Методическая статья

Подходы на основе масс-спектрометрии для анализа структуры белка высшего порядка

647 просмотров

DOI:

10.3791/64979

3 марта 2023 г.

В этой статье

Аннотация

ОБСУЖДАЕМЫЕ СТАТЬИ:

Espino, J. A., Jones, L. M. Белковый след гидроксильных радикалов in vivo для изучения белковых взаимодействий у Caenorhabditis elegans. Журнал визуализированных экспериментов. (158), E60910 (2020).

Chea, E. E., Rinas, A., Espino, J. A., Jones, L. M. Характеристика клеточных белков с помощью быстрого фотохимического окисления белков внутри клетки. Журнал визуализированных экспериментов. (157), e60911 (2020).

Moorthy, B. S., Iyer, L. K., Topp, E. M. Масс-спектрометрические подходы к изучению структуры белка и взаимодействий в лиофилизированных порошках. Журнал визуализированных экспериментов. (98), e52503 (2015).

Habibi, Y., Thibodeaux, C. J. Платформа водородно-дейтериевой обменной масс-спектрометрии (HDX-MS) для исследования пептидных биосинтетических ферментов. Журнал визуализированных экспериментов. (159), e61053 (2020).

Kirsch, Z. J., Arden, B. G., Vachet, R. W., Limpikirati, P. Ковалентное мечение диэтилпирокарбонатом для изучения структуры белка высшего порядка с помощью масс-спектрометрии. Журнал визуализированных экспериментов. (172), E61983 (2021).

Johnson, D., Punshon-Smith, B., Espino, J. A., Gershenson, A., Jones, L. M. Платформенный инкубатор с подвижной ступенью XY: новая платформа для реализации быстрого фотохимического окисления белков в клетке. Журнал визуализированных экспериментов. (171), E62153 (2021).

Haupt, C. et al. Сочетание химического сшивания и масс-спектрометрии интактных белковых комплексов для изучения архитектуры многосубъединичных белковых сборок. Журнал визуализированных экспериментов. (129), E56747 (2017).

Lento, C. et al. Масс-спектрометрия с электронным распылением с временным разрешением для изучения структуры и динамики белков. Журнал визуализированных экспериментов. (122), E55464 (2017).

Weinberger, S. R., Chea, E. E., Sharp, J. S., Misra, S. K. Безлазерный след белка гидроксильных радикалов для выполнения структурного анализа белков более высокого порядка. Журнал визуализированных экспериментов. (172), e61861 (2021).

Misra, S. K., Sharp, J. S. Обеспечение компенсации в реальном времени при быстром фотохимическом окислении белков для определения изменений топографии белков. Журнал визуализированных экспериментов. (163), E61580 (2020).

Chaihu, L. et al. Обмен водород/дейтерий на основе капиллярного электрофореза для конформационной характеристики белков с помощью нисходящей масс-спектрометрии. Журнал визуализированных экспериментов. (172), e62672 (2021).

Редакционная статья

Структура высшего порядка (HOS) является важным аспектом характеристики белка, поскольку она тесно связана с функцией белка. Масс-спектрометрия (МС) является одним из ключевых методов оценки белка HOS1. Несмотря на то, что подходы, основанные на рассеянном склерозе, не могут определить структуру белка с атомным разрешением, они обладают такими преимуществами, как среднее и высокое пространственное разрешение, высокая специфичность, низкие требования к количеству образцов, высокая пропускная способность и протеомные возможности.

Подходы к белковому следу на основе РС оценивают HOS белка путем анализа доступной для растворителя поверхности белка, и они обычно сочетаются с различными подходами к химическому мечению. Обратимое мечение, например, с помощью водород-дейтериевого обмена (HDX), нацелено на основные амидные водороды в белке 1,2. При необратимом мечении используются либо химические вещества, нацеленные на конкретные аминокислотныеостатки3, либо радикалы, которые маркируют множество различных остатков с более высокой скоростью реакции1. Химическое сшивание также относится к категории необратимых мечений, однако его бивалентная особенность позволяет определять пространственные ограничения между двумя сшитыми сайтами, что дает уникальные топологические выводы 4,5. Все эти подходы могут быть объединены в «набор инструментов», что делает РС ценным инструментом для выяснения белка HOS.

Мы организовали эту коллекцию методов, чтобы представить последние достижения в области анализа белка HOS на основе МС. В первой серии статей представлены подходы, основанные на HDX. Хабиби и Тибодо6 описывают относительно классический непрерывный, восходящий подход HDX-MS. При обмене водорода и дейтерия (H/D) в растворе при многократном обмене с последующим расщеплением пепсина в колонке уровень поглощения дейтерия может быть определен на уровне пептида. При проведении дифференциальных экспериментов (т.е. связанных и несвязанных состояний) пептиды, которые показывают либо повышенный, либо пониженный уровень поглощения дейтерия, представляют области, в которых наблюдаются изменения HOS. Авторы используют лантипептидсинтетазы для наглядной демонстрации рабочего процесса HDX-MS.

