Обнаружение гликозаминогликанов методом электрофореза полиакриламидного геля и окрашивания серебра
Summary
В этом отчете описываются методы выделения и очистки сульфатированных гликозаминогликанов (ГАГ) из биологических образцов и подход электрофореза полиакриламидного геля для приближения их размера. ГАГ способствуют структуре тканей и влияют на сигнальные процессы посредством электростатического взаимодействия с белками. Длина полимера GAG способствует их сродству связыванию с родственными лигандами.
Abstract
Сульфатированные гликозаминогликаны (GAGs), такие как гепарансульфат (HS) и хондроитин сульфат (CS), повсеместно распространены в живых организмах и играют решающую роль в различных основных биологических структурах и процессах. В качестве полимеров GAG существуют в виде полидисперсной смеси, содержащей полисахаридные цепи, которые могут варьироваться от 4000 Да до более 40 000 Да. Внутри этих цепей существуют домены сульфатации, приделяющие паттерн отрицательного заряда, который облегчает взаимодействие с положительно заряженными остатками родственных белковых лигандов. Сульфатированные домены ГАГ должны быть достаточной длины, чтобы обеспечить эти электростатические взаимодействия. Чтобы понять функцию ГАГ в биологических тканях, исследователь должен быть в состоянии изолировать, очистить и измерить размер ГАГ. В этом отчете описывается практический и универсальный метод электрофореза на основе полиакриламидного геля, который может быть использован для устранения относительно небольших различий в размерах между GAG, выделенными из различных типов биологических тканей.
Introduction
Гликозаминогликаны (ГАГ) представляют собой разнообразное семейство линейных полисахаридов, которые являются повсеместным элементом в живых организмах и способствуют многим основным физиологическим процессам1. ГАГ, такие как гепарансульфат (HS) и хондроитин сульфат (CS), могут быть сульфатированы в различных положениях вдоль полисахаридной цепи, придав географическим доменам отрицательный заряд. Эти GAG, будучи привязанными к белкам клеточной поверхности, известным как протеогликаны, проецируются во внеклеточное пространство и связываются с родственными лигандами, что позволяет регуляцию как цис- (лиганд, прикрепленный к одной и той же клетке), так и транс- (лиганд, прикрепленный к соседней клетке) сигнальных процессов2. Кроме того, ГАГ также выполняют решающую роль в качестве структурных элементов в тканях, таких как клубочковая базальная мембрана3,сосудистый эндотелиальный гликокаликс4 и легочный эпителиальный гликокаликс5,а также в соединительных тканях, таких как хрящ6.
Длина полисахаридных цепей GAG существенно варьируется в зависимости от ее биологического контекста и может динамически удлигаться, расщепляться и модифицироваться очень сложной ферментативной регуляторной системой7. Важно отметить, что длина полимерных цепей GAG существенно способствует их сродству связывания к лигандам и, впоследствии, их биологической функции8,9. По этой причине определение функции эндогенной ГАГ требует оценки ее размера. К сожалению, в отличие от белков и нуклеиновых кислот, существует очень мало легкодоступных методов обнаружения и измерения ГАГ, что исторически привело к относительно ограниченному исследованию биологических ролей этого разнообразного семейства полисахаридов.
В этой статье описывается, как изолировать и очищать ГАГ из большинства биологических тканей, а также описывается, как использовать электрофорез полиакриламидного геля (PAGE) для оценки длины выделенных полимеров с достаточной степенью специфичности. В отличие от других, очень сложных (и часто основанных на масс-спектрометрии) гликомических подходов, этот метод может быть использован с использованием стандартного лабораторного оборудования и методов. Таким образом, этот практический подход может расширить возможности исследователей по определению биологической роли нативных ГАГ и их взаимодействия с контекстуально важными лигандами.
