단백질 인산화의 정량화를 위한 최적화된 단일 분자 풀다운 분석
Summary
본 프로토콜은 개선된 단일 분자 풀다운(SiMPull) 분석을 사용하여 단백질 인산화를 정량화하기 위한 샘플 준비 및 데이터 분석을 기술한다.
Abstract
인산화는 단백질 기능을 조절하고 세포 신호 전달 결과를 지시하는 필요한 번역 후 변형입니다. 단백질 인산화를 측정하는 현재의 방법은 개별 단백질에 걸친 인산화에서 이질성을 보존할 수 없다. 단일 분자 풀다운(SiMPull) 분석은 유리 커버슬립 상의 단백질의 면역침전을 통해 거대분자 복합체의 조성을 조사하기 위해 개발되었으며, 이어서 단일 분자 이미징이 뒤따랐다. 현재의 기술은 단일 분자 수준에서 전장 막 수용체의 인산화 상태의 강력한 정량화를 제공하는 SiMPull의 적응입니다. 이러한 방식으로 수천 개의 개별 수용체를 이미징하면 단백질 인산화 패턴을 정량화 할 수 있습니다. 본 프로토콜은 샘플 준비에서 이미징에 이르기까지 최적화된 SiMPull 절차를 자세히 설명합니다. 유리 제제 및 항체 고정 프로토콜의 최적화는 데이터 품질을 더욱 향상시킵니다. 현재 프로토콜은 샘플 내에서 인산화된 수용체의 분획을 계산하는 단일 분자 데이터 분석을 위한 코드를 제공합니다. 이 연구는 표피 성장 인자 수용체 (EGFR)의 인산화에 초점을 맞추는 반면, 프로토콜은 다른 막 수용체 및 세포질 신호 분자로 일반화 될 수 있습니다.
Introduction
막-관련 신호전달은 리간드-유도된 막 수용체 활성화 및 신호를 전파하는 하류 부속 단백질의 모집의 조합에 의해 조정된다. 수용체 세포질 꼬리에서 주요 티로신의 인산화는 신호전달 복합체 또는 신호전달복합체 1,2의 형성을 개시하는데 매우 중요하다. 따라서 생물학에서 중요한 질문은 신호 전달 파트너를 모집하고 세포 결과를 지시하기 위해 인산화 패턴을 만들고 유지하는 방법입니다. 이는 시그널 로솜 3,4,5,6,7의 조성을 지시함으로써 신호전달 출력을 조작하는 수단을 제공할 수 있는 풍부하고 특정한 포스포티로신 패턴 모두에서 수용체 인산화의 이질성을 이해하는 것을 포함한다. 그러나, 단백질 인산화를 심문하는 현재의 방법에는 한계가 있다. 웨스턴 블롯 분석은 단백질 인산화의 경향을 설명하는 데 탁월하지만 반 정량적8이며 수천 ~ 수백만 개의 수용체가 함께 평균화되기 때문에 시스템의 이질성에 대한 정보를 제공하지 않습니다. 웨스턴 블롯은 특정 티로신에 대한 포스포 특이적 항체를 사용하여 샘플을 프로빙하는 것을 허용하지만, 동일한 단백질 내의 다중 부위 인산화 패턴에 대한 정보를 제공 할 수는 없습니다. 정량적 인포프로테오믹스는 포스포티로신 풍부도에 대해 보고하지만, 관심있는 잔기가 효소적 소화에 의해 생성되는 동일한 펩티드(전형적으로 7-35개 아미노산) 내에 위치할 필요가 있기 때문에 다중 부위 인산화를 검출하는 데는 한계가 있다 9,10,11.
상기 언급된 한계를 극복하기 위해, 단일 분자 풀다운(SiMPull) 분석은 단일 분자 수준에서 무손상 수용체의 인산화 상태를 정량화하도록 적응되었다. SiMPull은 Jain et al.12,13에 의해 거대 분자 복합체를 심문하기위한 강력한 도구로 처음 입증되었습니다. SiMPull에서, 거대분자 복합체를 항체-기능화된 유리 커버슬립 상에서 면역침전 (IP)시킨 다음, 단백질 서브유닛 수 및 복합 성분12를 갖는 co-IP에 대한 단일 분자 현미경을 통해 분석하였다. SiMBlot이라고 불리는 Kim et al.14의 변형은 변성 단백질의 인산화를 분석하기 위해 SiMPull의 변형을 사용한 최초의 사례였다. SiMBlot 프로토콜은 NeutrAvidin-코팅된 커버슬립을 사용하여 비오티닐화된 세포 표면 단백질을 포획하는 데 의존하며, 이 커버슬립은 포스포 특이적 항체 표지(14)로 인산화를 위해 프로브된다. 이러한 발전에도 불구하고, 번역 후 변형의 정량화를보다 강력하고 광범위한 단백질에 적용 할 수 있도록 개선이 필요했습니다.
