно был разработан метод расщепляемой бесконтактной маркировки с использованием тиол-расщепляемого биотина25. Таким образом, биотинилированные белки могут быть отщеплены от шариков с использованием восстанавливающего реагента, такого как TCEP, без необходимости переваривания шариков. Этот расщепляемый метод биотина может значительно уменьшить интерференционные сигналы от стрептавидина, эндогенно биотинилированных карбоксилаз и неспецифического связывания. Продолжающиеся усилия будут применять этот расщепляемый метод биотина к протеомике LAMP1-APEX для улучшения специфичности и точности маркировки. Датчики бесконтактной маркировки также могут быть спроектированы для нацеливания на другие субклеточные отсеки44. Количество и тип идентифицированных белков зависят от природы белка приманки, его внутриклеточной среды и уровня экспрессии зонда маркировки близости. Этот эндогенный метод протеомики LAMP1-APEX предоставляет ценный инструмент для изучения динамической лизосомальной активности в нейронах человека. Подробный протокол и методология оптимизации также применимы к другим зондам бесконтактной маркировки и химическому биотинилированию, служа полезным ресурсом для сообщества протеомики.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Это исследование поддерживается грантом NIH (R01NS121608). A.M.F. признает стипендию ARCS-Metro Washington Chapter Scholarship и стипендию Фонда Бурбона Ф. Скрибнера. Мы благодарим лабораторию Майкла Уорда в Национальном институте неврологических расстройств и инсульта (NINDS) за поддержку молекулярной биологии и разработку технологии i3Neuron.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 10% (w/v) Saponin solution | Acros Organics | 419231000 | Flourescent Microscopy |
| Accutase | Life Technologies | A1110501 | cell detachment solution, Cell Culture |
| B27 Supplement | Fisher Scientific | 17504044 | Cell Culture, Cortical Neuron Medium |
| BDNF | PeproTech | 450-02 | Cell Culture, Cortical Neuron Medium |
| Boric acid | Sigma-Aldrich | B6768 | Cell Culture, Borate Buffer |
| Bovine Serum Albumin | Millipore Sigma | A8806 | To make standard solutions to measure total protein concentrations |
| Brainphys neuronal medium | STEMCELL Technologies | 5790 | Cell Culture, Cortical Neuron Medium |
| CD45R (B220) Antibody Alexa Fluor 561 | Thermo Fisher Scientific | 505-0452-82 | Flourescent Microscopy |
| Chroman1 ROCK inhibitor | Tocris | 716310 | Cell Culture |
| cOmplete mini Protease Inhibitor | Roche | 4693123001 | cocktail inhibitor in Lysis Buffer |
| DC Protein Assay Kit II | Bio-Rad | 5000112 | To determine total protein concentrations of cell lysate |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | Proximity-labeling Reaction |
| DMEM/F12 medium | Thermo Fisher Scientific | 11320082 | Cell Culture, Dish Coating |
| DMEM/F12 medium with HEPES | Thermo Fisher Scientific | 11330057 | Cell Culture, Induction Medium |
| Donkey serum | Sigma-Aldrich | D9663 | Flourescent Microscopy |
| Doxycycline hyclate, ≥98% (HPLC) | Sigma-Aldrich | D9891-1G | Cell Culture, Induction Medium |
| Essential 8 Medium | Thermo Fisher Scientific | A1517001 | Cell Culture |
| Essential 8 Supplement (50x) | Thermo Fisher Scientific | A1517101 | Cell Culture |
| Extraction plate vacuum manifold kit | Waters | WAT097944 | For Peptide desalting |
| Formic Acid (FA) | Fisher Scientific | A11750 | For LC-MS analysis |
| GDNF | PeproTech | 450-10 | Cell Culture, Cortical Neuron Medium |
| Hoechst dye | Thermo Fisher Scientific | 62239 | Flourescent Microscopy |
| HPLC grade methanol | Fisher Scientific | A452 | For Peptide desalting |
| HPLC grade water | Fisher Scientific | W5 | For Peptide desalting |
