Szybkie fotochemiczne utlenianie białek (FPOP) to rozwijająca się technika służąca do określania zmian topograficznych białek poprzez ultraszybką modyfikację kowalencyjną powierzchni białka wystawionej na działanie rozpuszczalnika, a następnie detekcję za pomocą LC-MS1. FPOP generuje wysokie stężenie rodników hydroksylowych in situ poprzez błyskawiczną fotolizę nadtlenku wodoru laserem UV. Rodniki hydroksylowe te są bardzo reaktywne i krótkotrwałe, ulegając zużyciu w skali czasu rzędu mikrosekundy w warunkach FPOP2. Rodniki te dyfundują przez wodę i utleniają różne komponenty organiczne w roztworze z szybkościami kinetycznymi zazwyczaj od szybkich (~106 M-1 s-1) po kontrolowane dyfuzyjnie3. Gdy rodnik hydroksylowy napotka powierzchnię białka, utlenia on łańcuchy boczne aminokwasów na tej powierzchni, co skutkuje przesunięciem masy danego aminokwasu (najczęściej w postaci netto dodania jednego atomu tlenu)4. Szybkość reakcji utleniania w przypadku każdego aminokwasu zależy od dwóch czynników: immanentnej reaktywności tego aminokwasu (która zależy od łańcucha bocznego i kontekstu sekwencji)4,5 oraz dostępności tego łańcucha bocznego dla dyfundującego rodnika hydroksylowego, co ściśle koreluje ze średnią powierzchnią dostępną dla rozpuszczalnika6,7. W eksperymentach FPOP zaobserwowano znakowanie wszystkich standardowych aminokwasów z wyjątkiem glicyny przez te wysoce reaktywne rodniki hydroksylowe, choć z bardzo różną wydajnością; w praktyce Ser, Thr, Asn i Ala rzadko wykazują utlenienie w większości próbek, chyba że zastosowano wysokie dawki rodników i zidentyfikowano je za pomocą precyzyjnej i czułej ukierunkowanej fragmentacji ETD8,9. Po utlenianiu próbki są gasiły w celu usunięcia nadtlenku wodoru i utleniaczy wtórnych (nadtlenku, tlenu singletowego, hydroperoksydów peptydylowych itp.). Następnie zgasiłe próbki poddawane są trawieniu proteolitycznemu w celu wytworzenia mieszanin utlenionych peptydów, w których informacje strukturalne zostają zamrożone jako chemiczny „snapshot” w układach produktów utleniania poszczególnych peptydów (Ryc. 1). Chromatografia cieczowa sprzężona ze spektrometrią mas (LC-MS) jest wykorzystywana do pomiaru stopnia utlenienia aminokwasów w danym peptydzie proteolitycznym na podstawie względnych intensywności wersji utlenionej i nieutlenionej tego peptydu. Poprzez porównanie takiego odcisku utleniającego tego samego białka uzyskanego w różnych warunkach konformacyjnych (np. w obecności liganda w porównaniu do jego braku), różnice w stopniu utlenienia danego regionu białka mogą być bezpośrednio skorelowane z różnicami w powierzchni dostępnej dla rozpuszczalnika w tym regionie6,7. Zdolność do dostarczania informacji topograficznych białek sprawia, że FPOP jest atrakcyjną technologią do określania struktury wyższego rzędu białek, w tym w procesie odkrywania i rozwoju leków białkowych10,11.

