Summary
このプロトコルは、3次元細胞培養システムを使用して、ほぼ生理学的状態のクロマチン修飾をモデル化、処理、および分析する方法を概説しています。
Abstract
哺乳動物細胞の扁平培養は、細胞生理機能を理解するために広く使用されている インビトロ アプローチであるが、このシステムは、不自然に速い細胞複製のために固体組織のモデリングにおいて制限されている。これは、高速複製細胞がDNA複製に頻繁に関与し、不均一な倍数体集団を有するため、成熟クロマチンをモデル化する場合に特に困難である。以下に、3次元(3D)細胞培養システムを使用して静止クロマチン修飾をモデル化、処理、および分析するためのワークフローを示します。このプロトコールを使用して、肝細胞癌細胞株は、活発な栄養拡散および低い剪断力を提供するインキュベーター内で再現性のある3Dスフェロイドとして増殖される。酪酸ナトリウムおよびコハク酸ナトリウムによる処理は、それぞれヒストンアセチル化およびスクシニル化の増加を誘導した。ヒストンアセチル化およびスクシニル化のレベルの増加は、より開放的なクロマチン状態と関連している。次いで、スフェロイドを回収して細胞核を単離し、そこからヒストンタンパク質を抽出し、翻訳後修飾を分析する。ヒストン分析は、タンデム質量分析とオンラインで結合された液体クロマトグラフィー を介して 実行され、その後に社内の計算パイプラインが続きます。最後に、組み合わせヒストンマークの頻度および出現を調査するためのデータ表現の例が示されている。
Introduction
19世紀後半以来、細胞培養システムは、人体外の細胞の成長と発達を研究するためのモデルとして使用されてきました1,2。それらの使用はまた、組織および器官が健康な状況および罹患した文脈の両方でどのように機能するかを研究するために拡張されている1,3。浮遊細胞(例えば、血液細胞)は、インビボで三次元(3D)構造で集合しないので、ペトリ皿またはフラスコ中でシームレスかつ交換的に増殖する。固体器官に由来する細胞は、二次元(2D)または3D培養系のいずれかで増殖することができる。2D培養では、細胞は平坦な表面2,4に接着する単層で増殖する。2D細胞培養システムは、指数関数的な増殖および速い倍加時間(典型的には24時間〜数日5)によって特徴付けられる。3Dシステム内の細胞は、組織のようなコングロマリットをより密接にモデル化する複雑な細胞間相互作用を形成するように成長し、倍加時間が1ヶ月以上に達することができる動的平衡に達する能力によって特徴付けられる5。
この論文では、低重力をシミュレートする回転細胞培養システムで3Dスフェロイドを増殖させる革新的な方法論を紹介します6。これは、1990年代にNASAによって導入された細胞培養システムの単純化された派生物です7。このアプローチは、スピニングフラスコのような既存の方法で発生するせん断力を最小限に抑え、回転楕円体の再現性を高めます6。さらに、回転バイオリアクターは活性栄養素拡散を増加させ、培地交換が実用的でない吊り下げドロップ細胞培養のようなシステムで起こる壊死形成を最小限に抑える6。このようにして、細胞はほとんど乱れずに成長し、組織内で増殖する細胞に関連する構造的および生理学的特性の形成を可能にする。このようにして培養されたC3A肝細胞(HepG2/C3A)は、超構造細胞小器官を有するだけでなく、インビボで観察されたレベルに匹敵する量のATP、アデニル酸キナーゼ、尿素、およびコレステロールも産生した1,2。加えて、2D対.3D細胞培養系で増殖した細胞は、異なる遺伝子発現パターンを示す8。3Dスフェロイドとして増殖したC3A肝細胞の遺伝子発現解析は、これらの細胞が広範囲の肝臓特異的タンパク質、ならびに肝機能を調節する重要な経路に関与する遺伝子を発現することを示した8。以前の出版物は、2D培養における指数関数的に増殖する細胞のプロテオームと、3Dスフェロイド培養における動的平衡状態の細胞との間の違いを実証した5。これらの違いには、細胞代謝が含まれ、これは今度は細胞5の構造、機能、および生理機能に影響を及ぼす。2D培養で増殖した細胞のプロテオームは、細胞複製に関与するタンパク質がより豊富であったが、3Dスフェロイドのプロテオームは肝機能においてより豊富であった5。
3Dスフェロイドとして増殖した細胞の複製速度が遅いほど、クロマチン状態および修飾に関連する特定の現象(例えば、ヒストンクリッピング9)がより正確にモデル化される。ヒストンクリッピングは、ヒストンN末端尾部の一部のタンパク質分解的切断を引き起こす不可逆的なヒストン翻訳後修飾(PTM)である。その生物学的機能はまだ議論中である10,11,12,13が、初代細胞および肝臓組織におけるその存在は、スフェロイドとして増殖させたHepG2/C3A細胞によってモデル化されるが、平坦な細胞としてはモデル化されていないことは明らかである9。クロマチンの状態と修飾は、主に遺伝子へのアクセス可能性、ひいては遺伝子の発現を調節することによってDNAの読み出しを調節するため、これは非常に重要です14。ヒストンPTMは、ヒストンが組み立てられるヌクレオソームの正味電荷に影響を与えることによってクロマチン状態に直接影響を及ぼすか、またはクロマチンを作家、読者、および消しゴム14に募集することによって間接的に影響する。現在までに数百のヒストンPTMが同定されており15、クロマチンがDNA16を解釈するために細胞によって使用される「ヒストンコード」を宿主とする仮説を補強している。しかしながら、無数のPTMの組み合わせ15の同定、およびヒストンPTMの組み合わせが、孤立して存在するPTMとは異なる生物学的機能をしばしば有するという発見(例えば、Fischle、et al.17)は、「ヒストンコード」を解読するためにより多くの作業が必要であることを強調する。
現在、ヒストンPTM分析は、抗体を利用する技術(例えば、ウェスタンブロット、免疫蛍光、またはクロマチン免疫沈降に続いてシーケンシング[ChIP-seq])または質量分析(MS)のいずれかに基づいている。抗体ベースの技術は高感度であり、ヒストンマークのゲノムワイド局在化に関する詳細な情報を提供することができるが、まれなPTMまたは組み合わせに存在するPTMを研究する際にはしばしば制限される18、19、20。MSは、単一および共存するタンパク質修飾、特にヒストンタンパク質18、19、20のハイスループットかつ偏りのない同定および定量により適している。これらの理由から、この研究所と他のいくつかの研究所は、ヒストンペプチド(ボトムアップMS)、無傷のヒストンテール(ミドルダウンMS)、および全長ヒストンタンパク質(トップダウンMS)の分析のためにMSパイプラインを最適化しました21,22,23。