| Human induced pluripotent stem cells | Corriell Institute | GM25256 | Cell Culture |
| Hydrogen peroxide, ACS, 29-32% w/w aq. soln., stab. | Thermo Fisher Scientific | AA33323AD | Proximity-labeling Reaction |
| Iodoacetamide (IAA) | Millipore Sigma | I6125 | For Protein Digestion |
| Laminin | Fisher Scientific | 23017015 | Cell Culture, Cortical Neuron Medium |
| LC-MS grade Acetonitrile | Fisher Scientific | A955 | For LC-MS analysis |
| LC-MS grade water | Fisher Scientific | W64 | For LC-MS analysis |
| L-glutamine | Fisher Scientific | 25-030-081 | Cell Culture, Induction Medium |
| Matrigel | Thermo Fisher Scientific | 08-774-552 | basement membrane matrix, Cell Culture, Dish Coating |
| Mouse anti-human LAMP1 monoclonal antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank | h4a3 | Flourescent Microscopy |
| N-2 Supplement (100x) | Fisher Scientific | 17-502-048 | Cell Culture, Induction Medium |
| Nitrocellulose Membrane, Precut, 0.45 µm, 7 x 8.5 cm | Bio-Rad | 1620145 | To conduct dot blot assay for bead titration |
| Non-essential amino acids (NEAA) | Fisher Scientific | 11-140-050 | Cell Culture, Induction Medium |
| NT-3 | PeproTech | 450-03 | Cell Culture, Cortical Neuron Medium |
| Oasis HLB 96-well solid phase extraction plate | Waters | 186000309 | For Peptide desalting |
| Odyssey Blocking Buffer (TBS) | LI-COR Biosciences | 927-50000 | To conduct dot blot assay for bead titration |
| Paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 15710 | Flourescent Microscopy |
| Phenol Biotin (1,000x stock) | Adipogen | 41994-02-9 | Proximity-labeling Reaction |
| Phosphate-buffered saline (PBS) without calcium or magnesium | Gibco | 10010049 | Cell Culture, Proximity-labeling Reaction, Flourescent Microscopy |
| Pierce Quantitative Colorimetric Peptide Assay | Thermo Fisher | 23275 | Peptide Concentration Assay |
| Poly-L-Ornithine (PLO) | Millipore Sigma | P3655 | Cell Culture, Dish Coating |
| Sodium Ascorbate | Sigma-Aldrich | A4034 | Proximity-Labeling Quench Buffer, Lysis Buffer |
| Sodium azide | Sigma-Aldrich | S8032 | Proximity-Labeling Quench Buffer, Lysis Buffer, Flourescent Microscopy |
| Sodium chloride | Thermo Fisher Scientific | S271500 | Cell Culture, Borate Buffer |
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Thermo Fisher Scientific | BP1311220 | Lysis Buffer, Dot blot assay buffer, Beads wash buffer |
| Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 415413 | Cell Culture, Borate Buffer |
| Sodium tetraborate | Sigma-Aldrich | 221732 | Cell Culture, Borate Buffer |
| SpeedVac concentrator | vacuum concentrator | ||
| Streptavidin Magnetic Sepharose Beads | Cytiva (formal GE) | 28-9857-99 | Enrich biotinylated proteins |
| Streptavidin, Alexa Fluor 680 Conjugate | Thermo Fisher Scientific | S32358 | To conduct dot blot assay for bead titration |
| Thermomixer | temperature-controlled mixer | ||
| Trifluoacetic acid (TFA) | Millipore Sigma | 302031 | For Peptide desalting |
| Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP) | Millipore Sigma | C4706 | For Protein Digestion |
| Tris-HCl | Thermo Fisher Scientific | BP152500 | Lysis Buffer, Dot blot assay buffer, Beads wash buffer |
| Triton-X | Thermo Fisher Scientific | BP151500 | Beads wash buffer |
| TROLOX | Sigma-Aldrich | 648471 | Proximity-Labeling Quench Buffer, Lysis Buffer |
| Trypsin/Lys-C Mix, Mass Spec Grade | Promega | V5073 | For Protein Digestion |
| TWEEN 20 | Millipore Sigma | P1379 | Dot blot assay buffer |
| Urea | Thermo Fisher Scientific | BP169500 | Beads wash and On-Beads Digestion Buffer |
| Vitronectin | STEMCELL Technologies | 7180 | Cell Culture, Dish Coating |
| Y-27632 ROCK inhibitor | Selleck | S1049 | Cell Culture |
References
- De Duve, C., Wattiaux, R.
