שיטות לקביעת מבנה ומנגנונים של זיהוי יון מתכת וחמצון פעילות של כריכת מתכת Oligopeptides
Summary
בניידות המסה-הספקטרומטר ההמוני וטכניקות הדוגמנות המולקולריות ניתן לאפיין את ביצועי המתכת הסלקטיבית של הפפטידים העשויים מתכת-כריכה ומתיונין-הנחושת המטאוקובטין. פיתוח מחלקות חדשות של פפטידים מתכת הכלפת יסייע להוביל לtherapeutics עבור מחלות הקשורות באיזון מתכת ביון.
Abstract
Electrospray אינון (ESI) יכול להעביר פפטיד מימית בשלב מורכב או פפטיד לשלב הגז תוך שימור מסה שלה, המטען הכולל, מתכת-מחייב אינטראקציות, וצורה הקונפורמציה. מצמד ESI עם ניידות-המסה (IM-MS) מספק טכניקה אינסטרומנטלית המאפשרת מדידה בו של מסת המסה של פפטיד (m/z) וחתך התנגשות (סמ ק) המתייחסים לסטואיצ’ימטריה שלה, פרוטונציה state, ובצורה מעשית. המטען הכולל של קומפלקס פפטיד נשלט על-ידי הפרוטונציה של 1) באתרים החומציים והבסיסיים של הפפטיד ו -2) מצב החמצון של יון המתכת (s). לכן, מצב החיוב הכולל של קומפלקס הוא פונקציה של ה-pH של הפתרון המשפיע על הזיקה של מתכת פפטידים מחייב האהדה. עבור הניתוחים של ESI-IM-MS, פפטיד ופתרונות יוני מתכת מוכנים מתוך פתרונות מימית בלבד, עם pH מותאם עם לדלל חומצה אצטית מימית או אמוניום הידרוקסיד. זה מאפשר תלות pH וסלקטיביות יון מתכת להיקבע עבור פפטיד ספציפי. יתר על כן, m/z ו-סמ ק של מתחם פפטיד יכול לשמש עם מידול B3LYP/LanL2DZ מולקולרי כדי להבחין באתרי הכריכה של תיאום מתכת יון ומבנה שלישוני של הקומפלקס. התוצאות מציגות כיצד ESI-IM-MS יכול לאפיין את הביצועים הסלגטיים סלקטיבי של קבוצה של פפטידים מתיונין חלופיים ולהשוות אותם לתוך מתיונין הנחושת-פפטיד מתיאנקובטין.
Introduction
נחושת ויוני אבץ חיוניים עבור אורגניזמים חיים חיוניים לתהליכים כולל הגנה חמצונית, צמיחה רקמות, נשימה, כולסטרול, מטבוליזם הגלוקוז, ו הגנום קורא1. כדי להפוך את הפונקציות הללו לזמינות, קבוצות כמו ה-thiolate של cys, סרטיאזול שלהשניים,3, (לעתים רחוקות יותר) תיויואתר של מתיונין, ו carboxylate אוחר של גלו ו-Asp לשלב באופן סלקטיבי מתכות כקופרים לתוך האתרים הפעילים של . מטלואנזימים הדמיון של קבוצות תיאום אלה מעלה שאלה מרתקת לגבי האופן שבו הליזלים והאחרים משלבים בצורה סלקטיבית את ה-Cu (I/II) או Zn (II) כדי להבטיח את התפקוד הנכון.
קשירה סלקטיבית מושגת לעתים קרובות על ידי רכישת פפטידים סחר, אשר שליטה Zn (II) או Cu (I/II) ריכוזי יון4. Cu (I/II) הוא תגובתי ביותר וגורם נזק חמצוני או כריכת האדוולקית לאנזימים, כך הריכוז החופשי שלה מוסדר בחוזקה על ידי מלווים נחושת ו-נחושת הוויסות חלבונים התחבורה אותו בבטחה למיקומים שונים בתא בחוזקה לשלוט הומאוסטזיס שלו5,6. שיבוש של מטבוליזם נחושת או הומאוסטזיס מעורב ישירות ב menkes ומחלת וילסון7 , כמו גם סרטן7 והפרעות עצביות, כגון פריון8 ומחלת אלצהיימר9.
