O presente protocolo descreve a preparação e a medição quantitativa de arginina e metil-argininas livres e ligadas a proteínas por espectroscopia de 1RMN-H.
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Artigo de método
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O presente protocolo descreve a preparação e a medição quantitativa de arginina e metil-argininas livres e ligadas a proteínas por espectroscopia de 1RMN-H.
A arginina ligada a proteínas é comumente metilada em muitas proteínas e regula sua função alterando as propriedades físico-químicas, sua interação com outras moléculas, incluindo outras proteínas ou ácidos nucleicos. Este trabalho apresenta um protocolo de fácil implementação para quantificação da arginina e seus derivados, incluindo dimetilarginina assimétrica e simétrica (ADMA e SDMA, respectivamente) e monometilarginina (MMA). Após o isolamento proteico de fluidos corporais biológicos, tecidos ou lisatos celulares, um método simples para homogeneização, precipitação de proteínas e hidrólise de proteínas é descrito. Como os hidrolisados contêm muitos outros componentes, como outros aminoácidos, lipídios e ácidos nucleicos, uma etapa de purificação usando a extração em fase sólida (SPE) é essencial. O SPE pode ser realizado manualmente usando centrífugas ou um robô de pipetagem. A sensibilidade para ADMA usando o protocolo atual é de cerca de 100 nmol/L. O limite superior de detecção de arginina é de 3 mmol/L devido à saturação de SPE. Em resumo, este protocolo descreve um método robusto, que abrange desde a preparação biológica da amostra até a detecção baseada em RMN, fornecendo dicas e armadilhas valiosas para o trabalho bem-sucedido ao estudar o metiloma da arginina.
Durante as últimas duas décadas, a metilação de resíduos de arginina tem sido reconhecida como uma modificação pós-translacional essencial de proteínas. Afeta processos biológicos fundamentais, como regulação da transcrição, transdução de sinal e muitos outros1. As principais proteínas envolvidas na regulação da metilação da arginina são as proteínas argininas metiltransferases (PRMTs)2. Os principais derivados da arginina são ω-(N G,N G)-dimetilarginina assimétrica (ADMA), dimetilarginina simétrica ω-(N G,N'G)-simétrica (SDMA) e ω-N G-monometilarginina (MMA)2.
Os PRMTs usam S-adenosil-l-metionina para transferir grupos metil para o grupo guanidino terminal (com dois grupos amino equivalentes) de arginina ligada a proteínas1. Duas enzimas principais podem ser distinguidas: ambas as enzimas tipo I e tipo II catalisam a primeira etapa de metilação para formar MMA (que, assim, perde sua simetria). Após essa etapa, as enzimas do tipo I (por exemplo, PRMT1, 2, 3, 4, 6, 8) usam o MMA como substrato para formar o ADMA, enquanto as enzimas do tipo II (principalmente PRMT5 e PRMT9) produzem SDMA. A PRMT1 foi a primeira proteína arginina metiltransferase a ser isolada de células de mamíferos3. Ainda assim, os PRMTs foram conservados evolutivamente4 em outros animais, como vertebrados não mamíferos, cordados de invertebrados, equinodermos, artrópodes e nematoides cnidários5, plantas6 e protozoários, incluindo fungos como leveduras7. Em muitos casos, o knockout de um dos PRMTs leva à perda de viabilidade, revelando o papel essencial das espécies de arginina metilada envolvidas em processos celulares fundamentais como transcrição, tradução, transdução de sinal, apoptose e separação de fase líquido-líquido (o que significa a formação de organelas sem membrana, por exemplo, nucléolos), que envolve regularmente domínios ricos em arginina 8,9,10 . Por sua vez, isso influencia a fisiologia e os estados patológicos, incluindo câncer 11,12,13, mieloma múltiplo 14, doenças cardiovasculares 15, patogênese viral, atrofia muscular espinhal 16, diabetes mellitus 17 e envelhecimento1. Acredita-se que o aumento dos níveis de ADMA na corrente sanguínea, por exemplo, derivado do pulmão18 devido à quebra de proteínas, esteja relacionado à disfunção endotelial, doença pulmonar crônica19 e outras síndromes de doença cardiovascular20. Verificou-se que a superexpressão de PRMTs acelera a tumorigênese e está associada a um prognóstico desfavorável21,22. Além disso, a ablação de PRMT6 e PRMT7 desencadeia um fenótipo de senescência celular23. Diminuição significativa da ADMA e PRMT1 foram encontradas durante o envelhecimento dos fibroblastos WI-3824.
