$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
שינויים פוסט-תרגומיים של חלבונים (PTMs) ממלאים תפקיד מרכזי בוויסות מבני חלבונים וכתוצאה מכך בתפקודם ובתהליכים ביולוגיים במורד הזרם. המגוון של הפרוטאום האנושי גדל באופן אקספוננציאלי בשל השונות הקומבינטורית הניתנת על ידי PTMs שונים. גרסאות שונות של חלבונים מהרצפים הקאנוניים שלהם כפי שנחזה על ידי הגנום ידועות בשם פרוטאופורמים, ופרוטאופורמים רבים נובעים מ- PTMs1. חקר מגוון הפרוטאופורמים בבריאות ובמחלות הפך לתחום מחקר בעל עניין רב בשנים האחרונות 2,3.
המחקר של פרוטאופורמים וליתר דיוק PTMs עם עומק רב הפך facile יותר באמצעות פיתוח של ספקטרומטריית מסה (MS) מבוסס שיטות פרוטאומיקה מבוססות. באמצעות טרשת נפוצה, האנליטים מיוננים, מקוטעים ומזהים על סמך m/z של שברים. שיטות העשרה נחוצות לעתים קרובות בשל השפע היחסי הנמוך של PTMs בהשוואה לצורות חלבונים שלא שונו. אף על פי שניתוח של חלבונים שלמים וה-PTMs שלהם, הנקראים ניתוחים מלמעלה למטה, הפכו לשגרתיים יותר, העיכול האנזימטי של חלבונים וניתוח הפפטידים המרכיבים אותם באנליזות מלמטה למעלה הוא עדיין המסלול הנפוץ ביותר לניתוח PTM. שני ה-PTMs הנחקרים ביותר, ושני ה-PTMs הנפוצים ביותר ב-vivo, הם גליקוזילציה וזרחון4. שני PTMs אלה ממלאים תפקידים מרכזיים באיתות וזיהוי תאים ולכן הם שינויים חשובים שיש לאפיין בחקר מחלות.
התכונות הכימיות של PTMs שונים מספקות לעתים קרובות נתיבים לקראת העשרה של PTMs אלה ברמות החלבון והפפטידים לפני הניתוח. גליקוזילציה היא PTM הידרופילי בשל שפע של קבוצות הידרוקסיל על כל חד-סוכר. ניתן להשתמש בתכונה זו כדי להעשיר את הגליקופפטידים בכרומטוגרפיה של אינטראקציה הידרופילית (HILIC), שיכולה להפריד בין גליקופפטידים הידרופיליים יותר לבין הפפטידים ההידרופוביים שאינם מהונדסים5. פוספורילציה מוסיפה את הפוספט מואטי, אשר נטען שלילית למעט ב- pH חומצי. בשל מטען זה, ניתן להשתמש בקטיונים שונים של מתכות, כולל טיטניום, כדי למשוך ולקשור פוספופפטידים בזמן שמינים שאינם זרחניים נשטפים. זהו העיקרון של כרומטוגרפיית זיקה מתכתית משותקת (IMAC). דיונים נוספים על אסטרטגיות העשרה אלה ואחרות לגליקוסילציה וזרחון ניתן למצוא בסקירות אחרונות 6,7.
