1. Przygotowanie próbki
- Jako materiał wyjściowy należy wykorzystać świeżą, zamrożoną błyskawicznie lub potraktowaną preparatem RNAlater tkankę mysią. Przed przystąpieniem do dalszych prac należy odsączyć nadmiar konserwantu za pomocą chusteczki Kimwipe.
- Usunąć wszystkie ścięgna i powięzi wokół mięśnia, a następnie rozdrobnić tkankę za pomocą jednokrawędziowych żyletek przez 2 min na schłodzonych szklanych płytkach w pomieszczeniu chłodniczym (4°C), aż tkanka zostanie dobrze rozdrobniona lub uzyska postać proszku. Próbkę zebrać do uprzednio zważonej probówki do wirówki i określić masę tkanki. Jako materiał wyjściowy należy użyć nie więcej niż 10 mg tkanki.
- W temperaturze pokojowej dodać 45 μL buforu do ekstrakcji (8 M mocznika, 50 mM DTT, 4% CHAPS, 0,2% amfolitów nośnikowych 5/8, 0,0002% błękitu bromofenolowego) na 1 mg rozdrobnionej tkanki. Jeśli objętość przekracza 350 μL, należy początkowo dodać 350 μL i homogenizować (krok 1.4), a następnie dodać resztę buforu, aby zminimalizować rozpryskiwanie.
- Homogenizować tkankę siedem razy za pomocą zmechanizowanego tłuczka (Kontes Corp) przez 15 sekund w temperaturze 4°C, z dwuminutowym chłodzeniem na lodzie pomiędzy każdą homogenizacją.
- Próbki wirować przy 15 600 x g przez 30 minut w temperaturze 4°C. Zebrać nadsącz i zmierzyć jego objętość. Osad z debris komórkowych należy odrzucić.
- Wytrącić białka z nadsączu za pomocą lodowatego acetonu czystości reagentowej (stosunek objętościowy 3:1). Mieszać próbki na wirówce Vortex przez 15 sekund. Wirować przy 15 600 x g przez 10 sekund w celu utworzenia osadu, a następnie resuspendować w buforze do ekstrakcji przy użyciu silnika Kontes i polipropylenowych prętów mieszających (BioSpec Prod).
- Powtórzyć krok 1.6.
- Przejść do oznaczania stężenia białek w próbkach lub przechowywać je w temperaturze -20°C.
2. Oznaczanie stężenia białka
Należy zastosować metodę Lowry'ego7 lub metodę BCA8 (Pierce); dążyć do uzyskania stężenia około 4.5 mg ml-1.
3. Fokusowanie izoelektryczne
- Wyjąć pasek IPG ReadyStrip (11 cm, pH 5-8, Bio-Rad) z temperatury -20°C i pozostawić do wyrównania temperatury w RT przez 10-15 min.
- Zamieszać próbkę w wirówce typu vortex i nanieść pipetą 600-800 μg (całkowita objętość 200 μL) próbki białka w linii prostej przy tylnej krawędzi kanału w kuwecie do rehydratacji próbek, pozostawiając około 1 cm wolnego miejsca na każdym końcu.
- Używając pęsety, zdjąć plastikową osłonę paska IPG – należy chwytać pasek wyłącznie za końce i unikać kontaktu z żelem. Zidentyfikować koniec zasadowy paska i umieścić go po lewej stronie kuwety. Położyć pasek IPG stroną z żelem do dołu na próbce, unikając uwięzienia pęcherzyków powietrza pod spodem. Pozostawić do rehydratacji na jedną godzinę.
- Przykryć 2,5 mL oleju mineralnego (BioRad). Przykryć kuwetę pokrywką i pozostawić do rehydratacji przez noc w temperaturze pokojowej.
- Umieścić knot papierowy na obu końcach kanału kuwety do ogniskowania i zwilżyć każdy z nich 10 μL wody Millipore.
- Wyjąć pasek IPG i trzymać go pionowo przez około 10 sekund, aby odlać olej. Osuszyć plastikową podkładkę za pomocą chusteczki Kimwipe.
- Umieścić pasek IPG stroną z żelem do dołu, z końcem zasadowym po lewej stronie, w kuwecie do ogniskowania. Przykryć pasek 2,5 mL oleju mineralnego.