以下に詳述するのは、HepG2/C3Aスフェロイドを増殖させ、タンデム質量分析(nLC-MS/MS)とオンラインで組み合わせたナノ液体クロマトグラフィーによるヒストンペプチド分析(ボトムアップMS)の準備ワークフローです。2D細胞培養物を増殖させ、細胞を回収し、バイオリアクターに移し、そこでスフェロイドを形成し始める(図1)。培養の18日後、スフェロイドを酪酸ナトリウムまたはコハク酸ナトリウムで処理して、ヒストンアセチル化およびスクシニル化の相対的存在量を増加させた。特に、3D培養物は、遺伝子毒性化合物およびそれらの平坦な培養物と同等の化合物で処理することができる。実際、最近の出版物は、3D培養における細胞の毒物学的応答が、2D平坦培養におけるものよりも初代組織に類似していることを強調している24,25。次いで、指定された時点で細胞を回収し、核単離を行った。次いで、ヒストンを抽出し、ガルシアらによって最初に開発されたプロトコールに従ってトリプシン消化の前後に無水プロピオン酸で誘導体化した。この手順により、逆相クロマトグラフィー(C18)によるオンライン分離およびMSによる検出に適したサイズのペプチドが生成されます。最後に、ヒストンペプチドを同定および定量し、生成されたデータを、より完全な生物学的解釈のために複数の方法で表した。
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Protocol
1. 緩衝液および試薬の調製
- 細胞増殖培地(HepG2/C3A細胞の場合):ダルベッコの改変イーグル培地(DMEM、4.5g/Lグルコースを含む)にウシ胎児血清(FBS)(10%v/v)、非必須アミノ酸(1%v/v)、L-グルタミンサプリメント(1%v/v)およびペニシリン/ストレプトマイシン(0.5%v/v)を加える。増殖培地は、4°Cで最大2週間保存される。
- 200 mM 酪酸ナトリウム (NaBut) 溶液: 10 mL を調製するために、220.18 mg の NaBut を 10 mL の ddH2O. ストア 1 mL アリコートに再懸濁し、-20 °C で 1 mL のアリコートを保存します。 細胞処理の前に、0.45 mmシリンジフィルターを使用して溶液をろ過し、ろ過した溶液1 mLを9 mLの細胞増殖培地に添加して、作業濃度20 mMにします。
- 100 mM コハク酸ナトリウム (NaSuc) 溶液: 10 mL を調製するために、162.05 mg の NaSuc を 10 mL の ddH2O. に再懸濁し、-20 °C で 1 mL アリコートを保存します。 細胞処理の前に、0.45 mmシリンジフィルターを使用して溶液をろ過し、ろ過した溶液1 mLを9 mLの細胞増殖培地に添加して、作業濃度10 mMにします。
- 冷0.2 MH2SO4:1 Lを調製するために、10 mLの濃縮H2SO4を990 mLのHPLCグレードの水に加える。 4°Cで保存してください。
- 冷たいアセトン + 0.1% 塩酸 (HCl): アセトンに濃縮 HCl (0.1% v/v) を追加します。4°Cで保存してください。
- 100 mMNH4HCO3溶液、pH 8.0:1 Lを調製し、7.91 gのNH4HCO3を1 LのHPLCグレードの水に再懸濁する。50 mL アリコートを -20 °C で保存します。
- 0.1%トリフルオロ酢酸(TFA)溶液:濃縮TFA(0.1% v/v)をHPLCグレードの水に加えます。4°Cで保存してください。
- 60%アセトニトリル/0.1%TFA溶液:HPLCグレードのアセトニトリル(60% v/v)をHPLCグレードの水に加えます。次いで、濃縮TFA(0.1% v/v)をこの溶液に加える。4°Cで保存してください。
- 2% HPLCグレードのアセトニトリル + 0.1%ギ酸:HPLCグレードのアセトニトリル(2% v/v)をHPLCグレードの水に加えます。次いで、濃縮ギ酸(0.1% v/v)をこの溶液に加える。
- 80% HPLC グレードのアセトニトリル + 0.1% ギ酸: HPLC グレードのアセトニトリル (80% v/v) を HPLC グレードの水に加えます。次いで、濃縮ギ酸(0.1% v/v)をこの溶液に加える。
2. 3D培養システムの構築
注:初代または不死化の細胞が異なると、異なる培養特性を有するため、スフェロイドの形成は細胞タイプによって異なる可能性がある。このプロトコルは、バイオリアクターと革新的な3D細胞培養システムを使用したHepG2 / C3Aスフェロイド形成のために確立されています。
- 標準的な増殖培地を用いて、細胞が80%コンフルエントになるまで単層として増殖させる。
- 細胞をHBSS(75 cm 2フラスコの場合は5 mL)で洗浄し、HBSSで希釈した5 mLの0.05%トリプシン-EDTA(1:2希釈)で細胞を5%CO2で37 oCで5分間インキュベートします。
- 顕微鏡下で細胞剥離を確認し、3mLのウシ胎児血清(FBS)または増殖培地(5%〜10%FBSを含む)を加えてトリプシンを中和する。
- 細胞数をカウントし、細胞懸濁液を希釈して、最大容量1.5mLで1 x106 個の細胞を得た。
- 超低付着24ウェル丸底プレート(ウェルあたり複数のマイクロウェルを含む)を0.5mLの成長培地でウェルを洗浄することによって平衡化する。プレートを 3,000 x g で 5 分間遠心分離し、ウェルの表面から気泡を除去します。
- 細胞懸濁液をプレートに移し、120 x gで3分間遠心分離 する。
- プレートを37 °Cで24時間インキュベートし、回転楕円体形成のために5%CO2 とインキュベートする。一方、湿度チャンバーを25mLの滅菌水で満たし、細胞チャンバーを9mLの成長培地で満たすことによってバイオリアクターを平衡化する。
- バイオリアクターを、クリノスタットインキュベーター内で回転させ、5%CO2で 37oCで24時間インキュベートする。
3. バイオリアクターにおけるスフェロイドの成長
注記: 回転楕円体の構造を保持するために、3D 構造の処理にはワイドボアチップが使用されます。
- 1mL幅のボアチップで優しく上下にピすることにより、スフェロイドを超低付着プレートから切り離し、組織培養処理皿に移す。
- 予め加温した成長培地0.5mLでプレートを洗浄し、同じ皿に移す。
- 顕微鏡でスフェロイドの品質を評価し、十分に形成されたスフェロイドを選択します。良質の回転楕円体は、均一なサイズ、コンパクトさ、および真円度を有する。
- スフェロイドを、5mLの新鮮な成長培地で満たされた平衡化バイオリアクターに移す。スフェロイドを移した後、バイオリアクターを新鮮な成長媒体で完全に充填する。
