Szybkie fotochemiczne utlenianie białek (FPOP) to nowoczesna technika służąca do określania zmian topograficznych białek poprzez ultraszybką modyfikację kowalencyjną powierzchni białka eksponowanej na rozpuszczalnik, a następnie detekcję za pomocą LC-MS1. FPOP generuje wysoką koncentrację rodników hydroksylowych in situ poprzez błyskawiczną fotolizę nadtlenku wodoru laserem UV. Rodniki hydroksylowe te są bardzo reaktywne i krótkotrwałe, ulegając zużyciu w czasie rzędu mikrosekundy w warunkach FPOP2. Rodniki hydroksylowe dyfundują przez wodę i utleniają różne komponenty organiczne w roztworze z szybkościami kinetycznymi zazwyczaj mieszczącymi się w zakresie od szybkich (~106 M-1 s-1) do kontrolowanych przez dyfuzję3. Gdy rodnik hydroksylowy napotyka powierzchnię białka, utlenia łańcuchy boczne aminokwasów na powierzchni białka, co skutkuje przesunięciem masy tego aminokwasu (najczęściej w postaci netto dodania jednego atomu tlenu)4. Szybkość reakcji utleniania każdego aminokwasu zależy od dwóch czynników: inherentnej reaktywności danego 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 występują w formie utlenionej w większości próbek, chyba że przy wysokich dawkach rodników, i są identyfikowane poprzez staranną i czułą ukierunkowaną fragmentację ETD8,9. Po utlenianiu próbki są gasiły, aby usunąć nadtlenek wodoru i utleniacze wtórne (nadtlenek dwuatomowy, tlen singletowy, hydroperoksydy peptydowe itp.). Następnie zgaszone próbki są trawione proteolitycznie w celu wytworzenia mieszanin utlenionych peptydów, w których informacje strukturalne zostają utrwalone jako chemiczny „migawka” w wzorach produktów utleniania poszczególnych peptydów (Rysunek 1). Chromatografia cieczowa sprzężona ze spektrometrią mas (LC-MS) jest wykorzystywana do pomiaru stopnia utlenienia aminokwasów w danym peptydzie proteolitycznym na podstawie względnych intensywności utlenionych i nieutlenionych wersji tego peptydą. Poprzez porównanie takiego śladu oksydacyjnego tego samego białka uzyskanego w różnych warunkach konformacyjnych (np. w obecności liganda w porównaniu z białkiem wolnym od liganda), różnice w stopniu utlenienia danego regionu białka mogą być bezpośrednio skorelowane z różnicami w powierzchni tego regionu dostępnej dla rozpuszczalnika6,7. 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 białkowych leków terapeutycznych10,11.

Rycina 1: Przegląd metody FPOP. Powierzchnia białka jest kowalencyjnie modyfikowana przez wysoce reaktywne rodniki hydroksylowe. Rodniki hydroksylowe reagują z łańcuchami bocznymi aminokwasów białka z szybkością, na którą silny wpływ ma dostępność rozpuszczalnika do danego łańcucha bocznego. Zmiany topograficzne (na przykład wynikające z wiązania ligandu, jak pokazano powyżej) ochronią aminokwasy w regionie oddziaływania przed reakcją z rodnikami hydroksylowymi, co doprowadzi do spadku intensywności sygnału zmodyfikowanego peptydu w LC-MS. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
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 w obrębie próbek oraz pomiędzy różnymi laboratoriami. Dlatego ważne jest, aby móc porównać dawkę rodników hydroksylowych dostępnych do reakcji z białkiem w każdej próbce, korzystając z jednego z kilku dostępnych dozymetrów rodników hydroksylowych12,13,14,15,16. Dozymetry rodników hydroksylowych działają poprzez konkurowanie z analitytem (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 wygenerowanego rodnika hydroksylowego, jak i czasu połowicznego rozpadu tego rodnika. Te dwa parametry są od siebie częściowo zależne, co sprawia, że teoretyczne modelowanie kinetyczne jest dość złożone (Rycina 2). Dwie próbki mogą mieć skrajnie różne początkowe czasy połowicznego rozpadu rodników, zachowując jednocześnie tę samą efektywną dawkę rodników poprzez zmianę początkowego stężenia powstałego rodnika hydroksylowego; nadal będą one generować identyczne profile utleniania (footprints)17. Adenina13 i Tris12 są wygodnymi dozymetrami rodników hydroksylowych, ponieważ stopień ich 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 znajdującego się w systemie przepływowym bezpośrednio za miejscem naświetlania, który może monitorować w czasie rzeczywistym zmiany sygnału absorbancji adeniny. Pomaga to w przeprowadzaniu eksperymentów FPOP w buforach lub innych substancjach pomocniczych o znacznie różnej zdolności wymiatania rodników hydroksylowych17. Taka kompensacja dawki rodników może być wykonywana w czasie rzeczywistym, dając statystycznie nieodróżnialne wyniki dla tego samego konformeru poprzez regulację efektywnej dawki rodników.
W niniejszym protokole szczegółowo opisano procedury przeprowadzania typowego eksperymentu FPOP z kompensacją dawki rodników, wykorzystując adeninę jako wewnętrzny optyczny dozymetr rodnikowy. Metoda ta pozwala badaczom na porównywanie odcisków (footprints) w różnych warunkach FPOP o odmiennej zdolności usuwania rodników poprzez przeprowadzanie kompensacji w czasie rzeczywistym.

Rycina 2: Symulacja kinetyczna kompensacji opartej na dozymetrii. Odpowiedź dozymetru adeniny 1 mM jest mierzona w analizycie lizozymu 5 µM przy początkowym stężeniu rodników hydroksylowych 1 mM (▪OH t1/2=53 ns) i ustalona jako docelowa odpowiedź dozymetru (czarny). Po dodaniu 1 mM histydyny jako substancji pomocniczej pełniącej rolę wymiatacza, odpowiedź dozymetru (niebieski) maleje wraz z ilością utleniania białka w sposób proporcjonalny (cyjan). Czas połowicznego rozpadu rodnika hydroksylowego również ulega skróceniu (▪OH t1/2=39 ns). Gdy ilość generowanych rodników hydroksylowych zostaje zwiększona, aby uzyskać w próbce z 1 mM wymiatacza histydyny wydajność utlenionego dozymetru równoważną tej osiągniętej przy 1 mM rodników hydroksylowych w obecności wymiatacza (czerwony), ilość zachodzącego utleniania białka staje się analogicznie identyczna (magenta), podczas gdy czas połowicznego rozpadu rodnika hydroksylowego skraca się jeszcze bardziej (▪OH t1/2=29 ns). Dostosowano za zgodą Sharp J.S., Am Pharmaceut Rev 22, 50-55, 2019. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.