Summary
翻訳後修飾(PTM)は、タンパク質の構造と機能を変化させます。複数のPTMタイプを同時に強化する方法は、分析のカバレッジを最大化することができます。我々は、膵臓組織におけるタンパク質N-グリコシル化およびリン酸化の同時濃縮および分析のための質量分析に続く二重機能Ti(IV)固定化金属アフィニティークロマトグラフィーを用いたプロトコルを提示する。
Abstract
質量分析は、翻訳後修飾(PTM)を深くカバーすることができますが、非修飾分析物と比較して化学量論が低いため、複雑な生物学的マトリックスからのこれらの修飾の濃縮がしばしば必要になります。ボトムアッププロテオミクスワークフローでは、得られたペプチドが分析される前にタンパク質を酵素的に消化するボトムアッププロテオミクスワークフローにおけるペプチドに対するPTMのほとんどの濃縮ワークフローは、1種類の修飾のみを濃縮します。しかし、生物学的機能につながるのはPTMの補完物全体であり、単一のタイプのPTMの濃縮は、PTMのそのようなクロストークを見逃す可能性があります。 PTMクロストークは、タンパク質グリコシル化とリン酸化の間で観察されています。 PTMクロストークは、ヒトタンパク質において最も一般的な2つのPTMであり、質量分析ワークフローを使用して最も研究された2つのPTMも観察されています。本明細書に記載される同時濃縮戦略を用いて、両方のPTMは、複雑な生物学的マトリックスである死後ヒト膵臓組織から富化される。二機能性Ti(IV)固定化金属アフィニティークロマトグラフィーは、便利なスピンチップベースの方法で複数のフラクションで同時に様々な形態のグリコシル化とリン酸化を分離するために使用され、潜在的なPTMクロストーク相互作用の下流分析を可能にします。糖ペプチドおよびリンペプチドのこの濃縮ワークフローは、さまざまなサンプルタイプに適用して、複数のPTMの詳細なプロファイリングを達成し、将来の研究のために潜在的な標的分子を同定することができます。
Introduction
タンパク質の翻訳後修飾(PTM)は、タンパク質の構造、ひいてはそれらの機能および下流の生物学的プロセスの調節において主要な役割を果たす。ヒトプロテオームの多様性は、さまざまなPTMによってもたらされる組み合わせ変動性のために指数関数的に増加します。ゲノムによって予測される正準配列からのタンパク質の異なるバリアントはプロテオフォームとして知られており、多くのプロテオフォームはPTMから生じます1。健康と疾患におけるプロテオフォームの多様性を研究することは、近年大きな関心を集めている研究分野となっています2,3.
プロテオフォーム、より具体的にはPTMの研究は、質量分析(MS)ベースのプロテオミクス法の開発を通じて、より容易になりました。MSを使用して、分析種はイオン化され、断片化され、断片の m / z に基づいて同定される。濃縮法は、非修飾形態のタンパク質と比較してPTMの相対的存在量が低いためにしばしば必要である。トップダウン分析と呼ばれるインタクトなタンパク質とそのPTMの分析はより日常的になっていますが、ボトムアップ分析におけるタンパク質の酵素消化とその成分ペプチドの分析は、依然としてPTM分析で最も広く使用されているルートです。最も広く研究されている2つのPTMと、 生体内で最も一般的な2つのPTMは、グリコシル化とリン酸化4です。これら2つのPTMは、細胞のシグナル伝達と認識において主要な役割を果たすため、疾患研究において特徴付けるための重要な修正である。
さまざまなPTMの化学的特性は、多くの場合、分析前のタンパク質およびペプチドレベルでこれらのPTMの濃縮への経路を提供します。グリコシル化は、各単糖上のヒドロキシル基の存在量に起因する親水性PTMである。この特性は、親水性相互作用クロマトグラフィー(HILIC)において糖ペプチドを富化するために使用することができ、これは疎水性非修飾ペプチド5からより多くの親水性糖ペプチドを分離することができる。リン酸化はリン酸部分を付加し、これは酸性pHを除いて負に荷電している。この電荷のために、チタンを含む様々な金属カチオンを使用して、リンペプチドを引き付けて結合させ、非リン酸化種を洗い流すことができる。これが固定化金属アフィニティークロマトグラフィー(IMAC)の原理である。グリコシル化およびリン酸化のためのこれらおよび他の濃縮戦略のさらなる議論は、最近のレビュー6,7で見出すことができる。
ペプチド上のPTMの化学量論が低いため、濃縮プロトコルには比較的大量の出発ペプチド物質(0.5mg以上)がしばしば必要です。腫瘍コア生検や脳脊髄液分析など、この量のサンプルが容易に得られないシナリオでは、最大の生体分子情報をもたらす簡単なワークフローを使用することが有益です。私たちの研究室などによって開発された最近の戦略は、同じPTM濃縮ワークフロー8、9、10、11、12を用いたグリコシル化とリン酸化の同時および並列分析を強調しています。これら2つのPTMの化学的特性は異なる場合がありますが、これらのPTMは、使用される革新的な分離技術および材料のために、複数のステップで分析される可能性がある。例えば、静電反発−親水性相互作用クロマトグラフィー(ERLIC)は、分析物と移動相との間の親水性相互作用に基づく分離を、分析物と固定相物質との間の電荷−電荷相互作用と重ね合わせる13、14、15、16。酸性pHでは、固定相へのリン酸化ペプチドの誘引は、それらの保持および非修飾ペプチドからの分離を改善することができる。親水性ミクロスフェアに固定化されたTi(IV)からなる材料は、HILICおよびIMACベースの溶出に使用して、リンペプチドおよび中性、酸性、およびマンノース-6-リン酸化糖ペプチドを分離することができる17、18。この戦略は、デュアルファンクショナルTi(IV)-IMACとして知られています。これらの戦略を使用して、単一のワークフローで複数の PTM を充実させることで、潜在的な PTM クロストークインタラクションの分析をよりアクセスしやすくすることができます。さらに、サンプルの総量と時間要件は、並行して実行した場合(つまり、HILICとIMACを別々のサンプルアリコートで行う場合)従来の濃縮方法よりも少なくなります。
タンパク質のグリコシル化とリン酸化の同時解析のための二重機能Ti(IV)-IMAC戦略を実証するために、我々はそれを死後ヒト膵臓組織の分析に適用した。膵臓は、消化酵素とインスリンやグルカゴンなどの調節ホルモンの両方を産生します。膵臓機能は、膵臓疾患で障害されます.糖尿病では、血糖値の調節が影響を受け、血液中のグルコースレベルが高くなります。膵炎では、炎症は臓器3の自動消化から生じる。グリコシル化およびリン酸化を含むPTMプロファイルの変化は、しばしばそうであるように、他の疾患において起こり得る。
