$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Традиционные методы лизиса от червей имеют различные недостатки. Например, методы ультразвуковой обработки на основе зондов и бисеробития производят чрезмерное тепло, позволяя металлическому наконечнику или бусинам контактировать непосредственно с образцами, что приводит к переменному восстановлению белка и денатуризации белка. Измельчение жидкого азота с последующей ультразвуком в буфере для лизиса может быть трудоемким и требует большого количества червей. Из-за ограничений традиционных методов лизиса червей предыдущие рабочие процессы РС, такие как методы маркировки iTRAQ или методы без меток, которые исторически использовались в модельной системе C. elegans для получения количественной информации о нерастворимости, требуют большого количества исходного материала (не менее 40 000 червей). Для получения такого количества червей требуется кропотливая работа по культивированию червей. Кроме того, методы маркировки требуют дорогостоящих изобарических химических этикеток. Методы количественного определения без меток являются экономически эффективными и имеют более простые и понятные методы подготовки образцов и мечения, но требуют значительного количества червей для достижения достаточного охвата анализа МС.
Ультразвуковой аппарат, который мы использовали, значительно повышает эффективность и воспроизводимость лизиса червей за счет одновременного лизисования нескольких образцов червей в ультразвуковике с регулируемой температурой воды без перекрестного загрязнения14, тем самым значительно уменьшая количество необходимого исходного материала червя. Сочетая высокоэффективный метод ультразвуковой обработки и количественный подход DIA к МС без меток, мы смогли надежно количественно оценить нерастворимость старых и молодых червей с использованием ~3000 червей. Здесь мы протестировали и подтвердили эффективность протокола и сравнили нерастворимость старых и молодых червей из штамма червей дикого типа, N2-Bristol C. elegans. Мы применили этот протокол для извлечения и изоляции инсолома из ~3000 старых и молодых N2 C. elegans (по две биологические репликации для каждого состояния), с последующим анализом РС с помощью квадрупольного времяпролетного масс-спектрометра или других систем МС с использованием комбинации данных-зависимых сборов (DDA) и данных-независимых сборов (DIA/SWATH) для идентификации и количественной оценки белков. Нерастворимые белки сначала анализировали на геле с градиентом Bis-Tris 4-12% для определения количества белка в каждом образце нерастворимого белка. Как показано на рисунке 2, нерастворимый образец от старых червей N2 (дорожки 2 и 3, эксперименты с биологической репликацией) содержит значительно больше белка, чем образцы от молодых червей N2 (дорожки 1 и 4, эксперименты с биологической репликацией).
После расщепления в геле белковые профили нерастворимого раствора анализировали с помощью ВЭЖХ-МС. Используя этот рабочий процесс, мы можем в целом идентифицировать 1000–1500 белков и количественно определить 500–1000 белков из нерастворимой в SDS фракции с высокой воспроизводимостью (неопубликованные данные). Здесь мы смогли количественно оценить 989 белков из нерастворимого червя N2-Bristol C. elegans , проанализировав данные DIA и устранив избыточность: 768 белков были значительно обогащены, а 27 белков значительно снижены в нерастворимом черве N2 (10-й день) по сравнению с молодыми (2-й день) с использованием кратного изменения не менее 1,5 и значения Q менее 0,01 (рис. 3A). Как видно на графике гистограммы (рисунок 3B), изменение значительно измененных белков в несколько раз показывает нормальное распределение. Было продемонстрировано, что старые черви значительно обогащены для нерастворимого: самое большое наблюдаемое изменение показало, что относительное содержание белка в нераствором было в 592 раза выше у старых червей по сравнению с молодыми; А для 32 белков относительное содержание белка в нерастворимом было в >250 раз выше у старых и молодых червей, что указывает на значительные изменения нерастворимости с возрастом.
