本プロトコルは、1H-NMR分光法による遊離およびタンパク質結合アルギニンおよびメチルアルギニンの調製および定量的測定を記載している。
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方法論記事
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本プロトコルは、1H-NMR分光法による遊離およびタンパク質結合アルギニンおよびメチルアルギニンの調製および定量的測定を記載している。
タンパク質結合アルギニンは、多くのタンパク質で一般的にメチル化されており、物理化学的特性、他のタンパク質または核酸を含む他の分子との相互作用を変化させることによってそれらの機能を調節します。この研究は、不斉および対称ジメチルアルギニン(それぞれADMAおよびSDMA)およびモノメチルアルギニン(MMA)を含むアルギニンおよびその誘導体を定量するための容易に実装可能なプロトコルを提示する。生体の体液、組織、または細胞溶解物からのタンパク質単離に続いて、ホモジナイズ、タンパク質の沈殿、およびタンパク質加水分解の簡単な方法について説明します。加水分解物には、他のアミノ酸、脂質、核酸など、他の多くの成分が含まれているため、固相抽出(SPE)を使用した精製工程が不可欠です。SPEは、遠心分離機またはピペッティングロボットを使用して手動で実行できます。現在のプロトコルを使用したADMAの感度は約100 nmol / Lです。アルギニンの検出上限は、SPE飽和により3 mmol / Lです。要約すると、このプロトコルは、生物学的サンプル調製からNMRベースの検出に至るまでの堅牢な方法を説明しており、アルギニンメチロームを研究する際の研究を成功させるための貴重なヒントと落とし穴を提供します。
過去20年間、アルギニン残基のメチル化は、タンパク質の必須の翻訳後修飾として認識されてきました。それは、転写の調節、シグナル伝達などの基本的な生物学的プロセスに影響を与えます1。アルギニンメチル化の制御に関与する主なタンパク質は、タンパク質アルギニンメチルトランスフェラーゼ(PRMT)2です。アルギニンの主な誘導体は、ω-(N G,N G)-不斉ジメチルアルギニン(ADMA)、ω-(N G,N'G)-対称ジメチルアルギニン(SDMA)、およびω-N G-モノメチルアルギニン(MMA)2です。
PRMTは、S-アデノシル-l-メチオニンを使用して、メチル基をタンパク質結合アルギニン1の末端グアニジノ基(2つの等価アミノ基を持つ)に転移します。2つの主要な酵素を区別することができます:タイプIとタイプIIの両方の酵素は、MMAを形成するための最初のメチル化ステップを触媒します(これにより、その対称性を失います)。このステップに続いて、I型酵素(例えば、PRMT1、2、3、4、6、8)はADMAを形成するための基質としてMMAを使用するが、II型酵素(主にPRMT5およびPRMT9)はSDMAを産生する。PRMT1は、哺乳類細胞から単離された最初のタンパク質アルギニンメチルトランスフェラーゼでした3。それでも、PRMTは、非哺乳類の脊椎動物、無脊椎動物の脊索動物、棘皮動物、節足動物、線虫などの他の動物では進化的に保存されています4 刺胞動物5、植物6、および酵母7のような真菌を含む原生動物。多くの場合、PRMTの1つをノックアウトすると生存能力が失われ、転写、翻訳、シグナル伝達、アポトーシス、液液相分離(核小体などの膜のない細胞小器官の形成を意味する)などの基本的な細胞プロセスに関与するメチル化アルギニン種の本質的な役割が明らかになります。.次に、これは、癌11、12、13、多発性骨髄腫14、心血管疾患15、ウイルス病因、脊髄性筋萎縮症16、糖尿病17、および老化1を含む生理学および病状に影響を与えます。タンパク質分解による肺18に由来する血流中のADMAレベルの上昇は、内皮機能障害、慢性肺疾患19、および他の心血管疾患症候群20と関連していると考えられている。PRMTの過剰発現は腫瘍形成を促進することが見出されており、予後不良と関連している21,22。さらに、PRMT6とPRMT7のアブレーションは、細胞老化表現型23を引き起こします。有意な減少したADMAおよびPRMT1は、WI−38線維芽細胞の老化の間に見出されている24。
