Size exclusion chromatographyは、生物学的サンプルから直接金属タンパク質の存在量の変化を測定するための強力なツールです。ここでは、未知のタンパク質に関連する分子量と金属量を推定するために使用される一連の金属タンパク質標準について説明します。
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Size exclusion chromatographyは、生物学的サンプルから直接金属タンパク質の存在量の変化を測定するための強力なツールです。ここでは、未知のタンパク質に関連する分子量と金属量を推定するために使用される一連の金属タンパク質標準について説明します。
金属は、化学反応を触媒する補因子としてタンパク質の機能に不可欠です。金属の恒常性の破綻は、アルツハイマー病やパーキンソン病など多くの疾患に関与していますが、これらの金属が果たす正確な役割はまだ完全には解明されていません。金属タンパク質の同定には、多くの課題と困難が伴います。ここでは、複雑なサンプル中の金属タンパク質を定量できるアプローチについて報告します。これは、サイズ排除クロマトグラフィーと誘導結合プラズマ質量分析(SEC-ICP-MS)を組み合わせて使用することで達成されます。6種類の既知の金属タンパク質を使用して、サイズ排除カラムをキャリブレーションし、それぞれの微量元素(鉄、銅、亜鉛、コバルト、ヨウ素)を定量に使用できます。SEC-ICP-MSは、ヒトの脳と血漿の痕跡を示しています。これらの金属タンパク質標準物質の使用は、生物学的サンプル間の金属タンパク質存在量を定量的に比較する手段を提供します。この技術は、神経変性疾患における金属タンパク質の役割だけでなく、微量元素の不均衡が関与する他の疾患にも光を当てるのに役立つ態勢を整えています。
必須金属は、二次メッセンジャー経路、代謝経路と細胞小器官機能を含む通常の生物学的機能、で重要な役割を果たしています。全タンパク質の30%が金属タンパク質1、全ての酵素2の50%であると考えられています。金属酵素は、化学反応を触媒するタンパク質の構造を安定化させるための補因子として、またこのような二次メッセンジャーとして調節の役割のためにこれらの微量金属を使用します。神経変性の点で最も研究微量元素の一部は、銅、鉄、亜鉛3です。これらはdyshomeostasisによって影響悪影響を有することができ、多くの疾患経路に関与すると考えられています。例えば、スーパーオキシドジスムターゼ(SOD)に直接影響を与える寿命と筋萎縮性側索硬化症(ALS)4の家族型のトランスジェニックマウスモデルの表現型の金属状態。アルツハイマー病では、metalloproteomics技術は、pにおけるトランスフェリンの金属状態の低下を検出するために使用されていますlasma 5。これらの研究は、金属タンパク質が病気で遊ぶことができる重要な役割を強調表示します。
直接生体組織から金属タンパク質の研究が発展フィールドです。いくつかの金属酵素が特徴づけられているが、大半はまだ特徴付けられていないか、6未知のままです。金属タンパク質を測定する際の主要な課題の一つは、タンパク質7の本来の状態を維持するための必要条件です。古典的なボトムアッププロテオミクス技術は、ペプチドへのタンパク質の消化に依存しています。このプロセスは、金属およびそれらのタンパク質の非共有結合相互作用を破壊します。したがって、タンパク質の金属状態についての情報は得られていません。
質量分析8,9(SEC-ICP-MS) -この問題を克服する一つの方法は、誘導結合プラズマと対にサイズ排除クロマトグラフィーを使用することです。これは、タンパク質のおおよそのサイズに関する情報と同様に連想されている任意の金属を生成し、それ10でiated。また、サイズ排除は、酵素やタンパク質 - タンパク質複合体の本来の状態を維持することができます穏やかなクロマトグラフィー技術です。誘導結合プラズマを使用することの一つの利点 - 質量分析法(ICP-MS)は、技術の定量的な性質です。金属タンパク質標準のセットを使用して、生物学的試料9,11の金属タンパク質の絶対定量を提供することが可能です。これは、金属濃度の範囲にわたって既知の金属タンパク質を注入することによって標準曲線を生成することによって達成されます。
このプロトコルは、これが金属タンパク質標準の様々な達成することができる方法の一例を示しています。本稿では、主に鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ヨウ素(I)、及びコバルト(Co)を含む生物学の分野で研究されている金属のための標準曲線を作成することを目指しています。
緩衝液および試料の調製
誘導結合プラズマを用いた金属タンパク質基準の2バルク分析 - 質量分析法
注:彼らは両方とも約1必要なので、このセクションでは、以前に並行して行われるべきである - 完了するために、1.5時間を。
4.設定とサイズ排除実行 - 誘導結合プラズマ - 質量分析法を
注:操作手順は、楽器やモデルの間で異なる場合があります。 ICP-MSが使用されて構成する方法の詳細を学ぶために、機器の技術的な専門家にお問い合わせください。
5.データ分析、操作と可視化
金属タンパク質標準を使用することは、サイズ排除カラムの較正を可能にする。 図1Aは標準のチログロブリン、フェリチン、セルロプラスミン、銅/亜鉛SOD及びそれらが結合している金属(鉄、に基づいて、ビタミンB 12の溶出プロフィールを示しますCO、銅、亜鉛、およびI)。 図1Bは、溶出体積の形式で提示分子タンパク質標準の重量およびそれらの溶出時間に基づいて、サイズ排除カラムの較正曲線は、(VE)の空隙容量で割っ示しますカラム(VO)。この標準曲線を生成するために使用されるタンパク質は、A、コンアルブミン、セルロプラスミン、フェリチン、SODとサイログロブリンコンカナバリンされています。
