Indagine spettrometrica di massa sfaccettata di neuropeptidi in Callinectes sapidus
Summary
La caratterizzazione spettrometrica di massa dei neuropeptidi fornisce informazioni di sequenza, quantificazione e localizzazione. Questo flusso di lavoro ottimizzato non è utile solo per gli studi sui neuropeptidi, ma anche per altri peptidi endogeni. I protocolli forniti qui descrivono la preparazione del campione, l’acquisizione della SM, l’analisi della SM e la generazione di neuropeptidi nel database utilizzando LC-ESI-MS, MALDI-MS spotting e MALDI-MS imaging.
Abstract
I neuropeptidi sono molecole di segnalazione che regolano quasi tutti i processi fisiologici e comportamentali, come lo sviluppo, la riproduzione, l’assunzione di cibo e la risposta a fattori di stress esterni. Tuttavia, i meccanismi biochimici e il pieno complemento dei neuropeptidi e i loro ruoli funzionali rimangono poco compresi. La caratterizzazione di questi peptidi endogeni è ostacolata dall’immensa diversità all’interno di questa classe di molecole di segnalazione. Inoltre, i neuropeptidi sono bioattivi a concentrazioni 100x – 1000x inferiori a quelle dei neurotrasmettitori e sono soggetti a degradazione enzimatica dopo il rilascio sinaptico. La spettrometria di massa (MS) è uno strumento analitico altamente sensibile in grado di identificare, quantificare e localizzare analiti senza una conoscenza a priori completa. È adatto per profilare globalmente i neuropeptidi e aiutare nella scoperta di nuovi peptidi. A causa della bassa abbondanza e dell’elevata diversità chimica di questa classe di peptidi, diversi metodi di preparazione del campione, parametri di acquisizione della SM e strategie di analisi dei dati sono stati adattati dalle tecniche di proteomica per consentire una caratterizzazione ottimale dei neuropeptidi. Qui, vengono descritti metodi per isolare i neuropeptidi da tessuti biologici complessi per la caratterizzazione, la quantificazione e la localizzazione della sequenza utilizzando la cromatografia liquida (LC)-MS e il desorbimento / ionizzazione laser assistito da matrice (MALDI)-MS. È incluso un protocollo per la preparazione di un database di neuropeptidi dal granchio blu, Callinectes sapidus, un organismo senza informazioni genomiche complete. Questi flussi di lavoro possono essere adattati per studiare altre classi di peptidi endogeni in diverse specie utilizzando una varietà di strumenti.
Introduction
Il sistema nervoso è complesso e richiede una rete di neuroni per trasmettere segnali in tutto l’organismo. Il sistema nervoso coordina le informazioni sensoriali e la risposta biologica. Le interazioni intricate e contorte coinvolte nella trasmissione del segnale richiedono molte molecole di segnalazione diverse come neurotrasmettitori, steroidi e neuropeptidi. Poiché i neuropeptidi sono le molecole di segnalazione più diverse e potenti che svolgono un ruolo chiave nell’attivazione delle risposte fisiologiche allo stress e ad altri stimoli, è interessante determinare il loro ruolo specifico in questi processi fisiologici. La funzione neuropeptidica è correlata alla loro struttura aminoacidica, che determina la mobilità, l’interazione del recettore e l’affinità1. Tecniche come l’istochimica, che è importante perché i neuropeptidi possono essere sintetizzati, immagazzinati e rilasciati in diverse regioni del tessuto, e l’elettrofisiologia sono state impiegate per studiare la struttura e la funzionedei neuropeptidi 2,3,4, ma questi metodi sono limitati dal throughput e dalla specificità per risolvere la vasta diversità di sequenze dei neuropeptidi.