課題は、メチル化が(病理学的)生理学的プロセスでどのように作用するかを理解することであり、タンパク質のアルギニンメチル化を特定および定量することです。現在のアプローチのほとんどは、メチル化アルギニンを検出するために抗体を使用しています。しかしながら、これらの抗体は依然として状況特異的であり、アルギニンメチル化タンパク質の異なるモチーフを認識できない可能性がある25,26。記載されたプロトコールにおいて、前述のアルギニン誘導体の全ては、核磁気共鳴(NMR)分光法によって、すなわち、単独で、組み合わせて、または、ほとんどの場合と同様に、真核細胞(例えば、酵母、マウス、またはヒト起源)および組織27、ならびに血清28のような複雑な生物学的マトリックス内で確実に定量することができる。タンパク質およびそれらの複雑なマトリックスの場合、タンパク質加水分解29は、アルギニン、MMA、SDMA、およびADMAなどの遊離(修飾)アミノ酸を生成するための前提条件である。固相抽出(SPE)30により、目的の化合物を濃縮できます。最後に、1H-NMR分光法により、アルギニンとアルギニンのすべての主要なメチル誘導体を並行して検出できます。NMR分光法には、真に定量的で再現性が高く、堅牢な技術であるという利点があります31,32。最終的なNMR測定は、多くのサンプルが収集および準備された後で行うことができます。最後に、このプロトコルは、独自のNMR分光計を必要としないため、主にサンプル調製に焦点を当てています。それはほとんどの生化学実験室で行うことができます。それでも、NMR分光測定を行うべきいくつかのヒントがこの研究で提供されています。
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酵母タンパク質加水分解物は、この研究の代表的な結果のサンプルとして使用されました。プロトコル全体を 図 1 にまとめます。
1.材料と試薬の準備
2.サンプルの収集と保管
3. サンプルの予備調製
注意: MeOHを冷たく保ちながら、氷上で作業を行います。また、タンパク質の分解を避けるために、サンプルを氷上に保管する必要があります。
4.タンパク質加水分解
5.固相抽出(SPE)
6. NMRの最終準備
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日常的に、2D J分解(JRES)の1H 1D投影は、事実上分離されたNMRスペクトルが、私たちの研究室36でのピーク割り当てと定量に使用されます。図3は、本SPEプロトコールを用いて精製された酵母タンパク質加水分解物の代表的なJRESスペクトルを示す。非常に異なる濃度ではありますが、両方の物質を細胞マトリックス中で分離および定量することができます。それぞれの化学シフトにおける特定のメチル基(-CH3)またはメチレン(-CH2-)基のプロトン数に基づいて、1H-NMR分光法は正確な定量を可能にします。プロトコル(ステップ0)で指摘されているように、アルギニンと比較したメチルアルギニン誘導体の相対定量は、主に生物学的プロセス、例えば、遺伝子のノックダウン/過剰発現、栄養素の変化、または阻害剤による治療などの調節に対する応答としてのアルギニンメチル化の変化を観察するのに十分である。
前述の
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次のセクションでは、主な焦点はメソッド自体にあります。アルギニンメチル化の生物学的影響は、はじめにのセクションで説明されています。
まず、硬さの異なる組織はサンプル溶解の調整が必要な場合があります:細胞培養からの細胞(細菌、酵母などを含む)および脳、若い肝臓、平滑筋などの組織は迅速に均質化することができます。高剛性の組織(高齢者の肝臓、動脈、骨などを含む)の場合、均質化を2回行う必要があります(ステップ3.2.3を参照)。それにもかかわらず、たとえいくらかの不溶性の残骸が残っていても、このプロセスはより頻繁に続けられるべきではありません。代わりに、サンプルを10,000 x g で10分間遠心分離し、上清を収集してさらなる分析を行う必要があります(サンプルの劣化を最小限に抑えるため)。
サンプルが凍結される各ステップ(最初に、MeOHを添加した後、それぞれステップ3.3、3.4、または3.5)または凍結乾燥後(ステップ4.4および6.1)で、サンプルをさらに処理する前に数日間保存できます。さらに、ステップ3....
