Методическая статья

Oligo массовой Профилирование (ОЛИМП) из внеклеточных полисахаридов

14K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/2046

⸱

20 июня 2010 г.

 ,  , 
1Energy Biosciences Institute, University of California, Berkeley, 2Department of Plant and Microbial Biology, University of California, Berkeley

В этой статье

Краткое содержание

Быстрый способ описан, чтобы получить полное представление о структуре полисахаридов в внеклеточного матрикса. Метод использует специфику glycosylhydrolases и чувствительности масс-спектрометрия позволяет незначительное количество материалов для анализа. Этот метод можно адаптировать для использования непосредственно на самой ткани.

Аннотация

Прямой контакт клеток с окружающей средой во многих организмах опосредован внеклеточным матриксом. Одной из общих характеристик внеклеточных матриксов является наличие сложных сахарных фрагментов в форме гликопротеинов, протеогликанов и/или полисахаридов. Примерами являются внеклеточный матрикс клеток человека и животных, состоящий преимущественно из фибриллярных белков и протеогликанов, полисахаридные клеточные стенки растений и грибов, а также клеточные стенки бактерий на основе протеогликанов и гликолипидов. Все эти гликоструктуры играют жизненно важную роль в межклеточной коммуникации и передаче сигналов между клеткой и окружающей средой.

Необычайно сложный пример внеклеточного матрикса представлен в стенках клеток высших растений. Их стенка почти полностью состоит из сахаров (до 75% сухого веса) и включает в себя наиболее распространенные биополимеры на этой планете. В связи с этим проводятся исследования по поиску способов наилучшего использования этих материалов в качестве углеродно-нейтрального возобновляемого ресурса для замены нефтехимических продуктов, получаемых из ископаемого топлива. Основной проблемой при переработке в топливо остается устойчивость клеточных стенок к ферментативной или химической деградации, что обусловлено уникальными гликоструктурами, присутствующими в этом необычном биокомпозите.

В данной работе мы представляем метод быстрого и чувствительного анализа гликоструктур клеточных стенок растений. Этот метод, называемый OLIgo Mass Profiling (OLIMP), основан на ферментативном высвобождении олигосахаридов из материалов клеточных стенок с помощью специфических гликозилгидролаз и последующем анализе полученных растворимых смесей олигосахаридов с использованием матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации времяпролетной масс-спектрометрии (MALDI-TOF/MS)1 (Рисунок 1). Для полного анализа методом OLIMP требуются стенки всего 5000 клеток; анализ может быть проведен непосредственно на самой ткани2 и подходит для высокопроизводительных исследований3. Хотя методом OLIMP невозможно определить абсолютное количество растворенных олигосахаридов, по масс-спектрам можно установить относительное содержание различных ионов олигосахаридов, что позволяет получить представление о характере замещения нативных полисахаридов, присутствующих в клеточной стенке.

Метод OLIMP может быть использован для анализа широкого спектра полимеров клеточной стенки, что ограничено лишь наличием специфических ферментов4. Например, для анализа полимеров, присутствующих в клеточной стенке растений, доступны ферменты для исследования гемицеллюлоз: ксилоглюкана с помощью ксилоглюканазы5, 11, 12, 13, ксилана с помощью endo-β-(1-4)-ксиланазы 6,7, или пектиновых полисахаридов с использованием комбинации полигалактуроназы и метилэстеразы 8. Кроме того, используя те же принципы OLIMP, можно контролировать и определять активность гликозилгодролаз и даже гликозилтрансфераз 9.

Протокол

Метод ОЛИМП иллюстрируется на основных гемицеллюлозы присутствующие в клеточных стенках двудольных растений, xyloglucan, используя эндоглюканазы как glycosylhydrolase. Метода продемонстрирована с целыми Arabidopsis рассады в качестве источника ткани растения. Фермент и внеклеточного матрикса материал может быть заменен в зависимости от желаемого анализа с использованием той же процедуры.

1. Изоляции клеточной стенки

  1. Урожай пять 5-дневных целом Arabidopsis рассаду или эквивалентное количество желаемый материал и перенести их в 1,5 мл трубки реакции. Убедитесь, что материал находится в нижней части трубы.
  2. Добавьте два 3 мм металлическими шариками, чтобы реакция трубки в верхней части образца и оснастки заморозить в жидком азоте.
  3. Grind замороженного образца с помощью шаровой мельницы (2:30 мин, 25 Гц).
  4. Добавить 1 мл 70% водного раствора этанола в образце. Удалите металлические шарики использованием магнита. Vortex тщательно.
  5. Центрифуга образца при 14 000 оборотов в минуту в течение 10 минут для осаждения нерастворимых алкоголя остаток, содержащий материал клеточной стенки.
  6. Осторожно удалите супернатант аспирацией. Убедитесь в том, чтобы не потревожить осадок.
  7. Добавить 1 мл хлороформ / метанол (1:1 об / об) решение. Vortex тщательно ресуспендируют гранул.
  8. Центрифуга образца при 14 000 оборотов в минуту в течение 10 мин и осторожно удалите супернатант аспирацией. Убедитесь в том, чтобы не потревожить осадок.
  9. Сухой образец с помощью концентратора.