- Umieścić kuwetę w komorze PROTEAN IEF (Bio-Rad) i zaprogramować 3-stopniowy protokół (Tabela 1) przy domyślnej temperaturze komory 20°C, maksymalnym natężeniu prądu 50 μA/pasek i bez czasu rehydratacji.
| | Napięcie | Czas | Wolto-godziny | Rampa |
| Krok 1 | 250 | 20 min | | Liniowa |
| Krok 2 | 8,000 | 2,5 h | | Liniowa |
| Krok 3 | 8,000 | | 40,000 | Szybka |
| Suma | | 6,5 h | 40,000 | |
Tabela 1. Trzystopniowy protokół komory PROTEAN IEF dla pasków IPG 11 cm.
- Wyjąć paski IPG z komory IEF za pomocą pęsety. Osuszyć plastikową podkładkę chusteczką Kimwipe i umieścić pasek IPG stroną z żelem do góry w czystej kuwecie do rehydratacji. Można przykryć kuwetę do rehydratacji, owinąć ją folią spożywczą i przechowywać w -80°C lub kontynuować procedurę.
4. Elektroforeza białek w żelu poliakrylamidowym w obecności SDS
- Przenieś pasek (stroną z żelem do góry) do 11-centymetrowej kuwety do równoważenia.
- Do kanału należy dodać 4 ml buforu redukującego (mocznik 6 M, SDS 2%, Tris/HCl 0,05 M pH 8,8, glicerol 20%, DTT 2%) i inkubować pasek przez 10 min przy łagodnym wstrząsaniu w celu osiągnięcia stanu równowagi.
- Usunąć bufor redukujący, dodać 4 ml buforu do alkilacji (mocznik 6 M, SDS 2%, Tris/HCl 0,05 M pH 8,8, glicerol 20%, jodoacetamid 2,5%) i inkubować pasek przez 10 minut przy łagodnym wstrząsaniu w celu wyrównania stężeń.
- Opłucz pasek IPG, zanurzając go krótko w 1X buforze do elektroforezy SDS (25 mM Tris, 192 mM glicyny, 0,1% SDS, pH 8,2).
- Połóż pasek stroną żelu do góry na tylnej płytce 11-centymetrowego gotowego żelu poliakryloamidowego Criterion SDS Tris-HCl o stężeniu 10,5%–14% (Bio-Rad) i delikatnie dociśnij go, aby zapewnić pełny kontakt z żelem SDS; upewnij się, że pomiędzy powierzchniami żeli nie pozostały pęcherzyki powietrza.
- Przykryj pasek IPG 1 ml stopionego roztworu agarozy (0,5% agarozy, 25 mM Tris, 192 mM glicyny, 0,1% SDS, błękit bromofenolowy) i pozostaw agarozę do stężenia przez 5 minut.
- Załaduj 5 μL znacznika białek 10-225 kDa (USB, P/N: 76740) do pojedynczej studzienki jako standardów masy cząsteczkowej.
- Przeprowadź elektroforezę żelu w buforze SDS (25 mM Tris, 192 mM glicyny, 0,1% SDS, pH 8,2) przy napięciu 200 V w temperaturze pokojowej lub w pomieszczeniu chłodniczym (4°C) monitorując elektroforezę za pomocą migracji czoła barwnika błękitu bromofenolowego.
- Wyjmij żel z plastikowej formy i barw przez noc, delikatnie wstrząsając w barwniku Coomassie Brilliant Blue R-250 (45,5% metanolu, 45,5% dH2O, 9,0% kwasu octowego, 0,25% Coomassie Brilliant Blue R-250).
- Wstrząśnij żel w roztworze do odbarwiania Destain 1 (45,5% metanolu, 45,5% dH2O, 9,0% kwas octowy) dwukrotnie po 3 godziny, a następnie w roztworze Destain 2 (5% metanol, 90% dH2O)2(O, 5% kwas octowy) przez noc. Żel przechowywać w 7% kwasie octowym do czasu analizy.
5. Obrazowanie i analiza żelu
- Należy wykonać obrazy żeli za pomocą programu Quantity One obsługującego system obrazowania VersaDoc (BioRad). Obszary obrazów dla wszystkich żeli w eksperymencie należy przyciąć w jednolity sposób.
- Przycięte obrazy należy wczytać do programu PDQuest 8.0 w celu utworzenia zestawu eksperymentalnego. Należy postępować zgodnie z kreatorem konfiguracji eksperymentu (Experiment setup wizard), aby zdefiniować parametry detekcji plamek oraz dopasowania plamek pomiędzy żelami. W razie potrzeby wyniki dopasowania plamek należy sprawdzić i skorygować ręcznie.
