Kernspinresonantie (NMR) spectroscopie is een waardevol hulpmiddel voor het bepalen van de structuur van eiwitten1. NMR-spectroscopie kan worden gebruikt om de oplossingsstructuur van een eiwit in zijn oorspronkelijke toestand te bepalen. Om de lage natuurlijke abundantie van stabiele magnetische isotopen te overwinnen, is het noodzakelijk om 13C en 15N in het eiwit van belang te incorporeren. De meest gebruikte methode is recombinante expressie in een bacteriële gastheer2-3. Twee nadelen van overexpressie in een bacteriële gastheer zijn dat het geen post-translationele modificaties kan produceren en niet voor alle eiwitten werkt3-4. Wanneer bacteriële expressie geen haalbare route voor eiwitproductie is, kan overexpressie in niet-bacteriële gastheren worden gebruikt, maar isotopische markering moeilijk en duur5. Alternatieve expressiemethoden voor het incorporeren van 13C en 15N isotopen in eiwitten voor NMR-analyse omvatten sparse labeling-technieken met behulp van metabolische voorlopers voor methyl-labeling6 en enkele 13C, 15N aminozuren7-9. Een chemische benadering van sparse labeling die hierin wordt gebruikt, is de bekende reductieve 13C-methyleringsreactie (Figuur 1), waarbij de primaire aminogroepen op een eiwit - de N-terminale α-amine en de lysine, zijketen ε-amines - worden gemethyleerd. Zodra monomethylaminen zijn gevormd, ondergaat het amine gemakkelijk opnieuw methylering, vanwege de hogere pKa-waarde, om dimethylaminen te vormen.
Reductieve methylering werd voor het eerst geïntroduceerd als een methode om eiwitten chemisch te modificeren door Means en Feeney10. De voordelen van deze reactie zijn de brede toepasbaarheid en milde reactieomstandigheden bij gebufferde, fysiologische pH en lage temperaturen11,12. In de aanwezigheid van formaldehyde en een reducerend middel, zoals dimethylamineboraancomplex (DMAB), worden de lysine ε-aminogroepen en de N-terminale α-aminogroep selectief gemethyleerd om gedimethyleerde aminen te produceren. Hoewel bekend is dat formaldehyde eiwitten kruist via de vorming van methyleenbruggen, wordt dit proces geblokkeerd door het reducerende middel13,14.
Reductieve methylering is met succes gebruikt om eiwitten te bestuderen met zowel NMR als röntgenkristallografie. Reductieve methylering wordt gebruikt om de kristallisatie van anders ontoegankelijke eiwitten te vergemakkelijken15. Het eerste eiwit dat in zijn gedimethyleerde vorm werd gekristalliseerd, was het hennepeiwit-lysozym. Het wortelgemiddelde kwadratische verschil tussen de zware atomen in de gemethyleerde en ongemethyleerde lysozymstructuren is 0,40 Å16. Deze vergelijking toont aan dat de eiwitstructuur na reductieve methylering kan worden gehandhaafd, waardoor de reactie een haalbare, markeringstool voor structuurbepaling is.
Door 13C-gelabeld formaldehyde te gebruiken in de reductieve methyleringsreactie, worden 13C-gedimethyleerde aminen geproduceerd. De 13C-dimethylaminen zijn NMR-detecteerbare sondes die op grote schaal zijn gebruikt om eiwitdynamica, structuur en functie te bestuderen. NMR en reductieve 13C-methylering zijn gebruikt om eiwit-ligand en eiwit-eiwit interacties te bestuderen voor de β2 adrenerge receptor17, ribonuclease A18, lysozym19, fd gen 5-eiwit20 en cytochroom c21. Evenzo zijn structurele en functionele eigenschappen bestudeerd van reductief 13C-gemethyleerd ribonuclease A22, lysozym23, fd gen 5-eiwit24, Clostridium pasteurianum ferredoxine25, Fc-fragment van IgG26, apolipoproteïne A-I27 en MIP-1α28 De dynamica van de 13C-dimethylaminogroepen is bestudeerd op concanavalin A29-30 en calmoduline31.
Hoewel reductieve 13C-methylering veel is gebruikt om eiwitten met NMR te bestuderen, is de markeringsmethode altijd beperkt door de moeilijkheden bij het toewijzen van de NMR-resonanties26. De meeste toewijzingsstrategieën voor reductief 13C-gemethyleerde eiwitten zijn gebaseerd op een klein aantal locaties,20,28 bekende structurele eigenschappen11,19,23,26,31,32 of uitgebreide genetische modificaties33. Geen van deze studies heeft met succes alle 13C-dimethylamine-pieken toegewezen, behalve voor de calmodulinestudie, waar de pieken werden toegewezen door middel van richtinggebonden mutagenese van elke lysine33. Bij de studie van MIP-1α dimervorming werd voor het eerst gemeld dat massaspectrometrie (MS) werd gebruikt om de NMR-toewijzing van reductief 13C-gemethyleerde aminen te ondersteunen28. Matrix-ondersteunde laserdesorptie/ionisatie-tijd-van-vlucht (MALDI-TOF) MS werd gebruikt om de lysine op het grensvlak van het dimeer te identificeren. De gedeeltelijk gemethyleerde lysines van humane MIP-1α tryptische peptiden werden geïdentificeerd met MS en gecorreleerd met het verschijnen van mono- en dimethylamine-signalen van het intacte eiwit, waargenomen in 2D 1H-13C HSQC NMR-spectra28. Onze groep breidde het gebruik van MS uit en presenteerde een toewijzingsmethode die ge