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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
In vivo a oxidação fotoquímica rápida de proteínas (IV-FPOP) é uma técnica de pegada de proteína radical hidroxil que permite o mapeamento da estrutura proteica em seu ambiente nativo. Este protocolo descreve a montagem e a configuração do sistema de fluxo microfluido IV-FPOP.
A oxidação rápida de proteínas (FPOP) é um método de pegada de proteína radical hidroxil (HRPF) usado para estudar estrutura proteica, interações proteína-ligantes e interações proteína-proteína. FPOP utiliza um laser de excimer KrF a 248 nm para fotolise de peróxido de hidrogênio para gerar radicais hidroxilos que, por sua vez, modificam oxidativamente cadeias laterais de aminoácidos acessíveis a solventes. Recentemente, expandimos o uso de FPOP de rotulagem oxidativa in vivo em Caenorhabditis elegans (C. elegans),intitulado IV-FPOP. Os nematóides transparentes têm sido usados como sistemas modelo para muitas doenças humanas. Estudos estruturais em C. elegans por IV-FPOP são viáveis devido à capacidade do animal de captar peróxido de hidrogênio, sua transparência à irradiação a laser a 248 nm e a natureza irreversível da modificação. A montagem de um sistema de fluxo microfluido para rotulagem IV-FPOP, parâmetros IV-FPOP, extração de proteínas e parâmetros otimizados lc-MS/MS são descritos aqui.
A pegada proteica acoplada à espectrometria de massa (MS) tem sido usada nos últimos anos para estudar interações proteicas e mudanças conformacionais. Os métodos de pegada de proteína radical hidroxilo (HRPF) sondam a acessibilidade de solventes de proteínas modificando cadeias laterais de aminoácidos protéicos. O método HRPF, oxidação fotoquímica rápida de proteínas (FPOP)1, tem sido usado para sondar a estrutura proteica in vitro2, in-cell (IC-FPOP)3, e mais recentemente in vivo (IV-FPOP)4. FPOP utiliza um laser excimer de comprimento de onda de 248 nm para gerar rapidamente radicais hidroxilos por fotolisa de peróxido de hidrogênio para formar radicais hidroxilos1. Por sua vez, esses radicais podem rotular 19 de 20 aminoácidos em uma escala de tempo de microssegundo, mais rápido do que as proteínas podem se desdobrar. Embora, a reatividade de cada aminoácido com radicais hidroxila estenda 1000 vezes, é possível normalizar a oxidação da cadeia lateral através do cálculo de um fator de proteção (PF)5.
Uma vez que o FPOP pode modificar oxidativamente proteínas independentemente de seu tamanho ou seqüência primária, ele se mostra vantajoso para estudos de proteínas in-cell e in vivo. IV-FPOP sonda estrutura proteica em C. elegans de forma semelhante aos estudos in vitro e in-cell4. C. elegans fazem parte da família nematoide e são amplamente utilizados como modelo para estudar doenças humanas. A capacidade do verme de captar peróxido de hidrogênio por difusão passiva e ativa permite o estudo da estrutura proteica em diferentes sistemas corporais. Além disso, c. elegans são adequados para IV-FPOP devido à sua transparência no comprimento de onda laser de 248 nm necessário para FPOP6. O acoplamento deste método à espectrometria de massa permite a identificação de múltiplas proteínas modificadas usando abordagens tradicionais de proteômica de baixo para cima.
Neste protocolo, descrevemos como realizar iv-FPOP para a análise da estrutura proteica em C. elegans. O protocolo experimental requer a montagem e a configuração do sistema de fluxo microfluido para IV-FPOP adaptado de Konermann et al7. Após IV-FPOP, as amostras são homogeneizadas para extração de proteínas. As amostras de proteínas são proteolisadas e os peptídeos são analisados por cromatógrafo líquido (LC) tandem MS, seguidos de quantificação.