- Należy przeprowadzić analizę ilościową i statystyczną żeli w celu wykrycia dopasowanych plamek białkowych, wykazujących dwukrotną lub wyższą statystycznie istotną różnicę w ekspresji pomiędzy dwiema grupami żeli. Z plamek tych należy utworzyć zestaw analizy, a następnie wyciąć je za pomocą wycinarki plamek EXQuest (BioRad) w celu przeprowadzenia trawienia trypsyną i identyfikacji białek metodą LC-MS.
6. Trawienie trypsynowe w żelu
W tym kroku zastosowano zmodyfikowany protokół z zestawu Pierce In-Gel Tryptic Digest Kit (#89871X, Pierce).
- Do wycinków żelu dodać 200 μL roztworu odbarwiającego (25 mM wodorowęglanu amonu, 50% acetonitrylu). Przemieszać na wirówce typu vortex i inkubować próbki w temperaturze 37°C przez 30 minut z wytrząsaniem. Ostrożnie usunąć i odrzucić roztwór.
- Powtórzyć krok 6.1.
- Do probówek zawierających wycinki żelu dodać 30 μL świeżo przygotowanego buforu redukującego (50 mM Tris[2-karboksyetylo]fosfiny, 22,5 mM wodorowęglanu amonu) i inkubować w temperaturze 60°C przez 10 minut.
- Pozostawić próbki do ostygnięcia, a następnie usunąć i odrzucić bufor redukujący.
- Dodać 30 μL buforu alkilującego (100 mM jodoacetamidu, 20 mM wodorowęglanu amonu, przygotowanego bezpośrednio przed użyciem w probówkach owiniętych folią aluminiową). Inkubować próbki w ciemności w temperaturze pokojowej przez 1 godzinę.
- Usunąć i odrzucić bufor alkilujący. Przemyć wycinki żelu, dodając do każdej probówki 200 μL roztworu odbarwiającego. Inkubować próbki w temperaturze 37°C przez 15 minut.
- Usunąć i odrzucić roztwór odbarwiający i powtórzyć płukanie.
- Do wycinków żelu dodać 50 μL acetonitrylu i inkubować przez 10 minut w temperaturze pokojowej, aby uległy skurczeniu i wysuszeniu, a następnie ostrożnie usunąć acetonitryl.
- Powtórzyć krok 6.8 jeszcze raz. Fragmenty żelu powinny być białe i małe.
- Pozostawić fragmenty żelu do wyschnięcia w koncentratorze Centrivap (Labconco, model EX1245) przez 10 minut.
- Napęcznieć fragmenty żelu, dodając 10 μL roztworu aktywowanej trypsyny (10 ng/μL trypsyny, 25 mM wodorowęglanu amonu). Inkubować w temperaturze pokojowej przez 15 minut.
- Do probówek dodać 25 μL buforu trawiennego (25 mM wodorowęglanu amonu). Inkubować próbki w temperaturze pokojowej przez noc z wytrząsaniem.
- Sonicować próbki przez 10 minut (Branson, sonikator kąpielowy model 2510) i odwiruwać przed przeniesieniem supernatantu do nowej probówki. Zachować supernatant.
- Aby dodatkowo wyekstrahować peptydy, dodać 10 μL 0,1% kwasu mrówkowego i inkubować przez 5 minut w temperaturze pokojowej z wytrząsaniem. Sonicować próbki przez 10 minut, zebrać supernatant i połączyć go z supernatantem zachowanym w kroku 6.13.
7. Mikroskalowe odsalanie ekstraktów peptydowych
- Usunąć wodorowęglan amonu oraz inne sole z ekstraktów peptydowych za pomocą kolumienek PepClean C-18 Spin Columns (ThermoFisher) zgodnie z instrukcjami producenta.
- Wyeluować peptydy dwukrotnie, używając 20 μL 70% acetonitrylu, odparować próbki do suchości w koncentratorze Centrivap przez 1 godzinę, a następnie ponownie zawiesić peptydy w 10 μL 0,1% kwasu mrówkowego do analizy MS.
8. Identyfikacja białek za pomocą spektrometrii mas sprzężonej z HPLC
- Rozdziel 5 μL mieszaniny peptydów za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) w czasie 40 minut, stosując liniowy gradient acetonitrylu 2-50% z 0,2% kwasem mrówkowym na monolitycznej kolumnie Pepswift PS-DVB (Dionex) sprzężonej ze źródłem Nanospray I i pułapką jonową spektrometru mas (LCQ Deca XP Max, Thermo Fisher Scientific) przy szybkości przepływu 400 nL/min na końcówce.