После извлечения списка нерастворимых белков, которые значительно увеличены у старых червей и идентифицированы по базе червя (WS271), был проведен анализ пути KEGG и онтологии гена (GO) для определения путей, обогащенных в старом нерастворимом веществе, чтобы получить биологическое представление о том, как они связаны со старением. Анализ путей KEGG белков, идентифицированных в этом исследовании, показывает обогащение нескольких путей, включающих рибосомы, митохондрии, протеасомы и сплайсосомы (рис. 4A). Онтологический анализ генов показывает, что нерастворимость от старых червей содержит множество белков в определенных категориях, включая митохондриальные, белки развития, детерминанты продолжительности жизни взрослого человека и рибосомные белки (рисунок 4B и дополнительная таблица 1A). Затем мы сравнили список белков, идентифицированных в этом исследовании, с ранее опубликованными работами David et al.2 и Mark et al.11 , как показано на диаграммах Венна (рис. 5A,5B). Сравнение показало значительное перекрытие идентифицированных белков 394/721 и 444/721 с исследованиями David et al. (рисунок 5A) и Mark et al. (рисунок 5B) соответственно. Биологические пути, выявленные в ходе анализа нерастворома методом KEGG в этом исследовании, также были идентифицированы в прошлом, что подтверждает нашу методологию (Дополнительная таблица 1B). Идентификация этих путей и белков позволяет предположить, что они могут служить кандидатами для дальнейших биологических исследований в отношении их функции в контексте старения.
Таким образом, использование эффективного метода ультразвуковой обработки позволяет проводить лизис нескольких образцов червей одновременно в среде с хорошо контролируемыми температурами и сниженным перекрестным загрязнением для достижения высокого белкового покрытия при значительно меньшем количестве исходного материала червей. Сочетание эффективного метода ультразвуковой обработки с рабочим процессом количественного определения белка без метки DIA позволило получить надежные и воспроизводимые результаты количественного определения нерастворимых белков червей.

Рисунок 1. Экспериментальная схема работы протокола. C. elegans культивировали и собирали в разные дни. После лизиса червя с помощью ультразвуковой канцелярии извлекали и выделяли из лизата 1% нерастворимую в SDS белковую фракцию (нерастворимый). Затем раствор расщепляли с помощью расщепления трипсина в геле и количественно определяли с помощью масс-спектрометрии DIA с последующим биоинформационным анализом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2. Гель SDS-PAGE нерастворимого изолировал молодых и старых червей штамма N2-Bristol. Несолюбломы молодых и старых червей штамма N2-Bristol были проанализированы с помощью SDS-PAGE для определения количества присутствующего белка. Гель SDS-PAGE окрашивали флуоресцентным белковым красителем для визуализации белковых полос. Дорожки 1 и 4: Нерастворимые результаты двух экспериментов по биологической репликации молодых червей N2 (День 2). Дорожки 2 и 3: Нерастворимые результаты двух экспериментов по биологической репликации старых червей N2 (день 10). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3. Белковые кандидаты были идентифицированы как демонстрирующие значительные изменения в возрастном и молодом нерастворимом и их распределении по изменению складок. (A) Вулканический график для количественной оценки нерастворимости старых и молодых N2-бристольских червей. Красными точками обозначены кандидаты с абсолютным изменением сворачивания >=1,5 и значением Q <0,01. (B) График гистограммы для кратного изменения распределения значительно обогащенных нерастворимых в SDS белков в образцах старых и молодых червей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4. Анализ путей KEGG и онтологии генов (GO). (A) Анализ пути KEGG для нерастворимого дня 10-го дня, организованный в соответствии с p-значением, при этом высокозначимый путь показан вверху. (B) Онтологический анализ генов показывает, что нерастворимость старых червей обогащена многими белками в определенных категориях, включая митохондриальные, развивающие, определяющие продолжительность взрослой жизни и рибосомные белки. Вид диаграммы рассеяния визуализирует термины GO в «семантическом пространстве», где более похожие термины расположены ближе друг к другу. Цвет пузырька отражает p-значение, полученное в анализе STRING, в то время как его размер отражает общность термина GO в базе данных UniProt-GOA. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5. Перекрытие белков нерастворимого было выявлено на 10-й день исследования при сравнении этого исследования с исследованиями (A) David et al.2 и (B) Mark et al.11 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Дополнительная таблица 1 (относящаяся к рисунку 4 и рисунку 5). (A) Онтология генов (биологический процесс), проанализированная с помощью базы данных STRING. (B) Подробный список белков и путей KEGG, идентифицированных в этом исследовании, с цветовыми кодами, отображающими их перекрытие с опубликованной работой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.