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Gli istoni sono proteine di base che regolano la struttura della cromatina interagendo con il DNA sotto forma di ottameri costituiti dai quattro istoni principali (due ciascuno di H2A, H2B, H3 e H4)20. Gli istoni contengono numerosi residui di lisina e arginina, che vengono prontamente modificati, portando a PTM estesi che alterano la chimica della cromatina influenzando la funzione degli istoni o legandosi ad altre proteine cellulari21. I PTM possono suscitare risposte biologiche lavorando in tandem, con gruppi specifici di PTM che sono stati segnalati in diverse malattie, in particolare diversi tipi di cancro22.
Quando il danno al DNA viene riconosciuto a livello cellulare, è immediatamente seguito dall'azione di una complessa cascata di segnalazione in cui le lesioni sono marcate, seguita dal coordinamento della progressione del ciclo cellulare e dall'attivazione delle vie di riparazione richieste. Inoltre, il danno al DNA induce varie modificazioni, come gli addotti acetilici e metilici, che facilitano il reclutamento proteico23. La grande varietà di PTM che sono coinvolti nelle lesioni del DNA porta a chiedersi come questi meccanismi molecolari ne regolano la coesistenza e quale sia l'importanza funzionale di difendere l'integrità del genoma attraverso una rete integrata estremamente complessa. Ad esempio, la trimetilazione della lisina 9 dell'istone H3 (H3K9me3) è stata collegata a diverse patologie in varie malattie24. Per questi motivi, è necessario sviluppare metodologie analitiche strumentali che permettano la completa caratterizzazione di queste modificazioni a livello cellulare23.
L'analisi delle estrazioni di istoni HeLa S3 utilizzando un software di analisi manuale dei dati e un software di analisi proteomica ha rivelato PTM, tra cui acetilazione (+42,01 Da), metil-propionilazione (+70,04 Da), dimetilazione (+28,03 Da) e trimetilazione (+42,05) per diverse proteine istoniche. Inoltre, il metodo MS/MS basato su PASEF è stato in grado di differenziare alcuni peptidi isomerici posizionali che trasportano gli stessi PTM.
Nell'introduzione, vengono brevemente descritti i vantaggi dell'accoppiamento di LC-TIMS-TOF MS/MS nello studio dei PTM per mostrare i recenti sviluppi della DDA utilizzando l'accumulo parallelo nella trappola di mobilità seguito dalla frammentazione sequenziale e dalla dissociazione indotta dalla collisione. L'idea principale è quella di stabilire una metodologia che consenta la risoluzione di segnali provenienti da diversi peptidi e che, fino ad ora, le tecniche classiche non sono state in grado di risolvere. Il processo di derivatizzazione che utilizza l'anidride propionica impedisce la scissione dei terminali C della lisina da parte della tripsina, generando peptidi più lunghi e informativi. I peptidi con lo stesso m/z e lo stesso tempo di ritenzione sono stati identificati dai loro modelli di frammentazione, ma si è anche visto che alcune di queste specie potevano essere separate nel dominio della mobilità utilizzando questo metodo LC-TIMS-PASEF-ToF MS/MS.
Per comprendere meglio questo concetto, la Figura 8 rappresenta tre caratteristiche principali di ogni molecola, permettendo così l'identificazione di un composto, siano essi proteine, lipidi o peptidi intatti (in questo caso, l'istone H3 18-26), per citare alcuni esempi. Queste caratteristiche includono il tempo di ritenzione (min) di un composto nella colonna cromatografica, il rapporto massa-carica (m/z) di ciascun composto e la mobilità (1/Ko) che questi composti presentano quando interagiscono con il gas alla deriva. Nella Figura 8A, il peptide H3 18-26 non modificato ha un RT di 28,15 min e che presenta due bande nel suo spettro di mobilità, indicando che ha almeno due conformazioni, un risultato che si sospetta sia il risultato delle due lisine (18 e 23) che sono state propionilate seguendo il protocollo precedentemente descritto. Gli spettri seguenti (Figura 8B,C) mostrano lo stesso peptide (H3 18-26) ma variando la posizione del gruppo di acetilazione (42.02) tra B, K18Ac e C, K23Ac. Questi due isomeri (K18Ac e K23Ac) sono stati identificati attraverso il mobilogramma, in quanto si presentano con distribuzioni spaziali diverse, che si traducono in diverse interazioni con il gas nella cella TIMS. L'importanza di questa metodica risiede nella possibilità di identificare e studiare in modo più dettagliato i diversi PTM che sono stati associati a diverse malattie attraverso, ad esempio, il danno al DNA.