ここでは、膵臓組織から抽出されたタンパク質に由来するN-糖ペプチドおよびリンペプチドについて、二重機能Ti(IV)-IMAC戦略に基づくスピンチップベースの同時濃縮法のプロトコルについて説明します。このプロトコルには、 図1に示すように、タンパク質の抽出と消化、濃縮、MSデータ収集、およびデータ処理が含まれます。この研究の代表的なデータは、識別子PXD033065のProteomeXchangeコンソーシアム を通じて 入手できます。
図1:ヒト膵臓組織由来のN-糖ペプチドとリンペプチドの同時解析ワークフロー 組織は、洗剤ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を用いてタンパク質抽出の前に、まず微粉末に凍結粉砕される。次いで、タンパク質は酵素消化を受ける。得られたペプチドは、二重機能性Ti(IV)-IMACを用いた濃縮の前に小分けされる。生データは、ナノスケール逆相液体クロマトグラフィー質量分析(nRPLC-MS)を使用して収集され、データベース検索ソフトウェアを使用して分析されます。 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。
このプロトコルは、PTM 分析をよりアクセスしやすくし、同じワークフロー内の複数の PTM のより広範な分析を可能にすることを目的としています。このプロトコルは、細胞および生体液を含む他の複雑な生物学的マトリックスに適用することができる。
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Protocol
故人の近親者からの研究のための膵臓組織の使用について同意が得られ、ウィスコンシン大学マディソン健康科学施設審査委員会の承認が得られた。IRBの監督は、45 CFR 46.102(f)によって認識されているヒト被験者を関与させないため、必須ではありません。
警告: このプロトコールで使用される試薬(酸(ギ酸、酢酸、トリフルオロ酢酸)、塩基(水酸化アンモニウム)、極低温剤(液体窒素)を含む試薬の取り扱いには注意が必要です。関連する危険と必要な予防措置を理解するために使用する試薬の安全データシートをお読みください。パーセンテージを使用して示される濃度は、体積/総体積(v / v)であり、水で希釈される。
1. 組織凍結粉砕、溶解、タンパク質抽出
- デュワーを液体窒素で満たします。膵臓組織と接触する組織粉砕機の部分、すなわちチャンバー、粉砕機、および回収スプーンをポリスチレン容器に予め冷やす。
- 凍結組織片を予め冷却したサンプルホルダーに移し、スプーン一杯の液体窒素を組織に加える。
- 粉砕機をチャンバー内に置き、マレットを使用して5〜10回叩いてサンプルを粉砕する。チャンバーから粉砕機を取り外し、付着組織粉末および片をこすり落とす。
- 組織が溶け始めたら、スプーン一杯の液体窒素をチャンバーに加えます。試料が大きな組織塊のない微粉末になるまで粉砕工程を繰り返す。サンプルを約 100 mg のアリコートに分けて、予め冷却したチューブに入れます。
- 4%ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)、150 mM NaCl、および25 mM Tris(pH = 7.4)を含む溶解バッファーを調製する。プロテアーゼおよびホスファターゼ阻害剤の各1錠を500μLの水に溶解し、それぞれ20倍のストックを得る。各インヒビターの20xストックの必要量を溶解バッファーに追加して、最終的に1x濃度にします。
- チューブに組織100 mgあたり600 μLの溶解バッファーを加え、加熱ブロック内で95°Cで800 rpmで振とうしながら10分間インキュベートします。加熱ブロックからサンプルを取り出し、室温まで冷却します。
- 60 Wエネルギー(20 kHz)でサンプルを超音波処理し、その間に30秒の残りを持つ15秒のパルスを使用して45秒にします。サンプルを3,000 x g で4°Cで15分間ペレット化します。
- 上清を5x沈殿溶媒に加え、50%アセトン、49.9%エタノール、および0.1%酢酸を含む1.5mLの沈殿溶媒に300μLの溶解緩衝液を加える。-20°C (78 °F) で一晩冷やす。
- サンプルを再び3,000 x g で4°Cで15分間ペレット化し、上清を除去した。ヘラで分解し、同量の沈殿溶媒と混合してペレットを洗浄する。ペレットを再度、洗浄工程2xを繰り返す。
- サンプルを16,000 x g で4°Cで15分間ペレット状にします。 サンプルペレットをヒュームフードで15分間風乾し、続行できる状態になるまで-80°Cで保存します。
2. タンパク質の消化と脱塩
- タンパク質ペレットを、50 mM トリエチルアンモニウム重炭酸塩 (TEAB) および 8 M 尿素を含む 300 μL の新しく作られた消化バッファーに再懸濁します。
- 製造業者のプロトコールに従ったタンパク質アッセイを用いて溶液のタンパク質濃度を推定する。
- 溶液中のタンパク質に、ジチオスレイトール(DTT)を終濃度5mMまで添加し、混合し、室温で1時間減少させる。次いで、ヨードアセトアミド(IAA)を終濃度15mMとなるように添加し、混合し、室温で暗所で30分間アルキル化させた。混合して前と同じ体積でDTTの添加を繰り返してアルキル化をクエンチする。
- LysC/トリプシンを1:100の酵素:タンパク質比で加え、37°Cで4時間インキュベートする。次に、50 mM TEABを加えて、1 Mを<するために使用した8 M尿素を希釈し、トリプシンを1:100の酵素:タンパク質比で加え、37°Cで一晩インキュベートします。
- トリフルオロ酢酸(TFA)を0.3% v / vに添加して消化を急冷する。開始タンパク質 1 mg ごとに、脱塩カートリッジ (1 cc、10 mg) を 1 mL のアセトニトリル (ACN) で、3 x を 1 mL の 0.1% TFA でコンディショニングします。
- 消化した混合物を脱塩カートリッジにロードします。1mLの0.1%TFAを用いて混合物3xを洗浄する。溶出が遅い場合は、陽圧をかけますが、毎秒1滴>流量は避けてください。
- 60%ACNおよび0.1%ギ酸(FA)溶液1mLを用いてペプチドを溶出する。溶出したペプチドを、溶媒が完全に蒸発するまで遠心真空濃縮器を用いて約35°Cで乾燥させた。
- ペプチドを300 μLの水に再懸濁し、メーカーのプロトコールに従ってペプチドアッセイを使用してペプチド濃度を推定します。ペプチドを500μgのアリコートに分け、完全に乾燥させる。
3. ERLIC N-糖ペプチド濃縮
メモ:正確な遠心分離機の速度と時間はサンプルによって異なる場合があり、最適化する必要があります。一般に、材料のコンディショニングおよび洗浄には2分間300 x g 、溶出には5分間100 x g が適しています。
- 約3mgのコットンウールを秤量し、空の200μLピペットチップ(スピンチップ; 材料表を参照)に詰めます。
- 強陰イオン交換濃縮材料をチューブに移し、10mg材料あたり0.1%TFAを200μL添加する。500 μgのペプチドを濃縮するには、15 mgの材料を使用してください。15分間振盪して材料を活性化する。