2. Солюбилизация олигосахаридов

  1. Для солюбилизации частности полисахарида в форме его олигосахариды ресуспендирования сухих гранул в 25 мкл соответствующего буфера. Для эндоглюканазы 50 мМ формиат аммония, pH4.5, используется. Добавить 0.2U из эндоглюканазы. Vortex подвески и спиновой жидкости вниз.
  2. Инкубируйте пробы для 16h при 37 ° C в инкубаторе, качая на 300rpm.
  3. Удаление растворителя из дайджеста (воды) с помощью концентратора.

3. MALDI-TOF анализа выпущен олигосахариды

  1. BioRex MSZ 501 катион бисером обмен смолы используются для удаления солей и ферментов из переваривается образца. Условие бисером, помещая аликвоту в пустые колонки и стиральной бисер с большим количеством воды.
  2. Добавить 5-10 бусин BioRex к переваривается и высушенного образца. Затем добавить 10 мкл воды, на меньшие суммы материальной 5 мкл воды может быть использован. Погрузите бусины в раствор кратко спиннинг трубы. Инкубируйте по меньшей мере 10 мин при комнатной температуре.
  3. Пятно 2μl матрицы (2,5-диоксибензойной кислоты (DHB), 10mg/ml в воде) на тарелку целевой MALDI. Evaporate матрицы растворителя под вакуумом приводит к однородной кристаллы химического матрицы.
  4. Пятно 2μl из обессоленной решение образца на вершине матрицы кристаллов на целевой пластины.

    Если вы хотите обнаружить большое количество образцов только сохранить на кровянистые выделения в течение не более 3 мин. Это временные рамки гарантирует, что первый образец пятнистый не сухой еще. Дождитесь дополнительных 2min для обеспечения тщательного перемешивания снова растворяли матрицы и образца олигосахарид молекул в последней выборки пятнами. Затем высушите визирной пластины в вакууме.

    Выборки / матрицы смесь должна кристаллизоваться менее чем за 1 мин включить однородной кристаллизации.
  5. Место визирной в MALDI-TOF масс-спектрометра. Машина должна быть установлена ​​в положительном рефлектрон режиме с ускоряющим напряжением 20000V и задержка 350 нм; выбранном диапазоне масса должна быть 500-3000 Da (может меняться в зависимости от ожидаемого олигомеров). Начало стрельбы лазера и собирать 100-200 спектров в образце, которые составляются для получения представителем спектр средней (рис. 2А). Ионы представляющие конкретные олигосахариды можно определить по их массе по обвинению (м / г) отношение. Ионной интенсивности (высота пика) всех ионов интересов должны быть добавлены до 100% в результате относительного обилия каждого олигосахарид в образце (рис. 2В).

4. Натурные анализ ОЛИМП

ОЛИМП также может быть использована непосредственно на ткани минуя какие-либо шаги стене подготовки. В качестве примера этиолированных гипокотиля арабидопсиса как источник растительных тканей используются. Опять же, эндоглюканазы используется для определения структуры xyloglucan гемицеллюлоз. Фермент и тканевого материала могут быть заменены в зависимости от желаемого анализа, используя ту же процедуру.

  1. Урожай этиолированных рассады и поместить его на пустую тарелку целевой MALDI и пусть рассаду сухими.
  2. Добавить 0.5μl эндоглюканазы (0.4U/μl, растворенного в 50 мМ формиат аммония, pH4.5) на сушеные рассады в нужное положение. Убедитесь, что фермент падение коснется частично целевой пластины.
  3. Место пластины MALDI мишени в закрытом контейнере с насыщающей влажности, чтобы избежать этого фермента капля высыхает. Инкубируйте пластины в камере в течение 16ч при температуре 37 ° C.
  4. Сухие пластины MALDI мишени с ткани растений и ферментов падение в вакууме.
  5. Добавить 0.5μl матрицы (DHB; 10 мг / л) друг на сушеные месте фермента. Оставьте на 2 минуты.
  6. Сухие пластины MALDI мишени под вакуумом.
  7. Анализ образцов с MALDI-TOF. Место целевой пластина с тканью и фермента / матрицы месте (ы) в MALDI-TOF масс-спектрометра. Машина должна быть установлена ​​в положительном рефлектрон режиме с ускоряющим напряжением 20000V и задержка 350 нм; выбранном диапазоне масса должна быть 500-3000 Da (может меняться в зависимости от ожидаемого олигомеров).
  8. Начало стрельбы лазер на матрицу / образец кристаллов Рядом с ткани. Убедитесь, что вы не попали в самой ткани, так как в таком случае времени полета молекул будет отключен. Сбор около 20-50 спектров в месте, которые составляются для получения представителем спектр средней (рис. 3). Ионы представляющие конкретные олигосахариды можно определить по их массе по обвинению (м / г) отношение. Ионной интенсивности (ионных высота) могут быть представлены и все ионы интереса должно быть добавлено до 100% в результате относительного обилия каждого олигосахариды в образце.

