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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
L'ossidazione fotochimica veloce in vivo delle proteine (IV-FPOP) è una tecnica di impronta proteica radicale idrossile che consente di mappare la struttura delle proteine nel loro ambiente nativo. Questo protocollo descrive l'assemblaggio e l'impostazione del sistema di flusso microfluidico IV-FPOP.
La rapida ossidazione delle proteine (FPOP) è un metodo HRPF (Idrossil radical protein footprinting) utilizzato per studiare la struttura delle proteine, le interazioni proteina-ligando e le interazioni proteina-proteina. FPOP utilizza un laser ad eccimeri KrF a 248 nm per la fotolisi di perossido di idrogeno per generare radicali idrossili che a loro volta ossidativamente modificano catene di amminoacidi solventi accessibili. Recentemente, abbiamo ampliato l'uso di FPOP di etichettatura ossidativa in vivo in Caenorhabditis elegans (C. elegans), dal titolo IV-FPOP. I nematodi trasparenti sono stati utilizzati come sistemi modello per molte malattie umane. Studi strutturali in C. elegans di IV-FPOP sono fattibili a causa della capacità dell'animale di assorbire il perossido di idrogeno, della loro trasparenza nell'irradiazione laser a 248 nm e della natura irreversibile della modifica. L'assemblaggio di un sistema di flusso microfluidico per l'etichettatura IV-FPOP, i parametri IV-FPOP, l'estrazione di proteine e i parametri ottimizzati LC-MS/MS sono descritti nel presente documento.
L'impronta proteica abbinata alla spettrometria di massa (MS) è stata utilizzata negli ultimi anni per studiare le interazioni proteiche e i cambiamenti conformazionali. I metodi HRPF (Hydroxyl radical protein footprinting) sondano l'accessibilità dei solventi proteici modificando le catene laterali degli amminoacidi proteici. Il metodo HRPF, l'ossidazione fotochimica veloce delle proteine (FPOP)1, è stato utilizzato per sondare la struttura delle proteine in vitro2, in cell (IC-FPOP)3e più recentemente in vivo (IV-FPOP)4. FPOP utilizza un laser ad eccimeri a 248 nm per generare rapidamente radicali idrossili da fotolisi di perossido di idrogeno per formare radicali idrossili1. A loro volta, questi radicali possono etichettare 19 su 20 aminoacidi su una scala temporale di microsecondi, più velocemente di quanto le proteine possano dispiegarsi. Anche se, la reattività di ogni aminoacido con radicali idrossili si estende 1000 volte, è possibile normalizzare l'ossidazione della catena laterale calcolando un fattore di protezione (PF)5.
Poiché l'FPOP può modificare ossidativamente le proteine indipendentemente dalle loro dimensioni o sequenza primaria, si rivela vantaggioso per gli studi di proteine in cella e in vivo. IV-FPOP sonde struttura proteica in C. elegans in modo simile agli studi in vitro e in-cell4. C. elegans fanno parte della famiglia dei nematodi e sono ampiamente utilizzati come modello per studiare le malattie umane. La capacità del verme di assorbire il perossido di idrogeno mediante diffusione passiva e attiva consente lo studio della struttura proteica in diversi sistemi del corpo. Inoltre, i C. elegan sono adatti per IV-FPOP a causa della loro trasparenza alla lunghezza d'onda laser di 248 nm necessaria per FPOP6. L'accoppiamento di questo metodo alla spettrometria di massa consente l'identificazione di più proteine modificate utilizzando approcci tradizionali proteomici dal basso verso l'alto.
In questo protocollo, descriviamo come eseguire IV-FPOP per l'analisi della struttura proteica in C. elegans. Il protocollo sperimentale richiede l'assemblaggio e l'impostazione di un sistema di flusso microfluidico per IV-FPOP adattato da Konermann et al7. Dopo la IV-FPOP, i campioni vengono omogeneizzati per l'estrazione delle proteine. I campioni di proteine sono proteolizzati e i peptidi vengono analizzati dalla SM tandem del cromatografo liquido (LC), seguito dalla quantificazione.