カラムに注入されたFeの60,000 PGおよび図2Dは 、回帰分析は、pを使用して実行される- 図2Aは、2,000の範囲にわたってフェリチンの溶出を示しますEAKエリア。 図2Bおよび図2Cは、溶出CuおよびZnのための銅/亜鉛SODのプロファイルと2Eと2Fが回帰がピーク面積を使用して生成された分析されています。回帰分析の結果は、タンパク質に関連した金属の量を定量的に決定することができるように、PG /秒カウント/秒で生データを変換するために使用されます。変換は、線形回帰(銅例えば 、334.6(カウント/秒)×(秒/ PG))の傾きにより、カウント/秒を分割することによって行われます。
述べたように、この技術は、複雑な生物学的試料中の金属タンパク質を同定するために用いることができます。人間の脳および血漿は、この技術に付し、3及び4は 、それぞれ、得られた結果を示しています。 SEC-ICP-MSによって分離人間の脳は、その各々が異なる金属を表し、 図3A-3Cに示されています関心(銅、亜鉛または鉄)が図4A-4Cは、ヒト血漿を、この技術に供されたときに得られたトレースを示します 。サンプルの複雑さと豊かさが見られるピークの数に影響を与えます。予想されたように、プラズマは、セルロプラスミンおよびトランスフェリンを含むいくつかの金属タンパク質によって支配されています。

サイズ排除クロマトグラフィーの 図1. キャリブレーション- 。それぞれの金属に基づく金属タンパク質基準で知られる金属タンパク質 (A)の溶出プロファイルを使用した質量分析法-誘導結合プラズマ 。 (B)タンパク質標準サイログロブリン(I)、フェリチン(II)、セルロプラスミン(III)、コンアルブミン(IV)、銅/亜鉛SOD(V)とコンカナバリンA(VI)の分子量校正曲線。"ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

フェリチンおよび金属タンパク質規格であるCu / ZnのSODの図2.使用は、複雑な生物学的サンプル中の金属タンパク質と銅、鉄や亜鉛関連の量を決定するために (A)の溶出プロファイルをフェリチンのための噴射範囲2000の上に- 。60,000μg/ Lが鉄の。それぞれ銅と亜鉛の6,000μg/ Lが、 - 200の噴射範囲で銅/亜鉛SODのための(B)及び(C)の溶出プロファイル。 (D)、(E)及び(F)金属、鉄、銅と亜鉛のための回帰分析の結果を示し、それぞれ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

ヒト血漿については、図4のCu、FeとZnのMetalloproteome。(A)銅トレース(B)鉄トレース(C)亜鉛トレース。各金属のためのタンパク質標準の溶出は、それらの分子量を持つ黒のトレース内で示されていますグラフの下にdicated。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
タンパク質の天然状態を確保することが使用され、サンプルの保存が必要とされるバッファへの特別な注意を意味します。すべてのクロマトグラフィー技術または試料調製技術を用いることができません。サンプル調製およびクロマトグラフィーを通して使用される緩衝液は、生理学的pHと塩濃度を模倣する金属キレート剤と使用バッファを欠いていることが重要です。回避するために、他の条件はタンパク質変性剤( 例えば 、尿素)のサンプルまたは付加を加熱することが含まれます。凍結融解サイクルの数を最小限にすることが重要です。二価金属を結合するための選択されたバッファの能力もまた重要であり、トリスまたは硝酸アンモニウムバッファは、リン酸ベースのバッファ上で選択されていることが理由です。
クロマトグラフィーの他の形態の低解像度およびサイズ排除クロマトグラフィーの相対ピーク容量は、この技術の主要な制限です。しかし、サイズ排除chromatograの、穏やかな性質PHYは、タンパク質の天然状態を維持し、比較的弱い金属 - タンパク質結合を維持することが重要です。タンパク質の天然状態を維持するための要件は、金属キレート剤( 例えば 、EDTA)またはカオトロピック塩や界面活性剤を避け、凍結融解サイクルの数を制限するなどのサンプルの治療に特別な注意が必要です。
この技術の影響のこの低解像度、それはもっとして一つのタンパク質が含まれています見たピークのような複雑なサンプルである場合、特定のタンパク質と結合した金属の量を定量する能力。したがって、ピーク積分を用いて決定された金属の量は、タンパク質の全てがひとつの特定のタンパク質をこの時点で溶出なく、関連付けられた金属の総量の指標です。この制限を克服するために、目的のタンパク質は、さらに、天然の条件下で精製されなければなりません。これは、の定量化を可能にしますこのタンパク質に関連付けられている金属はcertainity度の高い報告します。この技術の別の潜在的な制限は、カラムへの非可逆的結合にタンパク質の損失になります。カラムから溶出したタンパク質の量は、これは注入量と一致するかどうかを決定するために分析されるこの回復実験が起こっているかどうかを決定するために行われるべきです。同じことは、溶出材料の金属含有量とバルクICP-MSによって出発物質を測定することによって行うことができます。カラム回復は使用条件に応じて異なり得るが、サイズ排除カラムからのタンパク質の完全な回復が9可能であることが示されています。したがって、使用されている動作条件の下で損失があるか否かをチェックすることが重要です。
