2차원 겔 전기포진(2DGE)은 혼합물로부터 수천 개의 생체 분자를 해결할 수 있는 기술이다. 이 기술은 함께 결합 된 두 가지 분리 방법을 포함한다: 등전기 초점 (IEF) 및 나트륨 도데실 황산염 폴리 아크라이아미드 젤 전기 포근 (SDS-PAGE). 이것은 물리적…
2차원 겔 전기포진(2DGE)은 혼합물로부터 수천 개의 생체 분자를 해결할 수 있는 기술이다. 이 기술은 함께 결합 된 두 가지 분리 방법을 포함한다: 등전기 초점 (IEF) 및 나트륨 도데실 황산염 폴리 아크라이아미드 젤 전기 포근 (SDS-PAGE). 이것은 물리적으로 그들의 등전 점 (전기 화학 적 속성) 및 그들의 분자 량에 의해 젤의 두 축에 걸쳐 화합물을 분리합니다.
이 비디오에서 절차는 2DGE의 주요 개념과 복잡한 단백질 용액의 조성을 특성화하기위한 일반적인 절차를 다룹니다. 이 기술의 세 가지 예는 질병 개시 및 진행을 위한 바이오마커 검출, 환자에서의 모니터링 치료, 번역 후 변형(PTM) 다음 단백질 의 연구를 포함하여 응용 분야에서 도시된다.
2차원, 또는 2D, 젤 전기 이동법은 단 하나 혼합물에서 단백질의 수천을 분리할 수 있는 2개의 명백한 별거 방법을 이용하는 기술입니다. 기술 중 하나인 SDS-PAGE 또는 sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel 전기영동은 복잡한 혼합물을 단독으로 완전히 분리할 수 없습니다. 2D 젤 전기이동법은 두 번째 방법, 등전 점에 기초를 두고 분리하는 두번째 방법, isoelectric focusing 또는 IEF에 SDS-PAGE를 결합해, 세포 lysate에 있는 잠재적으로 모든 단백질의 해결책을 허용하. 이 비디오는 2D 겔 전기영동의 원리, 일반 절차 및 일부 생체 의학 응용 분야를 보여줍니다.
2D 겔 전기영동은 IEF를 1차원으로 시작합니다. 모든 단백질에는 등전점 또는 pI라고 하는 pH 값이 있으며, 여기서 순 전하는 0입니다. 단백질이 전기장을 받으면 반대 전하를 띠고 전극 쪽으로 이동합니다. 관심 샘플은 산성 그룹과 염기성 그룹을 모두 포함하는 분자인 양쪽 lytes가 내장된 고정 pH 구배 또는 IPG 스트립에 로드됩니다. 그런 다음 전기장이 pH 구배 스트립에 가해져 단백질이 pI와 일치하는 pH 값에 도달할 때까지 이동하게 하여 순 전하를 잃게 됩니다.
2차원을 실행하기 전에 내장된 단백질은 SDS로 처리되어 변성되고 균일한 음전하를 제공합니다. 완료되면 IPG 스트립을 폴리아크릴아미드 겔에 놓습니다. 적용된 전기장은 단백질을 양극쪽으로 끌어당기고, 더 큰 단백질은 겔을 통해 더 천천히 움직입니다.
단백질 혼합물이 pI 및 분자량에 따라 분리되면 염색을 사용하여 단백질체 맵을 시각화하고 관심 단백질을 식별합니다.
2D 겔 전기영동의 원리에 대해 논의했으므로 이제 일반적인 실험실 절차를 살펴보겠습니다.
실험을 수행하기 전에 단백질을 배지에 용해시켜야 합니다. 샘플의 가용화는 수소 결합 상호 작용을 방해하기 위한 카오트로픽 제제, 단백질의 전하 변경을 방지하기 위한 비이온 세제, 이황화 결합을 끊기 위한 환원제 및 완충액의 조합으로 단백질을 응집해제함으로써 달성됩니다. 풍부한 단백질과 다른 분자를 방해하는 것을 제거하기 위해, 물질은 원심분리에 의해 순차적으로 추출되고, 생성된 펠릿의 수집에 의해 추출됩니다; 그 다음에는 실험에 방해가 될 수 있는 DNA를 섭취하는 데 사용되는 효소인 엔도뉴클레아제(endonuclease)로 처리했습니다.
단백질이 용해되면 스트립 세척 용액으로 헹구고 거꾸로 건조시켜 IPG 스트립을 준비합니다. 그런 다음 각 스트립에는 스트립 홀더 번호가 할당됩니다. 준비가 되면 세포 추출물이 음극에서 양극 말단으로 천천히 슬라이딩 동작으로 스트립에 로드됩니다. 재수화를 위해 축축한 압지를 전극 상단과 젤 스트립 아래에 놓습니다. 그런 다음 IPG 스트립을 IEF 기기에 라이닝합니다. 높은 전류가 흐르면 단백질이 이동하기 시작합니다.
1 차원 완성 후, SDS-PAGE 용 젤을 주조 장치에서 준비합니다. IPG 스트립은 SDS 함유 평형 버퍼에 앞면이 아래로 향하게 배치하여 처리됩니다. 전기영동 장치는 전기영동 버퍼를 추가하여 준비됩니다. 처리된 IPG 스트립은 핀셋을 사용하여 수집하여 겔 플레이트 위에 놓고 아가로스 밀봉 용액으로 밀봉합니다. 그런 다음 전압 소스는 가장 빠르게 움직이는 단백질이 겔 바닥에서 1cm가 될 때까지 유지되는 전기장을 가합니다.