La spettrometria di massa (MS) consente l’analisi ad alto rendimento della struttura e dell’abbondanza dei neuropeptidi. Questo può essere eseguito attraverso diverse tecniche di SM, più comunemente cromatografia liquida-ionizzazione elettrospray MS (LC-ESI-MS)5 e desorbimento/ionizzazione laser assistita da matrice MS (MALDI-MS)6. Utilizzando misurazioni di massa ad alta precisione e frammentazione della SM, MS fornisce la possibilità di assegnare la sequenza di amminoacidi e lo stato di modificazione post-traduzionale (PTM) ai neuropeptidi da miscele complesse senza conoscenza a priori per aiutare ad accertare la loro funzione 7,8. Oltre alle informazioni qualitative, la SM consente l’informazione quantitativa dei neuropeptidi attraverso la quantificazione senza etichetta (LFQ) o metodi basati su etichette come l’etichettatura isotopica o isobarica9. I principali vantaggi di LFQ includono la sua semplicità, il basso costo di analisi e la riduzione delle fasi di preparazione del campione che possono ridurre al minimo la perdita di campioni. Tuttavia, gli svantaggi di LFQ includono l’aumento dei costi di tempo dello strumento in quanto richiede più repliche tecniche per affrontare l’errore quantitativo dovuto alla variabilità run-to-run. Ciò porta anche a una diminuzione della capacità di quantificare con precisione piccole variazioni. I metodi basati su etichette sono soggetti a variazioni meno sistematiche in quanto più campioni possono essere etichettati in modo differenziale utilizzando una varietà di isotopi stabili, combinati in un unico campione e analizzati simultaneamente attraverso la spettrometria di massa. Ciò aumenta anche la produttività, sebbene le etichette isotopiche possano richiedere molto tempo e denaro da sintetizzare o acquistare. Anche la complessità spettrale degli spettri di massa a scansione completa (MS1) aumenta con l’aumentare del multiplexing, il che diminuisce il numero di neuropeptidi unici in grado di essere frammentati e, quindi, identificati. Al contrario, l’etichettatura isobarica non aumenta la complessità spettrale a livello MS1, sebbene introduca sfide per gli analiti a bassa abbondanza come i neuropeptidi. Poiché la quantificazione isobarica viene eseguita a livello degli spettri di massa ionica del frammento (MS2), i neuropeptidi a bassa abbondanza potrebbero non essere in grado di essere quantificati poiché componenti della matrice più abbondanti possono essere selezionati per la frammentazione e quelli selezionati potrebbero non avere un’abbondanza abbastanza elevata da essere quantificati. Con l’etichettatura isotopica, la quantificazione può essere eseguita su ogni peptide identificato.
Oltre all’identificazione e alla quantificazione, le informazioni di localizzazione possono essere ottenute dagli SM tramite l’imaging MALDI-MS (MALDI-MSI)10. Rasterizzando un laser su una superficie campione, gli spettri MS possono essere compilati in un’immagine della mappa di calore per ogni valore m/z . La mappatura dell’intensità del segnale neuropeptidico transitorio in diverse regioni attraverso le condizioni può fornire informazioni preziose per la determinazione della funzione11. La localizzazione dei neuropeptidi è particolarmente importante perché la funzione del neuropeptide può differire a seconda della posizione12.
I neuropeptidi si trovano in una minore abbondanza in vivo rispetto ad altre molecole di segnalazione, come i neurotrasmettitori, e quindi richiedono metodi sensibili per il rilevamento13. Ciò può essere ottenuto attraverso la rimozione di componenti della matrice a maggiore abbondanza, come i lipidi11,14. Ulteriori considerazioni per l’analisi dei neuropeptidi devono essere fatte rispetto ai comuni flussi di lavoro di proteomica, principalmente perché la maggior parte delle analisi neuropeptidomiche omettono la digestione enzimatica. Ciò limita le opzioni software per l’analisi dei dati neuropeptidici poiché la maggior parte sono stati costruiti con algoritmi basati su dati proteomici e corrispondenze proteiche informate dal rilevamento di peptidi. Tuttavia, molti software come PEAKS15 sono più adatti all’analisi dei neuropeptidi grazie alle loro capacità di sequenziamento de novo. Diversi fattori devono essere considerati per l’analisi dei neuropeptidi a partire dal metodo di estrazione all’analisi dei dati della SM.
I protocolli qui descritti includono metodi per la preparazione del campione e l’etichettatura isotopica del dimetilico, l’acquisizione dei dati e l’analisi dei dati dei neuropeptidi da parte di LC-ESI-MS, MALDI-MS e MALDI-MSI. Attraverso i risultati rappresentativi di diversi esperimenti, viene dimostrata l’utilità e la capacità di questi metodi di identificare, quantificare e localizzare i neuropeptidi dei granchi blu, Callinectes sapidus. Per comprendere meglio il sistema nervoso, i sistemi modello sono comunemente usati. Molti organismi non hanno un genoma completamente sequenziato disponibile, il che impedisce la scoperta completa di neuropeptidi a livello peptidico. Al fine di mitigare questa sfida, è incluso un protocollo per l’identificazione di nuovi neuropeptidi e l’estrazione di trascrittomi per generare database per organismi senza informazioni complete sul genoma. Tutti i protocolli qui presentati possono essere ottimizzati per campioni di neuropeptidi di qualsiasi specie, nonché applicati per l’analisi di qualsiasi peptide endogeno.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’identificazione accurata, la quantificazione e la localizzazione di neuropeptidi e peptidi endogeni presenti nel sistema nervoso sono cruciali per comprendere la loro funzione23,24. La spettrometria di massa è una tecnica potente che può consentire di realizzare tutto questo, anche in organismi senza un genoma completamente sequenziato. Viene dimostrata la capacità di questo protocollo di rilevare, quantificare e localizzare neuropeptidi da tessuti raccolti …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation (CHE-1710140 e CHE-2108223) e dal National Institutes of Health (NIH) attraverso la sovvenzione R01DK071801. A.P. è stato supportato in parte dal NIH Chemistry-Biology Interface Training Grant (T32 GM008505). N.V.Q. è stato sostenuto in parte dal National Institutes of Health, nell’ambito del Ruth L. Kirschstein National Research Service Award dal National Heart Lung and Blood Institute all’Università del Wisconsin-Madison Cardiovascular Research Center (T32 HL007936). L.L. desidera riconoscere le sovvenzioni NIH R56 MH110215, S10RR029531 e S10OD025084, nonché il sostegno finanziario di una Vilas Distinguished Achievement Professorship e Charles Melbourne Johnson Professorship con finanziamenti forniti dalla Wisconsin Alumni Research Foundation e dalla University of Wisconsin-Madison School of Pharmacy.