Помимо подхода «снизу вверх», HDX-MS также может быть выполнен по принципу «сверху вниз», что позволяет аналитикам применять различные стратегии разделения на уровне интактного белка. Chaihu et al.7 используют капиллярный электрофорез для разделения различных белковых состояний или протеоформ, которые сосуществуют в растворе. Белки подвергаются обмену H/D во время электрофореза во время миграции в капилляре в растворе дейтерированного фонового электролита, после чего следует нисходящий анализ МС и фрагментация газовой фазы для оценки уровней поглощения дейтерия как на глобальном, так и на фрагментном уровнях. Наконец, в этой коллекции есть еще два метода, которые подчеркивают различные методы обмена H/D, а именно обмен на лиофилизированную мощность8 и обмен после ионизации электрораспылением9.

Вторая группа статей посвящена необратимому методу маркировки. Среди них быстрое фотохимическое окисление белков (FPOP) использует радикалы в качестве мечеющих веществ для маркировки поверхности белка10,11. На практике перекись водорода фотоактивируется с помощью лазера с образованием гидроксильных радикалов, которые служат активными мечеющими веществами. Мисра и Шарп12 представляют стратегию радикальной дозиметрии, в которой аденин используется в качестве репортера для радикальной концентрации, а встроенная система радикальной дозиметрии используется для мониторинга адениновой реакции. Это позволяет компенсировать концентрации гидроксильных радикалов в режиме реального времени и, таким образом, нормализовать условия реакции для получения точных показаний. Впоследствии Вайнбергер и Чеа сотрудничали с группой Sharp для разработки безлазерной платформы FPOP13. Заменив опасный лазер плазменным источником света и объединив его со встроенной радикальной дозиметрией и автоматизированной системой сбора образцов, они разработали и предоставили интегрированное решение для исследователей, которым необходимо охарактеризовать белковую HOS.

В трех статьях группыДжонса 14,15,16 исследуется возможность использования FPOP и белкового следа в исследованиях in vivo. Преимущество такого подхода беспрецедентно, так как он позволяет анализировать белок HOS в нативной среде. Успешное применение футпринтинга в клетках14 и Caenorhabditis elegans15 открывает новые возможности для отслеживания HOS всего протеома в его нативном состоянии, что позволяет глубоко понять HOS белка, что не может быть достигнуто с помощью других инструментов.

Еще одним важным методом необратимого мечения являются химические реагенты, нацеленные на конкретные аминокислотные остатки3. Kirsch et al.17 сообщают о хорошо используемом рабочем процессе по выделению белкового следа с помощью ковалентного мечения. Используя диэтилпирокарбонат в качестве реагента для мечения, авторы исследуют изменения в белке HOS, мечая несколько видов аминокислотных остатков на поверхности белка. Благодаря дифференциальным экспериментам с последующим протеолитическим разложением и восходящим анализом МС, рабочий процесс позволяет идентифицировать изменения в доступности растворителей, которые напрямую связаны с изменениями HOS.

Наконец, химическое сшивание является еще одним важным подходом, при котором используются бивалентные химические реагенты для мечения белков 4,5. Химические сшивающие агенты используются для сшивания двух белков, которые пространственно близки друг к другу и, зачастую, образуют структурный комплекс. Haupt et al.18 сообщают о протоколе, в котором они демонстрируют использование химических сшивающих агентов для понимания архитектуры белковых комплексов. Комплекс сшитых белков может быть проанализирован на двух различных уровнях. Посредством протеолитического расщепления с последующей идентификацией РС сшитые дипептиды выявляют взаимодействующие участки белкового комплекса. При анализе сшитого образца через интактную массу стехиометрическая информация о белковых субъединицах в комплексе легко доступна.

Подводя итог, можно сказать, что за последние три десятилетия мы стали свидетелями значительного развития инструментов на основе РС для анализа белка HOS. Необратимый и обратимый след в сочетании с анализом РС дополняют друг друга, и вместе они вносят значительный вклад в характеристику белка HOS. Работы, вошедшие в эту коллекцию методов, представляют собой передовые методы в области анализа белка HOS на основе МС; эти исследования являются ценным ресурсом для исследователей, которые пытаются использовать подходы, основанные на рассеянном склерозе, для ответа на критические вопросы. С более широкой точки зрения, включение данных о контуре в структурные прогнозы имеет решающее значение для преодоления предела пространственного разрешения в методах, основанных на MS. Существуют пионерские работы, которые демонстрируют целесообразность такого подхода 19,20. Кроме того, интеграция платформ также имеет решающее значение, поскольку эти подходы дополняют друг друга и позволяют получить представление с разных точек зрения 21,22. Методы, представленные в этой подборке, демонстрируют силу такой интеграции, и в этом направлении будет продолжаться развитие. Благодаря всем этим достижениям подход, основанный на рассеянном склерозе, вышел за рамки определения молекулярной массы, и в ближайшие десятилетия в этой области будет наблюдаться непрерывный рост.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

У авторов нет благодарностей.