본 프로토콜은 다양한 리간드 조건 및 종양원성 돌연변이(15)에 반응하여 무손상 표피 성장 인자 수용체(EGFR)의 인산화 패턴을 정량화하는데 사용된 최적화된 SiMPull 접근법을 기술한다. 이 연구는 EGFR에 초점을 맞추는 반면,이 접근법은 양질의 항체를 사용할 수있는 모든 막 수용체 및 관심있는 세포질 단백질 (POI)에 적용될 수 있습니다. 이 프로토콜에는 샘플 자동 형광을 줄이는 단계, 최대 20개의 샘플을 동시에 준비하여 최소한의 시료 부피를 필요로 하는 샘플 어레이 설계, 항체 표지 및 고정 조건 최적화가 포함됩니다. 데이터 분석 알고리즘은 인산화된 단백질의 단일 분자 검출 및 정량화를 위해 개발되었다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 기술된 프로토콜은 단일 단백질 수준에서 수용체 인산화의 정량적 측정을 가능하게 하도록 최적화되었다. SiMPull 프로토콜에 대한 몇 가지 간단하지만 중요한 변형이 개발되어 NaBH4 처리로 자가 형광을 감소시키고 항체 해리를 방지하기 위해 샘플의 후고정을 포함하여 포스포티 로신 검출을 위한 측정의 신뢰성을 향상시켰다. 녹색 채널 마스크를 사용하여 항-PY 항체와의 공국소화?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 국립 보건원 R35GM126934, R01AI153617 및 R01CA248166에서 DSL로 지원했습니다. EMB는 ASERT-IRACDA 프로그램(NIH K12GM088021)과 UNM MARC 프로그램(NIH 2T34GM008751-20)에 의해 JAR을 통해 지원되었다. 우리는 NIH P30CA118100이 지원하는 뉴 멕시코 대학 종합 암 센터 형광 현미경 공유 자원을 사용하여 감사하게 인정합니다. 우리는 SiMPull의 원래 개발이이 작품에 영감을 준 Ankur Jain 박사와 Taekijip Ha 박사를 인정하고 싶습니다.
ES-C 현재 주소 : 면역 역학 그룹, 통합 암 면역학 실험실, 암 연구 센터, 국립 암 연구소, 베데스다
Materials
| 1.5 mL microcentrifuge tubes | MTC Bio | C2000 | |
| 10 mM Tris-HCl pH 7.4 | |||
| 10 mM Tris-HCl pH 8.0/ 50 mM NaCl | T50 Buffer | ||
| 100 mm Tissue Culture dish | CELLTREAT | 229620 | Storage of piranha etched glass/arrays |
| 15 mL conical tube | |||
| 16% Paraformaldehyde Aqueous Solution | Electron Microscopy Sciences | 15710 | Hazardous |
| 50 mL conical tube | Functionalized Glass storage/ KOH reuse | ||
| 50 mM Tris-HCl pH 7.2/150 mM NaCl | Lysis Buffer Component | ||
| 60 mm Tissue Culture dish | Corning | 430166 | |
| 8% Glutaraldehyde Aqueous Solution | Electron Microscopy Sciences | 16020 | Hazardous |
| Acetone (C3H6O) | Millipore Sigma | 270725 | Hazardous |
| Alexa Fluor 647 NHS Ester | Thermo Fisher Scientific | A-20006 | |
| Animal-Free Recombinant Human EGF | Peprotech | AF-100-15 | |
| Anti-Human EGFR (External Domain) – Biotin | Leinco Technologies, Inc | E101 | |
| Anti-p-Tyr Antibody (PY99) Alexa Fluor 647 | Santa Cruz Biotechnology | sc-7020 AF647 | |
| Bath-sonicator | Branson | 1200 | |
| BCA Protein Assay Kit | Pierce | 23227 | |
| Biotin-PEG | Laysan Bio | Biotin-PEG-SVA, MW 5,000 | |
| Bovine serum albumin | Gold Biotechnology | A-420-1 | Tyrode's Buffer Component |
| Buchner funnel | |||
| Bunsen burner | |||
| Calcium Chloride (CaCl2) | Millipore Sigma | C4901 | Tyrode's Buffer Component |
| Cell Scraper | Bioworld | 30900017-1 | |
| Conical Filtering Flask | Fisher Scientific | S15464 | |
| Coplin Jar | WHEATON | 900470 | |
| Countess II Automated Cell Counter | Thermo Fisher Scientific | AMQAX1000 | |
| Coverslips 24 x 60 #1.5 | Electron Microscopy Sciences | 63793 | |
| DipImage | https://diplib.org/ | ||
| DMEM | Caisson Labs | DML19-500 | |
| emCCD camera | Andor iXon | ||
| Fetal Bovine Serum, Optima | Bio-Techne | S12450H | Heat Inactivated |
| Fusion 360 software | Autodesk | ||
| Geneticin G418 Disulfate | Caisson Labs | G030-5GM | |
| Glacial Acetic Acid (CH3COOH) | JT Baker | JTB-9526-01 | Hazardous |
| Glass serological pipettes | |||
| Glass Stir Rod | |||
| Glucose (D-(+)-Glucose) | Millipore Sigma | D9434 | Tyrode's Buffer Component |
| Halt Phosphotase and Protease Inhibitor Cocktail (100X) | Thermo Fisher Scientific | 78446 | Lysis Buffer Component |
| HEPES | Millipore Sigma | H3375 | Tyrode's Buffer Component |
| Hydrochloric Acid (HCl) | VWR | BDH7204-1 | Hazardous |