1. C. elegans manutenção e cultura
2. Montagem do sistema de fluxo microfluido

3. Sistema de fluxo microfluido para in vivo FPOP
4. In vivo FPOP
5. Extração de proteínas, purificação e proteolíse
6. Espectrometria de massa líquida de alto desempenho (LC-MS/MS)
7. Análise de dados

No sistema de fluxo microfluido usado para IV-FPOP, H2O2 e os vermes são mantidos separados até pouco antes da irradiação laser. Esta separação elimina a quebra de H2O2 por catalase endógena e outros mecanismos celulares12. O uso de um capilar de 250 μm mostra uma recuperação amostral total entre 63-89% em duas réplicas biológicas, enquanto o capilar de 150 μm mostra apenas recuperação de 21-31%(Figura 3A). O uso de um capilar de i.d.maior (250 μm) leva a um melhor fluxo de vermes durante o IV-FPOP e o fluxo de vermes únicos(Figura 3B)quando comparado a um fio de pilar de i.d. menor (150 μm)(Figura 3C). O capilar de 150 μm i.d. não permite o fluxo de vermes únicos(Figura 3C)e vários vermes são vistos fluindo juntos na janela de irradiação do laser, o que diminui a quantidade de exposição a laser por um único verme.
IV-FPOP é uma técnica de rotulagem covalente que sonda acessibilidade de solventes em C. elegans. A Figura 4A mostra um representante extraído de cromatogramas de íons (EIC) de um peptídeo modificado e não modificado fpop. O rótulo radical hidroxila altera a química dos peptídeos oxidativamente modificados, tornando os peptídeos modificados do FPOP mais polares. Na cromatografia de fase inversa, os peptídeos modificados IV-FPOP têm tempos de retenção mais cedo do que peptídeos não modificados. A fragmentação de peptídeos isolados de MS/MS permite a identificação de resíduos oxidativamente modificados (Figura 4B).
IV-FPOP demonstrou ter modificado oxidativamente um total de 545 proteínas em duas réplicas biológicas dentro de C. elegans (Figura 5A,B). Uma vantagem do IV-FPOP como método de pegada de proteínas depende da capacidade da técnica de modificar proteínas em uma variedade de sistemas corporais dentro dos vermes (Figura 5C). Este método permitiria sondar a estrutura proteica e interações proteicas, independentemente do tecido corporal ou órgão dentro do verme. Além disso, a análise tandem MS confirma a acessibilidade de sondas IV-FPOP in vivo. Analisou-se o padrão de oxidação da proteína de choque térmico 90 (Hsp90) em complexo com a proteína de chaperon de miosina UNC-45 (Figura 6). A análise de MS/MS para Hsp90 mostra que quatro resíduos oxidativamente modificados(Figura 6C,D), a extensão normalizada da modificação do FPOP (ln(PF))5 indica que o resíduo de Hsp90 M698 é menos acessível a solventes do que os resíduos R697, E699 e E700 quando vinculados à UNC-45(Figura 6C). Essas diferenças na oxidação são validadas pelos cálculos da área de superfície acessível para solventes da literatura (SASA) (PDB 4I2Z13). O resíduo M698 tem um valor SASA de 0,03 que é considerado um resíduo enterrado quando comparado aos resíduos R697, E699 e E700 com valores SASA mais elevados(Figura 6C). 14

Figura 1. Esquema do sistema de fluxo microfluido FPOP in vivo. (A) As duas linhas de infusão (laranja) do sistema de fluxo IV-FPOP são mostradas dentro da tubulação FEP (amarela), a posição de ligação correta da resina epóxi é representada pelo círculo azul claro. (B) Mistura-T montada completa formada pelos três capilares de 250 μm i.d. A posição correta de ligação da resina do capilar de saída ao tubo FEP é representada pelo círculo azul claro. (C) O sistema completo de fluxo montado para rotulagem covalente in vivo de C. elegans. Antes do FPOP, os worms são mantidos separados de H2O2 até pouco antes da rotulagem; a janela de irradiação laser é mostrada em azul claro e o raio laser é representado pelo raio roxo. Os números não são para escalar. Esta figura foi modificada a partir de Espino et al.4. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Sistema microfluido durante IV-FPOP. (A) Imagem representativa de C. elegans dentro da seringa de 5 mL. Sem mexer, os vermes se acomodam na parte inferior da seringa (esquerda). Os agitadores magnéticos e o bloco do agitador mantêm os vermes em suspensão durante os experimentos IV-FPOP (à direita). (B) Imagem representativa de uma seringa de 5 mL, infundindo capilar e retirando capilares conectados à válvula 3-2. A pega da válvula 3-2 é mostrada na posição de retirada. (C) Sistema de fluxo microfluido durante o IV-FPOP, o bloco do agitador magnético está posicionado acima da seringa de 5 mL dos vermes. (D) Capilar de saída preso ao estágio de irradiação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Comparação do fluxo e recuperação de C. elegans usando dois capilares de id. (A) Recuperação percentual de vermes após IV-FPOP para duas réplicas biológicas (BR) com 250 (cinza) e 150 (preto) μm i.d. capilares. As barras de erro são calculadas a partir do desvio padrão entre triplicados técnicos. C. elgans fluindo através da janela de irradiação a laser através de um capilar de 250 μm(B)e 150 μm(C)i.d. Os vermes são mais bem compactados no capilar menor. A capilar de 150 μm mostra a despedadeza de vermes. Esta figura foi modificada a partir de Espino et al.4. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Resultado representativo LC-MS/MS após IV-FPOP. (A) EIC de um peptídeo modificado FPOP (vermelho) e não modificado (azul). O peptídeo selecionado pertence à proteína actina-1. (B) Espectro MS/MS do peptídeo actin-1 não modificado duplamente carregado 317-327. (C) Espectro MS/MS do peptídeo de actina modificado FPOP-1 duplamente carregado 317-327, neste exemplo P323 foi oxidativamente modificado (y5+ íon, vermelho). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. IV-FPOP modifica oxidativamente proteínas dentro de C. elegans. (A) Diagrama de venn de proteínas oxidativamente modificadas na presença de peróxido de hidrogênio de 200 mM a 50 Hz em duas réplicas biológicas (BR), BR1 está em azul e BR2 em amarelo. (B) Diagrama de Venn de proteínas oxidativamente modificadas identificadas em amostras irradiadas, controle de peróxido de hidrogênio e controle somente de vermes em BR2 através de triplicações técnicas. (C) Gráfico de pie de proteínas oxidativamente modificadas dentro de diferentes sistemas corporais C. elegans. Esta figura foi modificada a partir de Espino et al.4. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6. Correlacionando modificações IV-FPOP para acessibilidade de solventes. (A) Proteína de chaperon de miosina UNC-45 (cinza) (PDB ID 4I2Z13) destacando dois peptídeos modificados identificados pela análise lc/ms/ms, 669-680 e 698-706 (verde, entrada esquerda). UNC-45 está ligado ao fragmento de peptídeo Hsp90 (azul). Resíduos oxidativamente modificados dentro deste fragmento são mostrados em varas (vermelhas) e UNC-45 é renderizado como uma superfície (entrada direita). (B) Espectro súmico Tandem MS do peptídeo UNC-45 669-680 (superior) e 698-706 (inferior) mostrando b- e íons y para a perda de CO2, uma modificação FPOP. (C) O ln(PF) calculado para os resíduos modificados oxidativamente Hsp90, R697, M698, E699 e E700. Os valores calculados de SASA para Hsp90 são denotados acima de cada resíduo. (D) Espectro spectra Tandem MS para R697, M698, E699 e E700 mostrando uma modificação +16 FPOP. Esta figura foi modificada a partir de Espino et al.4. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Esta publicação foi escrita em cumprimento parcial da tese de doutorado da JAE. Os autores não declaram conflito de interesses.