- バイオリアクターをクリノスタットインキュベーターに入れ、回転数を10〜11rpmに調整する。
- 10 mLの古い培地を除去し、10 mLの新鮮な培地と交換することによって、2〜3日ごとに成長培地を交換する。
- 回転楕円体の成長に応じて回転速度を調整し、回転楕円体のサイズと数が増えるにつれて増加します。
- 培養で18日後、スフェロイドは治療および/または収集の準備ができています
4. 回転楕円体の治療と収集
注:このプロトコルでは、HepG2/C3Aスフェロイドを酪酸ナトリウム(NaBut)およびコハク酸ナトリウム(NaSuc)で処理し、アセチル化およびスクシニル化を含むヒストンマークのレベルをそれぞれ評価する。
- 化合物の適切な作業濃度(例えば、20mMのNaButまたは10mM NaSuc)で成長培地を調製する。バイオリアクター内の培地を処理された培地と交換する。
注:対照条件を確立するには、処理を追加する前に実験のために十分なスフェロイドを収集するか、未処理のスフェロイド用のバイオリアクターを指定します。 - 十分な処理時間(例えば、NaSuc治療の場合は48〜1週間、NaBut治療の場合は48〜72時間)の後にプロテオミクス分析のためにスフェロイドを収集します。
注:このプロトコルを使用したヒストン抽出のために、約1 x 106個の細胞を含む6〜8個の スフェロイドを採取した。- 上部ポートを通ってバイオリアクターから3〜5mLの培地を除去する。
- 前面ポートを開き、幅 1 mL のボアチップを使用して回転楕円体を除去し、微量遠心チューブに入れます。
- 回転楕円体を100 x g で5分間遠心分離し、媒体を廃棄する。
注:バイオリアクター内の培地は変更することができ、バイオリアクターは追加の処理時間または回収のためにインキュベーターに戻すことができる。 - スフェロイドを200 μLのHBSSで洗浄し、FBSを除去します。100 x g で5分間遠心分離し、上清を除去します。
注: 回転楕円体は、処理まで -80 oC で保存できます。
5. ヒストン抽出
注:ヒストン中に存在する多くの塩基性アミノ酸残基は、リン酸骨格を有するDNAと密接に相互作用することを可能にする。ヒストンは核内の最も塩基性の高いタンパク質の一部であるため、氷冷硫酸(0.2MH2SO4)で抽出すると汚染が最小限に抑えられます。非ヒストンタンパク質は強酸中で沈殿する。終濃度33%に希釈された高濃度トリクロロ酢酸(TCA)は、硫酸からヒストンを沈殿させるために後に使用される。ヒストン抽出全体のために、すべてのサンプル、チューブ、および試薬を氷上に保管してください。
- 5 倍量 (約 100 μL) の冷たい 0.2 M H2SO4 を細胞ペレット (約 10 ~ 20 μL) に加え、ピペットを上下させてペレットを破砕し、ヒストンを放出します。
- チューブを一定の回転で最大4時間、または4 °Cで振とうしてインキュベートする。
注: 500 μL を超える容量の再懸濁サンプルの場合、ヒストンを抽出するには 2 時間のインキュベーションで十分です (インキュベーションが長いと、他の塩基性核タンパク質が抽出される可能性があります)。200 μL未満の容量の再懸濁サンプルの場合、より良い収率を得るためには4時間のインキュベーションが必要です。 - 3,400 x g で4°Cで5分間遠心分離します。 新しいチューブに上清を集め、後でペレットを捨てます。
- 最終的な25%〜33%のv/v(例えば、40〜60μLの低温TCA:120μLの上清)を構成するように冷濃縮TCAを加え、チューブを数回反転させて混合する。
- チューブを一定の回転で少なくとも1時間、または4 °Cで振とうしてインキュベートする。
注:開始ペレットサイズが小さい場合は、一晩インキュベーションすることをお勧めします。 - 3,400 x g で4 oCで5分間遠心分離し、上清をピで捨てます。上清を慎重に吸引する。チューブやペレットの側面には触れないでください。
注:ヒストンはチューブの側面と底部の両方に堆積します。チューブの一番下に形成された白色の不溶性ペレットは、主に非ヒストンタンパク質および他の生体分子を含む。 - ガラス製パスツールピペット(~500 μL/チューブ)を使用して、冷たいアセトン+ 0.1% HClでチューブ(壁とペレット)を洗浄します。
- 3,400 x g で4 oCで5分間遠心分離し、チューブをひっくり返して上清を捨てます。
- ガラスパスツールピペット(〜500 μL /チューブ)を使用して、チューブ(壁とペレット)を100%冷たいアセトンで洗浄します。3,400 x g で4 °Cで5分間遠心分離機。
- チューブをひっくり返して上澄みを捨て、残りのアセトンをピペットで取り出します。蓋を開け、ベンチの上のサンプルを約20分間空気乾燥させます。
- プロピオニル化に進むか、使用時までサンプルを-80 °Cに保管してください。
6. 第1ラウンドの誘導体化
注:ヒストンタンパク質を消化するためにトリプシンを使用すると、従来のプロテオミクスセットアップでは同定が困難な過度に小さいペプチドが発生します。このため、無水プロピオン酸は、未修飾およびモノメチルリジン残基のɛ-アミノ基を化学的に誘導体化するために使用される。これは、トリプシンタンパク質分解をC末端アルギニン残基に制限する。96ウェルプレートのサンプルの場合、試薬ピックアップ用のマルチチャンネルピペットとリザーバの使用をお勧めします(図2A)。誘導体化はまた、ペプチドの疎水性を高め、したがって逆相クロマトグラフィー保持を増加させるペプチドの遊離N末端を標識するために消化後に行われる。
- サンプルを 20 μL の 15% ~ 20% アセトニトリルで 100 mM 重炭酸アンモニウム (pH 8.0) に再懸濁します。渦を 15 秒間処理し、1,000 x g で 30 秒間スピンダウンします。
- サンプルが 8 つ以上ある場合は、再懸濁した各サンプルを 96 ウェルプレートに移します。
注: サンプルが 96 ウェルプレートに移されていない場合は、ステップ 6.3 ~ 6.7、7.1 ~ 7.5、および 8.1 ~ 8.5 でシングルチャンネルピペットを使用できます。 - フードの下に、マルチチャンネルピペットを使用して2μLの無水プロピオン酸を加えます。上下5倍のピで混ぜる。
- マルチチャンネルピペットを使用して水酸化アンモニウム10 μLを素早く加えます。上下5倍のピで混ぜる。
注:プロピオン酸は、無水プロピオン酸とペプチド由来の遊離アミンとの反応の産物であり、サンプルのpHを低下させる可能性があります。pH 8は、水酸化アンモニウムを1:5(v/v)の比率でサンプルに添加することによって再確立することができる。 - pH試験紙を使用してpHが8であることを確認します。pHが8<場合は、水酸化アンモニウムを1μL加えて調整する。pHが8>場合は、1 μLのギ酸または酢酸を加えて調整する。pHが10>場合、より高いpKaで他のアミノ酸残基の標識が可能となる。