Ссылки

  1. Liu, X. R., Zhang, M. M., Gross, M. L. Mass spectrometry-based protein footprinting for higher-order structure analysis: Fundamentals and applications. Chemical Reviews. 120 (10), 4355-4454 (2020).
  2. Konermann, L., Pan, J., Liu, Y. -H. Hydrogen exchange mass spectrometry for studying protein structure and dynamics. Chemical Society Reviews. 40 (3), 1224-1234 (2011).
  3. Mendoza, V. L., Vachet, R. W. Probing protein structure by amino acid-specific covalent labeling and mass spectrometry. Mass Spectrometry Reviews. 28 (5), 785-815 (2009).
  4. Sinz, A. Chemical cross-linking and mass spectrometry to map three-dimensional protein structures and protein–protein interactions. Mass Spectrometry Reviews. 25 (4), 663-682 (2006).
  5. Leitner, A. Cross-linking and other structural proteomics techniques: How chemistry is enabling mass spectrometry applications in structural biology. Chemical Science. 7 (8), 4792-4803 (2016).
  6. Habibi, Y., Thibodeaux, C. J. A hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) platform for investigating peptide biosynthetic enzymes. Journal of Visualized Experiments. (159), e61053(2020).
  7. Chaihu, L., et al. Capillary electrophoresis-based hydrogen/deuterium exchange for conformational characterization of proteins with top-down mass spectrometry. Journal of Visualized Experiments. (172), e62672(2021).
  8. Moorthy, B. S., Iyer, L. K., Topp, E. M. Mass spectrometric approaches to study protein structure and interactions in lyophilized powders. Journal of Visualized Experiments. (98), e52503(2015).
  9. Lento, C., et al. Time-resolved electrospray ionization hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry for studying protein structure and dynamics. Journal of Visualized Experiments. (122), e55464(2017).
  10. Xu, G., Chance, M. R. Hydroxyl radical-mediated modification of proteins as probes for structural proteomics. Chemical Reviews. 107 (8), 3514-3543 (2007).
  11. Li, K. S., Shi, L., Gross, M. L. Mass spectrometry-based fast photochemical oxidation of proteins (FPOP) for higher order structure characterization. Accounts of Chemical Research. 51 (3), 736-744 (2018).
  12. Misra, S. K., Sharp, J. S. Enabling real-time compensation in fast photochemical oxidations of proteins for the determination of protein topography changes. Journal of Visualized Experiments. (163), e61580(2020).
  13. Weinberger, S. R., Chea, E. E., Sharp, J. S., Misra, S. K. Laser-free hydroxyl radical protein footprinting to perform higher order structural analysis of proteins. Journal of Visualized Experiments. (172), e61861(2021).
  14. Chea, E. E., Rinas, A., Espino, J. A., Jones, L. M. Characterizing cellular proteins with in-cell fast photochemical oxidation of proteins. Journal of Visualized Experiments. (157), e60911(2020).
  15. Espino, J. A., Jones, L. M. In vivo hydroxyl radical protein footprinting for the study of protein interactions in Caenorhabditis elegans. Journal of Visualized Experiments. (158), e60910(2020).
  16. Johnson, D., Punshon-Smith, B., Espino, J. A., Gershenson, A., Jones, L. M. Platform incubator with movable XY stage: A new platform for implementing in-cell fast photochemical oxidation of proteins. Journal of Visualized Experiments. (171), e62153(2021).
  17. Kirsch, Z. J., Arden, B. G., Vachet, R. W., Limpikirati, P. Covalent labeling with diethylpyrocarbonate for studying protein higher-order structure by mass spectrometry. Journal of Visualized Experiments. (172), e61983(2021).
  18. Haupt, C., et al. Combining chemical cross-linking and mass spectrometry of intact protein complexes to study the architecture of multi-subunit protein assemblies. Journal of Visualized Experiments. (129), e56747(2017).
  19. Biehn, S. E., Lindert, S. Accurate protein structure prediction with hydroxyl radical protein footprinting data. Nature Communications. 12 (1), 341(2021).
  20. Biehn, S. E., Lindert, S. Protein structure prediction with mass spectrometry data. Annual Review of Physical Chemistry. 73, 1-19 (2022).
  21. Zhang, M. M., et al. Epitope and paratope mapping of PD-1/nivolumab by mass spectrometry-based hydrogen-deuterium exchange, cross-linking, and molecular docking. Analytical Chemistry. 92 (13), 9086-9094 (2020).
  22. Zhang, M. M., et al. An integrated approach for determining a protein–protein binding interface in solution and an evaluation of hydrogen–deuterium exchange kinetics for adjudicating candidate docking models. Analytical Chemistry. 91 (24), 15709-15717 (2019).

Перепечатки и разрешения

Теги

Protein InteractionsHydroxyl Radical FootprintingPhotochemical OxidationHydrogen-deuterium ExchangeCovalent LabelingProtein AnalysisElectrospray IonizationChemical Cross-linkingMulti-subunit AssembliesConformational Characterization