In vivo a oxidação fotoquímica rápida de proteínas (IV-FPOP) é uma técnica de pegada de proteína radical hidroxil que permite o mapeamento da estrutura proteica em seu ambiente nativo. Este protocolo descreve a montagem e a configuração do sistema de fluxo microfluido IV-FPOP.
Este trabalho foi apoiado por fundos de start-up da Universidade de Maryland, Baltimore e do NIH 1R01 GM 127595 concedido ao LMJ. Os autores agradecem ao Dr. Daniel Deredge por sua ajuda na edição do manuscrito.
| Tubos de Centrífuga Cônicos de 15mL | Fisher Scientific | 14-959-53A | qualquer marca é suficiente |
| Seringa de 5 mL à Prova de Gás, Removível Luer Lock | SGE Analytical Science | 008760 | 2 mínimo |
| 60 Desemembrador Sônico | Fisher Scientific | FM3279 | Este item não está mais disponível. Qualquer sonicador de baixo volume será suficiente |
| Acetona, Grau HPLC | Fisher Scientific | A929-4 | 4 L quantidade não é necessária |
| Acetonitrila com 0,1% de Ácido Fórmico (v/v), Grau LC/MS Fisher | Scientific | LS120-500 | |
| ACQUITY UPLC M-Class Symmetry C18 Trap Column, 100Å, 5 µ m, 180 µ m x 20 mm, 2G, V/M, 1/pkg | Waters | 186007496 | |
| ACQUITY UPLC M-Class System | Waters | ||
| Folha de Alumínio | Fisher Scientific | 01-213-100 | qualquer marca é suficiente |
| Aqua 5 µ m C18 125 & material de embalagem | Centrífuga Phenomenex | ||
| Eppendorf | 022625501 | ||
| Limpeza de Tarefas Delicadas | Fisher Scientific | 06-666A | |
| Agulha de Dissecação | Fisher Scientific | 50-822-525 | apenas alguns são necessários |
| Ditiotreiotol (DTT) | AmericanBio | AB00490-00005 | |
| DMSO, Anidro | Invitrogen | D12345 | |
| Epóxi mistura instantânea 5 minutos | Loctite | 1365868 | |
| Ácido etilenodiaminotetracético (EDTA) | Fisher Scientific | S311-100 | |
| EX350 excimer laser (comprimento de onda de 248 nm) | GAM Laser | ||
| FEP Tubing 1/16" OD x 0.020" ID | IDEX Health & Ácido fórmico Sciene | 1548L | |
| , grau LC / MS | Fisher Scientific | A117-50 | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | |
| HV3-2 VÁLVULA | Hamilton | 86728 | 2 mínimo |
| Ácido clorídrico | Fisher Scientific | A144S-500 | |
| Peróxido de hidrogênio | Fisher Scientific | H325-100 | qualquer 30% peróxido de hidrogênio é suficiente |
| Iodoacetamida (IAA) | ACROS Organics | 122270050 | |
| Legato 101 bomba de seringa | KD Scientific | 788101 | |
| Luer Adapter Female Luer to 1/4-28 Male Polypropylene | IDEX Health & Sciene | P-618L | 2 mínimo |
| Sulfato de Magnésio | Fisher Scientific | M65-500 | |
| Metanol, LC/MS Grau | Fisher Scientific | A454SK-4 | 4 L quantidade não é necessária |
| Microcentrífuga | Thermo Scientific | 75002436 | |
| N,N′-Dimetiltioureia (DMTU) | ACROS Organics | 116891000 | |
| NanoTight Sleeve Verde 1/16" ID x .0155" ID x1.6"' | IDEX Saúde & Sciene | F-242X | |
| NanoTight Manga Amarela 1/16" OD x 0.027" ID x 1.6" | IDEX Saúde & Sciene | F-246 | |