| Hydrogen Peroxide (H2O2) (3%) | HX0645 | ||
| Hydrogen Peroxide (H2O2) (30%) | EMD Millipore | HX0635-2 | |
| Ice | |||
| IGEPAL CA-630 (NP-40) | Sigma Aldrich | I8896 | Lysis Buffer Component |
| ImmEdge Hydrophobic Barrier Pen | Vector Laboratories | H-4000 | |
| Immersol 518F immersion oil | Zeiss | 444960-0000-000 | |
| in-house vacuum line | |||
| L-glutamine | Thermo Fisher Scientific | 25030-164 | |
| Magnessium Chloride Hexahydrate (MgCl2-6H2O) | MPBio | 2191421 | Tyrode's Buffer Component |
| Matlab | Mathworks | Curve Fitting Toolbox, Parallel Computing Toolbox, and Statistics and Machine Learning toolbox | |
| Methanol (CH3OH) | IBIS Scientific | MX0486-1 | Hazardous |
| Milli-Q water | |||
| Mix-n-Stain CF Dye Antibody Labeling Kits | Biotium | 92245 | Suggested conjugation kit |
| mPEG | Laysan Bio | mPEG-succinimidyl valerate, MW 5,000 | |
| N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane | UCT United Chemical | A0700 | Hazardous |
| Nanogrid | Miraloma Tech | ||
| NeutrAvidin Biotin Binding Protein | Thermo Fisher Scientific | 31000 | |
| Nitrogen (compressed gas) | |||
| NVIDIA GPU with CUDA | Look for compatibility at https://www.mathworks.com/help/parallel-computing/gpu-support-by-release.html | ||
| Olympus iX71 Microscope | Olympus | ||
| Parafilm M Sealing Film | The Lab Depot | HS234526C | |
| PBS pH 7.4 | Caisson Labs | PBL06 | |
| PC-200 Analog Hot Plate | Corning | 6795-200 | |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Thermo Fisher Scientific | 15140-163 | |
| Phospho-EGF Receptor (Tyr1068) (1H12) Mouse mAb | Cell Signaling Technology | 2236BF | |
| Potassium Chloride (KCl) | Millipore Sigma | 529552 | Tyrode's Buffer Component |
| Potassium Hydroxide (KOH) | Millipore Sigma | 1050330500 | Hazardous |
| Premium PLA Filament, 1.75 mm diameter | Raise 3D | PMS:2035U/RAL:3028 | Printing temperature range: 205-235 °C |
| Pro2 3D printer | Raise 3D | ||
| Pyrex 1 L beaker | |||
| PYREX 100 mL storage bottles | Corning | 1395-100 | CH3OH/C3H6O reuse |
| Pyrex 250 mL beakers | |||
| Pyrex 4 L beaker | |||
| Quad-view Image Splitter | Photometrics | Model QV2 | |
| Refrigerated centrifuge | Eppendorf | EP-5415R | |
| RevCount Cell Counters, EVE Cell Counting Slides | VWR | 10027-446 | |
| Semrock emission filters: blue (445/45 nm), green (525/45 nm), red (600/37 nm), far-red (685/40 nm) | Semrock | LF405/488/561/635-4X4M-B-000 | |
| Serological pipette controller | |||
| Serological Pipettes | |||
| smite single molecule analysis package | https://github.com/LidkeLab/smite.git | ||
| Sodium Bicarbonate (NaHCO3) | Sigma Aldrich | S6014 | Hazardous |
| Sodium Borohydride (NaBH4) | Millipore Sigma | 452874 | Tyrode's Buffer Component |
| Sodium Chloride (NaCl) | Millipore Sigma | S9625 | Activate by successive heat and pH cycling |
| Sodium Hydroxide | VWR | BDH3247-1 | |
| Sodium Orthovanadate (Na3VO4) | Millipore Sigma | S6508 | Hazardous |
| Sulfuric Acid (H2SO4) | Millipore Sigma | 258105 | Hazardous |
| TetraSpeck Microspheres | Thermo Fisher Scientific | T7279 | multi-fluorescent beads |
| Tris (Trizma) base | Millipore Sigma | T1503 | |
| Trypan blue stain, 0.4% | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | |
| Trypsin-EDTA 0.05% | Thermo Fisher Scientific | 25300120 |
References
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