1. C. elegans manutenzione e cultura
2. Assemblaggio del sistema a flusso microfluidico

3. Sistema di flusso microfluidico per FPOP in vivo
4. FPOP in vivo
5. Estrazione, purificazione e proteolisi proteica
6. Spettrometria di massa l2-MS/MS liquida ad alte prestazioni (LC-MS/MS)
7. Analisi dei dati

Nel sistema di flusso microfluidico utilizzato per IV-FPOP, H2O2 e i vermi sono tenuti separati fino a poco prima dell'irradiazione laser. Questa separazione elimina la rottura di H2O2 mediante catalasi endogena e altri meccanismi cellulari12. L'uso di un capillare di 250 m mostra un recupero totale del campione tra il 63-89% di due repliche biologiche, mentre il capillare 150 m i.d. mostra solo il recupero del 21-31%(Figura 3A). L'uso di un i.d. capillare più grande (250 m) porta a un migliore flusso di verme durante IV-FPOP e flusso di verme singolo (Figura 3B) rispetto a un i.d. capillare più piccolo (150 m) (Figura 3C). Il capillare 150 m non consente un singolo flusso di vermi (Figura 3C) e più vermi che scorrono insieme alla finestra di irradiazione laser che diminuisce la quantità di esposizione laser per singolo verme.
IV-FPOP è una tecnica di etichettatura covalente che sonda l'accessibilità del solvente in C. elegans. La figura 4A mostra un cromatogramma iogramma (EIC) estraito (EIC) rappresentativo di un peptide modificato e non modificato dall'FPOP. L'etichetta radicale idrossile cambia la chimica dei peptidi ossidativi modificati, rendendo così i peptidi modificati FPOP più polari. Nella cromatografia in fase inversa, i peptidi modificati IV-FPOP hanno tempi di ritenzione precedenti rispetto ai peptidi non modificati. La frammentazione MS/MS di peptidi isolati consente l'identificazione di residui ossidativi modificati (Figura 4B).
IV-FPOP ha dimostrato di modificare un totale di 545 proteine attraverso due repliche biologiche all'interno di C. elegans (Figura 5A,B). Un vantaggio di IV-FPOP come metodo di impronta delle proteine si basa sulla capacità della tecnica di modificare le proteine in una varietà di sistemi del corpo all'interno dei vermi (Figura 5C). Questo metodo permetterebbe di sondare la struttura delle proteine e le interazioni proteiche indipendentemente dal tessuto corporeo o dall'organo all'interno del verme. Inoltre, l'analisi MS in tandem conferma l'accessibilità del solvente in vivo delle sonde IV-FPOP. È stato analizzato il modello di ossidazione della proteina da shock termico 90 (Hsp90) in complesso con la proteina della miosina UNC-45 (Figura 6). L'analisi MS/MS per Hsp90 mostra che quattro residui modificati ossidativamente (Figura 6C,D), l'estensione normalizzata della modifica FPOP (ln(PF))5 indicano che il residuo M698 di Hsp90 è meno accessibile rispetto ai residui R697, E699 ed E700 quando è associato a UNC-45 (6 FigureC). Queste differenze nell'ossidazione sono convalidate da calcoli di superficie accessibile (SASA) in materia di letteratura (PDB 4I2-13). Residui M698 ha un valore SASA di 0,03 che è considerato un residuo sepolto rispetto ai residui R697, E699 ed E700 con valori SASA più elevati (Figura 6C). 14 Del sistema

come illustrato nella Figura 1. Schema del sistema di flusso microfluidico FPOP in vivo schematico. (A) Le due linee di infezione (arancione) del sistema di flusso IV-FPOP sono indicate all'interno del tubo FEP (giallo), la corretta posizione di rilegatura della resina epossidica è rappresentata dal cerchio azzurro. (B) Miscelazione completa assemblata-T formata dai tre capillari da 250 m. La posizione di rilegatura resina corretta della presa capillare al tubo FEP è rappresentata dal cerchio azzurro. (C) Il sistema completo di flusso assemblato per l'etichettatura covalente in vivo di C. elegans. Prima dell'FPOP, i vermi vengono tenuti separati da H2O2 fino a poco prima dell'etichettatura; la finestra di irradiazione laser è mostrata in azzurro e il raggio laser è rappresentato dal fulmine viola. Le cifre non sono in scala. Questa cifra è stata modificata da Espino etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

