Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является ценным инструментом для выяснения структуры белков1. ЯМР-спектроскопия может быть использована для определения структуры раствора белка в его нативном состоянии. Чтобы преодолеть низкую естественную распространенность стабильных магнитных изотопов, необходимо включить 13C и 15N в интересующий белок. Наиболее распространенным методом является рекомбинантная экспрессия в организме бактерии-хозяина2-3. Тем не менее, два недостатка гиперэкспрессии бактериального хозяина заключаются в том, что она не может вызывать посттрансляционные модификации и работает не для всех белков3-4. Когда бактериальная экспрессия не является жизнеспособным путем для производства белка, можно использовать сверхэкспрессию у небактериальных хозяев, но изотопное мечение является сложным и дорогостоящимпроцессом 5. Альтернативные методы экспрессии для включения изотопов 13С и 15N в белки для ЯМР-анализа включают методы разреженного мечения с использованием метаболических предшественников для метильного мечения6 и одиночных аминокислот 13С, 15N7-9. Химический подход к разреженному мечению, используемый в настоящем документе, представляет собой хорошо зарекомендовавшую себя реакцию восстановительного 13С-метилирования (рис. 1), в которой первичные аминогруппы белка - N-концевой α-амин и лизин боковой цепи ε-аминов - метилируются. После образования монометиламинов амин легко подвергается повторному метилированию из-за более высокого значения pKa, образуя диметиламины.
Восстановительное метилирование впервые было представлено как метод химической модификации белков с помощью Минса и Фини10. Преимущества этой реакции заключаются в ее широкой применимости и мягких условиях реакции при буферизованном, физиологическом pH и низких температурах11,12. В присутствии формальдегида и восстановителя, такого как диметиламино-борановый комплекс (DMAB), лизиновые ε-аминогруппы и N-концевая α-аминогруппа селективно метилируются с получением диметилированных аминов. Хотя известно, что формальдегид сшивает белки путем образования метиленовых мостиков, этот процесс блокируется восстановителем13,14.
Восстановительное метилирование было успешно использовано для изучения белков с помощью ЯМР и рентгеновской кристаллографии. Восстановительное метилирование используется для облегчения кристаллизации белков, которые в противном случае были бы неподатливы15. Лизоцим белка куриного яйца был первым белком, кристаллизованным в его диметилированной форме. Среднеквадратичная разность между тяжелыми атомами в метилированных и неметилированных лизоцимных структурах составляет 0,40Å16. Это сравнение демонстрирует, что структура белка может сохраняться после восстановительного метилирования, что делает реакцию жизнеспособным инструментом мечения для выяснения структуры.
Используя 13С-меченый формальдегид в реакции восстановительного метилирования, получают 13С-диметилированных аминов. 13С-диметиламинов являются ЯМР-детектируемыми зондами, которые широко используются для изучения динамики, структуры и функции белков. ЯМР и восстановительное 13С-метилирование были использованы для изучения белок-лигандных и белок-белковых взаимодействий для β2 адренергического рецептора17, рибонуклеазы А18, лизоцима19, белка20 гена fd 5 и цитохрома с21. Аналогичным образом, были изучены структурные и функциональные свойства редуктивно 13С-метилированной рибонуклеазы A22, лизоцима23, белка24 гена fd 5, ферредоксина Clostridium pasteurianum 25, Fc-фрагмента IgG26, аполипопротеина A-I27 и MIP-1α28. Динамика 13С-диметиламиногрупп была изучена на конканавалине А29-30 и кальмодулине31.
Несмотря на то, что восстановительное 13С-метилирование широко использовалось для изучения белков с помощью ЯМР, метод мечения всегда был ограничен трудностями присвоения резонансов ЯМР26. Большинство стратегий распределения редуктивно 13С-метилированных белков основывались на небольшом числе сайтов,20,28 известных структурных свойств11,19,23,26,31,32. или обширные генетические модификации33. Ни в одном из этих исследований не было успешно отнесены все 13пиков С-диметиламина, за исключением исследования кальмодулина, где пики были распределены по сайт-направленному мутагенезу каждого лизина33. В исследовании образования димеров MIP-1α впервые сообщалось об использовании масс-спектрометрии (МС) для помощи в назначении ЯМР восстановительно 13С-метилированных аминов28. Для идентификации лизина на границе раздела димера использовалась МС с матричной лазерной десорбцией ионизации (MALDI-TOF). Частично метилированные лизины триптических пептидов MIP-1α человека были идентифицированы с МС и коррелировали с появлением моно- и диметиламиновых сигналов интактного белка, наблюдаемых вспектрах 28 ЯМР 2D 1 H-13C HSQC. Наша группа подробно остановилась на использовании РС и представила метод присвоения, который не требует предварительных знаний о структуре белка или его свойствах, отличных от аминокислотной последовательности34. Этот метод применим к большинству белков. Одним из исключений является случай, когда белок имеет N-концевой лизин, потому что изотопный профиль MS N-концевого лизина α- и ε-13С-диметиламинов не может быть измерен независимо.
Здесь мы представляем два метода, один химический и один ферментативный, для идентификации N-концевого α-диметиламина и сайтов боковой цепи ε-диметиламина N-концевого остатка лизина. Первый метод был вдохновлен Córdova et al.которые использовали pH для контроля селективности ацетилирования белка35. Реакция благоприятствует N-концевому α-амину при низком pH и боковой цепи ε-аминам при высоком pH, что позволяет различать белковые α- и ε-аминогруппы в их исследованиях с помощью капиллярного электрофореза35. Мы демонстрируем, как высокий и низкий pH используется для изменения мечения белковых аминогрупп с помощью восстановительной реакции метилирования 13C, а также для применения стратегии назначения с помощью МС. Второй метод назначения N-концевых α- и ε-13С-диметиламинов использует преимущества селективного удаления N-концевых остатков с использованием рекомбинантной аминопептидазы Aeromonas proteolytica.