プロトコルへの変更を解析要素と同様に使用される金属タンパク質標準に関連付けることができます。金属タンパク質の標準的な私たちのタイプedは関心のある要素によって異なります。例えば、Cu、FeおよびZnのタンパク質などの要素については、SODおよびフェリチンが使用されます。 stoichometriesを知られている任意の他の金属タンパク質も使用することができ、いくつかの例がここに示されています。
この技術を使用してから生じ得る一つの主要な合併症は、ICP-MSのトーチで塩結晶の蓄積です。システムを通過したか、トーチを洗浄する必要があることを、目視検査によって判定された場合、バッファ1000mlの - 塩結晶の蓄積を防止するために、トーチは、すべての500の後、蒸留水で洗浄します。発生する可能性があるもう一つの問題は、サンプルと抽出コーンの清潔でより急速な低下です。これらは、製造者のプロトコルに従って、定期的に清掃する必要があります。
初期試料調製プロトコルの中で最も重要なステップです。金属錯体INF - タンパク質に変更がある場合生成されたormationは有効になりません。これは、技術の主要な制限の一つです。加えて、低解像度の使用は、サイズ排除カラムは、生物学における金属タンパク質の真の複雑さの制限された詳細図が得られます。
ここに記載された技術は、生物のmetalloproteomeの知識を拡張することができます。バルク分析は、サンプル内の金属の量の変化の粗製の指標を与えます。考慮する必要がある一般的な考慮事項に加えて、この技術は、得られたトレースを比較することによって、異なるタンパク質、ならびに特定金属タンパク質と関連する金属の量を定量するために使用できるツールを提供します。この技術の使用は、疾患状態の違いを識別するために使用することができます。識別された金属タンパク質は、その後さらに、彼らは疾患プロセスにおいて果たす役割を決定するのを助けるために調査することができます。ハイフネーションされたICP-MSの適用が成長していますICP-MSは、薬物が結合タンパク質を同定するために使用することができるように、白金、ヨウ素または銅などのヘテロ原子を有する薬剤の役割を決定するために将来。
著者は開示するものは何もありません
私たちは、ビクトリア州政府の運用インフラ支援プログラム、(Agilent Technologies社との)オーストラリアの研究評議会リンケージプロジェクトスキーム、精神保健Neuroproteomicsのためのオーストラリア国立保健医療研究評議会、ビクトリア朝の脳バンク、共同研究センターから支援を感謝したいです施設。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Agilent 1290 Infinity バイナリポンプ | Agilent | G4220A | |
| Agilent 1290 Infinity オートサンプラー | Agilent | G4226A | |
| Agilent 1200 シリーズオートサンプラー サーモスタット | Agilent | G1330B | |
| Agilent 1290 Infinity サーモスタット カラムコンパートメント | Agilent | G1316C | |
| Agilent 1290 Infinity 可変波長検出器 | アジレント | G1314E | |
| アジレント 7700 ICP-MS | アジレント | G3282A | |
| 水酸化アンモニウム微量金属基礎 | シグマ | 338818 | |
| 硝酸アンモニウム | シグマ | 256064 | 実験当日に200mMの溶液を新規に作る |
| アンチノミー | チョイス・アナリティカル | 10002-3 | |
| セルロプラスミン | シグマ | ||
| セシウム | チョイス・アナリティカル | 100011-1 | |
| EDTAフリーの完全プロテアーゼ阻害剤 | ロシュ | 11873580001 | |
| コンアルブミン | シグマ | C7786 | |
| Canavalia ensiformis(ジャックビーン)のConcanavalin A | シグマ | L7647 | |
| Cu, Znスーパーオキシドジスムターゼ | シグマ | S9697 | |
| フェリチン | シグマ | F4503 | |
| ICP-MS多元素校正標準品 | AccuStandard | 必要な濃度まで1%硝酸で作られ | |
| 微量紫外線分光光度計 | サーモサイエンティフィック | ||
| 65%硝酸 | ミリポア | 100441 | 使用のために1%に希釈 |
| されています ピークチューブ | アジレント | 5042-6461 | |
| サイズ排除カラム BioSEC-3 PLC. カラム、4.6 x 300 mm、3 μメートル、150Å | アジレント | 5190-2508 | |
| 塩化ナトリウム | ケムサプライ | SA046 | |
| トリス塩酸塩 | ICNバイオメディカルズ株式会社 | 103130 | |
| サイログロブリン | シグマ | T9145 | |
| ビタミンB12 | シグマ | V2876 |
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