본 프로토콜에서, 형광단-보조 탄수화물 전기영동(FACE) 기술은 글리코겐의 사슬 길이 분포(CLD) 및 평균 사슬 길이(ACL)를 결정하는데 사용된다.
글리코겐 입자는 α-1,4 글루코시드 결합에 의해 연결된 글루코실 단위의 선형 사슬로 구성된 분지형 다당류이다. 후자는 분지점으로 지칭되는 α-1,6 글루코시드 결합에 의해 서로 부착된다. 다양한 형태의 탄소 저장 (즉, 전분, β-글루칸) 중에서 글리코겐은 아마도 살아있는 세계에서 발견되는 가장 오래되고 성공적인 저장 다당류 중 하나 일 것입니다. 글루칸 사슬은 필요할 때 다량의 포도당을 세포에 신속하게 저장하거나 연료를 공급할 수 있도록 조직됩니다. 글리코겐 입자의 미세 구조를 해결하기 위해 지난 수십 년 동안 수많은 보완 기술이 개발되었습니다. 이 기사에서는 형광단 보조 탄수화물 전기 영동 (FACE)에 대해 설명합니다. 이 방법은 글리코겐 입자를 구성하는 글루칸 사슬의 집단을 정량화합니다. CLD(체인 길이 분포)라고도 하는 이 매개변수는 입자 크기와 분지화 백분율을 반영합니다. 또한 글리코겐 생합성의 수학적 모델링에 필수적인 요구 사항입니다.
탄소 및 에너지 저장으로 사용되는 글리코겐은 (1 → 4)-α 결합에 의해 연결되고 (1 → 6) – α 글리코시드 결합 또는 분지 점을 통해 부착 된 글루코실 단위의 선형 사슬로 구성된 글루코스의 단독 중합체입니다. 그들은 광범위한 유기체의 시토졸에서 β 및 α 입자로 나타납니다. β-입자는 원핵생물에서 주로 관찰되는 작은 수용성 입자이다. 그들의 직경은 20-40 nm이며, 글리코겐 대사 효소와 입체 장애 1,2에 의해 지시 될 가능성이 큽니다.
동물 세포에 처음 설명된 α 입자는 콜리플라워 모양의 직경이 최대 300nm까지 표시됩니다. 이러한 특정 조직은 여러 β-입자의 응집으로부터 기원될 수 있거나, 단일 β-입자(3)로부터 싹트면서 발생할 수 있다. 흥미롭게도, 최근의 한 연구는 에스케리치아 콜라이 4에서 α 입자의 존재를보고했다. 그러나, 동물 세포로부터의 α 입자와는 달리, 후자는 추출 과정 동안 빠르게 분해되며, 이는 문헌4의 데이터 부족을 설명할 수 있다. 진핵생물과 원핵생물에서 α-입자의 출현은 계통유전학적으로 관련되지 않은 글리코겐 대사 효소5를 포함한다. 이것은 이러한 입자의 기능 및 β-입자5 사이의 잠재적인 가교결합제의 성질에 관한 질문을 제기한다.
글리코겐 분자 형성 6,7,8,9에 대해 두 개의 상반되는 수학적 모델이 제안되었지만, β 입자는 다량의 포도당의 신속한 방출을위한 매우 효율적인 연료 예비물로서 대사 기능에 반응하여 진화했다는 것이 일반적으로 받아 들여지고 있습니다. 큰 증거는 소화성 및 물에 대한 용해도와 같은 글리코겐 특성이 평균 사슬 길이 (ACL)와 상관 관계가 있음을 나타내며, 이는 분지점의 비율과 입자 크기 2,6,7,8,10,11을 지시합니다. . ACL은 글루코스 잔기의 총 수와 분지점의 수 사이의 비에 의해 정의된다. 전형적으로, ACL 값은 진핵생물 및 원핵생물에서 각각 11-14 및 7-23 글루코스 잔기로부터 각각10으로 다양하다. 인간에서, 몇몇 글리코겐 장애 질환은 비정상적인 글리코겐 축적으로 인한 것이다. 예를 들어, 안데르센병은 글리코겐 분지화 효소의 결핍된 활성과 연관되어, 비정상적인 글리코겐11의 축적을 초래한다. 원핵생물에서, 누적 연구는 ACL이 글리코겐의 분해 속도 및 박테리아 생존 능력12,13에 영향을 미치는 중요한 인자임을 시사한다. 낮은 ACL 값을 가진 β 입자를 합성하는 박테리아는 더 천천히 분해되어 기아 조건을 더 오래 견뎌내는 것으로 보고되었습니다. 따라서, β입자의 구조에 대한 지식은 인간 글리코겐 저장 질환에서 비정상적인 글리코겐 입자의 형성과 영양소가 결핍된 환경에서의 원핵생물 생존을 이해하는 데 필수적이다.
