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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Presentiamo un metodo per la purificazione, il rilevamento e l'identificazione di peptidi diGly che provengono da proteine ubiquitinate da campioni biologici complessi. Il metodo presentato è riproducibile, robusto e supera i metodi pubblicati rispetto al livello di profondità dell'analisi dell'ubiquitinome.
La modifica post-traduzionale delle proteine da parte della piccola ubiquitina proteica è coinvolta in molti eventi cellulari. Dopo la digestione trittica delle proteine ubiquitinate, i peptidi con un residuo di diglycine coniugato al gruppo di amminomido epsilon della lisina ('K-z-diglycine' o semplicemente 'diGly') possono essere utilizzati per rintracciare il sito di modifica originale. L'immunopurificazione efficiente dei peptidi diGly combinata con il rilevamento sensibile mediante spettrometria di massa ha portato a un enorme aumento del numero di siti di ubiquitinazione identificati fino ad oggi. Abbiamo apportato diversi miglioramenti a questo flusso di lavoro, tra cui la frazione offline ad alta fase inversa di peptidi prima della procedura di arricchimento e l'inclusione di impostazioni di frammentazione peptide più avanzate nel multipolo di routing io. Inoltre, la pulizia più efficiente del campione utilizzando un tappo basato su filtro al fine di mantenere le perline anticorpali si traduce in una maggiore specificità per i peptidi diGly. Questi miglioramenti si traducono nella rilevazione di routine di più di 23.000 peptidi diGly da cellule tumorali cervicali umane (HeLa) lismi cellulari su inibizione proteasoso nella cellula. Mostriamo l'efficacia di questa strategia per un'analisi approfondita dei profili ubiquitinomi di diversi tipi di cellule e di campioni in vivo, come il tessuto cerebrale. Questo studio presenta un'originale aggiunta alla cassetta degli attrezzi per l'analisi dell'ubiquitinazione delle proteine per scoprire l'ubiquitimo cellulare profondo.
La coniugazione dell'ubiquitina alle proteine le segna per la degradazione da parte del proteasome ed è un processo cruciale nella proteostasi. Il gruppo carboxyl c-terminale di ubiquitina forma un legame isopeptide con la lisina-aminogruppo della proteina bersaglio1,2. Inoltre, l'ubiquitina può essere collegata ad altri moduli di ubiquitina, con conseguente formazione di strutture omogenee (cioè, K48 o K11) o ramificate (cioè strutture di polianiquitina eterogenee o miste)1,3. La funzione più nota dell'ubiquitina è il suo ruolo nella degradazione proteasomica, mediato dalla poliubiquitina legata al K48. Tuttavia, è diventato chiaro che sia la mono- che la poliubiquitinazione svolgono anche ruoli in molti processi che sono indipendenti dalla degradazione da parte del proteasome. Per esempio, le catene legate al K63 hanno ruoli non degradanti nel traffico intracellulare, nella degradazione lsosomica, nella segnalazione della chinasi e nella risposta al danno del DNA4,5. Gli altri sei tipi di collegamento sono meno abbondanti e i loro ruoli sono ancora in gran parte enigmatici, anche se stanno emergendo le prime indicazioni sulle loro funzioni nella cellula, in gran parte a causa dello sviluppo di nuovi strumenti per consentire il rilevamento specifico del collegamento6,7.
La spettrometria di massa è diventata uno strumento indispensabile per le analisi del proteoma e al giorno d'oggi migliaia di proteine diverse da praticamente qualsiasi fonte biologica possono essere identificate in un singolo esperimento. Un ulteriore strato di complessità è presentato da modifiche post-traduzionali (PTM) di proteine (ad esempio, fosforolalazione, metilazione, acetilazione e ubiquitinazione) che possono modulare l'attività delle proteine. L'identificazione su larga scala delle proteine che portano il PTM è stata resa possibile anche dagli sviluppi nel campo della spettrometria di massa. La stoichiometria relativamente bassa dei peptidi con PTM rispetto alle loro controparti non modificate presenta una sfida tecnica e le fasi di arricchimento biochimico sono generalmente necessarie prima dell'analisi della spettrometria di massa. Negli ultimi due decenni, sono stati sviluppati diversi metodi di arricchimento specifici per l'analisi dei PTM.