כמויות גדולות יחסית של חומר פפטידי מתחיל (0.5 מ"ג או יותר) נחוצות לעתים קרובות לפרוטוקולי העשרה בשל הסטויכיומטריה הנמוכה של PTMs על פפטידים. בתרחישים שבהם כמות זו של דגימה עשויה שלא להתקבל בקלות, כגון ביופסיה של ליבת הגידול או ניתוחי נוזל מוחי, כדאי להשתמש בתהליכי עבודה של facile המביאים למידע ביומולקולרי מרבי. אסטרטגיות אחרונות שפותחו על ידי המעבדה שלנו ואחרות הדגישו את הניתוח הבו-זמני והמקביל של גליקוזילציה וזרחון באמצעות אותה זרימת עבודה להעשרת PTM 8,9,10,11,12. אף על פי שהתכונות הכימיות של שני PTMs אלה עשויות להיות שונות, ניתן לנתח PTMs אלה במספר שלבים בשל טכניקות ההפרדה והחומרים החדשניים שבהם נעשה שימוש. לדוגמה, כרומטוגרפיית של דחייה אלקטרוסטטית-הידרופילית (ERLIC) מכסה הפרדות המבוססות על אינטראקציות הידרופיליות בין אנליטים לבין הפאזה הניידת עם אינטראקציות מטען-מטען בין אנליטים לבין חומר הפאזה הנייח 13,14,15,16. ב-pH חומצי, המשיכה של פפטידים זרחניים לשלב הנייח יכולה לשפר את שימורם וההפרדה שלהם מפפטידים שאינם מהונדסים. ניתן להשתמש בחומר המורכב מ-Ti(IV) המשותק במיקרו-ספירות הידרופיליות עבור אלוטיון מבוסס HILIC ו-IMAC כדי להפריד בין פוספופפטידים לבין גליקופפטידים ניטרליים, חומציים וזרחניים מנוז-6-זרחוניים 17,18. אסטרטגיה זו ידועה בשם Ti(IV)-IMAC דו-פונקציונלי. שימוש באסטרטגיות אלה להעשרת מספר PTMs בתהליך עבודה יחיד יכול להפוך ניתוחים של אינטראקציות פוטנציאליות של PTM crosstalk לנגישים יותר. בנוסף, סך כל דרישות כמות המדגם והזמן נמוך משיטות ההעשרה המקובלות כאשר הן מבוצעות במקביל (כלומר, HILIC ו- IMAC על אליקוטים מדגמיים נפרדים).
כדי להדגים את אסטרטגיית Ti(IV)-IMAC הדו-תפקודית לניתוח סימולטני של גליקוסילציה וזרחון של חלבונים, יישמנו אותה כדי לנתח רקמות לבלב אנושיות לאחר המוות. הלבלב מייצר גם אנזימי עיכול וגם הורמונים מווסתים, כולל אינסולין וגלוקגון. תפקוד הלבלב נפגע במחלת הלבלב. בסוכרת, הרגולציה של רמת הסוכר בדם מושפעת, מה שמוביל לרמות גבוהות יותר של גלוקוז בדם. בדלקת הלבלב, דלקת נובעת מעיכול אוטומטי של האיבר3. שינויים בפרופילי PTM, כולל גליקוזילציה וזרחון, עלולים לגרום, כפי שקורה לעתים קרובות, למחלות אחרות.
כאן אנו מתארים פרוטוקול לשיטת העשרה סימולטנית מבוססת ספין-טיפ, המבוססת על אסטרטגיית Ti(IV)-IMAC דו-תפקודית, עבור N-גליקופפטידים ופוספופפטידים המופקים מחלבונים המופקים מרקמת הלבלב. הפרוטוקול כולל מיצוי ועיכול של חלבונים, העשרה, איסוף נתונים של טרשת נפוצה ועיבוד נתונים, כפי שניתן לראות באיור 1. נתונים מייצגים ממחקר זה זמינים באמצעות קונסורציום ProteomeXchange עם מזהה PXD033065.

איור 1: זרימת עבודה לניתוח סימולטני של N-גליקופפטידים ופוספופפטידים מרקמות הלבלב האנושיות. הרקמות עוברות תחילה לאבקה דקה לפני מיצוי החלבון באמצעות חומר הניקוי נתרן דודציל סולפט (SDS). חלבונים נתונים לאחר מכן לעיכול אנזימטי. הפפטידים המתקבלים עוברים קרדיט לפני ההעשרה באמצעות Ti(IV)-IMAC דו-תפקודי. הנתונים הגולמיים נאספים באמצעות ספקטרומטריית כרומטוגרפיה-מסה נוזלית ננומטרית בקנה מידה הפוך הפוך (nRPLC-MS) ומנותחים באמצעות תוכנת חיפוש מסד נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
פרוטוקול זה נועד להפוך את ניתוחי ה-PTM לנגישים יותר ולאפשר ניתוח נרחב יותר של מספר PTMs באותה זרימת עבודה. פרוטוקול זה יכול להיות מיושם על מטריצות ביולוגיות מורכבות אחרות, כולל תאים וביופילודים.