- Ballabio, A., Bonifacino, J. S. Lysosomes as dynamic regulators of cell and organismal homeostasis. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 21 (2), 101-118 (2020).
- Lawrence, R. E., Zoncu, R. The lysosome as a cellular centre for signalling, metabolism and quality control. Nature Cell Biology. 21 (2), 133-142 (2019).
- Schröder, B. A., Wrocklage, C., Hasilik, A., Saftig, P.
- Lie, P. P. Y., Nixon, R. A. Lysosome trafficking and signaling in health and neurodegenerative diseases. Neurobiology of Disease. 122, 94-105 (2019).
- Leeman, D. S., et al. Lysosome activation clears aggregates and enhances quiescent neural stem cell activation during aging. Science. 359 (6381), 1277-1283 (2018).
- Wallings, R. L., Humble, S. W., Ward, M. E., Wade-Martins, R. Lysosomal dysfunction at the centre of Parkinson's disease and frontotemporal dementia/amyotrophic lateral sclerosis. Trends in Neurosciences. 42 (12), 899-912 (2019).
- Ferguson, S. M.
- Rost, B. R., et al. Optogenetic acidification of synaptic vesicles and lysosomes. Nature Neuroscience. 18 (12), 1845-1852 (2015).
- Liao, Y. C., et al. RNA granules hitchhike on lysosomes for long-distance transport, using annexin A11 as a molecular tether. Cell. 179 (1), 147-164 (2019).
- Kuijpers, M., et al. Neuronal autophagy regulates presynaptic neurotransmission by controlling the axonal endoplasmic reticulum. Neuron. 109 (2), 299-313 (2021).
- Lu, J., et al. Generation of serotonin neurons from human pluripotent stem cells. Nature Biotechnology. 34 (1), 89-94 (2016).
- Dolmetsch, R., Geschwind, D. H. The human brain in a dish: The promise of iPSC-derived neurons. Cell. 145 (6), 831-834 (2011).
- Wang, C., et al. Scalable production of iPSC-derived human neurons to identify tau-lowering compounds by high-content screening. Stem Cell Reports. 9 (4), 1221-1233 (2017).
- Fernandopulle, M. S., et al. Transcription factor-mediated differentiation of human iPSCs into neurons. Current Protocols in Cell Biology. 79 (1), 1-48 (2018).
- Sunbul, M., Andres, J. Proximity labeling: Methods and protocols. , Humana Press. (2019).
- Lam, S. S., et al. Directed evolution of APEX2 for electron microscopy and proximity labeling. Nature methods. 12 (1), 51-54 (2015).
- Rhee, H. W., et al. Proteomic mapping of mitochondria in living cells via spatially restricted enzymatic tagging. Science. 339 (6125), 1328-1331 (2013).
- Lobingier, B. T., et al. An approach to spatiotemporally resolve protein interaction networks in living cells. Cell. 169 (2), 350-360 (2017).
- Paek, J., et al. Multidimensional tracking of GPCR signaling via peroxidase-catalyzed proximity labeling. Cell. 169 (2), 338-349 (2017).
- Fazal, F. M., et al. Atlas of subcellular RNA localization revealed by APEX-Seq. Cell. 178 (2), 473-490 (2019).
- Frankenfield, A. M., Fernandopulle, M. S., Hasan, S., Ward, M. E., Hao, L. Development and comparative evaluation of endolysosomal proximity labeling-based proteomic methods in human iPSC-derived neurons. Analytical Chemistry. 92 (23), 15437-15444 (2020).
- Li, J., Pfeffer, S. R. Lysosomal membrane glycoproteins bind cholesterol and contribute to lysosomal cholesterol export. eLife. 5, 21635 (2016).
- Chen, Y., et al. A versatile polypharmacology platform promotes cytoprotection and viability of human pluripotent and differentiated cells. Nature Methods. 18 (5), 528-541 (2021).