- 室温で10分間インキュベートする。
- 手順 6.3 ~ 6.6 を繰り返します。ヒストンプロピオニル化の二重ラウンドは、ほぼ完全な反応効率を保証します。
- すべてのウェルが完全に乾燥するまで(〜9時間)速度真空中で乾燥プレート。
- トリプシン消化に進むか、使用時まで-80°Cでサンプル を保管してください。
7. ヒストン消化
注:ヒストンは、アルギニンおよびリジン残基のカルボキシル側で切断するトリプシンを使用してペプチドに消化される。しかし、プロピオニル化はリジン残基を修飾するので、アルギニン残基のみが切断される(図2B)。
- トリプシン溶液(50 mM NH4HCO3、pH 8.0 で 25 ng/μL)を調製します。各サンプルに20 μLのトリプシン(500 ng)を加える。
- 50 mM NH 4 HCO 3 溶液を調製するには、100 mM NH4HCO3 溶液をHPLC グレードの水で 1:1 v/v に希釈します。
- pH試験紙を使用してpHが8であることを確認します。pHが8<場合は、水酸化アンモニウムを1μL加えて調整する。pHが8>場合は、1μLのギ酸または酢酸を加えて調整します。
- 室温で一晩消化するか、37 °Cで6〜8時間インキュベートする。
- 可能であれば、消化の約3時間後にpHが低下した可能性があるため、pHを確認してください。pHが8<場合は、水酸化アンモニウムを1μL加えて調整する。
- さらに5 μLの50 ng/μLトリプシン溶液(250 ng)を加え、消化を続けます。
- プロピオニル化の第2ラウンドに進むか、使用時までサンプル を-80°Cで保管してください。
8. ペプチドN末端の誘導体化
注:N末端でのヒストンペプチドのプロピオニル化は、プロピオニル基がペプチドの疎水性を増加させるので、逆相液体クロマトグラフィー(例えば、ヒストンH3のアミノ酸3〜8)による最短ペプチドの保持を改善する。
- フードの下に、マルチチャンネルピペットを使用して2μLの無水プロピオン酸を加えます。上下5倍のピで混ぜる。
- マルチチャンネルピペットを使用して水酸化アンモニウム10 μLを素早く加えます。上下5倍のピで混ぜる。
注:プロピオン酸は、無水プロピオン酸とペプチド由来の遊離アミンとの反応の産物であり、サンプルのpHを低下させる可能性があります。pH 8は、水酸化アンモニウムを1:5(v/v)の比率でサンプルに添加することによって再確立することができる。 - pH試験紙を使用してpHが8であることを確認します。pHが8<場合は、水酸化アンモニウムを1μL加えて調整する。pHが8>場合は、1 μLのギ酸または酢酸を加えて調整する。pHが10>場合、より高いpKaで他のアミノ酸残基の標識が可能となる。
- 室温で10分間インキュベートする。
- 手順 8.1 ~ 8.4 を繰り返します。ヒストンプロピオニル化の二重ラウンドは、ほぼ完全な反応効率を保証します。
- すべてのウェルが完全に乾燥するまで(〜9時間)速度真空中で乾燥プレート。
- 脱塩工程に進むか、使用時までサンプルを-80 °Cで保管してください。
9. 脱塩とサンプルのクリーンアップ
注:サンプル中に存在する塩は、質量分析分析を妨げます。塩はまた、エレクトロスプレー中にイオン化され、ペプチドからのシグナルを抑制することができる。塩はペプチド上にイオン性付加物を形成することができ、これは付加ペプチドが異なる質量を有する原因となる。これにより、ペプチドのシグナル強度が低下し、適切な同定と定量が妨げられます。脱塩のセットアップを 図2Cに示します。
- HLB樹脂(100%アセトニトリル中50mg/mL)をマグネチックスタープレート上で混合し始める。
- フロースルーを収集するために、96 ウェルのポリプロピレンフィルタープレートの下に 96 ウェルの収集プレートがあることを確認します。
- 1ウェルあたり70 μLのHLB懸濁液をフィルタープレートに加える。飛沫を防ぐために真空を静かにオンにします。フロースルーを破棄します。
- 100 μL の 0.1% TFA で樹脂を洗浄します。飛沫を防ぐために真空を静かにオンにします。フロースルーを破棄します。
- 各サンプルを100 μLの0.1% TFAに再懸濁する。pHを確認してください;それは〜2-3でなければなりません。
- 各サンプルを各ウェルにロードします。飛沫を防ぐために、真空を静かにオンにします。フロースルーを破棄します。
- 100 μL 0.1% TFAで洗浄します。飛沫を防ぐために、真空を静かにオンにします。フロースルーを破棄します。
- 収集プレートを新しい96ウェル収集プレートと交換してください。
- 1ウェルあたり60%アセトニトリル/0.1%TFAを60 μL加える。飛沫を防ぐために、真空を静かにオンにします。フロースルーを収集し、速度真空中で乾燥させる。
- LC-MS/MS に進むか、使用するまで -80 oC でサンプルを保管してください。
10. 質量分析と組み合わせた液体クロマトグラフィーによる ヒストンペプチド分析
- 高速液体クロマトグラフィー(HPLC)上で実行するように移動相を準備します。移動相A(MPA):2%HPLCグレードのアセトニトリル+0.1%ギ酸。移動相B(MPB):80%HPLCグレードアセトニトリル+0.1%ギ酸。
- HPLC法を次のようにプログラムする:(1)30分間にわたって4%〜34%のMPB;(2)5分以上34%-90%のMPB;(3)5分間のアイソクラティック90%MPB。推奨されるカラム特性は、C18 3 μm 充填材、内径 75 μm、長さ 20 ~ 25 cm です。内径が 75 μm のナノカラムの場合、流量を 250 ~ 300 nL/分に設定します。
- HPLCがサンプルローディング前にカラム平衡化を自動化するようにプログラムされていない場合は、(4)1分間にわたる90%〜4%MPBおよび(5)10分間にわたるアイソクラティック4%MPBが含まれる。
- MS取得方法をプログラムします。
- 計測器が各デューティサイクルの開始時に1回のフルMSスキャンを実行することを確認します。信号抽出中に利用できる質量精度のために、高解像度計装(例えば、orbitrapまたは飛行時間分析器)が推奨されます。しかしながら、低分解能計装は、前述のように利用することもできる27,28。