- チューブアダプターを使用して、スピンチップを2mLチューブの上に置き、先端に15mgの材料用の十分なスラリーを追加します。ベンチトップ遠心分離機で回転させて液体を除去します。
- 200 μL の ACN で 3 倍遠心分離して材料を調整します。100 mM 酢酸アンモニウム (NH4Ac)、1% TFA、および 80% ACN/0.1% TFA (ローディングバッファー) を使用して、3 連のコンディショニングを繰り返します。
- 500 μg のペプチドサンプルを約 200 μL のローディングバッファーに再懸濁し、スピンチップを流します。フロースルー 2x を再ロードして、完全なバインディングを確保します。
- 200 μL の 80% ACN/0.1% TFA を使用して 5 倍、次に 200 μL の 80% ACN/0.1% FA を使用して 2 倍に遠心分離して、材料を洗浄します。
- ペプチドを以下の各々の200μLで遠心分離することによって溶出する:50% ACN/0.1% FA(E1);0.1% FA (E2);0.1% TFA (E3);300 mM KH2PO4、10% ACN (E4)。
- 200 μL の 80% ACN/5% NH 4 OH で 2 倍速遠心分離して材料を洗浄します。残りのペプチドを200 μLの10%NH4OH(E5)で溶出します。
- 約35°Cの遠心真空濃縮器を使用して、すべての溶出物を完全に乾燥させます。
- 塩基性溶出(E5)の脱塩は、メーカーのプロトコールに従って脱塩チップを用いて行う。
- 脱塩チップからの溶出液を遠心真空濃縮機を用いて約35°Cで乾燥させて完全にする。
4. Ti(IV)-IMACリンペプチド濃縮
メモ:正確な遠心分離機の速度と時間はサンプルによって異なる場合があり、最適化する必要があります。一般に、材料のコンディショニングおよび洗浄には2分間300 x g 、溶出には5分間100 x g が適しています。
- 約3mgのコットンウールを計量し、空の200μLピペットチップ(スピンチップ)に詰めます。
- Ti-IMACリンペプチド濃縮材料をチューブに移し、10mg材料あたり0.1%TFAを200μL添加する。500μgのペプチドを濃縮するには、10mgの材料を使用してください。
- チューブアダプターを使用して、スピンチップを2mLチューブの上に置き、10mg材料用に十分なスラリーをチップに加えます。ベンチトップ遠心分離機で回転させて液体を除去します。
- 上記と同じ遠心分離機設定を使用して、200 μL の 40% ACN/3% TFA で材料をコンディショニングします。ペプチドサンプルを200 μLの40% ACN/3% TFAに再懸濁し、スピンチップを流します。フロースルーを 2 回リロードして、より完全なバインディングを確保します。
- 200 μL の 50% ACN、6% TFA、および 200 mM NaCl 溶液で遠心分離して材料を洗浄し、続いて 200 μL の 30% ACN および 0.1% TFA 溶液で 2 倍洗浄します。
- 200 μL の 10% NH 4 OH でペプチドを溶出します。溶出液を真空下で完全に乾燥させる。脱塩チップを用いて、製造元のプロトコールに従って脱塩を行う。真空下で脱塩チップからの溶出を完全になるまで乾燥させます。
5. 2機能Ti(IV)同時濃縮
メモ:正確な遠心分離機の速度と時間はサンプルによって異なる場合があり、最適化する必要があります。一般に、材料のコンディショニングおよび洗浄には2分間300 x g 、溶出には5分間100 x g が適しています。
- 約3mgのコットンウールを量り、空のスピンチップに詰めます。
- 約1gのTi(IV)-IMAC材料をチューブに移す。既知の濃度の物質、例えば20mg/200μLに0.1%TFAを加える(物質はこの懸濁液に4°Cで保存することができる)。
- 500 μg のペプチドから濃縮するには、スピンチップに十分なスラリーを加えて、20 mg の材料を移します。スピンチップを200 μLの0.1% TFAで遠心分離して洗浄します。
- サンプルを200 μLの負荷/洗浄溶媒(80% ACNおよび3% TFA)に再懸濁し、スピンチップを流します。フロースルー 2x をリロードします。
- スピンチップを200μLの負荷/洗浄溶媒で遠心分離して6x洗浄します。スピンチップを200 μLの80% ACN/0.1% FA溶液で洗浄します。
- ペプチドを、60% ACN/0.1% FA(E1)および40% ACN/0.1% FA(E2)のそれぞれ200 μLで溶出します。各溶出を個別に分析します。
- 20% ACN/0.1% FA および 0.1% FA のそれぞれ 200 μL でペプチドを溶出します。2 つの溶出液を組み合わせて 1 つのサンプルとして分析します(E3)。
- ペプチドを以下の各々の200μLで溶出する:40%ACN/3%TFA;50% ACN/6% TFA, 200 mM NaCl;30%のACN / 0.1%のTFAです。これらの溶出液を結合し、パックチップを使用して脱塩後に1つ(E4)として分析します。
- 200 μL の 90% ACN/2.5% NH4OH を 3 倍に使用して、材料を塩基性 pH にコンディショニングします。これらの洗浄は破棄してください。
- ペプチドを、60% ACN/10% NH 4 OH (E5) および40% ACN/10% NH 4 OH (E6) のそれぞれ 200 μL で溶出します。これらの溶出は、パックチップを使用して脱塩後に別々に分析します。
- ペプチドを以下の各々の200μLで溶出する:20%ACN/10%NH4OH;10% ACN/10% NH4OH;および10%NH4OH。これらの溶出液を結合し、パックチップを使用して脱塩後に1つ(E7)として分析します。
- すべての溶出液を真空下で完全に乾燥させます。
6. ナノフロー逆相液体クロマトグラフィー質量分析(nRPLC-MS)
メモ: MS データの集録および解析方法は多様であるため、次の手順では、推奨される LC-MS パイプライン (およびそれに関連するパラメータ) を 1 つだけ説明します。前述のサンプル調製および濃縮ステップを使用して生成されたサンプルは、十分なデータ品質があれば、市販のクロマトグラフィーカラムの使用を含む他の機器セットアップを使用して分析できます。
- 19に記載されているように、C18材料を使用して長さ15cmのキャピラリー(内径75μm)を引っ張って梱包します。移動相A(水中0.1%FA)および移動相B(ACN中0.1%FA)を調製する。
- 濃縮ペプチドサンプルを 15 μL の 3% 移動相 B. サンプル 2 μL (約 13% サンプル容量) をカラムに直接負荷します。各サンプルを技術的な複製で分析します。