| N-terc-butil-&alfa;-fenilnitrona (PBN) | ACROS Organics | 177350250 | |
| OmniPur Fluoreto de fenilmetil sulfonila (PMSF) | Sigma-Aldrich | 7110-OP | qualquer inibidor de protease é suficiente |
| Orbitrap Fusion Lumos Tribrid Mass Spectrometer | Thermo Scientific | outros instrumentos de alta resolução (por exemplo, Q exactive Orbitrap ou Orbitrap Fusion) pode ser usado | |
| medidor de energia piroelétrica PE50-C | Ophir Optronics | 7Z02936 | |
| Ensaio de peptídeo colorimétrico quantitativo | Thermo Scientific | 23275 | |
| Pierce Rapid Gold BCA Protein Assay Kit | Thermo Scientific | A53225 | |
| Pierce Trypsin Protease, MS Grade | Thermo Scientific | 90058 | |
| Pedra de clivagem Polymicro, 1" x 1" x 1/32" | Molex | 1068680064 | qualquer cortador de tubos capilares é suficiente |
| Tubo capilar de sílica fundida flexível Polymicro, diâmetro interno 250µ m, Diâmetro Externo 350µ m, TSP250350 | Polymicro Technologies | 1068150026 | |
| Tubo Capilar de Sílica Fundida Flexível Polymicro, Diâmetro Interno 450µ m, Diâmetro Externo 670µ m, TSP450670 | Polymicro Technologies | 1068150625 | |
| Tubo Capilar de Sílica Fundida Flexível Polymicro, Diâmetro Interno 75µ m, Diâmetro Externo 375µ m, TSP075375 | Polymicro Technologies | 1068150019 | |
| Fosfato de potássio Monobásico | Fisher Scientific | P382-500 | |
| Proteome Discover (software de proteômica de baixo para cima) | Thermo Scientific | OPTON-30799 | |
| Agitador de Queda Magnético Rotativo | V& P Científico, Inc. | VP 710D3 | |
| Agitador de Tambor Magnético Rotativo, kit de acessórios para uso com Bombas de Seringa | V& P Científico, Inc. | VP 710D3-4 | |
| Tesoura | Fisher Scientific | 50-111-1315 | qualquer tesoura é suficiente |
| Fita de etiqueta autoadesiva | Fisher Scientific | 15937 | um rolo é suficiente |
| Tubos de tubo flexível de microcentrífuga de tampa de pressão | Fisher Scientific | 05-402 | qualquer marca é suficiente |
| Cloreto de sódio | Fisher Scientific | S271-500 | |
| Dodecil Sulfato de Sódio (SDS) | Fisher Scientific | 15-525-017 | |
| Fosfato de Sódio Dibásico Heptahidratado | Fisher Scientific | S373-500 | |
| Microscópio Zoom Estéreo | Fisher Scientific | 03-000-014 | uma lupa é suficiente |
| Virola Super Flangeless com Anel SST, Tefzel (ETFE), 1/4-28 Fundo Plano, para 1/16" OD | IDEX Saúde & Porca Super Flangeless Sciene | P-259X | |
| PEEK 1/4-28 Fundo Plano, para 1/16" e 1/32" OD | IDEX Saúde e Discos de agitação Sciene | P-255X | |
| Super Tumble, 3,35 mm de diâmetro, 0,61 mm de espessura | V& P Científico, Inc. | VP 722F | |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP152-500 | |
| Placa de Base Universal, 2.5" x 2.5" x 3/8" | Thorlabs Inc. | UBP2 | |
| Ureia | Fisher Scientific | U5378 | |
| VHP MicroTight Union para 360µ m OD | IDEX Saúde & Sciene | UH-436 | 2 |
| mínimo de água com 0,1% de ácido fórmico (v/v), LC/MS Grau | Fisher Scientific | LS118-500 | |
| Água, LC/MS Grau | Fisher Scientific | W6-4 |