- フル MS スキャンの後に 16 個の MS/MS スキャン イベントが続き、各イベントが 50 m/z のアイソレーション幅を持ち、m/z の範囲が 300 ~ 1100 の範囲にまたがることを確認します。たとえば、最初のスキャンでは 300 ~ 350 m/z で信号を分離し、2 回目のスキャンでは 350 ~ 400 m/z で信号を分離する必要があります。可能であれば、MS/MSスキャンも高解像度で取得しますが、フルMSスキャンと比較して低分解能で十分です(無傷のイオンと比較してフラグメントイオンの質量が小さいため)。
- HPLC法は、〜3〜40秒のピーク幅を有するクロマトグラフィーシグナルを生成する。適切なシグナル定量を確実に行うには、質量分析計がクロマトグラフィーピークごとに少なくとも10デューティサイクル(すなわち、3秒以上のデューティサイクル)を実行するようにしてください。
- トラップスタイルの質量分析器(orbitrap、イオントラップ)を使用する場合は、イオン注入時間制限が<200ミリ秒に設定されていることを確認します。他のアナライザー(四重極、飛行時間)の場合、スキャン時間が速いため、これは問題になりません。予備テストが必要な場合があります。
注:ヒストンペプチド分析のためのMS法に関するより詳細な詳細は、以下の参考文献27、28、29に見出すことができる。
- サンプルを10 μLのMPAに再懸濁し、これは消化ヒストンサンプルの約1 μg/μLに相当します。バッチ内のすべてのサンプルが同様の希釈液と容量を使用してロードされている場合、正確なローディング量は重要ではありません(評価も簡単ではありません)。
- 1 μL のサンプルを HPLC カラムにロードします。
- 手順 10.1 ~ 10.3 でプログラムした LC-MS/MS 方式を実行します。
11. データ分析
- MS生データファイルをピーク面積統合を実行するように設計されたソフトウェアにートします。
注:EpiProfile30,31は現在の研究で使用されており、既知のヒストンペプチドの信頼性の高いピーク面積抽出に最適化されているため、一般的に推奨されています。しかしながら、スカイライン32、33のような抽出イオンクロマトグラフィーのための他の自由に入手可能なソフトウェアが適している。 - 特定の(非)修飾ペプチドの相対存在量を、単一のペプチドの面積を、そのすべての修飾形態のペプチドの総面積で割った値として計算します。EpiProfile30,31などのソフトウェアには、シグナル抽出用のペプチドのライブラリがすでに含まれています。それ以外の場合は、目的のペプチドのライブラリーを手動で生成するか、ルーチンプロテオミクスパイプラインを使用したペプチド同定を介して生成します。
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Representative Results
このプロトコルでは、HepG2/C3Aスフェロイドを20 mM NaButおよび10 mM NaSucで処理し、どちらもヒストンPTMの全球レベルに影響を与えました(図3A)。その後、ヒストンPTMを同定し、MS/MS取得 により 単一残基レベルで定量化しました(図3B)。
サンプルを反復で実行する場合、統計解析を実行して、サンプル間のPTMのフォールド変化エンリッチメントと観察の再現性を評価できます。示されたデータは、アセチル化で修飾されたペプチドが、NaButで修飾されたスフェロイドと対照で修飾されたスフェロイドで富んでいることを実証し(図3C)、一方、NaSucで処理したサンプルは、リジンスクシニル化で修飾されたヒストンペプチドの相対的存在量が高い(図3D)。これらの計算は、別の出版物34に詳述されているようにスプレッドシートプログラムで行った。所与のヒストン修飾の全体的な増加は、分析された修飾部位に関する詳細な情報を維持しながらも、特定の修飾のより高いグローバル存在量を観察することがより直感的になるレーダープロットでよりよく表すことができる(図3E,F)。
このプロトコールは、頻繁に改変される残基K9、S10、およびK14を含むヒストンH3アミノ酸残基9〜17からペプチドを生成する。示されたデータは、NaButによる治療がH3K14acのレベルを増加させることを示しているが、H3K9me2と共修飾されたヒストンでのみ、H3K9me3ではない(図4A)。2つの変更間の共存周波数は、ノードが個々の変更を表し、コネクタ線の太さが2つのPTM間の共存周波数を表すリンググラフとしてより直感的に表すことができます(図4B)。共存頻度に影響がない場合もありますが、棒グラフとして表されるデータは誤解を招く可能性があります。例えば、 図4A に表わされるデータは、組み合わせH3K9me2K14acが対照よりもNaBut治療においてより豊富であることを示している。これは正しいですが、この与えられた組み合わせは、治療に関係なく最も頻繁です。 図4B は、H3K9me2K14acとH3K9me3K14acが、治療(線の太さ)に関係なく最も頻繁な組み合わせパターンであることを明確に示していますが、H3K14ac(ノード)のグローバルレベルは実験で本当に変化しています。
このプロトコールは、位置K5、K8、K12、およびK16(主にアセチル化による)における修飾可能な残基を含むヒストンH4残基4〜17からペプチドを生成する。コントロールとNaBut治療を比較すると、例えばワードクラウドとしてデータを表現することによりアセチル化の組み合わせの増加を観察することができる(図4C)。この表現は、ヒストンH4の未修飾バージョンが対照サンプル中に最も豊富に存在する一方で、NaButで処理されたスフェロイドは、二重、三重、および四重アセチル化ヒストンH4プロテオフォームに富んでいることを明らかに強調している。ただし、ワードクラウドは正確な値を表示するのに限られています。ヒストンコードの相対的な存在量は、テキストのサイズによって複雑にならないようにする必要があり、これは不正確に推定される可能性があります。したがって、ベン図またはUpSetR表現35 のようなより現代的な等価物を使用して、共存するヒストンPTMの正確な定量化を示すことができる(図4D、E)。示されたデータは、ヒストンH4上のアセチル化の選択された組み合わせが、対照と比較してNaBut治療において比較的豊富であることを再び強調する。