Materials
| Chemicals, Reagents, and Consumables | |||
| 2,5-Dihydroxybenzoic acid (DHB) matrix | Supelco | 39319 | |
| Acetic acid | Fisher Chemical | A38S-500 | |
| Acetonitrile Optima LC/MS grade | Fisher Chemical | A955-500 | |
| Ammonium bicarbonate | Sigma-Aldrich | 9830 | |
| Borane pyridine | Sigma-Aldrich | 179752 | |
| Bruker peptide calibration mix | Bruker Daltonics | NC9846988 | |
| Capillary | Polymicro | 1068150019 | to make nanoflow column (75 µm inner diameter x 360 µm outer diameter) |
| Cryostat cup | Sigma-Aldrich | E6032 | any cup or mold should work |
| Microcentrifuge Tubes | Eppendorf | 30108434 | |
| Formaldehyde | Sigma-Aldrich | 252549 | |
| Formaldehyde – D2 | Sigma-Aldrich | 492620 | |
| Formic acid Optima LC/MS grade | Fisher Chemical | A117-50 | |
| Gelatin | Difco | 214340 | place in 37 °C water bath to melt |
| Hydrophobic barrier pen | Vector Labs | 15553953 | |
| Indium tin oxide (ITO)-coated glass slides | Delta Technologies | CB-90IN-S107 | 25 mm x 75 mm x 0.8 mm (width x length x thickness) |
| LC-MS vials | Thermo | TFMSCERT5000-30LVW | |
| Methanol Optima LC/MS Grade | Fisher Chemical | A456-500 | |
| Parafilm | Sigma-Aldrich | P7793 | Hydrophobic film |
| pH-Indicator strips | Supelco | 109450 | |
| Red phosphorus clusters | Sigma-Aldrich | 343242 | |
| Reversed phase C18 material | Waters | 186002350 | manually packed into nanoflow column |
| Wite-out pen | BIC | 150810 | |
| ZipTip | Millipore | Z720070 | |
| Instruments and Tools | |||
| Automatic matrix sprayer system- M5 | HTX Technologies, LLC | ||
| Centrifuge – 5424 R | Eppendorf | 05-401-205 | |
| Cryostat- HM 550 | Thermo Fisher Scientific | 956564A | |
| Desiccant | Drierite | 2088701 | |
| Forceps | WPI | 501764 | |
| MALDI stainless steel target plate | Bruker Daltonics | 8280781 | |
| Pipet-Lite XLS | Rainin | 17014391 | 200 µL |
| Q Exactive Plus Hybrid Quadrupole-Orbitrap | Thermo Fisher Scientific | IQLAAEGAAPFALGMBDK | |
| RapifleX MALDI-TOF/TOF | Bruker Daltonics | ||
| SpeedVac – SVC100 | Savant | SVC-100D | |
| Ultrasonic Cleaner | Bransonic | 2510R-MTH | for sonication |
| Ultrasonic homogenizer | Fisher Scientific | FB120110 | FB120 Sonic Dismembrator with CL-18 Probe |
| Vaccum pump- Alcatel 2008 A | Ideal Vacuum Products | P10976 | ultimate pressure = 1 x 10-4 Torr |
| Vortex Mixer | Corning | 6775 | |
| Water bath (37C) – Isotemp 110 | Fisher Scientific | 15-460-10 | |
| Data Analysis Software | |||
| Expasy | https://web.expasy.org/translate/ | ||
| FlexAnalysis | Bruker Daltonics | ||
| FlexControl | Bruker Daltonics | ||
| FlexImaging | Bruker Daltonics | ||
| PEAKS Studio | Bioinformatics Solutions, Inc. | ||
| SCiLS Lab | https://scils.de/ | ||
| SignalP 5.0 | https://services.healthtech.dtu.dk/service.php?SignalP-5.0 | ||
| tBLASTn | http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PROGRAM=tblastn&BLAST_ PROGRAMS=tblastn&PAGE_ TYPE=BlastSearch&SHOW_ DEFAULTS=on&LINK_LOC =blasthome |
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