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Os métodos tradicionais de lise de vermes têm várias desvantagens. Por exemplo, os métodos de sonicação baseados em sonda e batedor de esferas produzem calor excessivo, permitindo o contato da ponta ou esferas de metal diretamente com as amostras, resultando em recuperações variáveis de proteínas e desnaturação de proteínas. A moagem de nitrogênio líquido seguida de sonicação em tampão de lise pode ser demorada e requer um grande número de vermes. Devido às limitações dos métodos tradicionais de lise de vermes, os fluxos de trabalho anteriores de MS, como os métodos de rotulagem iTRAQ ou métodos sem rótulo que têm sido historicamente usados no sistema modelo de C. elegans para obter informações quantitativas sobre o insolublome, exigem grande entrada de material de partida (pelo menos 40.000 vermes). É necessário um trabalho trabalhoso de cultura de minhocas para obter esse número de minhocas. Além disso, os métodos de rotulagem exigem rótulos químicos isobáricos caros. Os métodos de quantificação sem rótulo são econômicos e têm métodos de preparação e rotulagem de amostras mais fáceis e diretos, mas exigem um número significativamente grande de vermes para atingir cobertura suficiente de análise de MS.
O sonicador que usamos aumenta muito a eficiência e a reprodutibilidade da lise do verme ao lisar várias amostras de vermes simultaneamente em um sonicador de banho-maria com temperatura controlada sem contaminação cruzada14, reduzindo significativamente a quantidade de material inicial do sem-fim necessário. Combinando o método de sonicação altamente eficiente e a abordagem quantitativa de MS sem marcação DIA, fomos capazes de quantificar de forma robusta a insolúbula de vermes idosos e jovens usando ~ 3.000 vermes. Aqui testamos e validamos a eficiência do protocolo e comparamos a insolúvel de vermes idosos e jovens de uma cepa de vermes do tipo selvagem, N2-Bristol C. elegans. Aplicamos este protocolo para extrair e isolar o insolubloma de ~ 3.000 C. elegans N2 envelhecidos e jovens (duas réplicas biológicas para cada condição), seguido de análise de MS com um espectrômetro de massa de tempo de voo quadrupolo ou outros sistemas de MS usando uma combinação de aquisição dependente de dados (DDA) e aquisições independentes de dados (DIA / SWATH) para identificação e quantificação de proteínas. As proteínas insolúveis foram analisadas primeiro em um gel de gradiente Bis-Tris 4-12% para determinar a quantidade de proteína em cada amostra de insolubloma. Conforme demonstrado na Figura 2, a amostra de insolubloma de vermes envelhecidos N2 (pistas 2 e 3, experimentos de replicação biológica) tem significativamente mais proteína do que amostras de vermes jovens N2 (pistas 1 e 4, experimentos de replicação biológica).
Após a digestão em gel, os perfis proteicos do insolubloma foram analisados por HPLC-MS. Usando esse fluxo de trabalho, geralmente podemos identificar 1000-1500 proteínas e quantificar 500-1.000 proteínas da fração insolúvel SDS com alta reprodutibilidade (dados não publicados). Aqui, fomos capazes de quantificar 989 proteínas do insolúvel de N2-Bristol C. elegans analisando os dados do DIA e removendo a redundância: 768 proteínas foram significativamente enriquecidas e 27 proteínas foram significativamente diminuídas no insolúvel do verme N2 envelhecido (Dia 10) em comparação com o jovem (dia 2) usando uma mudança de dobra de pelo menos 1,5 e um valor Q inferior a 0,01 (Figura 3A). Como visto no gráfico do histograma (Figura 3B), a mudança de dobra de proteínas significativamente alteradas mostra uma distribuição normal. Os vermes envelhecidos demonstraram ser significativamente enriquecidos para o insolubloma: A maior mudança observada mostrou que a abundância relativa de proteínas no insolubloma foi 592 vezes maior nos vermes velhos versus jovens; e para 32 proteínas, a abundância relativa de proteínas no insolubloma foi >250 vezes maior nos vermes velhos versus jovens, indicando mudanças dramáticas no insolubloma com a idade.