- 3% ~ 30% の勾配を使用して、移動相 B を 0.3 μL/minの流速で 90 分間かけてペプチドを溶出します。75% B を 8 分間使用し、続いて 95% B を 8 分間使用してカラムを洗浄し、3% B で 12 分間平衡化して方法を終了します。
- 次のパラメータを持つ上位20個のピークのデータ依存集録を使用して、質量分析計を正イオンモードで操作します:スプレー電圧2kV;120,000解像度で400-2,000 m/zのLC/MSでのMS 1検出、2E5自動ゲイン制御(AGC)ターゲット、100 msの最大注入時間、30%RFレンズ、1.6 m/zウィンドウの四重極絶縁、充電状態2-8および未定、および30秒の動的除外。LC/MSにおけるMS 2検出では、22%、30%、および38%の段階的なHCDフラグメンテーションを使用し、30,000の分解能で第1質量120m/z、5E4 AGCターゲット、および2.5E4の最小強度要件を固定しました。
7. MSデータ解析
注: ここでは、2 つの異なるソフトウェアを使用して同じデータセットを分析する 1 つのデータ分析パイプラインを示します。リン酸化およびグリコシル化は、ここで説明するように2つの別々のソフトウェアではなく、単一のソフトウェアを使用して同時に検索することができるが、一般に、ソフトウェアの検索時間は、検索空間、すなわち、考慮されるPTMの数に比例する。このため、2つの異なるソフトウェアが糖ペプチドおよびリンペプチドの探索に並行して使用される。
- 適切なソフトウェアを使用して生データファイルを処理します( 材料表を参照)。
- UniProt ヒト (または適切な種固有の) データベースに対してスペクトルを検索します。Cysのカルバミドメチル化を固定修飾として設定する。欠落した酵素切断の最大数を2つとして設定します。
- 生データファイルにおいて、市販のソフトウェア( 材料表参照)を用いて、分析対象の糖ペプチドを検索する20。10 ppm の前駆体質量耐性と 0.01 Daフラグメントの質量耐性を使用し、最小ペプチド長は 4 残基です。
- HexNAc(2)Hex(4-9)Phospho(1-2)、HexNAc(3-4)Hex(4-9)Phospho(1-2)、HexNAc(2)Hex(3-4)Phospho(1)HexNAc(2)Hex(3-4)Phospho(1)、HexNAc(3-4)Phospho(1)を含む、典型的なマンノース-6-リン酸(M6P)グリカンで拡張されたソフトウェア組み込みN-グリカンデータベースを使用した検索。
- N-グリコシル化を一般的な修飾として設定する。ペプチドスペクトルマッチ(PSM)あたりの最大総修飾数を1つの共通および2つのまれなものとして設定する。
- Met の酸化 (まれ)、Asn および Gln での脱アミド化 (まれ)、Ser、Thr、Tyr でのリン酸化 (共通) の可変変更を設定します。次の識別フィルターを設定します: スコア カットオフ > 150、|対数確率|> 1、デルタ mod スコア> 10 です。
- 「タンパク質」タブおよび「ペプチド・グループ」タブで検索結果をエクスポートおよび分析します。
- MS/MSスペクトルにPhosphoHexオキソニウムイオン(243 m/z)が存在するかどうか、M6Pグリカンを含む識別を手動でスクリーニングし、この診断イオンを含まない偽陽性識別を削除します。
- 生データファイルにおいて、オープンソースソフトウェア( 材料表参照)を用いて、分析すべきリンペプチドを検索する21。20 ppm の最初の検索ペプチド耐性と 4.5 ppm のメイン検索ペプチド耐性を使用します。
- ペプチドごとの修飾の最大数を 5 に設定します。PSMおよびタンパク質偽発見率(FDR)を1%に設定し、最小ペプチド長を7残基に設定します。
- 可変修飾を、Metでの酸化、N末端タンパク質アセチル化、およびSer、Thr、およびTyrでのリン酸化として設定する。modificationSpecificPeptides ファイルを使用して検索結果を分析します。
- タンパク質、ペプチド、および修飾部位レベルでのPTMの同定の数を決定します。
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Representative Results
生ファイルや検索結果を含む代表的な質量分析データは、データセット識別子PXD03306522のPRIDEパートナーリポジトリを介してProteomeXchangeコンソーシアムに寄託されています。
この作業では、重複注入反復を、各濃縮溶出について分析した。両方の技術的反復から作られた同定は、最終分析で照合された。MS/MS断片化のためのペプチド前駆体の選択におけるデータ依存的取得の半確率的性質のために、技術的重複間で約70%〜80%の同定重複が予想される。これらの方法を使用するアプリケーションでは、少なくとも2つの技術的反復が推奨されます。下流の統計解析では、異なる実験条件に対する生物学的複製を考慮する必要があります。データ報告のための所望のストリンジェンシーに応じて、識別のためのフィルタを設定することが有用であり得る、例えば、報告される少なくとも x 個の技術的または生物学的複製における同定。
各濃縮物からの各溶出のトータルイオンクロマトグラム(TIC)の例は、補足図 S1、補足図S2、および 補足図S3に見ることができます。生のMSファイルのデータベース検索中に厳密なフィルタを使用すると、PTMによるペプチド配列に対するMS/MSスペクトルのより正確で信頼性の高い識別を確保できます。各溶出のTICsで明らかなように、ペプチドサンプルは、濃縮から分画した後でさえ依然として複雑である。高分解能、高質量精度、高速走査型質量分析計と組み合わせたナノフロークロマトグラフィーは、トリプシン消化物からのペプチドなどの複雑な混合物を高い感度と深さで分析するのに役立ちます。グリコシル化スペクトルおよびリン酸化スペクトルのMS/MSスペクトルの例を 図2に示します。このような十分に注釈が付けられたスペクトルは、データベース検索ソフトウェアによって割り当てられた同定の信頼性を高める前駆体の豊富な断片化から生じる。
図3 は、各溶出画分に対する二重機能Ti(IV)-IMACスピンチップ濃縮法を用いて行われたペプチド同定を示しています。糖ペプチドの大部分は最初の4つの画分で溶出し、リンペプチドの大部分は最後の3つの画分で溶出します。フラクション間で異なるPTMを分離することで、溶出間で適切に分離されなかった場合に生じる可能性のあるイオン化の干渉を防ぐのに役立ちます。