전기영동이 완료된 후 단백질을 시각화해야 합니다. 전통적으로 이것은 Coomassie 블루 또는 실버 질산염으로 염색하여 수행됩니다. 관심있는 단백질은 겔로부터 전달될 수 있으며, 웨스턴 블롯 분석에 의해 분석될 수 있습니다.
두번째 ID 접근은 질량 분석법에 의하여 그(것)들을 분석하는 보다는 젤에서 단백질의 절단, 그(것)들을 소화하는 포함한다.
절차를 검토했으므로 이제 2D 겔 전기영동의 몇 가지 용도를 살펴보겠습니다.
이 기술의 가장 일반적인 용도 중 하나는 질병 시작 및 진행에 관여하는 분자를 식별하는 것입니다. 질량 분석법과 결합된 2D 젤 전기영동은 건강한 단백질과 비교하여 병에 걸린 영역에서 특정 단백질의 상향 또는 하향 조절을 감지할 수 있습니다.
또한 2D 겔 전기영동은 잠재적인 치료 약물에 대한 환자의 반응 진행 상황을 추적하는 데 유용합니다. 검체는 치료 투여 후 다양한 시점에서 환자로부터 채취할 수 있습니다. 이러한 방식으로, 웨스턴 블롯 또는 질량 분석 분석과 결합 된 2D 겔 전기 영동은 염증과 같은 부정적인 반응과 관련된 단백질을 감지 할 수 있습니다. 또는 완화된 상태의 단백질이 없는 것.
제 2 젤 전기 이동법을 위한 또 다른 사용은 mRNA에서 그들의 번역 뒤에 단백질에 추가인 posttranslational 수정, 또는 PTM에 따르는 단백질 구조와 기능의 학문에 있습니다. PTM은 단백질 신호 전달, 유전자 발현을 포함한 다양한 기능을 조절하거나 산화 손상을 일으킬 수 있습니다. 2D 겔 전기영동은 메틸화 또는 아세틸화와 같은 변형에 민감하며, 이는 pI와 분자량의 변화를 유발할 수 있습니다.
방금 2D 겔 전기영동에 대한 JoVE의 비디오를 시청하셨습니다. 이 비디오는 이 기술의 원리, 일반적인 실험 절차 및 생물 의학 분야에서의 몇 가지 응용 분야에 대해 설명했습니다.
시청해 주셔서 감사합니다!
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Q1: What are the two separation methods used in 2D gel electrophoresis?
Two-dimensional gel electrophoresis couples isoelectric focusing (IEF) with SDS-PAGE (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis). IEF separates proteins in the first dimension based on their isoelectric points, where each protein has a specific pH value with zero net charge. SDS-PAGE then separates proteins in the second dimension by molecular weight, allowing resolution of thousands of proteins from a single mixture.
Q2: How does isoelectric focusing separate proteins in the first dimension?
In isoelectric focusing, proteins are loaded onto immobilized pH gradient (IPG) strips containing ampholytes, molecules with both acidic and basic groups. An electric field is applied, causing proteins to migrate until they reach the pH matching their isoelectric point (pI), where their net charge becomes zero and they stop moving. This precise separation by charge allows proteins with different pI values to be resolved.
Q3: Why is sample solubilization necessary before 2D gel electrophoresis?
Sample solubilization de-aggregates proteins using chaotropic agents to disrupt hydrogen bonds, nonionic detergents to preserve protein charge, and reducing agents to break disulfide bonds. This preparation also includes treatment with endonuclease to remove interfering DNA. Proper solubilization ensures proteins are fully dispersed and ready for separation without interference from other cellular components.
Q4: What happens to proteins during the SDS-PAGE second dimension?
After IEF, IPG strips are treated with SDS-containing equilibration buffer, which denatures proteins and provides them with a uniform negative charge. The strips are then placed on polyacrylamide gels, and an electric field draws proteins toward the anode. Larger proteins move more slowly through the gel matrix, allowing separation by molecular weight and creating a two-dimensional separation pattern.
Q5: How are proteins visualized and identified after 2D gel electrophoresis?
After electrophoresis, proteins are visualized using stains such as Coomassie blue or silver nitrate, creating a proteome map. Proteins of interest can then be identified through Western blot analysis or by excision from the gel, digestion, and analysis by tandem mass spectrometry principle instrumentation uses to determine protein identity and modifications.
Q6: What biomedical applications does 2D gel electrophoresis have?
2D gel electrophoresis is used to identify molecules involved in disease initiation and progression by detecting protein up- or down-regulation in diseased versus healthy areas. It also monitors patient response to therapeutic drugs by detecting inflammation-associated proteins or their absence in treated states. Additionally, it studies protein structure and function following posttranslational modifications like methylation or acetylation, which shift isoelectric point and molecular weight.
Q7: Why can't SDS-PAGE alone fully separate complex protein mixtures?
SDS-PAGE separates proteins only by molecular weight, which means proteins of similar size but different charges cannot be distinguished. Many complex mixtures contain numerous proteins with overlapping molecular weights, making complete separation impossible with a single dimension. Coupling SDS-PAGE with isoelectric focusing in 2D gel electrophoresis adds a second separation axis based on charge, enabling resolution of potentially all proteins in a cell lysate.