A causa dei molteplici ruoli dell'ubiquitinazione proteica nella cellula, c'è una grande domanda per lo sviluppo di metodi analitici per il rilevamento di siti di ubiquitinazione sulle proteine8. L'applicazione di metodi spettrometrici di massa ha portato ad un'esplosione del numero di siti di ubiquitinazione identificati nelle proteine della mosca della frutta, del topo, dell'uomo e del lievito9,10,11,12,13,14. Un passo importante è stato rappresentato dallo sviluppo di strategie di arricchimento basate sull'immunoprecipitazioni a livello di peptide utilizzando anticorpi diretti contro il motivo residuo di K-e-GG (chiamato anche 'diglycine' o 'diGly'). Questi peptidi diGly sono prodotti sulla digestione di proteine ubiquitinate utilizzando la trypsina come proteasi15,16.
Qui, presentiamo un flusso di lavoro ottimizzato per arricchire per peptidi diGly utilizzando l'immunopurificazione e la successiva rilevazione da parte della spettrometria di massa Orbitrap. Utilizzando una combinazione di diverse modifiche dei flussi di lavoro esistenti, specialmente nelle fasi di preparazione del campione e spettrometria di massa, ora possiamo identificare regolarmente più di 23.000 peptidi diGly da un singolo campione di cellule HeLa trattate con un proteasome inibitore e 10.000 dollari da cellule HeLa non trattate. Abbiamo applicato questo protocollo a lisati sia da etichettatura isotoma sia non etichettata che stabile con aminoacidi nella coltura cellulare (SILAC) etichettati cellule HeLa così come a campioni endogeni come il tessuto cerebrale.
Questo flusso di lavoro presenta una preziosa aggiunta al repertorio di strumenti per l'analisi dei siti di ubiquitinazione al fine di scoprire il profondo ubiquitinome. Il protocollo seguente descrive in dettaglio tutti i passaggi del flusso di lavoro.
Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dall'Institutional Animal Care and Use Committee (EDC) di Erasmus MC.
1. Preparazione del campione
2. Frazione di peptidi offline
3. Nanoflow LC-MS/MS
4. Analisi dei dati
Le proteine ubiquitinate lasciano un residuo di diglicina 114.04 Da sul residuo lisina bersaglio quando le proteine vengono digerite con la trypsina. La differenza di massa causata da questo motivo è stata usata per riconoscere inmodo inequivocabile il sito di ubiquitinazione in un esperimento di spettrometria di massa. La strategia che qui descriviamo è un metodo all'avanguardia per l'arricchimento e la successiva identificazione dei peptidi diGly da parte del nanoflusso LC-MS/MS (Figura 1A). In questo studio, sia le cellule coltivate che il materiale in vivo sono stati utilizzati come fonte biologica di proteine, ma questo protocollo è compatibile con qualsiasi fonte di proteine. Seguendo i passaggi del protocollo dovrebbe essere semplice identificare 10.000-25.000 peptidi diGly da 2-20 mg di ingresso proteico. Per aumentare l'estensione dell'ubiquitinazione proteica nelle cellule, un inibitore proteasoso come bortezomib o MG132 può essere aggiunto poche ore prima della raccolta delle cellule. Se non è stato utilizzato alcun inibitore proteaso, il numero di peptidi identificati diGly tendeva ad essere significativamente più basso (30-40%).
Abbiamo apportato diversi miglioramenti ai protocolli esistenti. In primo luogo, viene eseguita una frazione grezza in tre frazioni basate sulla cromatografia a fase invertita e sulla successiva eluizione ad alta pH per ridurre la complessità della miscela di peptidi. Queste frazioni mostrano una sovrapposizione molto bassa nelle identificazioni dei peptidi e dovrebbero essere identificati numeri comparabili di peptidi diGly per frazione (Figura 2). Questo si traduce in un elevato numero di peptidi diGly unici identificati in ciascuna di queste frazioni. È importante sottolineare che una delle frazioni (in genere la seconda) deve contenere il digtico tryptic diGly peptide lIFAGK(GG)QLEDGR (m/z 730.39) modificato di ubiquitina. Questo è di gran lunga il peptide più abbondante nella frazione immunoprecipitata ed è caratterizzato dal picco intenso e largo nel cromatogramma LC (Figura 1B). Questo è un picco cromatografico di riferimento e se è assente dal cromatogramma l'IP è stato molto probabilmente infruttuoso.