図4 は、デュアルTi法からのグリコプロテオミクス結果をERLIC糖ペプチドのみの濃縮と比較したものです。 図4Aに見られるように、タンパク質、グリコフォーム、PTM、および修飾部位レベルでの多くの同定は、両方の方法に共通している。しかし、ERLICはデュアルTi法と比較して、すべてのレベルでよりユニークな識別を持っています。これには、M6P(少なくとも1つのリン酸基を有する高マンノースグリカン)グリコフォームが含まれ、偽陽性同定を除去するためにデータの追加の手動キュレーションが必要です。さらに、いずれかの方法を用いて同定されたグリカンの種類は類似している。ビニング後の各タイプのグリカンの比率を、それらの組成に基づいて6つのカテゴリーに分けることは、両方の方法16の間で類似している。
デュアルTi法からのホスホプロテオミクスの結果は、 図5の従来のIMACリンペプチドのみの濃縮と比較される。二重機能Ti(IV)濃縮は、タンパク質、ペプチド、およびPTMレベルでの実質的な重複によって示されるように、従来のIMACと同様に機能します。いずれの方法を用いても、リン酸化アミノ酸の大部分はセリンおよびスレオニンであり、約1%のリン酸化チロシンも同定された。両方の方法は、多リン酸化ペプチドを同定するためにも使用され得る。
改変タンパク質のリストを遺伝子にマッピングし、図6および図7に示すように遺伝子オントロジー(GO)濃縮を用いて解析する。ERLICおよびIMACを用いて同定された改変タンパク質のGO分析は、補足図S4および補足図S5に示されている。無料のオンラインMetascapeツールは、エンリッチメントを実行し、エンリッチメントされた経路とプロセスに基づいてネットワークを作成し、類似性によってそれらをリンクします23。各GO分析のノード項は、補足表S1、補足表S2、補足表S3、および補足表S4に記載されています。グリコシル化は細胞外マトリックス中の主要なタンパク質PTMであるため、同定されたN-糖タンパク質のリストを使用して濃縮されたいくつかの用語が細胞外マトリックスに関連していることは驚くべきことではない。リン酸化は細胞シグナル伝達に関与しており、これは同定されたリンタンパク質のリストを使用して見出されるいくつかの濃縮された用語で見ることができる。
(A)マンノース-6-リン酸化ペプチドGSLSYLN(HexNAc(2)Hex(7)ホスホ(1))カテプシンD(CATD)からのVTR)は、7回目の濃縮溶出からの保持時間53.08-53.33分から同定された。243 m/z に PhosphoHex オキソニウムイオンが存在すると、この PTM 割り当ての信頼性が向上します。(b)第6の濃縮溶出から32.31〜32.72分の保持時間からチオレドキシン関連膜貫通タンパク質1(TMX1)からのリン酸化ペプチドVEEEQEADEEDVS(Phospho)EEEAESK。ペプチドフラグメントイオンとその脱リン酸化変異体(フラグメント*で表記)の間に-98(-H3PO4)中性損失が存在すると、このPTM割り当ての信頼性が向上します。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3:7つの溶出にわたる二重機能Ti(IV)-IMAC濃縮からのペプチド同定の比較。 同定の数は、2つの技術的(注射)複製物のうちの少なくとも1つにおいて同定されたペプチドを含む。 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4:従来のERLIC糖ペプチド濃縮と比較した二重機能Ti(IV)-IMAC濃縮によるグリコプロテオミクス結果の比較 。 (A)エンリッチメント法間の糖タンパク質、グリコフォーム(タンパク質、部位、グリカン)、グリカン組成、およびグリコサイト同定のベン図。(B)濃縮方法間のペプチド骨格上で同定されたグリカンの円グラフ。グリカンは、その組成に基づいて6つのグループにビン化される16。 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5:従来のTi(IV)-IMACリンペプチド濃縮と比較した二重機能Ti(IV)-IMAC濃縮によるホスホプロテオミクス結果の比較。(B)アミノ酸残基によって分解された自信を持って局在する(75%以上の確率で)ホスホサイトの円グラフ。(c)多数のリン酸化残基によってビン化された同定されたリンペプチドの積み上げ棒グラフ。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6:二重機能Ti(IV)-IMAC濃縮を用いて同定されたN-糖タンパク質の遺伝子オントロジー濃縮。 N-糖タンパク質は遺伝子にマッピングされ、ゲノム全体をバックグラウンドとして使用して、有意に濃縮された経路およびプロセス用語が同定される。用語の類似性によって接続された用語のクラスターにラベルを付けるために、さまざまな色が使用されます。 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。
図7:二重機能Ti(IV)-IMAC濃縮を用いて同定されたリンタンパク質の遺伝子オントロジー濃縮。 リンタンパク質は遺伝子にマッピングされ、ゲノム全体をバックグラウンドとして使用して、有意に濃縮された経路およびプロセス用語が同定される。さまざまな色を使用して、用語の類似性によって接続される用語のクラスターにラベルを付けます。 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。
補足図S1:二重機能性Ti(IV)−IMAC(E1〜E7、パネルA−G)濃縮からの各溶出からのトータルイオンクロマトグラム(TIC)の例。 全信号(イオン電流)は、117分のデータ収集期間にわたってプロットされる。ベースピークの強度は、値NLによって与えられる。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図S2:ERLICからの各溶出からのトータルイオンクロマトグラム(TIC)(E1〜E5、パネルA〜E)濃縮の例。 全信号(イオン電流)は、117分のデータ収集期間にわたってプロットされる。ベースピークの強度は、値NLによって与えられる。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図S3:Ti−IMAC富化からの溶出からのトータルイオンクロマトグラム(TIC)の例。 全信号(イオン電流)は、117分のデータ収集期間にわたってプロットされる。ベースピークの強度は、値NLによって与えられる。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図S4:ERLICによる従来の糖ペプチド富化を用いて同定されたN-糖タンパク質の遺伝子オントロジー富化。 N-糖タンパク質は遺伝子にマッピングされ、ゲノム全体をバックグラウンドとして使用して、有意に濃縮された経路およびプロセス用語が同定される。さまざまな色を使用して、用語の類似性によって接続される用語のクラスターにラベルを付けます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図S5:Ti(IV)-IMACによる従来のリンペプチド濃縮を用いて同定されたリンタンパク質の遺伝子オントロジー濃縮。 リンタンパク質は遺伝子にマッピングされ、ゲノム全体をバックグラウンドとして使用して、有意に濃縮された経路およびプロセス用語が同定される。さまざまな色を使用して、用語の類似性によって接続される用語のクラスターにラベルを付けます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足表S1-S4:遺伝子オントロジーエンリッチメント解析のためのメタスケープノード情報。 表には、デュアルTi(表S1および表S2)、ERLICを使用したN-糖タンパク質(表S3)、およびIMACを使用して同定されたリンタンパク質(表S4)のリストのノード情報が含まれています。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