come illustrato nella Figura 2. Sistema microfluidico durante IV-FPOP. (A) Immagine rappresentativa di C. elegans all'interno della siringa da 5 mL. Senza mescolare, i vermi si depositano sul fondo della siringa (a sinistra). Gli agitatori magnetici e il blocco dell'agitatore mantengono i vermi in sospensione durante gli esperimenti IV-FPOP (a destra). (B) Immagine rappresentativa di una siringa da 5 mL, che si infonde capillare e ritira capillare collegata alla valvola 3-2. La maniglia della valvola 3-2 viene visualizzata nella posizione di ritiro. (C) Sistema di flusso microfluidico durante IV-FPOP, il blocco magnetico dell'agitatore è posizionato sopra la siringa da 5 mL dei vermi. (D) Uscita capillare fissata allo stadio di radiazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

come illustrato nella figura 3. Confronto tra flusso e recupero di C. elegans utilizzando due capillari. (A) Per cento recupero dei vermi dopo IV-FPOP per due repliche biologiche (BR) con 250 (grigio) e 150 (nero) -m i.d. capillari. Le barre di errore vengono calcolate a partire dalla deviazione standard tra i triplicati tecnici. C. elgans che scorre attraverso la finestra di irradiazione laser attraverso un 250 m (B) e 150 m (C) capillari. I vermi sono più strettamente compattati nel capillare più piccolo. I 150 m capillari mostrano l'agglomerazione dei vermi. Questa cifra è stata modificata da Espino etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

come illustrato nella Figura 4. Rappresentante LC-MS/MS dopo IV-FPOP. (A) EIC di un peptide modificato FPOP (rosso) e non modificato (blu). Il peptide selezionato appartiene alla proteina actin-1. (B) SS/MS spettro di actino-1 non modificato doppiamente caricato 317-327. (C) Lo spettro MS/MS di FPOP doppiamente caricato ha modificato il peptide actina-1 317-327, in questo esempio P323 è stato modificato ossidativamente (y5x ion, rosso). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

come illustrato nella Figura 5. IV-FPOP ossidativamente modifica le proteine all'interno di C. elegans. (A) Diagramma di Venn di proteine ossidativemente modificate in presenza di perossido di idrogeno di 200 mM a 50 Hz in due repliche biologiche (BR), BR1 è in blu e BR2 è in giallo. (B) Diagramma venn delle proteine ossidativemente modificate identificate nei campioni irradiati, nel controllo del perossido di idrogeno e nel controllo dei vermi in BR2 attraverso triplicati tecnici. (C) Grafico a torta delle proteine ossidativemente modificate all'interno di diversi sistemi del corpo C. elegans. Questa cifra è stata modificata da Espino etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

come illustrato nella Figura 6. Correlazione delle modifiche IV-FPOP all'accessibilità del solvente. (A) Proteina carperone myosina UNC-45 (grigio) (PDB ID 4I2-13) evidenziando due peptidi modificati identificati dall'analisi LC/MS/MS, 669-680 e 698-706 (verde, continso sinistro). L'UNC-45 è legato al frammento di peptide Hsp90 (blu). I residui modificati ossidativamente all'interno di questo frammento sono mostrati in bastoni (rosso) e UNC-45 viene visualizzato come una superficie (interno destro). (B) Tandem MS spettrali di unC-45 peptide 669-680 (superiore) e 698-706 (in basso) che mostrano i b- e y-ioni per la perdita di CO2, una modifica FPOP. (C) Il ln(PF) calcolato per i residui modificati ossidativi Hsp90, R697, M698, E699 ed E700. I valori SASA calcolati per Hsp90 sono indicati sopra ogni residuo. (D) Spettri Tandem MS per R697, M698, E699 ed E700 che mostrano una modifica FPOP da 16 dollari. Questa cifra è stata modificata da Espino etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Questa pubblicazione è stata scritta in parziale adempimento della tesi di dottorato JAE. Gli autori non dichiarano alcun conflitto di interessi.