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著者は競合する利益を宣言しません。
この研究は、オーストリア科学基金(FWF)の助成金P28854、I3792、doc.funds BioMolStruct DOC 130、DK-MCD W1226 BioTechMed-Graz(フラッグシッププロジェクトDYNIMO)、オーストリア研究振興庁(FFG)の助成金864690、および870454の統合代謝研究センターGrazによってサポートされました。オーストリアインフラプログラム2016/2017、シュタイアーマルク州政府(Zukunftsfonds)、福建医科大学の高レベルの才能のためのスタートアップ基金(XRCZX2021020)。細胞培養施設へのアクセスを提供してくれた医学研究センターに感謝します。F.Z.は、グラーツ医科大学の博士課程分子医学の枠内で訓練を受けました。Q.Z.は、グラーツ医科大学の博士課程の代謝および心血管疾患の枠組みの中で訓練を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 15 mLチューブ | Greiner Bio One | 188271 | |
| 3-(トリメチルシリル)プロピオン酸-2,2,3,3-d4ナトリウム塩(TSP) | Alfa Aesar | A1448 | |
| 5 mLチューブ、丸底 | Greiner Bio One | 115101 | |
| アンモニア溶液32% | Roth | A990.1 | |
| Bruker 600 MHz NMR分光計、TXIプローブヘッドBruker | -を装備 | ||
| 冷蔵遠心分離機、例えば5430 R | Eppendorf | 5428000010 | |
| Chloroform ≥年率99% | Roth | 3313.1 | |
| Cryocool | Thermo Scientific | SCC1 | SpeedVac システム用熱伝達流体 |
| 酸化重水素 (D2O) | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-10-PK | |
| ジメチルスルホキシド-d6 (d6-DMSO) | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-6-1000 | |
| 乾燥チャンバー | バインダー | 9090-0018 | |
| DURAN培養チューブ、13 x 100mm、GL 14、9 mL | VWR International | 212-0375 | |
| Edwards Deep vacuum oil pump RV5 | Thermo Scientific | 16234611 | SpeedVac System の一部 |
| Eppendorf 1.5 mL チューブ | Greiner Bio One | 616201 | |
| Gilson ピペッティングロボット GX-241 Aspec | Gilson Inc. | ||
| 26150008 L-アルギニン | AppliChem | A3675 | |
| メタノール ≥99% | Roth | 8388.4 | |
| Milli-Q ウォーター アパラタス | ミリポア | ZIQ7000T0 | |
| オアシス MCX 1cc/30 mg、1 mL カートリッジ | ウォーターズ | イ 186000252 | https://www.waters.com/waters/en_US/Waters-Oasis-Sample-Extraction-SPE-Products/ |
| リン酸緩衝生理食塩水 (PBS) | ロンザ | LONBE17-512F | |
| プレセル 24 組織ホモジナイザー | ベルタン機器 | P000669-PR240-A | |
| https://www.bertin-instruments.com/product/sample-preparation-homogenizers/precellys24-tissue-homogenizer/ Precellys tubes (pulping tubes) | VWR International | 432-0351 | |
| Precellyse 1.4 mm 酸化ジルコニウムビーズ | VWR International | 432-0356 | |
| Reacti-Therm/ReactiVap 加熱、攪拌、蒸発モジュール | ThermoScientific | TS-18820 | |
| 1.5 mLチューブ用 https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/TS-18820 ローター、FA-45-30-11 | Eppendorf | 5427753001 | |
| Savant Refrigerated Cooling Trap | Thermo Scientific | 15996161 Savant | |
| SpeedVac システムの一部 Savant SpeedVac 真空濃縮器 SPD210 | Thermo Scientific | 15906181 | SpeedVac システムの一部、装備1.5 mlチューブ用ローター付き |
| PTFEシーリング付きグラスバイアル用スクリューキャップ、DN9 | Dr. R. Forche Chromatographie | CT11B3011 | |
| Seasand | Roth | 8441.3 | |
| ショートスレッドグラスバイアル1.5 mL、ND9 | Dr. R. Forche クロマトグラフィー | VT1100309 | |
| アジ化ナトリウム (NaN3) | Roth | K305.1 | |
| 水酸化ナトリウム (NaOH) | VWR | BDH7363-4 | |
| 二塩基性ナトリウム(Na2HPO4) | VWR | 80731-078 | |
| TopSpin 4.0 (Software) | Bruker-https://www.bruker.com | ||
| &-NG-asymmetric dimethylarginine (ADMA) | Santa Cruz Biotechnology | sc-208093 | |
| &-NG-monomethylarginine (MMA) | サンタクルス | バイオテクノロジーsc-200739A | |
| &-NG-NG'-対称ジメチルアルギニン(SDMA) | サンタクルーズ | バイオテクノロジーsc-202235A |
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