$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
В ядре эукариотических клеток гистоны собираются с ДНК, формируя нуклеосомы — фундаментальные структурные единицы хроматина. Каждая нуклеосома состоит примерно из 146 бп ДНК, обёрнутых вокруг октамера, состоящего из двух копий основных гистонов H2A и H2B, а также двух димера гистонов H3 и H4. Кроме того, присутствует линкерный гистон H1, который способствует организации хроматина высшего порядка, связывая как нуклеосому, так и линкерную ДНК между нуклеосомами1. Гистоны украшены широким спектром посттрансляционных модификаций (PTM), которые в основном присутствуют на их N-концевых хвостах. К этим модификациям относятся метилирование, различные типы ацилирования (ацетилирование, пропионилирование, бутирилирование и др.), фосфорилирование, SUMOилирование, убиквитилирование, ADP-рибозилирование и кротонилирование, среди которых наиболее характерны метилирование лизина и аргинина, а также лизин-ацетилирование. Конкретные типы, расположения и комбинации модификаций гистонов создают так называемый гистонический код. Этот код состоит из различных посттрансляционных модификаций (PTM) на N-конечных хвостах гистонов, которые добавляются и удаляются специфическими ферментами, модифицирующими гистоны. Эти модификации затем распознаются эффекторными белками, приводя к изменениям в структуре хроматина, таким как уплотнение или деконденсация, что в конечном итоге влияет на ряд биологических процессов, включая восстановление, репликацию повреждений ДНК и особенно транскрипциюгенов 3,4.
Метилирование ДНК и гистонные ПТМ являются одними из наиболее изученных эпигенетических признаковрака 3. Недавние экспериментальные данные показали изменения уровней различных гистонных ПТМ у нескольких типов рака. В частности, потеря H4K20me3 и H4K16ac была признаком рака, поскольку их уровень был снижен практически во всех опухолях по сравнению с нормальнымитканями 4. Наша группа определила потерю H3K14ac как потенциальную признак рака, количественно измерив его уменьшение при нескольких видах рака по сравнению с обычными аналогами с помощью масс-спектрометрических (РС)методов 5. Кроме того, многочисленные исследования подчеркнули прогностическую ценность гистонных ПТМ, показав, что изменения их глобальных уровней, в основном измеряемые иммуногистохимией в биопсиях пациентов, коррелируют с прогрессированием рака, гистологической градацией и терапевтическимответом 6,7,8. Поэтому анализ гистонного ПТМ в образцах рака важен для выявления новых диагностических и прогностических биомаркеров, а также потенциальных мишеней так называемых эпи-препаратов8.
Очень распространённые методы анализа гистоновых ПТМ в клеточных линиях и клинических образцах основаны на методах на основе антител, таких как иммуноблотация, иммуногистохимия и ферментно-связанный иммуносорбентный анализ (ELISA)9. Однако методы на основе антител страдают от различных ограничений, включая перекрёстную реактивность или, наоборот, маскировкуэпитопов 10. Перекрёстная реактивность возникает, когда антитела связываются с непреднамерёнными мишенями с похожими эпитопами, что приводит к потенциальным ложноположительным результатам, тогда как эпитопная маскировка подразумевает пропущенное обнаружение конкретного эпитопа (гистонного ПТМ или варианта, в данном случае) из-за наличия других модификаций на соседних остатках. Кроме того, количество ткани, необходимое для анализа модификации гистонов с использованием антител, часто велико, поскольку одновременно можно обнаружить лишь ограниченное количество ПТМ, поэтому для мультиплексированных анализов необходимо обработать несколько срезовткани 11. Масс-спектрометрия (РС) стала основным методом для профилирования гистонных ПТМ и вариантов, преодолевая ограничения подходов на основеантител 5,8. МС основывается на обнаружении разницы в массе (Δm, дельта-масса) между теоретическими и экспериментально измеряемыми массами пептидов и белков. Он беспристрастен, комплексен и количественен, так как позволяет идентифицировать и количественно оценивать ПТМ и их варианты без необходимости априорного знания их участка. Это делает рассеянный склероз особенно ценным для чувствительного и точного анализа изменений гистонового ПТМ при раке и других патологическихсостояниях 8.
Здесь мы описываем оптимизированный протокол экстракции гистонов из клинических образцов, в сочетании с профилированием гистонных ПТМ на основе РС, далее называемым рабочим процессом эпи-протеомики. Биопсии пациентов в основном хранятся в виде образцов свежего заморожения (FF), образцов с оптимальной температурой резки (OCT) и образцов с фиксированным парафином (FFPE)12. В то время как свежие биопсии мгновенно замораживаются в жидком азоте или предварительно охлажденном изопентане без добавления какого-либо сохраняющего среды13, биопсии, замороженные с помощью ОКТ, содержат водорастворимую криопротекторную среду, состоящая главным образом из поливинилспирта и полиэтиленгликоля, что облегчает разрезаниетканей 14. Образцы FFPE, напротив, закреплённые в формалине и встроенные в парафин, представляют собой наиболее распространённый способ хранения клинических образцов, поскольку их можно хранить при комнатной температуре в течение нескольких лет, избегая дорогостоящего обслуживания при низких или ультранизкихтемпературах 15. Поскольку биопсии с быстрой замораживанием не содержат добавок для быстрой заморозки, можно напрямую обрабатывать для экстракции гистонов, тогда как биопсии с OCT и FFPE требуют начальных этапов удаления среды с фиксацией. Образцы FFPE также требуют обширного декросслинкинга белков и получения антигенов.
Этот протокол описывает подробные методы извлечения гистонов из свежезамороженных клинических образцов, встроенных в OCT и FFPE, обеспечивая достаточное количество и качество для дальнейшего анализа РС с учётом специфических сложностей, связанных с каждым типом сохранения образцов (шаг 1). Гистоны, очищенные из клинических образцов, отделяются с помощью протеинового геля электрофореза в условиях денатурирования (SDS-PAGE), затем следуют этап дериватизации и ферментативно перевариваются для получения пептидов подходящей длины (4-15 аминокислот) для масс-спектрометрического анализа снизувверх 16 (шаг 2). Более конкретно, гистоны расщепляются с помощью стратегии, похожей на ArgC, при которой трипсин, обычно разрезающий на C-конце немодифицированных лизинов (K) и аргининов (R), индуцируется резать только на C-конце аргининов из-за предыдущего химического ацилирования немодифицированных и монометилированных лизинов с помощью пропионного ангидрида (PRO). Далее, похожие на Arg-C, переваренные гистонные пептиды ацилируются в N-концевых хвостах с добавлением фенилизоцианата (PIC). Дальнейшая дериватизация увеличивает гидрофобность пептидов и позволяет лучше разделять короткие гистонные пептиды с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии обратной фазы (RP-HPLC), улучшая идентификацию и количественную оценку изобарных пептидоформ17,18 (шаг 3). В целом, описанные здесь методы подчёркивают силу профилирования гистонов на основе рассеянного склероза в исследованиях эпигенетики рака.