図1:3Dスフェロイドのヒストンペプチド分析のワークフローHepG2/C3A細胞は、80%のコンフルエントに達するまで、まず2D培養で増殖される。次いで、細胞を平衡化バイオリアクターに移し、クリノスタットインキュベーター内に置き、そこで10〜11rpmで回転させてスフェロイドを形成する。18日後、スフェロイドは20mM NaButまたは10mM NaSucのいずれかで処理され、対応する時点の後に収穫される。核を細胞から単離し、ヒストン抽出を0.2 MH2SO4で行う。次いで、ヒストン誘導体化をトリプシン消化の前後に無水プロピオン酸を用いて行い、液体クロマトグラフィーによって得られた短いペプチドの保持を確実にする。サンプルを脱塩し、ステップ10で説明したLC-MS/MS法を使用して実行し、得られたデータをステップ11の説明に従って分析します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:プロピオニル化および脱塩ステップのセットアップ。(A)プロピオニル化はヒュームフード内で行われ、すべてのコンポーネントはステップを素早く連続して実行できるようにレイアウトされています。(B)ヒストンH3.1尾部におけるプロピオニル化の第1ラウンド、トリプシン消化、およびプロピオニル化の第2ラウンドの概略図。(C)脱塩は、96ウェル真空マニホールドと96ウェルポリプロピレンフィルタープレートを使用してベンチ上で行われる。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
(A)対照および処理した(20mM NaButまたは10mM NaSuc)HepG2/C3Aスフェロイドにおける一般的なグローバルヒストン修飾の相対的存在量を示す棒グラフ。(b)対照および処理された(20mM NaButまたは10mM NaSuc)HepG2/C3AスフェロイドにおけるヒストンH3ペプチド(KSTGGKAPR)の残基9〜17上に生じる単一ヒストンPTMの存在量を示す棒グラフ。(C、D)20mM NaBut(C)または10mM NaSuc(D)で処理した後のヒストンペプチドPTMの発現差のフォールド変化および有意性を示す火山プロット。強調表示された青色および緑色の点は、それぞれアセチル化残基およびスクシニル化残基を表す。(E,F)対照と比較してそれぞれ20mM NaButまたは10mM NaSucで処理した後のアセチル化(E)またはスクシニル化(F)の単一ヒストンペプチドの存在量を示すレーダープロット。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
(A)対照および処理された(20mM NaButまたは10mM NaSuc)HepG2/C3AスフェロイドにおけるヒストンH3(KSTGGKAPR)の残基9〜17上に生じる組み合わせヒストンPTMの存在量を示す棒グラフ。(b)対照および処理した(20mM NaBut)HepG2/C3AスフェロイドにおけるヒストンH3(KSTGGKAPR)の残基9〜17上のコンビナトリアルヒストンPTMとの関係を示すリンググラフ。ノードカラーの強度は、その処理グループ内の単一のPTMの存在量に対応し、線の太さはPTMの共起の頻度に対応します。(C)対照および処理された(20mM NaBut)HepG2/C3Aスフェロイド中のヒストンH4残基上の組み合わせヒストンPTMの頻度を示すワードクラウド。テキストのサイズは、指定された組み合わせ PTM の豊富さに対応します。(D,E)ベン図は、対照および20mM NaBut処理試料におけるヒストンH4ペプチド残基4〜17に対する共存修飾の頻度を表す。データは、ShinyApp UpSetR35を使用して表示されます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足表1: このプロトコールを用いて検出されたペプチドのリスト。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
ヒストンPTMの分析は、典型的なプロテオミクス分析パイプラインとは根本的に異なります。ほとんどのヒストンPTMは依然として謎めいた生物学的機能を持っています。その結果、遺伝子オントロジーや経路データベースなどの注釈は利用できません。ヒストン修飾をそれらの触媒作用を担う酵素またはこれらのPTMに結合するドメインを含むタンパク質(例えば、HISTome36)に関連付けるいくつかのリソースが存在する。同様に、ヒストンPTMのグローバルレベルが調節されるときのクロマチンの全体的な状態を推測することが可能である。例えば、ヒストンアセチル化またはスクシニル化のような他のアシル化の全体的な増加は、通常、クロマチン脱縮合と関連している37、38。
MS分析は、アミノ酸配列上のそれらの正確な局在化など、これらの改変に関するより詳細な情報を提供する。このプロトコルでは、MS/MS取得を使用してヒストンPTMを同定および定量化し、生物学的解釈に不可欠な場合があります。例えば、ヒストンH3(H3K4me3)のリジン4上のトリメチル化は、能動的に転写された遺伝子39のプロモーター上で富化され、一方、リジン9(H3K9me3)に対する同じ修飾は、構成的ヘテロクロマチン40をベンチマークする。ヒストン修飾は現在、特定の疾患におけるバイオマーカーとして使用されている。そのように、ヒストン分析は、治療に対する応答(例えば、エピジェネティック薬物による)に加えて、疾患病理を研究するために使用することができる41、42。
単一の PTM ではなく、複数の PTM 間の相互作用を視覚的に表現することは、より困難です。リンググラフなどの既存のチャートは、2 つの PTM の共存頻度を示すことができますが、ネットワークの 3 次元表現が必要になるため、一度に 3 つ以上の PTM 間の共存頻度を表すことはできません。このため、3つ以上のPTMが考慮されるときに、ヒストンコードの変化を強調するために、他の表現がより適切であり得る。一般に、データ表現を多様化すると、サンプル間の有意な変化を観察する可能性が高くなります。このプロトコルは、ヒストンPTMと共存PTMの規制を表示するためのさまざまな図の例を示しています。
このプロトコールは、トリプシン消化(約4〜20アミノ酸)のために比較的小さなヒストンペプチドを生成するが、選択されたペプチドは複数の修飾可能な残基を含む。これらのペプチドの分析により、PTMの共存頻度の定量化が可能になり、所与のデータセットにおいてどの組み合わせヒストンマークが調節されているかについての重要な情報が明らかになる可能性がある。特に、サンプル調製中にヒストンの定量が行われるステップがないことです。これには4つの理由があります:(1)トリプシンは幅広い活性を有し、幅広い酵素対サンプル比(1:10-1:200)で使用できます。抽出されたヒストンの実験収率が予想されたものと異なる場合でも、このプロトコルを使用して消化に関する問題は発生していません。(2)このプロトコルは、感度の欠如のためにヒストン定量が困難な微量の材料を対象としています。(3)ヒストン物質の量に関係なく一定のトリプシン濃度を使用することで、トリプシンペプチド(トリプシンの自己分解物として)を使用してクロマトグラフィー性能をベンチマークすることができます。サンプル収量のわずかな変動は、正規化プロセス中に分母として特定のペプチドのすべての(非)修飾シグナルを使用するデータ分析ソフトウェア(ステップ11)によって正規化されます。(4)最後に、出発物質の量を劇的に過小評価すると、nanoLCクロマトグラフィーカラムの過負荷の問題が生じる可能性があります。ただし、このプロトコルに示されているように脱塩手順を実行すると、この問題が発生するのを防ぐことができます。出発原料の過剰量(例えば>100μg)の場合、脱塩樹脂の容量の限界を超え、余分なサンプルは装填ステップ中に洗い流されます。