L'ossidazione fotochimica veloce in vivo delle proteine (IV-FPOP) è una tecnica di impronta proteica radicale idrossile che consente di mappare la struttura delle proteine nel loro ambiente nativo. Questo protocollo descrive l'assemblaggio e l'impostazione del sistema di flusso microfluidico IV-FPOP.
Questo lavoro è stato sostenuto da fondi di start-up dell'Università del Maryland, Baltimora e dal NIH 1R01 GM 127595 assegnato a LMJ. Gli autori ringraziano il Dr. Daniel Deredge per il suo aiuto nella redazione del manoscritto.
| Provette da centrifuga coniche da 15 ml | Fisher Scientific | 14-959-53A | qualsiasi marca è sufficiente |
| Siringa a tenuta di gas da 5 ml, Luer Lock rimovibile | SGE Analytical Science | 008760 | 2 minimo |
| 60 Smembratore sonico | Fisher Scientific | FM3279 | Questo articolo non è più disponibile. Qualsiasi sonicatore a basso volume sarà sufficiente |
| Acetone, HPLC Grade | Fisher Scientific | A929-4 | 4 L quantità non è necessaria |
| Acetonitrile con 0,1% di acido formico (v/v), LC/MS Grade | Fisher Scientific | LS120-500 | |
| ACQUITY UPLC M-Class Symmetry C18 Trap Column, 100Å, 5 &; m, 180 µ m x 20 mm, 2G, V/M, 1/confezione | Waters | 186007496 | |
| ACQUITY UPLC M-Class System | Waters | ||
| Foglio di alluminio | Fisher Scientific | 01-213-100 | qualsiasi marca è sufficiente |
| Aqua 5 & micro; m C18 125 & Aring; materiale di imballaggio | Phenomenex | ||
| Centrifuga | Eppendorf | 022625501 | |
| Tergicristalli per compiti delicati | Fisher Scientific | 06-666A | |
| Ago da dissezione | Fisher Scientific | 50-822-525 | ne servono solo un paio |
| Dipiotreiotolo (DTT) | AmericanoBio | AB00490-00005 | |
| DMSO, anidro | Invitrogen | D12345 | |
| Miscela istantanea epossidica 5 minuti | Loctite | 1365868 | |
| Acido etilendiamminotetraacetico (EDTA) | Fisher Scientific | S311-100 | |
| EX350 laser ad eccimeri (lunghezza d'onda 248 nm) | GAM Laser | ||
| FEP Tubi 1/16" OD x 0,020" ID | IDEX Salute & Sciene | 1548L | |
| Acido formico, grado LC/MS | Fisher Scientific | A117-50 | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | |
| HV3-2 VALVOLA | Hamilton | 86728 | 2 minimo |
| acido cloridrico | Fisher Scientific | A144S-500 | |
| Perossido di idrogeno | Fisher Scientific | H325-100 | qualsiasi 30% il perossido di idrogeno è sufficiente |
| Iodoacetamide (IAA) | ACROS Organics | 122270050 | |
| pompa a siringa Legato 101 | KD Scientific | 788101 | |
| Luer Adapter Luer femmina a 1/4-28 Maschio Polipropilene | IDEX Salute & Sciene | P-618L | 2 minimo |
| solfato di magnesio | Fisher Scientific | M65-500 | |
| Metanolo, grado LC/MS | Fisher Scientific | A454SK-4 | 4 L quantità non è necessaria |
| Microcentrifuga | Thermo Scientific | 75002436 | |
| N,N′-Dimethylthiourea (DMTU) | ACROS Organics | 116891000 | |
| Manicotto NanoTight Verde 1/16" ID x .0155" ID x1.6"' | IDEX Salute & Sciene | F-242X | |
| NanoTight Sleeve Giallo 1/16" OD x 0.027" ID x 1.6" | IDEX Salute & Sciene | F-246 | |