- Wykrywaj sygnały MS1 peptydów w zakresie 400 - 1400 m/z i izoluj 3 najintensywniejsze piki jonowe w celu sekwencjonowania MS2 metodą CID z zastosowaniem dynamicznej ekskluzji.
- W celu identyfikacji białek przeanalizuj wyniki peptydowe poprzez przeszukanie mysiej bazy referencyjnej Sequest (oprogramowanie BioWorks, Thermo-Fisher Scientific) z uwzględnieniem statycznej modyfikacji alkilowanej cysteiny oraz modyfikacji dynamicznych dla fosforylacji (seryna, treonina, tyrozyna), metylacji (histydyna), utleniania (metionina), ADP-rybozylowania (arginina) i acetylacji N-końca. Zastosuj konserwatywne kryteria dopasowania (np. tolerancja peptydów ustawiona na 2 AMU i tolerancja fragmentów na 1,00, białka zawierające co najmniej 2 peptydy przechodzące przez filtr Xcorr vs Charge State [z=1/x=1,5, z=2/x=2,00, z=3/x=2,50, z=4/x=3,00] oraz prawdopodobieństwo p < 0,05)5 i dokonaj ręcznej inspekcji widm MS w celu pewnej identyfikacji białek.
9. Reprezentatywne wyniki:
Wyizolowano mięśnie szkieletowe (biceps brachii) od niećwiczących samców i samic myszy, a następnie rozdzielono je na mapie dwuwymiarowej5, stanowiącej pierwszy poziom porównawczego proteomu mięśniowego (rycina 2). Po wizualizacji przy użyciu cyfrowego obrazowania o wysokiej rozdzielczości w każdym przypadku wykryto około 800 plamek białkowych. Przyjmując mapę proteomu samca jako punkt odniesienia, wyraźnie widać liczne plamki, których obfitość zmienia się w proteomie samicy. Intensywność plamek jest miarą zmiany ilości białek (rycina 3). Tożsamość plamek białkowych, których obfitość zmieniła się ponad dwukrotnie (wzrost lub spadek) i które są istotne statystycznie (p < 0,05) przy n=5 myszy, określono poprzez analizę sekwencji aminokwasów z wykorzystaniem chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrią mas. Wyniki te wskazują, że u samic obserwuje się spadek obfitości enzymów metabolizmu energetycznego cukrów oraz izoform enzymu kinazy kreatynowej (CK), który stanowi odmienny system dostarczania energii w mięśniach. Zarówno u ludzi, jak i u zwierząt stwierdza się wyższe poziomy CK w surowicy samców w spoczynku oraz po wysiłku fizycznym9,10, jednak poziomy CK w surowicy nie muszą korelować z zakresem uszkodzeń miofibrylarnych11,12. Ten dymorfizm płciowy w komórkowej obfitości CK w mięśniu biceps brachii myszy jest nowym odkryciem5 i może wyjaśniać fizjologiczne różnice w poziomach CK w surowicy.
Ryciny:

Rysunek 1. Ogólny schemat protokołu dla proteomiki porównawczej. Protokół jest podzielony na trzy grupy: przygotowanie próbek, analizę próbek oraz identyfikację białek. Końce każdej z tych trzech grup protokołów stanowią odpowiednie miejsca na przerwy, choć najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy cały protokół jest przeprowadzany bez przerywania.

Rysunek 2. Porównanie plamek białkowych z mięśnia dwugłowego ramienia samic myszy w odniesieniu do identycznych plamek w mięśniu dwugłowym ramienia samców (zielone okręgi o). Plamki, których intensywność u samic wzrosła dwukrotnie lub więcej, obokreślono na czerwono (o), a plamki, których intensywność spadła dwukrotnie lub bardziej, obokreślono na niebiesko (o).

Rycina 3. Analiza intensywności plam żelu: oś X, samice przed ćwiczeniami (kontrola, n=5); oś Y, grupa samic w punkcie czasowym 0 h po pojedynczej serii ćwiczeń (n=5). Linia regresji: współczynnik korelacji = 0,919; nachylenie = 0,976; punkt przecięcia = -0,0293. Plamy powyżej czerwonej linii i poniżej niebieskiej linii wykazują zmianę większą niż +/- dwukrotność.