Depois de extrair a lista de proteínas insolúveis que são significativamente aumentadas nos vermes envelhecidos e identificadas pela base de vermes (WS271), a via KEGG e a análise da Ontologia Genética (GO) foram realizadas para determinar as vias que são enriquecidas no insolublome envelhecido para obter informações biológicas sobre como elas se relacionam com o envelhecimento. A análise da via KEGG das proteínas identificadas neste estudo mostra o enriquecimento de várias vias envolvendo ribossomos, mitocôndrias, proteassoma e spliceossomo (Figura 4A). A análise da ontologia genética mostra que o insolubloma de vermes idosos compreende muitas proteínas em categorias específicas, incluindo mitocôndrica, de desenvolvimento, determinantes da expectativa de vida adulta e proteínas ribossômicas (Figura 4B e Tabela Suplementar 1A). Em seguida, comparamos a lista de proteínas identificadas neste estudo com trabalhos publicados anteriormente de David et al.2 e Mark et al.11, conforme demonstrado em diagramas de Venn (Figura 5, A, 5B). A comparação mostrou sobreposição significativa das proteínas identificadas 394/721 e 444/721 com o estudo de David et al (Figura 5A) e Mark et al. (Figura 5B), respectivamente. As vias biológicas reveladas pela análise KEGG do insolubloma deste estudo também foram identificadas no passado, validando assim nossa metodologia (Tabela Suplementar 1B). A identificação dessas vias e proteínas sugere que elas podem servir como candidatas para investigações biológicas adicionais em relação à sua função no contexto do envelhecimento.
Em resumo, o uso do método de sonicação eficiente permite a lise de várias amostras de vermes ao mesmo tempo em um ambiente com temperaturas bem controladas e contaminação cruzada reduzida para obter alta cobertura de proteína com significativamente menos material inicial do verme. A combinação do método de sonicação eficiente com um fluxo de trabalho de quantificação de proteínas sem marcação DIA forneceu resultados confiáveis e reprodutíveis para a quantificação de proteínas de vermes insolúveis.

Figura 1. Fluxo de trabalho experimental do protocolo. C. elegans foram cultivados e coletados em dias diferentes. Após a lise do verme com um sonicador, a fração de proteína insolúvel em SDS a 1% (insolublome) foi extraída e isolada do lisado. O insolubloma foi então digerido por meio de digestão de tripsina em gel e quantificado por espectrometria de massa DIA, seguida de análise bioinformática. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. O gel SDS-PAGE do insolublome isolou vermes jovens versus velhos da cepa N2-Bristol. Os insolublemas de vermes jovens versus velhos da linhagem N2-Bristol foram analisados por SDS-PAGE para determinar a quantidade de proteína presente. O gel SDS-PAGE foi corado com uma coloração de proteína fluorescente para visualizar bandas de proteínas. Pistas 1 e 4: Insolublome de dois experimentos de replicação biológica de vermes N2 jovens (Dia 2). Pistas 2 e 3: Insolúvel de dois experimentos de replicação biológica de vermes N2 envelhecidos (Dia 10). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Candidatos a proteínas identificados como apresentando alteração significativa no insolubloma envelhecido versus jovem e suas distribuições de mudança de dobra. (A) Gráfico de vulcão para quantificação do insolúbulo de vermes N2-Bristol envelhecidos versus jovens. Os candidatos com uma alteração de dobra absoluta >=1,5 e valor Q <0,01 são mostrados como pontos vermelhos. (B) Gráfico de histograma para distribuição de mudança de dobra de proteínas insolúveis SDS significativamente enriquecidas em amostras de vermes envelhecidos versus jovens. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Via KEGG e análise de Ontologia Gênica (GO). (A) Análise da via KEGG do insolubloma do dia 10 organizado de acordo com o valor de p com a via altamente significativa mostrada na parte superior. (B) A análise da Ontologia Genética mostra que o insolubloma de vermes idosos é enriquecido para muitas proteínas em categorias específicas, incluindo proteínas mitocondriais, de desenvolvimento, determinantes da vida adulta e ribossomais. A exibição de gráfico de dispersão visualiza os termos GO em um "espaço semântico" onde os termos mais semelhantes são posicionados mais próximos. A cor da bolha reflete o valor de p obtido na análise STRING, enquanto seu tamanho reflete a generalidade do termo GO no banco de dados UniProt-GOA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. Sobreposição de proteína insolubloma identificada no insolubloma do dia 10 comparando este estudo com (A) David et al.2 e (B) Mark et al.11 estudos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela Suplementar 1 (relacionada à Figura 4 e Figura 5). (A) Ontologia gênica (processo biológico) analisada com o banco de dados STRING. (B) Lista detalhada de proteínas e vias KEGG identificadas neste estudo com códigos de cores que descrevem sua sobreposição com o trabalho publicado. Clique aqui para baixar este arquivo.