O desafio é entender como a metilação atua nos processos fisiopatológicos é identificar e quantificar a metilação da arginina proteica. A maioria das abordagens atuais usa anticorpos para detectar argininas metiladas. No entanto, esses anticorpos ainda são específicos do contexto e podem não reconhecer diferentes motivos de proteínas metiladas de arginina25,26. No protocolo descrito, todos os derivados de arginina mencionados anteriormente podem ser quantificados de forma confiável por espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), ou seja, isoladamente, em combinação ou, como na maioria dos casos, dentro de matrizes biológicas complexas como células eucarióticas (por exemplo, de levedura, camundongo ou origem humana) e tecidos27, bem como soro28. Para proteínas e matrizes complexas, a hidrólisede proteínas 29 é um pré-requisito para gerar aminoácidos livres (modificados), como arginina, MMA, SDMA e ADMA. A extração em fase sólida (SPE)30 possibilita o enriquecimento dos compostos de interesse. Finalmente, 1espectroscopia de RMN-H permite a detecção paralela de arginina e todos os principais derivados metílicos da arginina. A espectroscopia de RMN traz a vantagem de ser genuinamente quantitativa, altamente reprodutível e uma técnica robusta31,32. As medições finais de RMN podem ser feitas depois, quando muitas amostras tiverem sido coletadas e preparadas. Finalmente, este protocolo se concentra principalmente na preparação da amostra, pois isso não requer um espectrômetro de RMN próprio. Pode ser realizado na maioria dos laboratórios bioquímicos. Ainda assim, algumas dicas sobre quais medições de espectroscopia de RMN devem ser feitas são fornecidas neste trabalho.
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Hidrolisados de proteínas de levedura foram utilizados como amostras para os resultados representativos deste trabalho. Todo o protocolo está resumido na Figura 1.
1. Preparação de materiais e reagentes
2. Recolha e armazenamento de amostras
3. Preparação preliminar da amostra
NOTA: Realizar o trabalho no gelo, mantendo o MeOH frio. As amostras também devem ser mantidas no gelo para evitar a degradação de proteínas.
4. Hidrólise de proteínas
5. Extração em fase sólida (SPE)
6. Preparação final para a RMN
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Rotineiramente, projeções 1H 1D de espectros de RMN 2D J-resolvidos (JRES), virtualmente desacoplados, são usadas para atribuições e quantificações de pico em nosso laboratório36. A Figura 3 mostra espectros JRES representativos de hidrolisados de proteínas de levedura purificados usando o presente protocolo SPE. Embora em concentrações muito diferentes, ambas as substâncias podem ser separadas e quantificadas em uma matriz celular. Com base no número de pr...
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Na seção a seguir, o foco principal está no próprio método; as implicações biológicas da metilação da arginina são descritas na seção Introdução.
Em primeiro lugar, tecidos de rigidez diferente podem precisar de ajuste da lise da amostra: células da cultura de células (incluindo bactérias, leveduras, etc.) e tecidos como cérebro, fígado jovem, músculo liso, etc., podem ser rapidamente homogeneizados. Para tecidos de alta rigidez (incluindo fígado de idosos, artérias, ossos, etc.), a homogeneiz...
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Os autores declaram não haver interesses concorrentes.