- Li, H., Frankenfield, A. M., Houston, R., Sekine, S., Hao, L. Thiol-cleavable biotin for chemical and enzymatic biotinylation and its application to mitochondrial TurboID proteomics. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 32 (9), 2358-2365 (2021).
- Li, H., et al. Integrated proteomic and metabolomic analyses of the mitochondrial neurodegenerative disease MELAS. Molecular Omics. 18 (3), 196-205 (2022).
- Cox, J., Mann, M. MaxQuant enables high peptide identification rates, individualized p.p.b.-range mass accuracies and proteome-wide protein quantification. Nature Biotechnology. 26 (12), 1367-1372 (2008).
- Kong, A. T., Leprevost, F. V., Avtonomov, D. M., Mellacheruvu, D., Nesvizhskii, A. I. MSFragger: Ultrafast and comprehensive peptide identification in mass spectrometry-based proteomics. Nature Methods. 14 (5), 513-520 (2017).
- Frankenfield, A. M., Ni, J., Ahmed, M., Hao, L. How do protein contaminants influence DDA and DIA proteomics. bioRxiv. , (2022).
- Kuleshov, M. V., et al. Enrichr: A comprehensive gene set enrichment analysis web server 2016 update. Nucleic Acids Research. 44, 90-97 (2016).
- Szklarczyk, D., et al. STRING v11: Protein-protein association networks with increased coverage, supporting functional discovery in genome-wide experimental datasets. Nucleic Acids Research. 47, 607-613 (2019).
- Kissing, S., et al. Disruption of the vacuolar-type H+-ATPase complex in liver causes MTORC1-independent accumulation of autophagic vacuoles and lysosomes. Autophagy. 13 (4), 670-685 (2017).
- kleine Balderhaar, H. J., Ungermann, C. CORVET and HOPS tethering complexes - coordinators of endosome and lysosome fusion. Journal of Cell Science. 126 (6), 1307-1316 (2013).
- Zhang, M., Chen, L., Wang, S., Wang, T. Rab7: Roles in membrane trafficking and disease. Bioscience Reports. 29 (3), 193-209 (2009).
- Cheng, X. T., et al. Characterization of LAMP1-labeled nondegradative lysosomal and endocytic compartments in neurons. Journal of Cell Biology. 217 (9), 3127-3139 (2018).
- Eskelinen, E. -L. Roles of LAMP-1 and LAMP-2 in lysosome biogenesis and autophagy. Molecular Aspects of Medicine. 27 (5-6), 495-502 (2006).
- Sancak, Y., et al. Ragulator-rag complex targets mTORC1 to the lysosomal surface and is necessary for its activation by amino acids. Cell. 141 (2), 290-303 (2010).
- Abu-Remaileh, M., et al. Lysosomal metabolomics reveals V-ATPase- and mTOR-dependent regulation of amino acid efflux from lysosomes. Science. 358 (6364), 807-813 (2017).
- Ong, S. E., et al. Stable isotope labeling by amino acids in cell culture, SILAC, as a simple and accurate approach to expression proteomics. Molecular & Cellular Proteomics. 1 (5), 376-386 (2002).
- Tao, W. A., Aebersold, R. Advances in quantitative proteomics via stable isotope tagging and mass spectrometry. Current Opinion in Biotechnology. 14 (1), 110-118 (2003).
- Hao, L., et al. Quantitative proteomic analysis of a genetically induced prostate inflammation mouse model via custom 4-plex DiLeu isobaric labeling. American Journal of Physiology - Renal Physiology. 316 (6), 1236-1243 (2019).
- Thompson, A., et al. Tandem mass tags: A novel quantification strategy for comparative analysis of complex protein mixtures by MS/MS. Analytical Chemistry. 75 (8), 1895-1904 (2003).
- Qin, W., Cho, K. F., Cavanagh, P. E., Ting, A. Y. Deciphering molecular interactions by proximity labeling. Nature Methods. 18, 133-143 (2021).
- Go, C. D., et al. A proximity-dependent biotinylation map of a human cell. Nature. 595 (7865), 120-124 (2021).