14세기 후반 프랑스 생리학자 클로드 베르나르(Claude Bernard)에 의해 개 간에서 글리코겐을 처음 분리한 이후, 글리코겐 입자를 자세히 특성화하기 위해 많은 기술이 개발되었다. 예를 들어, 글리코겐 형태학을 위한 투과 전자 현미경 (α- 또는 β-particles)15, α-1,6 결합의 백분율을 결정하기 위한 양성자-NMR 분광법16, 분자량을 추론하기 위한 다중 검출기를 사용한 크기 배제 크로마토그래피, 형광단-보조 탄수화물 전기영동 (FACE)17 또는 사슬 길이 분포 (CLD) 및 ACL 둘 다에 대한 펄스 양파 검출 (HPAEC-PAD)을 이용한 고성능 음이온 교환 크로마토그래피 결정18.
이 연구는 형광단 보조 탄수화물 전기 영동 방법에 초점을 맞추고 있으며, 이는 일차 아민 기능에 의한 hemiacetal 그룹의 환원적 아민화에 의존합니다. 역사적으로, 8-아미노-1,3,6-나프탈렌 트리술폰산 (ANTS)이 표지에 처음 사용되었습니다. 나중에, 보다 민감한 형광단, 8-아미노 1,3,6-피렌 트리술폰산(APTS)19로 대체되었다.
도 1: 8-아미노 1,3,6-피렌 트리술폰산(APTS)을 사용한 환원적 아민화 반응. 환원적 조건하에서 8-아미노 1,3,6-피렌 트리술폰산(APTS)의 일차 아민 기능에 의한 헤미아세탈 그룹의 환원적 아민화 반응은 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 1에 묘사된 바와 같이, 글루칸 사슬의 환원 말단의 hemiacetal 기능은 환원 조건 하에서 APTS의 일차 아민과 상호작용한다. APTS의 술폰기는 중합도 (DP)에 따라 글루칸 사슬의 분리를 가능하게하는 음전하를 운반합니다. 환원성 아민 반응은 재현성이 높고 효율적이다. DP3 내지 DP135에 대해 80%의 평균 효율 라벨링이 얻어지고, 말토스(DP2) 및 글루코오스에 대해 각각 최대 88% 및 97%가17,20으로 얻어진다. APTS의 한 분자가 각 글루칸 사슬의 환원 말단과 반응하기 때문에, 개별 사슬은 몰 기준으로 정량화되고 서로 비교될 수 있었다.
글리코겐 입자의 물리화학적 특성(예를 들어, 크기, 형태학, 용해도)은 입자를 구성하는 글루칸의 길이와 직접적으로 연관된다. 생합성 효소와 이화작용 효소 사이의 임의의 불균형은 사슬 길이 분포의 변화와, 그 자체로 세포(11)에 대해 유해할 수 있는 비정상적인 글리코겐의 축적을 초래한다. FACE 분석은 글리코겐의 사슬 길이 분포(CLD)를 결정하기 위해 선택하는 방법입니다. 도 2에 묘사된 바와 같이, CLD의 결정은 글리코겐 입자의 구조를 미러링하는 글리코겐(ACL)의 평균 사슬 길이 값의 추론을 허용한다. 높은 ACL 값을 갖는 동물 글리코겐은 비정상적인 입자의 출현과 관련된다. 감산 분석은 서로 다른 유전 적 배경 (돌연변이 대 야생형)의 두 글리코겐 샘플을 비교하는 데 유용한 방법입니다. 반면에 최대 피크로 정규화된 CLD를 로그 스케일로 플로팅함으로써 CLD를 기준과 독립적으로 비교하고 성장하는 글리코겐 메카니즘에 대한 정보를 제공하였다.
또한, FACE 분석은 글리코겐 대사 효소의 촉매 특성을 특성화하는 강력한 기술이다. 예를 들어, 모든 글리코겐 분지화 효소는 (1 → 4)-α 결합을 절단하고, 올리고말토실기를 (1 → 6)-α 위치 또는 분지점 상으로 전달한다. 분지화 효소는 유사한 촉매 메카니즘(22)에도 불구하고 다당류(예를 들어, 아밀로펙틴, 글리코겐)에 대한 친화도 및 전사된 글루칸의 길이로 인해 구별될 수 있다. 따라서, 분지화 효소의 다양한 공급원(인간, 식물, 박테리아)은 FACE 분석(23)을 이용한 일련의 인큐베이션 실험 및 CLD 비교를 통해 특성화되고 분류될 수 있다.