5. Представитель Результаты

Примером ОЛИМП анализ xyloglucan гемицеллюлозы присутствует в Arabidopsis саженцев показано на рисунке 2. Из-за разности масс ионов и хорошо известны характеризуется фермента (эндоглюканазы) специфичность ионы могут быть закреплены за конкретными олигосахарид структур (рис. 2А). Очевидно, структурных изомеров не отличаются. Основное предположение, для определения относительного содержания различных олигосахаридов (Рис. 2Б) является то, что их масса спецификации ответ фактор очень похож на тех, олигосахаридов. Как показано здесь, ОЛИМП количественная высокой воспроизводимостью. Тем не менее, следует учитывать, что надежность метода очень сильно зависит от сигнала к шуму различных олигосахаридов ионов. Например загрязнения солями или меньшие количества олигосахаридов может уменьшить этот коэффициент.

ОЛИМП анализ на самой ткани (на месте анализ) позволяет изучать очень маленькие и определенных областях и включает в себя очень мало пробоподготовки. В примере, приведенном здесь (рис. 3) никаких качественных (то же, ионов), но количественные различия (изменение интенсивности ионного) наблюдались между побега и корня-ткани Arabidopsis рассады. Перестановки ОЛИМП-метод может таким образом привести к ткани "изображения".

Рисунок 1
Рисунок 1. Блок-схема процедуры с использованием ОЛИМП целом саженцев Arabidopsis как растение источника. Во-первых, ткань вымоченных и материальных клеточная стенка готова (картинка редактировался Фуджино и соавт. 10). Затем олигосахариды частности полисахарид стены выпускаются с использованием специального гидролазы. Наконец, относительного содержания растворимых олигосахаридов, определяются с помощью MALDI-TOF масс-спектрометрии.

Рисунок 2
Рисунок 2. Относительное обилие xyloglucan олигосахариды в этиолированных сеянцы из Arabidopsis, как это определено ОЛИМП. ) Представитель xyloglucan олигосахарид масс-спектр, каждый ион представляет определенный олигосахарид структуры, структурных изомеров не могут быть выделены. Б) соответствующая диаграмма бар для определения относительной олигосахарид изобилии.

Рисунок 3
Рисунок 3. Натурные анализ ОЛИМП использованием этиолированных проростков арабидопсиса в качестве примера. Каждый фермент / пищеварение капли (цветные круги) могут быть проанализированы самостоятельно и соответствующие спектры масс могут быть получены и проанализированы.

Рисунок 4
Рисунок 4. ОЛИМП спектр гемицеллюлозы ксилан получены путем переваривания Miscanthus листа материала с ксиланазы (Megazyme).

Обсуждение

ОЛИМП метод, представленный здесь дает очень чувствительный и быстрый анализ полимеров, присутствующих в внеклеточных матриц. ОЛИМП сочетает ферментативного освобождения олигомеров с последующим MALDI-TOF анализа. Поколение MALDI-TOF спектр занимает менее одной минуты, поэтому ОЛИМП подходит для широкого спектра приложений, включая высокую пропускную способность исследования, такие как мутант экранов. ОЛИМП не ограничивается растительных полисахаридов, но потенциально могут быть применены к широкому кругу полимеров, ограничивается только наличием конкретных гидролитических ферментов. Тем не менее, ограничение ОЛИМП является то, что абсолютное изобилие полимера не могут быть получены.

Как упоминалось ранее ОЛИМП могут быть использованы для изучения структуры различных полисахаридов присутствует в внеклеточного матрикса разнообразия видов. В качестве примера, на рисунке 4 представлена ​​ОЛИМП спектр основных гемицеллюлозы в траве видов, ксилан. Здесь, клеточная стенка материал, полученный из травы умеренных Miscanthus расщепляли использованием ксиланазы.