Rysunek 1: Przegląd metody FPOP. Powierzchnia białka ulega modyfikacji kowalencyjnej przez wysoce reaktywne rodniki hydroksylowe. Rodniki hydroksylowe reagują z łańcuchami bocznymi aminokwasów białka z szybkością silnie zależną od dostępności rozpuszczalnika dla danego łańcucha bocznego. Zmiany topograficzne (na przykład wynikające z wiązania liganda, jak pokazano powyżej) chronią aminokwasy w obszarze oddziaływania przed reakcją z rodnikami hydroksylowymi, co prowadzi do spadku intensywności sygnału zmodyfikowanego peptydu w analizie LC-MS. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Różne składniki obecne w roztworze FPOP (np. ligandy, substancje pomocnicze, bufory) wykazują różną aktywność wymiatania w stosunku do rodników hydroksylowych generowanych podczas fotolizy laserowej nadtlenku wodoru3. Podobnie, niewielka zmiana stężenia nadtlenku, fluencji lasera i składu buforu może zmienić efektywną dawkę rodników, co sprawia, że reprodukcja danych FPOP jest trudna pomiędzy próbkami oraz różnymi laboratoriami. Dlatego ważne jest, aby móc porównać dawkę rodników hydroksylowych dostępnych do reakcji z białkiem w każdej próbce, wykorzystując jeden z kilku dostępnych dozymetrów rodników hydroksylowych12,13,14,15,16. Dozymetry rodników hydroksylowych działają poprzez konkurowanie z analitym (oraz ze wszystkimi wymiataczami w roztworze) o pulę rodników hydroksylowych; efektywną dawkę rodników hydroksylowych określa się poprzez pomiar stopnia utlenienia dozymetru. Należy zauważyć, że „efektywna dawka rodników hydroksylowych” jest funkcją zarówno początkowego stężenia generowanych rodników hydroksylowych, jak i okresu półtrwania rodnika. Te dwa parametry są od siebie częściowo zależne, co sprawia, że teoretyczne modelowanie kinetyczne jest nieco złożone (Rysunek 2). Dwie próbki mogą mieć skrajnie różne początkowe okresy półtrwania rodników, a mimo to zachować tę samą efektywną dawkę rodników poprzez zmianę początkowego stężenia tworzonych rodników hydroksylowych; w takim przypadku wygenerują one identyczne „odciski” (footprints)17. Adenina13 i Tris12 są wygodnymi dozymetrami rodników hydroksylowych, ponieważ ich stopień utlenienia można mierzyć w czasie rzeczywistym za pomocą spektroskopii UV, co pozwala badaczom na szybką identyfikację problemów z efektywną dawką rodników hydroksylowych i ich rozwiązywanie. Aby rozwiązać ten problem, istotne jest zastosowanie dozymetru przepływowego zintegrowanego z układem, umieszczonego bezpośrednio za miejscem napromieniowania, który może monitorować w czasie rzeczywistym zmiany sygnału absorbancji adeniny. Pomaga to w przeprowadzaniu eksperymentów FPOP w buforach lub dowolnych innych substancjach pomocniczych o znacznie różniącej się zdolności do wymiatania rodników hydroksylowych17. Taka kompensacja dawki rodników może być wykonywana w czasie rzeczywistym, co pozwala na uzyskanie statystycznie nieodróżnialnych wyników dla tego samego konformeru poprzez dostosowanie efektywnej dawki rodników.
W niniejszym protokole szczegółowo opisano procedury przeprowadzania typowego eksperymentu FPOP z kompensacją dawki rodników przy użyciu adeniny jako wewnętrznego optycznego dozymetru rodnikowego. Metoda ta umożliwia badaczom porównywanie footprintów w różnych warunkach FPOP o odmiennej zdolności do wychwytywania rodników poprzez przeprowadzanie kompensacji w czasie rzeczywistym.

Rycina 2: Symulacja kinetyczna kompensacji opartej na dozymetrii. Odpowiedź dozymetru adeniny 1 mM jest mierzona w analizowanym roztworze lizozymu 5 µM przy początkowym stężeniu rodników hydroksylowych 1 mM (▪OH t1/2=53 ns) i przyjęta jako docelowa odpowiedź dozymetru (kolor czarny). Po dodaniu 1 mM histydyny jako substancji pomocniczej pełniącej rolę wymiatywacza, odpowiedź dozymetru (kolor niebieski) maleje proporcjonalnie do stopnia utleniania białka (kolor cyjan). Czas połowicznego rozpadu rodnika hydroksylowego również ulega skróceniu (▪OH t1/2=39 ns). Gdy zwiększona zostanie ilość generowanych rodników hydroksylowych, aby uzyskać w próbce z 1 mM wymiatywacza histydyny wydajność utlenionego dozymetru równoważną tej osiągniętej przy 1 mM rodników hydroksylowych w absence wymiatywacza (kolor czerwony), stopień utleniania białka staje się analogicznie identyczny (kolor magenta), podczas gdy czas połowicznego rozpadu rodnika hydroksylowego ulega dalszemu skróceniu (▪OH t1/2=29 ns). Zaadaptowano za zgodą Sharp J.S., Am Pharmaceut Rev 22, 50-55, 2019. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.