Un altro miglioramento è l'adattamento della procedura di analisi DDA è il multipolo di instradamento iotone nello spettrometro di massa. Nell'acquisizione convenzionale n dipendente dai dati (DDA), i picchi N dello spettro MS1 sono selezionati per la frammentazione. Questo schema di frammentazione inizia prima con il picco di intensità più alta, seguito dal picco della seconda intensità più alta e così via. In uno schema di frammentazione alternativo, il picco meno intenso viene selezionato per primo, seguito dal secondo picco meno intenso, ecc. La logica alla base di questo ordine di selezione è che ci sia tempo sufficiente per frammentare anche peptidi abbondanti molto bassi. Infatti, abbiamo scoperto che il numero di identificazioni di peptidi aumenta quando le corse DDA "più alte prime" e "più basse prima" sono state combinate rispetto a un'analisi LC-MS duplicata con impostazioni DDA standard (cioè, prima la più alta). Per una profilazione onnitecnica più completa, si raccomanda pertanto di combinare le esecuzioni LC-MS con regimi di frammentazione "primo più alto" e "primo più basso" nella procedura di analisi dei dati. Questa strategia "più basso prima" può produrre più di 4.000 ulteriori peptidi diGly unici, che non sono stati rilevati quando è stato utilizzato solo il regime DDA convenzionale (Figura 2).
Infine, ip aggiuntivi del flusso attraverso dopo il primo IP in grado di produrre un altro 2.500 peptidi diGly unici da 2.500 dollari (Figura 2).
Gli articoli della letteratura sulla profilazione dell'ubiquitinazione riportano in genere circa 10.000 peptidi diGly identificati12,21. Qui, di tutti i peptidi diGly identificati su tre schermi di replica biologica, >9,000 erano presenti in tutti e tre, mentre >17.000 erano presenti in almeno due repliche su tre (Figura 3). Tipicamente, seguendo il protocollo descritto qui si dovrebbe identificare >21,000 peptidi diGly unici da un campione di proteine 15-20 mg utilizzando un lotto standard di perline anticorpali CST. In termini di purezza e selettività, il rapporto tra peptidi diGly identificati e peptidi non modificati dovrebbe sempre essere >0.5. Il numero di identificazioni di peptidi diGly dipendeva fortemente dalla quantità di materiale di input proteico. Un IP eseguito con solo 1 mg di materiale di input ha prodotto circa 2.500 identificazioni di peptidi di diG, mentre con 10 mg di materiale di input proteico >15,000 identificazioni peptide diGly sono stati prodotti. La tabella 1 elenca il numero previsto di peptidi diGly identificati per ogni condizione. Va notato che questi numeri sono solo stime e dipendono dal tipo di spettrometro di massa utilizzato. La figura 4 mostra la sovrapposizione tra le identificazioni dei peptidi diGly con quantità di materiale di input basso, medio e elevato.
Per illustrare il valore aggiunto dei miglioramenti per l'analisi del sito di ubiquitinazione descritti in precedenza, abbiamo anche eseguito un'analisi quantitativa onnipresente delle cellule HeLa con etichetta SILAC che sono state trattate con l'inibitore proteasome bortezomib rispetto alle cellule di controllo non trattate in un saggio di scambio di etichette duplicate. Più della metà (>55%) di tutti i peptidi identificati nell'eluato su IP erano peptidi diGly. Sono stati identificati oltre 19.000 peptidi diGly unici, che è solo leggermente inferiore rispetto a un campione con etichetta non-SILAC. La ragione di questo può essere la maggiore complessità degli spettri MS1 in un saggio SILAC a causa della presenza di coppie di picco peptide. Nell'analisi SILAC sono state osservate differenze relativamente grandi tra il numero di peptidi diGly che sono stati identificati esclusivamente nella condizione di avanzamento (cioè, bortezomib trattavano le cellule nel canale pesante, le cellule di controllo nel canale luminoso) e quelle identificate esclusivamente nella condizione inversa (cioè le cellule trattate bortezomib nel canale luminoso, le cellule di controllo nel canale pesante), in questo caso 1.752 contro 6.356 (Tabella supplementare 1). Durante l'utilizzo del software MaxQuant in modalità "molteplicità n. 2" (cioè SILAC a due canali), 7.555 peptidi diGly sono stati identificati con intensità zero nel canale pesante (praticamente tutti in arrivo nell'esperimento inverso) e un valore di intensità non zero nel canale leggero. Al contrario, nessun singolo peptide diGly è stato identificato con un valore di intensità diverso da zero nel canale pesante accompagnato da un valore di intensità zero nel canale luminoso. Quando un'analisi MaxQuant sullo stesso set di dati è stata eseguita in modalità "multiplicità 1" con la moiety diGly e l'amminoacido etichettato combinati in una singola modifica variabile, sono state identificate molte varianti pesanti diGly peptide, anche quando non è stata rilevata alcuna controparte leggera di quel peptide. La spiegazione più probabile per questo è l'incapacità del software di far fronte con l'identificazione di peptidi diGly che sono presenti esclusivamente nel canale pesante. Questo fenomeno è probabile che si verifichi ampiamente, perché l'inibizione del proteasoso inattiverà la formazione di nuovi siti di ubiquitinazione. Spuntando la casella di controllo dell'opzione "riquanti" in MaxQuant, che è stato sviluppato per affrontare questi problemi e dovrebbe risolvere questo problema, sembra essere insufficiente per evitare questo problema completamente. Ovviamente, la maggior parte dei peptidi diGly sono stati upregulated o formati de novo sulla base di inibizione proteasoso, perché oltre due terzi del pool di peptidi hanno rapporti H:L di almeno 1,5 (Figura 5B).