二重機能Ti(IV)-IMAC戦略は、単一のサンプル調製ワークフローで同じサンプルからのN-糖ペプチドとリンペプチドの同時分析に役立ちます。ERLICベースの方法は、PTMの同時濃縮を実行することも示されている。どちらの戦略も、PTM分析14,18の深いカバレッジのために以前に使用されてきました。スピンチップを使用してサンプルのインキュベーション時間を短縮するためにデュアルTi法を適応させるにあたり、このプロトコルがリソース集約的ではなく、より広くアクセス可能になることを願っています。
複数のPTMの同時分析は、分析種と濃縮材料の表面上の官能基との間の相乗的相互作用によって達成される。綿によるスピンチップの最初のパッキングでは、セルロース24上のヒドロキシル基の有病率のために、HILICモードでの糖ペプチドの保持が増加する。水とアセトニトリル(水混和性溶媒)を使用することにより、糖ペプチドは水と有機層の形成により保持および分離される。二重機能性Ti(IV)濃縮のための材料は、リンペプチドの結合のための固定化Ti(IV)カチオンに依存する。材料の側鎖の親水性特性は、糖ペプチドをHILICモードで保持するために使用され、最初に水性含有量の増加とともに酸性溶出を使用して溶出されます。物質をさらに従来のIMACリンペプチド濃縮緩衝液で洗浄して、他の中性糖ペプチドよりも固定相に対して高い親和性を有するシアリル化糖ペプチドを溶出する。材料を塩基性pHにコンディショニングした後、水酸化アンモニウムおよびACN溶液を使用して、リンペプチドを材料に結合したままにする静電相互作用を遮断する。その間、有機含有量の減少により、モノリン酸化ペプチドおよびマルチリン酸化ペプチドおよびM6P糖ペプチドの分離が可能になる。
同じワークフローで複数の溶出ステップを使用してPTMを分離する場合、限られたサンプルから生体分子情報を最大限に活用できます。このようなデュアルPTM分析ワークフローの注意点は、少なくとも5つのフラクションが収集されるときに、各濃縮の出発物質として比較的大量のサンプル(0.5mgのペプチド)が必要であることです。それにもかかわらず、ここで提示された同時濃縮戦略は、従来の戦略と比較して材料の大幅な節約を提供する。強化する前であっても、PTM の整合性を確保し、PTM 情報の人為的な損失を回避するには、いくつかの重要な手順が必要です。これらには、使用していないときの低温(理想的には-80°C)でのサンプルの適切な保管、タンパク質抽出中のプロテアーゼおよびホスファターゼ阻害剤の使用、およびここで使用されるHLBカートリッジなどの親水性ペプチドクリーンアップ法の使用が含まれます。
ERLIC(従来の糖ペプチド濃縮)はグリコプロテオームのカバレッジを向上させ、ホスホプロテオミクスの結果では従来のTi-IMACによるユニークな同定において二重機能性Ti(IV)-IMACを凌駕することが観察されています。デュアルTi濃縮材料の物理的構造および親水性の増加と比較して、ERLIC材料の物理的構造および増加した親水性は、ERLICにおけるグリコプロテオーム被覆率の改善における主要な要因である可能性が高い。従来のIMACにおけるホスホプロテオームの被覆率の増加は、第1の溶出工程および洗浄工程中の糖ペプチドの除去によるイオン抑制の減少の結果であり得る。同時デュアルTiワークフローを使用したカバレッジのこれらのわずかな減少にもかかわらず、従来の単一のPTM濃縮との大幅な重複は、2つではなく1つの濃縮ワークフローのみを実行するという追加の利点で依然として達成される。
時間的制約に関しては、ERLICおよび従来のTi-IMACは、デュアルTiワークフローよりもフラクションが少ない。必要な資源に関しては、ERLICに必要な陰イオン交換材料は、デュアルTiおよび従来のIMACワークフローに必要な機能化材料よりも安価です。これらのプロトコールでは、N結合型グリコシル化のみが分析され、O結合型グリコシル化は分析されなかった。酵素PNGase Fは、O-糖ペプチドを検索する場合に得られる偽陽性の数を制限するためにN-グリカンを切断するために使用することができる(そしてそうすべきである)。しかしながら、この戦略は、糖ペプチド富化に対するHILICおよびERLICの特異性を低下させることが示されている25。プロトコルでは、生データファイルを分析するために2つの別々のソフトウェアを使用する戦略が使用されます。商用ソフトウェアであるByonicは、グリコプロテオミクスデータを分析するためのゴールドスタンダードと考えられています。N-グリカン構造の多様性のために、ペプチド探索空間が増加し、したがって探索時間が増加する。リン酸化は、検索中のグリコシル化に加えて一般的なPTMとして追加することもできますが、ペプチドの多重リン酸化が考慮されるかどうかによって、検索時間が急上昇する可能性があります。オープンソースソフトウェアであるMaxQuantは、ホスホプロテオミクスの結果におけるFDRを最小限に抑えるように最適化することができますが、複雑なグリコシル化はそれほど簡単には検索できません。グリコプロテオミクスデータ26、27、28を検索するための他のオープンソースオプションもあります。利用可能な実験目標とリソースに応じて、ここで説明するLC-MSおよびデータ分析パイプラインは、提示どおりに使用することも、変更することもできます。これらの方法のさらなる最適化により、PTMのカバレッジが向上することが期待されます。