この分析によって検出されたすべてのペプチドが図3および図4で強調表示されているわけではないことに注意することが重要です。同様に、すべてのヒストン修飾がこれらの特定のサンプル調製および取得方法を使用して検出可能であるわけではない。補足的な表1は、記載されたパイプラインを用いて抽出されるすべてのペプチドシグナルを列挙するために提供される。いくつかの周知の改変は、記載されたサンプル調製がそれらの検出に適していないため、表に記載されていない。注目すべき例は、ヒストンH2AおよびH2Bからのユビキチン化ペプチド、ならびにヒストンH2Aのリン酸化である。X(DNA損傷の一般的なマーカー)。これは、これらのPTMに関連するペプチドのプロピオニル化が過度に長いペプチドをもたらし、C18クロマトグラフィーおよび記載されたMS検出方法には適さないためである。文献中に存在するが補足表1には存在しない他の修飾は、ラクチル化43またはセロトニル化44などの非常に低い存在量修飾(現在、免疫沈降または特異的細胞処置などの濃縮戦略の後にMSを使用してのみ検出可能)である。ヒストン配列への重合または不均一な共有結合によって引き起こされる予測不可能な質量シフトを伴うヒストン修飾も考慮されない(例えば、ポリ−ADP−リボシル化45および糖化46)。さらに、このプロトコルは、HepG2 / C3Aスフェロイドを治療するためにNaSucおよびNaButを使用するが、他の薬物/エピジェネティック修飾剤および2D / 3D細胞培養タイプと共に使用するために改変することができる。
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Disclosures
著者らは競合する金銭的利益を持っていない。
Acknowledgments
Sidoli研究室は、白血病研究財団(Hollis Brownstein New Investigator Research Grant)、AFAR(Sagol Network GerOmics Award)、Deerfield(Xseed Award)、Relay Therapeutics、Merck、NIH所長室(1S10OD030286-01)を感謝の意をもって認めています。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 0.05% trypsin-EDTA solution | Gibco | 25300054 | |
| 0.5-20 µL pipet tips | BRAND | 13-889-172 (Fisher Scientific) | |
| 1.5 mL microcentrifuge tubes | Bio-Rad | 2239480 | |
| 10 µL multi-channel pipette | BRAND | BR7059000 (Millipore Sigma) | |
| 10 mL syringe | Henke Sass Wolf | 14-817-31 (Fisher Scientific) | Luer lock tip, graduated to 12 mL |
| 10, 20, 200, and 1000 µL single-channel pipettes | Eppendorf | 14-285-904 (Fisher Scientific) | |
| 1000 µL pipet tips | Rainin | 30389164 | |
| 18 G syringe needle | Air-Tite | 14-817-100 (Fisher Scientific) | 3" length, 0.05" diameter |
| 200 µL multi-channel pipette | Corning | 4082 | |
| 2-200 µL pipet tips | BRAND | Z740118 (Millipore Sigma) | |
| 24-well ultra-low attachment microplate | Corning | 07-200-602 | |
| 75 cm2 U-shaped cell culture flask | Corning | 461464U | Untreated, with vent cap |
| 96-well skirted plate | Axygen | PCR-96-FS-C (Corning) | |
| Acetone | Fisher Scientific | A949-1 | Acetone should be used cold |
| Ammonium bicarbonate (NH4HCO3) | Sigma-Aldrich | A6141-25G | |
| Ammonium hydroxide solution | Fisher Scientific | AC423300250 | |
| Cell culture grade water | Corning | 25-055-CV | |
| ClinoReactor | CelVivo | 10004-12 | Bioreactor for 3D cell culture |
| ClinoStar | CelVivo | N/A | Clinostat CO2 incubator for 3D cell culture |
| Control unit | CelVivo | N/A | Tablet for ClinoStar settings |
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | Corning | 17-205-CV | 1X solution with 4.5 g/L glucose and sodium pyruvate, without L-glutamine and phenol red |