Infine, abbiamo applicato questo metodo di analisi del sito di ubiquitinazione a un campione di tessuto in vivo. Per valutare l'efficacia, abbiamo estratto circa 32 mg di proteine dal cervello di topo fresco (10% del peso del tessuto bagnato è proteina). Il materiale cerebrale non è stato trattato con inibitori proteasosi o qualsiasi altro reagente che potrebbe aumentare l'ubiquitenza proteica complessiva. Da questo esempio sono stati identificati 10.871 peptidi diGly univoci (Tabella supplementare 2). Tutti i peptidi diGly identificati in questo tessuto hanno avuto origine da siti endogeni di ubiquitinazione in una situazione stabile. Non è stato imposto alcun trattamento per aumentare l'ubiquitenza globale (ad esempio, l'inibizione proteasosa). Ipotizziamo quindi che questi siti di ubiquitinazione provengano almeno in parte da (polio)ubiquitinazione coinvolti in eventi di segnalazione cellulare mediati non proteasome, che è in accordo con le idee proposte nella letteratura5,16,22.
In conclusione, il metodo qui descritto consente l'esplorazione approfondita dell'onnipresente in modo riproducibile. Per una panoramica dei risultati tipici ottenuti con questa procedura si veda Van Der Wal etal.

Figura 1: Panoramica sperimentale. (A) Panoramica dell'approccio sperimentale. I campioni sono stati preparati, trippsinizzati e frazionati in tre frazioni utilizzando la cromatografia a fase inversa con elevata eluzione di pH. Un lotto di perline commerciali di anticorpi peptidi è stato diviso in sei frazioni uguali e le tre frazioni di peptidi sono state poi caricate su tre delle frazioni di perline. I peptidi diGly sono stati immunopuri, eluiti e raccolti, e il flusso è stato successivamente trasferito alle tre frazioni di perline fresche rimanenti. I peptidi diGly raccolti sono stati analizzati dalla spettrometria di massa su uno spettrometro di massa Lumos Orbitrap secondo uno schema a due livelli che combina un ciclo in cui i picchi più intensi sono stati selezionati per la prima volta per la frammentazione e il ciclo successivo in cui sono stati selezionati per primi i picchi di peptide meno intensi. Il set completo di esecuzioni nLC-MS/MS è stato quindi analizzato utilizzando MaxQuant. (B) Una delle frazioni dovrebbe contenere il k48 modificato trittico l'IFapcE LIFAGK(GG)QLEDGR (m/z 730.39). Questo è di gran lunga il peptide più abbondante nella frazione immunoprecipitata ed è stato caratterizzato dal picco intenso e largo nel cromatogramma LC tra 50-55 min su un gradiente di 120 min. Se questo picco di riferimento è assente dal cromatogramma, il PI è stato molto probabilmente infruttuoso. Questa cifra è stata modificata da Van Der Wal et al.23. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Numero di peptidi diGly rilevati per ciascuna delle tre fasi di miglioramento. (A) Effetto della frazione grezza prima dell'immunoprecipitazioni. Viene mostrata la sovrapposizione tra le popolazioni di peptidi identificate nelle tre frazioni separate. (B) Effetto della prima e della seconda procedura di incubazione. (C) Risultati del regime di frammentazione del peptide rettificato. Questa cifra è stata modificata da Van Der Wal et al.23. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Peptidi DiGly rilevati in tre repliche biologiche di cellule trattate bortezomib che mostrano la quantità di sovrapposizione tra le corse. Questa cifra è stata modificata da Van Der Wal et al.23. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Sovrapposizione dei peptidi diGly identificati da analisi con quantità di ingresso proteiche basse (4 mg), medie (10 mg) e elevate (40 mg) di ingresso proteico totale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Rilevamento di peptidi diGly nelle cellule etichettate SILAC. (A) I numeri di peptidi rilevati nelle condizioni avanti e inversa del SILAC hanno etichettato le celle HeLa per le impostazioni di molteplicità 1 e 2. (B) Grafico a dispersione dei rapporti SILAC diGly peptidi nel trattamento delle cellule HeLa di Bortezomib (Btz). Vengono mostrati solo i peptidi che sono stati identificati e quantificati in esperimenti sia in avanti che in verseta. Questa cifra è stata modificata da Van Der Wal et al.23. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Condizione | Quantità di materiale di input (mg) | Numero previsto di peptidi diGly identificati |
| Cellule HeLa non trattate | 10 | 7,500 |
| L'inibitore proteasoso ha trattato le cellule HeLa | 1 | 2,500 |
| 2 | 5,000 | |
| 10 | 15,000 | |
| 20 | 20,000 | |
| 40 | >25.000 | |
| Tessuto (cervello del topo) | 30 | >10.000 |
Tabella 1: Numero previsto di identificazioni di peptidi che si aspettano per diverse condizioni. Questi numeri sono solo stime e dipendono dalle impostazioni sperimentali utilizzate.
Tabella supplementare 1. Fare clic qui per visualizzare questa tabella (fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare).
Tabella supplementare 2. Fare clic qui per visualizzare questa tabella (fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare).
Gli autori non dichiarano alcun conflitto di interessi.
Presentiamo un metodo per la purificazione, il rilevamento e l'identificazione di peptidi diGly che provengono da proteine ubiquitinate da campioni biologici complessi. Il metodo presentato è riproducibile, robusto e supera i metodi pubblicati rispetto al livello di profondità dell'analisi dell'ubiquitinome.
Questo lavoro fa parte del progetto "Proteins at Work", un programma del Centro di Proteomica dei Paesi Bassi finanziato dall'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO) nell'ambito della National Roadmap Large-Scale Research Facilities (numero di progetto 184.032.201 ).
| 1,4-Ditioeritritolo | Sigma-Aldrich | D8255 | |
| 3M Empore C18 Dischi ottadecilici | Supelco | 66883-U | prodotto fuori produzione presso Supelco; CDS Analytical è il nuovo produttore (https://www.cdsanalytical.com/empore) |
| Formiato di ammonio | Sigma-Aldrich | 70221 | |
| Bortezomib | UBPbio | ||
| CSH130 resina, 3,5 μ m, 130 & Aring; | Waters | ||
| Dimetilsolfossido (DMSO) | Sigma-Aldrich | 34869 | |
| DMEM | ThermoFisher | ||
| EASY-nanoLC 1200 | ThermoFisher | ||
| FBS | Gibco | ||
| GF/F tappo filtro | Whatman | 1825-021 | |
| Iodoacetamide | Sigma-Aldrich | I6125 | |
| Lisina, Arginina | Sigma-Aldrich | ||
| Lisina-8 (13C6; 15N2), Arginina-10 (13C6; 15N4)Cambridge | Isotope Laboratories | ||
| Lysyl Endopeptidase(LysC) | Wako Pure Chemicals | 129-02541 | |
| Forno NanoLC | Design MPI, MS Wil GmbH | ||
| N-Lauroylsarcosine sale sodico | Sigma-Aldrich | L-5125 | |
| Orbitrap Fusion Spettrometro di massa Lumos | ThermoFisher | ||
| Kit per il dosaggio delle proteine BCA Pierce | ThermoFisher / Pierce | 23225 | |
| PLRP-S (300 Å, 50 &; m) particelle polimeriche a fase inversa | Agilent Technologies | PL1412-2K01 | |
| PTMScan Ubiquitina Remnant Motif (K-ε-GG) Kit | Cell Signaling Technologies | 5562 | |
| Sep-Pak tC18 6 cc Vac Cartridge | Waters | WAT036790 | Rimuovere il materiale tC18 dalla cartuccia prima di riempire la cartuccia con PLRP-S |
| Sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | 30970 | |
| Tris-base | Sigma-Aldrich | T6066 | |
| Tris-HCl | Sigma-Aldrich | T5941 | |
| Tripsina, Trattato TPCK | ThermoFisher | 20233 |