O trabalho foi apoiado pelas subvenções P28854, I3792, doc.funds BioMolStruct DOC 130, DK-MCD W1226 BioTechMed-Graz (Flagship project DYNIMO), Austrian Research Promotion Agency (FFG) grants 864690 e 870454, o Integrative Metabolism Research Center Graz; Programa Austríaco de Infraestrutura 2016/2017, o Governo da Estíria (Zukunftsfonds) e o Fundo de Inicialização para Talentos de Alto Nível da Fujian Medical University (XRCZX2021020). Agradecemos ao Centro de Pesquisa Médica pelo acesso às instalações de cultura de células. F.Z. foi treinado no âmbito do programa de doutorado em Medicina Molecular da Universidade Médica de Graz. Q.Z. foi treinado no âmbito do programa de doutorado Doenças Metabólicas e Cardiovasculares da Universidade Médica de Graz.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Tubos de 15 mL | Greiner Bio One | 188271 | |
| ácido 3-(trimetilsilil) propiônico-2,2,3,3-d4 sal de sódio (TSP) | Alfa Aesar | A1448 | |
| Tubos de 5 mL, fundo redondo | Greiner Bio One | 115101 | |
| Solução de amônia 32% | Roth | A990.1 | |
| Bruker 600 MHz Espectrômetro de RMN, equipado com uma cabeça de sonda TXI | Bruker | - | |
| Centrífuga, refrigerada, por exemplo, 5430 R | Eppendorf | 5428000010 | |
| Clorofórmio ≥ 99% a.a. | Roth | 3313.1 | |
| Cryocool | Thermo Scientific | SCC1 | fluido de transferência de calor para sistema SpeedVac |
| Óxido de deutério (D2O) | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-10-PK | |
| Dimetil sulfóxido-d6 (d6-DMSO) | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-6-1000 | |
| Câmara de Secagem | Aglutinante | 9090-0018 | |
| Tubos de cultura DURAN, 13 x 100 mm, GL 14, 9 mL | VWR International | 212-0375 | |
| Edwards Bomba de óleo de vácuo profundo RV5 | Thermo Scientific | 16234611 | parte do sistema SpeedVac |
| Eppendorf Tubos de 1,5 mL | Greiner Bio One | 616201 | |
| Robô de pipetagem Gilson GX-241 Aspec | Gilson Inc. | ||
| L-arginina | AppliChem | A3675 | |
| Metanol ≥ 99% | Roth | 8388.4 | |
| Milli-Q aparatus de água | Millipore | ZIQ7000T0 | |
| Oasis MCX 1cc / 30 mg, cartuchos de 1 mL | Waters | 186000252 | https://www.waters.com/waters/en_US/Waters-Oasis-Sample-Extraction-SPE-Products/ |
| salina tamponada com fosfato (PBS) | Lonza | LONBE17-512F | |
| Precellys 24 homogeneizador de tecidos | Bertin Instrumentos | P000669-PR240-A | https://www.bertin-instruments.com/product/sample-preparation-homogenizers/precellys24-tissue-homogenizer/ |
| Tubos Precellys (tubos de polpação) | VWR International | 432-0351 | |
| Esferas de óxido de zircónio Precellyse de 1,4 mm | VWR International | 432-0356 | |
| Módulos de aquecimento, agitação e evaporação Reacti-Therm/ReactiVap | Thermo Scientific | TS-18820 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/TS-18820 |
| Rotor para tubos de 1,5 mL, FA-45-30-11 | Eppendorf | 5427753001 | |
| Savant Refrigerated Cooling Trap | Thermo Scientific | 15996161 | parte do Sistema SpeedVac |
| Concentrador de vácuo Savant SpeedVac SPD210 | Thermo Scientific | 15906181 | parte do Sistema SpeedVac; equipado com rotor para tubos de 1,5 ml |
| Tampas de rosca para frascos de vidro com vedação de PTFE, DN9 | Dr. R. Forche Chromatographie | CT11B3011 | |
| Seasand | Roth | 8441.3 | |
| Frascos de vidro de rosca curta 1,5 mL, ND9 | Dr. R. Forche Chromatographie | VT1100309 | |
| Azida de sódio (NaN3) | Roth | K305.1 | |
| Hidróxido de sódio (NaOH) | VWR | BDH7363-4 | |
| Fosfato de sódio dibásico (Na2HPO4) | VWR | 80731-078 | |
| TopSpin 4.0 (Software) | Bruker-https://www.bruker.com | ||
| ω-NG-dimetilarginina assimétrica (ADMA) | Santa Cruz Biotechnology | sc-208093 | |
| ω-NG-monometilarginina (MMA) | Santa Cruz Biotechnology | sc-200739A | |
| ω-NG-NG'-dimetilarginina simétrica (SDMA) | Santa Cruz Biotechnology | sc-202235A |
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