Раскрытие информации

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

Эта работа финансировалась грантом OO0G01 Энергия биологических наук Института.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
2,5-дигидроксибензойная кислотаSigma-Aldrich3755010mg/mL в воде
Смола BioRex MSZ 501(D)Bio-Rad142-7425
ЭндоглюканазаMegazymeE-CELTR
Ксиланаза M6MegazymeE-XYRU6
Металлические шарики 3ммRetsch22.455.0011
Шаровая мельницаRetschMixer Mill MM400
MALDI-TOFShimadzu CorporationAxima Performance
Мишень для MALDIKratos AnalyticalDE4555TA
SpeedVacEppendorfVacufuge 5301
Вакуумный коллекторEMD MilliporeMSVMHTS00
Вакуумный насосWelch AllynDryFast Ultra 2032

Ссылки

  1. Lerouxel, O. Rapid structural phenotyping of plant cell wall mutants by enzymatic oligosaccharide fingerprinting. Plant Physiology. 130 (4), 1754-1754 (2002).
  2. Obel, N. Microanalysis of plant cell wall polysaccharides. Molecular Plant. 2 (5), 922-922 (2009).
  3. Mouille, G. Quantitative trait loci analysis of primary cell wall composition in Arabidopsis. Plant Physiology. 141 (3), 1035-1035 (2006).
  4. Bauer, S. Development and application of a suite of polysaccharide-degrading enzymes for analyzing plant cell walls. PNAS. 103 (30), 11417-11417 (2006).
  5. Pauly, M. A xyloglucan-specific endo-beta-1,4-glucanase from Aspergillus aculeatus: expression cloning in yeast, purification and characterization of the recombinant enzyme. Glycobiology. 9 (1), 93-93 (1999).
  6. Aboughe-Angone, S. Cell wall carbohydrates from fruit pulp of Argania spinosa: structural analysis of pectin and xyloglucan polysaccharides. Carbohydr Res. 343 (1), 67-67 (2008).
  7. Brown, D. M. Comparison of five xylan synthesis mutants reveals new insight into the mechanisms of xylan synthesis. Plant Journal. 52 (6), 1154-1154 (2007).
  8. Lee, C. The PARVUS gene is expressed in cells undergoing secondary wall thickening and is essential for glucuronoxylan biosynthesis. Plant Cell Physiol. 48 (12), 1659-1659 (2007).
  9. Obel, N. Pectin may hinder the unfolding of xyloglucan chains during cell deformation: implications of the mechanical performance of Arabidopsis hypocotyls with pectin alterations. Molecular Plant . , (2009).
  10. Cavalier, D. M., Keegstra, K. Two xyloglucan xylosyltransferases catalyze the addition of multiple xylosyl residues to cellohexaose. Journal of Biological Chemistry. 281 (45), 34197-34197 (2006).
  11. Leonard, R. Identification of an Arabidopsis gene encoding a GH95 alpha1,2-fucosidase active on xyloglucan oligo- and polysaccharides. Phytochemistry. 69 (10), 1983-1983 (2008).
  12. Cavalier, D. M., Keegstra, K. Two xyloglucan xylosyltransferases catalyze the addition of multiple xylosyl residues to cellohexaose. Journal of Biological Chemistry. 281 (45), 34197-34197 (2006).
  13. Lee, C. H. The irregular xylem9 mutant is deficient in xylan xylosyltransferase activity. Plant and Cell Physiology. 48 (11), 1624-1624 (2007).
  14. Iglesias, N. Apoplastic glycosidases active against xyloglucan oligosaccharides of Arabidopsis thaliana. Plant and Cell Physiology. 47 (1), 55-55 (2006).
  15. Fujino, T., Sone, Y., Mitsuishi, Y., Itoh, T. Characterization of cross-links between cellulose microfibrils, and their occurrence during elongation growth in pea epicotyl. Plant Cell Physiol. 41 (4), 486-486 (2000).
  16. Vanzin, G. F. The mur2 mutant of Arabidopsis thaliana lacks fucosylated xyloglucan because of a lesion in fucosyltransferase AtFUT1. PNAS. 99 (5), 3340-3340 (2002).
  17. Cavalier, D. M. Disrupting two Arabidopsis thaliana xylosyltransferase genes results in plants deficient in xyloglucan, a major primary cell wall component. Plant Cell. 20 (6), 1519-1519 (2008).
  18. Hilz, H. A comparison of liquid chromatography, capillary electrophoresis, and mass spectrometry methods to determine xyloglucan structures in black currants. Journal of Chromatography A. 1133 (1-2), 275-275 (2006).
  19. Pauly, M. Effects of the mur1 mutation on xyloglucans produced by suspension-cultured Arabidopsis thaliana cells. Planta. 214 (1), 67-67 (2001).

Перепечатки и разрешения

Теги

MALDI TOF
Oligo массовой Профилирование (ОЛИМП) из внеклеточных полисахаридов
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.