Protocol
Representative Results
Discussion
ГАГ играют центральную роль во многих разнообразных биологических процессах. Одной из основных функций сульфатированных GAG (таких как HS и CS) является взаимодействие с лигандами и связывание с них, которые могут изменять последующие сигнальные функции. Важным фактором, определяющим сро…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась F31 HL143873-01 (WBL), R01 HL125371 (RJL и EPS)
Materials
| Accuspin Micro17 benchtop microcentrifuge | thermoFisher Scientific | 13-100-675 | Any benchtop microcentrifuge/rotor combination capable of 14000 xG is appropriate |
| Acrylamide (solid) | thermoFisher Scientific | BP170-100 | Electrophoresis grade |
| Actinase E | Sigma Aldrich | P5147 | Protease mix from S. griseus |
| Alcian Blue 8GX (solid) | thermoFisher Scientific | AC400460100 | |
| Ammonium acetate (solid) | thermoFisher Scientific | A639-500 | Molecular biology grade |
| Ammonium hydroxide (liquid) | thermoFisher Scientific | A669S-500 | certified ACS |
| Ammonium persulfate (solid) | thermoFisher Scientific | BP179-25 | electrophoresis grade |
| Barnstead GenPure Pro Water Purification System | ThermoFisher Scientific | 10-451-217PKG | Any water deionizing/ purification system is an acceptable substitute |
| Boric acid (solid) | thermoFisher Scientific | A73-500 | Molecular biology grade |
| Bromphenol blue (solid) | thermoFisher Scientific | B392-5 | |
| Calcium acetate (solid) | ThermoFisher Scientific | 18-609-432 | Molecular biology grade |
| Calcium chloride (solid) | ThermoFisher Scientific | AC349610250 | Molecular biology grade |
| CHAPS detergent (3-((3-cholamidopropyl) dimethylammonio)-1-propanesulfonate) | ThermoFisher Scientific | 28299 | |
| Chondroitinase ABC | Sigma Aldrich | C3667 | |
| Criterion empty cassette for PAGE (1.0mm thick, 12+2 wells) | Bio-Rad | 3459901 | Any 1.0mm thick PAGE casting cassette system will suffice |
| Criterion PAGE Cell system (cell and power supply) | Bio-Rad | 1656019 | any comparable vertical gel PAGE system will work) |
| Dichloromethane (liquid) | thermoFisher Scientific | AC610931000 | certified ACS |
| EDTA disodium salt (solid) | thermoFisher Scientific | 02-002-786 | Molecular biology grade |
| Glacial acetic acid (liquid) | thermoFisher Scientific | A35-500 | Certified ACS |
| Glycine (solid) | thermoFisher Scientific | G48-500 | Electrophoresis grade |
| Heparanase I/III | Sigma Aldrich | H3917 | From Flavobacterium heparinum |
| Heparin derived decasaccharide (dp10) | galen scientific | HO10 | |
| Heparin derived hexasaccharde (dp6) | Galen scientific | HO06 | |
| Heparin derived oligosaccharide (dp20) | galen scientific | HO20 | |
| Hydrochloric acid (liquid) | thermoFisher Scientific | A466-250 | |
| Lyophilizer | Labconco | 7752020 | Any lyophilizer that can achieve -40C and 0.135 Torr will work; can also be replaced with rotational vacuum concentrator |
| Methanol (liquid) | thermoFisher Scientific | A412-500 | Certified ACS |
| Molecular Imager Gel Doc XR System | Bio-Rad | 170-8170 | Any comparable gel imaging system is an acceptable substitute |
| N,N'-methylene-bis-acrylamide (solid) | thermoFisher Scientific | BP171-25 | Electrophoresis grade |
| Phenol red (solid) | thermoFisher Scientific | P74-10 | Free acid |
| Q Mini H Ion Exchange Column | Vivapure | VS-IX01QH24 | Ion exchange column must have minimum loading volume of 0.4mL, working pH of 2-12, and selectivity for ionic groups with pKa of 11 |
| Silver nitrate (solid) | thermoFisher Scientific | S181-25 | certified ACS |
| Sodium Acetate (solid) | ThermoFisher Scientific | S210-500 | Molecular biology grade |
| Sodium chloride (solid) | thermoFisher Scientific | S271-500 | Molecular biology grade |
| Sodium hydroxide (solid) | thermoFisher Scientific | S392-212 | |
| Sucrose (solid) | thermoFisher Scientific | BP220-1 | Molecular biology grade |
| TEMED (N,N,N',N'-tetramethylenediamine) | thermoFisher Scientific | BP150-20 | Electrophoresis grade |
| Tris base (solid) | thermoFisher Scientific | BP152-500 | Molecular biology grade |
| Ultra Centrifugal filters, 0.5mL, 3000 Da molecular weight cutoff | Amicon | UFC500324 | Larger volume filter units may be used, depending on sample size. |
| Urea (solid) | ThermoFisher Scientific | 29700 | |
| Vacufuge Plus | Eppendorf | 22820001 | Any rotational vacuum concentrator will work; can be replaced with lyophilizer |
| Vacuum filter unit, single use, 0.22uM pore PES, 500mL volume | thermoFisher Scientific | 569-0020 | Alternative volumes and filter materials acceptable |
References
- LaRivière, W. B., Schmidt, E. P. The pulmonary endothelial glycocalyx in ARDS: A critical role for heparan sulfate. Current Topics in Membrane. 82, 33-52 (2018).