소개에서 언급된 바와 같이, HPAEC-PAD는 또한 사슬 길이 분포(18)를 결정하기 위한 대안적인 방법이다. 두 기술 모두 중합도 (DP)에 따라 선형 글루칸 풀을 분리하기 전에 이소아밀라아제 유형 탈→ 효소에 의한 (1 α 6)- 결합 또는 분지점의 완전한 가수분해를 필요로 한다. 그러나, HPAEC-PAD 방법은 FACE에 비해 두 가지 단점을 가지고 있다: (1) 글루칸 사슬이 증가함에 따라 양파 펄스 응답이 감소하며, 이는 정량적 정보를 제공하지 않는다. 이러한 질량 바이어스 문제는 음이온 교환 컬럼과 PAD24 사이의 포스트 컬럼 효소 반응기를 포함하는 HPAEC-ENZ-PAD를 사용하여 회피할 수 있다. 컬럼 효소 반응기는 말토올리고당을 글루코스 잔기로 가수분해하여 일정한 펄스 앰페로메트릭 반응을 가능하게 합니다. (2) HPAEC-PAD는 최대 70의 중합도로 글루칸 사슬을 분리 할 수 있습니다. 분해능이 글리코겐 샘플의 CLD를 결정하기에 충분하지만, FACE는 전분 샘플17에 적합한 최대 150개의 DP로 사슬을 분리한다. HPAEC-PAD와 FACE 분석 모두 장단점이 있다는 것을 명심해야합니다. 예를 들어, 아민화 반응은 APTS의 일차 아민 기능과 반응하기 위해 자유 혈백혈 그룹을 필요로합니다. 이는 APTS 라벨링이 환원 말단이 결여된 글루칸 사슬(예를 들어, 이눌린)에 사용될 수 없음을 의미한다. HPAEC-PAD 방법은 말단 감소의 존재를 필요로 하지 않는다. HPAEC-PAD 방법의 두 번째 흥미로운 측면은 음이온 교환 컬럼에 몇 밀리그램의 선형 글루칸을 로딩 할 수있어 효소 분석18,25를 위해 특정 DP 또는 14C방사성 표지 된 말토 올리고당으로 말토 올리고당을 정제 할 수 있다는 것입니다. 마지막으로, 질량 분광법 (예를 들어, MALDI-TOF)이 사슬 길이 분포를 결정하는 빠르고 민감한 기술이지만,이 기술은 재현성이 떨어지는 것으로 보인다. 긴 글루칸 사슬의 양을 과대 평가한다(26). 그럼에도 불구하고, 후자는 세포 조직(27)에 걸쳐 글리코겐의 존재를 맵핑하기 위한 MALDI 영상화와 같은 특정 적용을 위해 사용될 수 있다.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 CNRS, Université de Lille CNRS의 지원을 받았으며 ANR은 “MathTest”(ANR-18-CE13-0027)를 부여합니다.
AG-501-X8 Resin | BioRad | #1436424 | Storage Room temperature |
100 mM sodium acetate buffer, pH 4.8 | Dissolve 0.82 g of sodium acetate in 80 mL of water. Adjust pH to 4.8 with acetic acid and complete the volume to 100 mL with water—storage at room temperature. | ||
APTS stock solution | Merck | 09341-5MG | Dissolve 5 mg of APT in 48 mL acetic acid 0.2 M. Storage at -20 °C. |
Capillary | Sciex Separations, Les Ulis, France | ||
Chromeleon 6.80 SR8 Build 2623 | Thermofisher | select :File>import/restore>ANDI/chromatography in the open window: select "add" select cdf file > import > next Choose the folder where your file will downloaded in Chromeleon software> finish click on QNT-Editor> parameter "Min Area" select "Range" 0.05 [Signal]*min. |
|
Excel | Microsoft | Open Excel> New file> save the file > File menu click on Import > In the open window choose "csv." as type file > select your asc file > a new window appears Step 1: choose Macintosh or Window and then used default setting for the steps 2 and 3. > Y values appear in column A> Manually add a Time column by incrementing 0.25 second to each cell that corresponds to the frequency (4Hz) for acquisition data . Then plot the graph. | |
Free-Dry apparatus | Christ | alpha 2-4 LO plus | before the freezing-drying process, samples are stored at -80 °C for 1 h. |
Isoamylase | Megazyme | E-ISAMY | 180 U/mg of protein |
Maltoheptaose | Merck | M7753 | |
N-Linked carbohydrate separation buffer | Sciex Separations, Les Ulis, France | 477623 | Storage at 4 °C |
Pullulanase | Megazyme | E-PULKP | 30 U/mg of protein |
Sodium cyanoborohydride | Sigma-Aldrich | 296813-100ML | 1 M Sodium cyanoborohydride in THF |
Vaccum-evaporator | Eppendorf | Concentrator 5301 | Set the temperature at 30 °C. Centrifuge until the samples are dried |