PTMは、それらが与えるタンパク質構造の変化のために、生化学的プロセスにおいて主要な役割を果たす。すべてのプロテオミクス解析で、すべてのタンパク質PTMを同時に考慮することが理想的です。全タンパク質グリコシル化の総和の重要性は、例えば、メタヘテロジェネティ29と呼ばれている。しかし、PTM全体の分析という目標は、現在のMSベースの技術ではまだ不可能です。ボトムアッププロテオミクスに続いてPTM特異的エンリッチメント、すなわちHILICおよびIMACがPTM分析のゴールドスタンダードであることは依然としてPTM分析のゴールドスタンダードですが、ここで説明するような同時エンリッチメント戦略を使用することで、生体分子情報をよりよく解明することができます。クロストーク相互作用は、グリコシル化およびリン酸化32を含む様々なPTMs30、31の間で起こることが見出されている。疾患、例えば糖尿病や癌などの膵臓疾患におけるこのような相互作用の定量的分析は、疾患メカニズムの理解を深める上で実りあることを証明するかもしれない。異なるサンプルタイプ間での抽出方法の最適化により、ここで説明する濃縮プロトコルは、複雑な生物学的マトリックスにおけるグリコプロテオームおよびホスホプロテオームの詳細なプロファイリングに使用できます。
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Disclosures
著者らは、競合する利益を宣言していない。
Acknowledgments
この研究は、NIH(R01DK071801、RF1AG052324、P01CA250972、およびR21AG065728)、および若年性糖尿病研究財団(1-PNF-2016-250-S-BおよびSRA-2016-168-S-B)からの助成金によって部分的に支援されました。ここで紹介するデータは、ウィスコンシン大学臨床・トランスレーショナルリサーチ研究所のNIH/NCATS UL1TR002373賞の支援によっても一部取得されました。Orbitrap機器は、NIHの共有機器助成金(NIH-NCRR S10RR029531)とウィスコンシン大学マディソン校の研究・大学院教育担当副学長室の支援を受けて購入されました。また、ヒト膵臓を研究に提供してくれたウィスコンシン大学臓器・組織提供機構の寛大な支援と、サンプルを私たちの研究室に提供してくれたDan Tremmel、Sara D. Sackett博士、Jon Odorico教授の助けにも感謝します。私たちの研究チームは、この研究のために組織を寄付した家族に特別な感謝を捧げたいと思います。L.L.は、ウィスコンシン大学カーボーンがんセンター(233-AAI9632)からの膵臓がんパイロット助成金であるNIH助成金S10OD025084、ならびにウィスコンシン大学同窓会研究財団およびウィスコンシン大学マディソン薬学部が提供する資金によるヴィラス功労教授職およびチャールズメルボルンジョンソン特別議長教授職を認めています。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetic Acid, Glacial (Certified ACS) | Fisher Scientific | A38S-500 | |
| Acetone (Certified ACS) | Fisher Scientific | A18-1 | |
| Acetonitrile, Optima LC/MS Grade | Fisher Scientific | A955-4 | |
| Ammonium Acetate (Crystalline/Certified ACS) | Fisher Scientific | A637-500 | |
| Ammonium Hydroxide (Certified ACS Plus) | Fisher Scientific | A669-212 | |
| Byonic software | Protein Metrics | n/a | Commercial software used for glycoproteomic analysis (https://proteinmetrics.com/byos/) |
| C18 BEH material | Waters | 186002353 | Material removed from column and used to pack nano capillaries (pulledto integrate tip used directly in line with instrument inlet) |
| CAE-Ti-IMAC, 100% | J&K Scientific | 2749380-1G | Material used for dual-functional Ti(IV)-IMAC; can also be used for conventional IMAC/conventional phosphopeptide enrichment |
| Cellcrusher kit | Cellcrusher | n/a | Used for grinding tissue samples into powder before extraction |
| Eppendorf 5424R Microcentrifuge | Fisher Scientific | 05-401-205 | For temperature-controlled centrifugation |
| cOmplete protease inhibitor cocktail tablets | Sigma | 11697498001 | |
| DTT, Molecular Grade (DL-Dithiothreitol) | Promega | V3151 | Protein reducing agent |
| Ethanol, 200 proof (100%), USP | Fisher | 22-032-601 | |
| Fisherbrand Analog Vortex Mixer | Fisher Scientific | 02-215-414 | |
| Fisherbrand Low-Retention Microcentrifuge Tubes (1.5 mL) | Fisher Scientific | 02-681-320 | |
| Fisherbrand Low-Retention Microcentrifuge Tubes (2 mL) | Fisher Scientific | 02-681-321 | |
| Fisherbrand Model 120 Sonic Dismembrator | Fisher Scientific | FB120110 | For sample lysis using ultrasonication |
| Formic Acid, 99.0+%, Optima LC/MS Grade | Fisher Scientific | A117-50 | |
| Fused silica capillary (75 μm inner diameter, 360 μm outer diameter) | Polymicro Technologies LLC | 100 m TSP075375 | For in-house pulled and packed columns with integrated emitter |
