A espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) é uma valiosa ferramenta de elucidação da estrutura para proteínas1. A espectroscopia de RMN pode ser usada para determinar a estrutura da solução de uma proteína em seu estado nativo. Para superar a baixa abundância natural de isótopos magnéticos estáveis, é necessário incorporar 13C e 15N na proteína de interesse. O método mais comum empregado é a expressão recombinante em um hospedeiro bacteriano2-3. No entanto, duas desvantagens da superexpressão do hospedeiro bacteriano são que ele não pode produzir modificações pós-traducionais e não funciona para todas as proteínas3-4. Quando a expressão bacteriana não é uma rota viável para a produção de proteínas, a superexpressão em hospedeiros não bacterianos pode ser usada, mas a marcação isotópica é difícil e cara5. Métodos alternativos de expressão para incorporar isótopos de 13C e 15N em proteínas para análise de RMN incluem técnicas de marcação esparsa usando precursores metabólicos para marcação de metila6 e aminoácidos 13C, 15N7-9. Uma abordagem química para a marcação esparsa usada aqui é a reação redutiva de 13C-metilação bem estabelecida (Figura 1), onde os grupos amino primários em uma proteína - a α-amina N-terminal e a lisina, ε-aminas de cadeia lateral - são metilados. Uma vez que as monometilaminas são formadas, a amina prontamente sofre metilação novamente, devido ao maior valor de pKa, para formar dimetilaminas.
A metilação redutiva foi introduzida pela primeira vez como um método para modificar quimicamente proteínas por Means e Feeney10. As vantagens dessa reação são sua ampla aplicabilidade e condições de reações leves em pH fisiológico tamponado e baixas temperaturas11,12. Na presença de formaldeído e um agente redutor, como o complexo dimetilamina borano (DMAB), os grupos lisina ε-amino e o grupo N-terminal α-amino são seletivamente metilados para produzir aminas dimetiladas. Embora o formaldeído seja conhecido por reticular proteínas através da formação de pontes de metileno, esse processo é bloqueado pelo agente redutor13,14.
A metilação redutora tem sido usada com sucesso para estudar proteínas com RMN e cristalografia de raios-x. A metilação redutiva é usada para facilitar a cristalização de proteínas intratáveis15. A lisozima de clara de ovo de galinha foi a primeira proteína cristalizada em sua forma dimetilada. A diferença quadrada média entre os átomos pesados nas estruturas de lisozima metilada e não metilada é de 0,40 Å16. Essa comparação demonstra que a estrutura da proteína pode ser mantida após a metilação redutiva, tornando a reação uma ferramenta viável de rotulagem para elucidação da estrutura.
Usando formaldeído marcado com 13C na reação de metilação redutiva, 13aminas C-dimetiladas são produzidas. As 13C-dimetilaminas são sondas detectáveis por RMN que têm sido amplamente utilizadas para estudar a dinâmica, estrutura e função de proteínas. A RMN e a metilação 13C redutora têm sido usadas para estudar as interações proteína-ligante e proteína-proteína para o receptor adrenérgico β2 17, ribonuclease A18, lisozima19, proteína20 do gene fd 5 e citocromo c21. Da mesma forma, foram estudadas propriedades estruturais e funcionais da ribonuclease A22 13C-metilada de forma redutora, lisozima23, proteína24 do gene fd 5, ferredoxina de Clostridium pasteurianum 25, fragmento Fc de IgG26, apolipoproteína A-I27 e MIP-1α28 A dinâmica dos 13grupos C-dimetilamino foi estudada na concanavalina A29-30 e na calmodulina31.
Embora a metilação 13C redutora tenha sido amplamente utilizada para estudar proteínas com RMN, o método de marcação sempre foi limitado pelas dificuldades de atribuir as ressonâncias de RMN26. A maioria das estratégias de atribuição para reduzir 13proteínas C-metiladas dependeu de um pequeno número de locais,20,28 propriedades estruturais conhecidas11,19,23,26,31,32. ou extensas modificações genéticas33. Nenhum desses estudos atribuiu com sucesso todos os 13picos de C-dimetilamina, exceto o estudo da calmodulina, onde os picos foram atribuídos por mutagênese dirigida ao local de cada lisina33. No estudo da formação de dímeros MIP-1α, o uso de espectrometria de massa (MS) para auxiliar na atribuição de RMN de 13aminas C-metiladas redutoras foi relatado pela primeira vez28. O tempo de voo de ionização por dessorção a laser assistido por matriz (MALDI-TOF) MS foi usado para identificar a lisina na interface do dímero. As lisinas parcialmente metiladas de peptídeos trípticos MIP-1α humanos foram identificadas com MS e correlacionadas com o aparecimento de sinais de mono e dimetilamina da proteína intacta observados em espectros de RMN 2D 1 H-13C HSQC28. Nosso grupo expandiu o uso da SM e apresentou um método de atribuição que não requer conhecimento prévio da estrutura ou propriedades da proteína além da sequência de aminoácidos34. Este método é aplicável à maioria das proteínas. Uma exceção é quando uma proteína tem uma lisina N-terminal porque o perfil isotópico MS da lisina N-terminal α- e ε-13C-dimetilaminas não pode ser medido independentemente.
Aqui apresentamos dois métodos, um químico e outro enzimático, para identificar os sítios N-terminal de α-dimetilamina e ε-dimetilamina de cadeia lateral de um resíduo de lisina N-terminal. O primeiro método foi inspirado em Córdova et al.que utilizaram o pH para controlar a seletividade da acetilação de proteínas35. A reação favorece a α-amina N-terminal em pH baixo e as ε-aminas de cadeia lateral em pH alto, permitindo que os grupos α e ε-amino proteicos sejam distinguidos, em seus estudos, com eletroforese capilar35. Demonstramos como o pH alto e baixo é usado para alterar a marcação de grupos amino proteicos usando a reação redutora de 13C-metilação e para permitir a aplicação da estratégia de atribuição assistida por MS. O segundo método para atribuir as C-dimetilaminas N-terminal α- e ε-13aproveita a remoção seletiva do(s) resíduo(s) N-terminal usando Aeromonas proteolytica aminopeptidase recombinante.