- Haeger, S. M., Yang, Y., Schmidt, E. P. Heparan sulfate in the developing, healthy, and injured lung. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology. 55 (1), 5-11 (2016).
- Morita, H., Yoshimura, A., Kimata, K. The role of heparan sulfate in the glomerular basement membrane. Kidney International. 73 (3), 247-248 (2008).
- Schmidt, E. P., et al. The pulmonary endothelial glycocalyx regulates neutrophil adhesion and lung injury during experimental sepsis. Nature Medicine. 18 (8), 1217-1223 (2012).
- Haeger, S. M., et al. Epithelial heparan sulfate contributes to alveolar barrier function and is shed during lung injury. American Journal of Respiratry Cell and Molecular Biology. 59 (3), 363-374 (2018).
- Mankin, H. J., Lippiello, L. The glycosaminoglycans of normal and arthritic cartilage. Journal of Clinical Investigation. 50 (8), 1712-1719 (1971).
- Annaval, T., et al. Heparan sulfate proteoglycans biosynthesis and post synthesis mechanisms combine few enzymes and few core proteins to generate extensive structural and functional diversity. Molecules. 25 (18), (2020).
- Zhang, F., et al. Comparison of the interactions of different growth factors and glycosaminoglycans. Molecules. 24 (18), (2019).
- Pempe, E. H., Xu, Y., Gopalakrishnan, S., Liu, J., Harris, E. N. Probing structural selectivity of synthetic heparin binding to Stabilin protein receptors. Journal of Biological Chemistry. 287 (25), 20774-20783 (2012).
- Cowman, M. K., et al. Polyacrylamide-gel electrophoresis and Alcian Blue staining of sulphated glycosaminoglycan oligosaccharides. Biochemical Journal. 221 (3), 707-716 (1984).
- Møller, H. J., Poulsen, J. H. Improved method for silver staining of glycoproteins in thin sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gels. Analytical Biochemistry. 226 (2), 371-374 (1995).
- Min, H., Cowman, M. K. Combined alcian blue and silver staining of glycosaminoglycans in polyacrylamide gels: Application to electrophoretic analysis of molecular weight distribution. Analytical Biochemistry. 155 (2), 275-285 (1986).
- Jay, G. D., Culp, D. J., Jahnke, M. R. Silver staining of extensively glycosylated proteins on sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gels: Enhancement by carbohydrate-binding dyes. Analytical Biochemistry. 185 (2), 324-330 (1990).
- Abraham, E., et al. Liposomal prostaglandin E1 (TLC C-53) in acute respiratory distress syndrome: a controlled, randomized, double-blind, multicenter clinical trial. TLC C-53 ARDS Study Group. Critical Care Medicine. 27 (8), 1478-1485 (1999).
- Pervin, A., al-Hakim, A., Linhardt, R. J. Separation of glycosaminoglycan-derived oligosaccharides by capillary electrophoresis using reverse polarity. Analytical Biochemistry. 221 (1), 182-188 (1994).
- Wang, Z., Zhang, F., Dordick, J. S., Linhardt, R. J. Molecular mass characterization of glycosaminoglycans with different degrees of sulfation in bioengineered heparin process by size exclusion chromatography. Current Analytical Chemistry. 8 (4), 506-511 (2012).
- Pepi, L. E., Sanderson, P., Stickney, M., Amster, I. J. Developments in mass spectrometry for glycosaminoglycan analysis: A review. Molecular and Cellular Proteomics. , 100025 (2021).
- Whiteman, P. The quantitative measurement of Alcian Blue-glycosaminoglycan complexes. Biochemical Journal. 131 (2), 343-350 (1973).
- Yuan, H., et al. Molecular mass dependence of hyaluronan detection by sandwich ELISA-like assay and membrane blotting using biotinylated hyaluronan binding protein. Glycobiology. 23 (11), 1270-1280 (2013).