| Hydrofluoric acid (48 wt. % in H2O) | Sigma-Aldrich | 339261-100ML | Used for opening emitter of pulled capillary column |
| Iodoacetamide, BioUltra | Sigma | I1149-5G | Protein reducing reagent |
| MaxQuant software | n/a | n/a | Free software used for phosphoproteomic analysis (https://www.maxquant.org/) |
| Multi-therm Shaker with heating and cooling | Benchmark Scientific | H5000-HC | Heating block |
| Oasis HLB 1 cc Vac Cartridge, 10 mg Sorbent per Cartridge, 30 µm, 100/pk | Waters | 186000383 | Larger-scale cartridge desalting for tryptic digests (loading capacity approximately up to 1 mg each) |
| OMIX C18 pipette tips, 100 µL tip, 10 - 100 μL elution volume, 1 x 96 tips | Agilent | A57003100 | Smaller-scale packed pipette tip for desalting for enrichment elutions |
| P-2000 Micropipette Puller | Sutter Instrument Co. | P-2000/F | For pulling nano-capillary columns for LC-MS |
| PhosSTOP phosphatase inhibitor tablets | Sigma | 4906845001 | |
| Pierce BCA Protein Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | 23225 | |
| Pierce Quantitative Colorimetric Peptide Assay | Thermo Fisher Scientific | 23275 | |
| PolySAX LP (12 μm, pore size 300 Å) | PolyLC | BMSX1203 | Material for strong anion-exchange chromatography used for ERLIC/conventional glycopeptide enrichment |
| Potassium Phosphate Monobasic (Crystalline/Certified ACS) | Fisher Scientific | P285-500 | |
| Pressure injection cell with integrated magnetic stirplate | Next Advance | PC77-MAG | For packing nano-capillary columns with stationary phase up to 2500 psi limit |
| Proteome Discoverer software | Thermo Fisher Scientific | n/a | Commercial software for proteomics anaysis (with integrated database searching software nodes) and data visualization (https://www.thermofisher.com/us/en/home/industrial/mass-spectrometry/liquid-chromatography-mass-spectrometry-lc-ms/lc-ms-software/multi-omics-data-analysis/proteome-discoverer-software.html) |
| SpeedVac SC110 Vacuum Concentrator Model SC110-120 | Savant | n/a | Centrifugal vacuum concentrator for drying samples (under heat) |
| SDS Solution, 10% Sodium Dodecyl Sulfate Solution, Molecular Biology/Electrophoresis | Fisher Scientific | BP2436200 | |
| Sequencing Grade Modified Trypsin | Promega | V5111 | |
| Sodium Chloride (Crystalline/Certified ACS) | Fisher Scientific | S271-500 | |
| TopTip, Empty, 10-200 µL, Pack of 96 | Glygen Corporation | TT2EMT.96 | Empty pipette tip with micron-sized hole used that can be used to pack chromatographic materials for enrichments, bundled with tube adapters |
| Triethylammonium bicarbonate buffer (TEAB, 1 M, pH 8.5 (volatile)) | Sigma | 90360-100ML | |
| Trifluoroacetic acid, Reagent Grade, 99% | Fisher Scientific | 60-017-61 | |
| Tris Base (White Crystals or Crystalline Powder/Molecular Biology) | Fisher Scientific | BP152-500 | |
| Trypsin/Lys-C Mix, Mass Spec Grade | Promega | V5071 | |
| Urea (Certified ACS) | Fisher Scientific | U15-500 | |
| Water, Optima LC/MS Grade | Fisher Scientific | W64 |
References
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