| Fetal bovine serum (FBS) | Corning | 35-010-CV | |
| Formic acid | Thermo Scientific | 28905 | |
| Fume hood | Mott | N/A | Model 7121000 |
| Glass Pasteur pipette | Fisher Scientific | 13-678-8B | 9", cotton-plugged, borosilicate glass, non-sterile |
| Glutagro supplement | Corning | 25-015-CI | 200 mM L-ananyl-L-glutamine |
| Hank’s Balanced Salt Solution (HBSS) | Corning | 21-022-CV | 1X solution without calcium, magnesium, and phenol red |
| HPLC grade acetonitrile | Fisher Scientific | A955-4 | |
| HPLC grade water | Fisher Scientific | W6-1 | |
| Hydrochloric acid (HCl) | Fisher Scientific | A481-212 | |
| Ice | N/A | N/A | |
| MEM non-essential amino acids | Corning | 25-025-CI | 100X solution |
| Oasis HLB resin | Waters | 186007549 | Hydrophilic-Lipophilic-Balanced (HLB) Resin with 30µm particle size |
| Orbitrap Fusion Lumos Tribrid mass spectrometer | Thermo Fisher Scientific | IQLAAEGAAPFADBMBHQ | High resolution mass spectrometer |
| Oro-Flex I polypropylene filter plate | Orochem | OF1100 | 96-well polypropylene filter plate w/ 10 µM PE frit |
| Penicillin-Streptomycin | Corning | 30-002-CI | 100X solution |
| pH paper | Hydrion | Z111848 (Sigma-Aldrich) | 0-13 pH test paper |
| Pipette gun | Eppendorf | Z666467 (Millipore Sigma) | |
| Polymicro capillary | Molex | 50-110-7740 (Fisher Scientific) | Flexible fused silica capillary tubing with polymide coating, 75 µM ID x 363 µM OD |
| Polystyrene 10 mL serological pipets, sterile | Fisher Scientific | 1367549 | |
| Propionic anhydride | Sigma-Aldrich | 240311-50G | |
| Refrigerated centrifuge | Thermo Scientific | 75-217-420 | |
| Reprosil-Pur resin | MSWIL | R13.AQ.0003 | 120 Å pore size, C18-AQ phase, 3 µM bead size |
| Rotator | Clay Adams | 25477 (American Laboratory Trading) | Nutator Mixer 1105 |
| Sequencing grade modified trypsin | Promega | V5111 | |
| Sodium butyrate | Thermo Scientific | A11079 | |
| Sodium succinate dibasic | Sigma-Aldrich | 14160-100G | |
| SpeedVac vacuum concentrator (1.5 mL microcentrifuge tubes) | Savant | 20249 (American Laboratory Trading) | |
| SpeedVac vacuum concentrator (96-well) | Thermo Scientific | 15308325 | Savant SPD1010 |
| Sterile hood | Thermo Scientific | 1375 | Class II, Type A2 |
| Sulfuric acid (H2SO4) | Fisher Scientific | 02-004-375 | Baker Analyzed ACS reagent |
| Tissue-culture treated 100 mm x 20 mm dish | Fisher Scientific | 08-772-23 | |
| Trichloroacetic acid (TCA) | Thermo Scientific | AC421451000 | Resuspend 100% w/v in HPLC grade water |
| Trifluoroacetic acid (TFA) | Fisher Scientific | PI28904 | Sequencing grade |
| Vacuum manifold 96-well | Millipore | MAVM0960R | |
| Vortex | Sigma-Aldrich | Z258415 | |
| Water bath | Fisher Scientific | FSGPD10 | |
| Wide bore pipet tips 1000 µL | Axygen | 14-222-703 (Fisher Scientific) | |
| Wide bore pipet tips 200 µL | Axygen | 14-222-730 (Fisher Scientific) |
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