Quando i dati di frammentazione sono scarsi, l'identificazione di una modifica in un residuo specifico è difficile perché due o più modifiche dissimili potrebbero verificarsi contemporaneamente in corrispondenza (o in prossimità) degli stessi residui e possono essere intese come un'unica modificazione25. Questo potrebbe essere risolto assicurandosi che il peptide non modificato sia stato identificato, in particolare utilizzando uno standard per confermare o negare la presenza di una singola modificazione piuttosto che di più modifiche (Tabella 1).
Per evitare un'eccessiva contaminazione o estrazioni di istoni impuri, è importante controllare la qualità dei reagenti prima dell'uso. Ad esempio, se la soluzione tampone NIB viene conservata e utilizzata alla rinfusa, assicurarsi che la soluzione sia limpida e priva di torbidità o presentazione anomala. La torbidità può essere il risultato della crescita batterica, che contaminerebbe i campioni e potrebbe provocare una miscela di istoni e proteine batteriche. Inoltre, si raccomanda di preparare nuove curve di calibrazione per i saggi, come il BCA o il saggio di Bradford utilizzato per determinare la concentrazione proteica, assicurandosi che la proteina utilizzata per la curva di calibrazione non sia scaduta o degradata.
Questo metodo può essere esteso ad altri tipi di cellule o organismi, ad esempio le zanzare. Nel caso di organismi interi o parziali, la selezione di un numero appropriato di organismi è particolarmente importante per garantire che la concentrazione finale di istoni sia adatta per l'analisi.
Inoltre, come linea guida generale per la manutenzione dello spettrometro di massa, l'estremità anteriore deve essere pulita periodicamente per evitare accumuli sullo strumento e contaminazione tra le esecuzioni. Questa pulizia dovrebbe includere la tenda, l'orifizio e il quadrupolo, secondo necessità.
Generalmente, quando si utilizza un LC, è necessario prendere in considerazione la preparazione di nuove fasi mobili ogni settimana utilizzando solventi di grado MS. È buona norma mantenere pipette e vetreria dedicate per la preparazione della fase mobile e spurgare le linee LC ogni volta che vengono inserite nuove soluzioni nel sistema. Le colonne di protezione e di separazione devono essere sostituite di solito ogni 100-200 iniezioni e 500-1500 iniezioni, rispettivamente26. Assicurarsi di iniettare i bianchi prima e dopo l'esecuzione di un lotto di campioni. Se c'è un gran numero di campioni all'interno di un determinato lotto, si può anche prendere in considerazione l'esecuzione di un bianco a vari intervalli all'interno del lotto.
Il protocollo fornisce un flusso di lavoro DDA basato su PASEF per il rilevamento di PTM istonici e la differenziazione di specie isobariche e isomeriche in base alla mobilità ionica.
Questo protocollo richiede un'ampia preparazione del campione e deve essere tenuto conto del tempo complessivo di preparazione del campione sperimentale. In media, il protocollo di preparazione del campione richiede 2-3 giorni lavorativi per essere completato. Inoltre, le differenze tra i laboratori e le versioni dello strumento possono influire sulla sensibilità complessiva dell'analisi.
Pochissimi software di analisi dei dati proteomici sono stati ritenuti adeguati per l'uso nell'analisi degli istoni tramite metodi bottom-up senza regolazione o correzione manuale 27,28,29. I risultati dovrebbero (almeno all'inizio) essere confermati utilizzando l'analisi manuale, che richiede anche molto tempo. Se si utilizza un software analitico, dovrebbe avere funzionalità di annotazione MS/MS, che sono generalmente facili da confermare o rifiutare.
Vale anche la pena ricordare che è impossibile separare gli isomeri attraverso la spettrometria di massa a meno che non venga inserita una cella TIMS e non vengano utilizzati i valori di mobilità; ad esempio, le posizioni delle modificazioni istoniche possono essere determinate utilizzando modelli di frammentazione (PASEF).