| N-terz-butil-alfa;-fenilnitrone (PBN) | ACROS Organics | 177350250 | |
| OmniPur Fenilmetilsulfonilfluoruro (PMSF) | Sigma-Aldrich | 7110-OP | qualsiasi inibitore della proteasi è sufficiente |
| Orbitrap Fusion Lumos Tribrid Mass Spectrometer | Thermo Scientific | altri strumenti ad alta risoluzione (ad es. Q exactive, Orbitrap o Orbitrap Fusion) può essere utilizzato | |
| PE50-C contatore di energia piroelettrica | Ophir Optronics | 7Z02936 | |
| Pierce Quantitative Colorimetric Peptide Ssay | Thermo Scientific | 23275 | |
| Pierce Rapid Gold BCA Protein Assay Kit | Thermo Scientific | A53225 | |
| Pierce Trypsin Proteasi, MS Grade | Thermo Scientific | 90058 | |
| Polymicro Pietra da taglio, 1" x 1" x 1/32" | Molex | 1068680064 | qualsiasi tagliatubi capillare è sufficiente |
| Tubo capillare in silice fusa flessibile Polymicro, diametro interno 250µ m, diametro esterno 350µ m, TSP250350 | Polymicro Technologies | 1068150026 | |
| Tubo capillare flessibile in silice fusa Polymicro, diametro interno 450µ m, diametro esterno 670µ m, TSP450670 | Polymicro Technologies | 1068150625 | |
| Tubo capillare flessibile in silice fusa Polymicro, diametro interno 75µ m, diametro esterno 375µ m, TSP075375 | Polymicro Technologies | 1068150019 | |
| Fosfato di potassio monobasico | Fisher Scientific | P382-500 | |
| Proteome Discover (software di proteomica dal basso verso l'alto) | Thermo Scientific | OPTON-30799 | |
| Agitatore rotante magnetico a rotelle | V& P Scientifico, Inc. | VP 710D3 | |
| Agitatore rotante magnetico a rotazione, kit di accessori per l'uso con pompe a siringa | V& P Scientifico, Inc. | VP 710D3-4 | |
| Forbici | Fisher Scientific | 50-111-1315 | tutte le forbici sono sufficienti |
| Nastro per etichette autoadesive | Fisher Scientific | 15937 | un rotolo è sufficiente |
| Snap-Cap Microcentrifuge Flex-Tube Tubes | Fisher Scientific | 05-402 | qualsiasi marca è sufficiente |
| Cloruro di sodio | Fisher Scientific | S271-500 | |
| Sodio Dodecil Solfato (SDS) | Fisher Scientific | 15-525-017 | |
| Sodio Fosfato Eptaidrato bibasico | Fisher Scientific | S373-500 | |
| Stereomicroscopio zoom | Fisher Scientific | 03-000-014 | una lente d'ingrandimento è sufficiente |
| Super Flangeless Ghiera con anello SST, Tefzel (ETFE), 1/4-28 a fondo piatto, per 1/16" OD | IDEX Salute & Sciene | P-259X | |
| Dado senza flangia PEEK 1/4-28 a fondo piatto, per 1/16" e 1/32" OD | IDEX Salute e Dischi di agitazione Sciene | P-255X | |
| Super Tumble, diametro 3,35 mm, spessore 0,61 mm | V& P Scientifico, Inc. | VP 722F | |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP152-500 | |
| Piastra di base universale, 2,5" x 2,5" x 3/8" | Thorlabs Inc. | UBP2 | |
| Urea | Fisher Scientific | U5378 | |
| VHP Raccordo MicroTight per 360µ m OD | IDEX Salute & Sciene | UH-436 | 2 |
| minimo Acqua con 0,1% di Acido Formico (v/v), LC/MS Grado | Fisher Scientific | LS118-500 | |
| Acqua, LC/MS Grado | Fisher Scientific | W6-4 |