מחלת וילסון קשורה לרמות נחושת מוגברת בעיניים, בכבד וחלקים של המוח, שם התגובות החמצון של Cu (I/II) מייצרת מינים חמצן תגובתי, גורם התנוונות וניוון נוירולוגי. טיפולי הכלרות הקיימים הם החומצות האמינו הקטנות מפאסיאנאמין וטריאטילנסאטולה. לחילופין, הmethanotrophic-פפטידים ברכישת נחושת מתיונין (mb)10,11 התערוכה פוטנציאל תרפויטי בגלל הזיקה הגבוהה שלהם עבור Cu (I)12. כאשר מתיונין (mb-OB3b) מתוך מתיונין trichosporium OB3b למדו במודל בעל חיים של מחלת וילסון, נחושת הוסר ביעילות מן הכבד מופרש באמצעות מרה13. בניסויים חוץ גופית אישר כי mb-OB3b יכול לאכול את הנחושת מתוך מטתיוגה נחושת הכלול ציטוסול הכבד13. אבלציה לייזר בשילוב עם המסת פלזמה המסה טכניקות הדמיה יש חקרו את ההתפלגות המרחבית של נחושת בסרטן המחלה של וילסון דגימות14,15,16 והראו כי mb-OB3b מסיר את הנחושת עם תקופות טיפול קצרות של 8 ימים בלבד.17.
The mb-OB3b יהיה גם לאגד עם יוני מתכת אחרים, כולל Ag (אני), Au (III), Pb (ii), Mn (ii), Co (ii), Fe (ii), Ni (ii), ו zn (ii)18,19. התחרות עבור האתר הפיסיולוגי Cu (I) מוצג על ידי Ag (I) כי זה יכול לתפוס את Cu (I) מתוך מתחם mb-OB3b, עם שני Ag (I) ו Ni (II) גם מראה מחייב בלתי הפיך Mb אשר לא ניתן לעקורים על ידי Cu (I)19. לאחרונה, סדרה של מתיונין אלטרנטיבית (amb) oligopeptides עם המוטיב 2cys מוטיב מחייב נחקרו20,21, ושלהם zn (ii) ו Cu (i/II) מאפייני איגוד מאופיין. רצפי חומצות האמינו העיקריים שלהם הם דומים, והם כולם מכילים את 2His-2Cys מוטיב, Pro ו acetylated N-טרמינוס. הם שונים בעיקר מ-mb-OB3b בגלל מוטיב 2Cys מחליף את שני אתרים כריכת oxazolone oxazolone של mb-OB3b.
Electrospray אינון בשילוב עם ניידות-המוני-המסה ספקטרומטריה (ESI-IM-MS) מספק טכניקה אינסטרומנטלית רבת עוצמה לקביעת תכונות מתכת מחייב של פפטידים כי זה מודד את המסה שלהם לטעון (m/z) והתנגשות חתך (סמ ק) תוך שימור צורת המסה, הטעינה והקונפורמציה משלב הפתרון. ה- m/z ו-סי. סי. אי מתייחסים לפפטידים סטויכמטריה, פרוטונציה המדינה והצורה הקונפורמציה. סטויכמטריה נקבע כי הזהות והמספר של כל אחד מהרכיבים המצויים במין מזוהים במפורש. המטען הכללי של קומפלקס פפטיד מתייחס למצב הפרוטונציה של האתרים חומצי ובסיסיים ואת מצב החמצון של יון מתכת (s). ה-סי. פי. סי מספק מידע של הצורה הקונפורטית של קומפלקס הפפטיד, מכיוון שהוא מודד את גודל הסיבוב הממוצע המתייחס למבנה השלישוני של הקומפלקס. מצב החיוב הכולל של הקומפלקס הוא גם פונקציה של pH ומשפיע על הזיקה של המתכת של פפטיד האיגוד משום האתרים בסיסיים או חומצי כגון carboxyl, שלו, Cys ו Tyr הם גם אתרי הקשירה הפוטנציאליים של יון מתכת. עבור הניתוחים, את הפפטיד ואת יון מתכת מוכנים פתרונות מימית עם pH מותאם על ידי מדלל חומצה אצטית מימית או אמוניום הידרוקסיד. זה מאפשר את התלות pH ואת הסלקטיביות יון מתכת להיקבע עבור פפטיד. יתר על כן, m/z ו-סמ ק נקבעים על ידי ESI-IM-MS ניתן להשתמש עם מידול B3LYP/LanL2DZ מולקולרי כדי לגלות את סוג של תיאום מתכת יון ומבנה שלישוני של הקומפלקס. התוצאות המוצגות במאמר זה לחשוף כיצד ESI-IM-MS יכול לאפיין את ביצועי הכלגדירוג סלקטיבית של סט של פפטידים amb ולהשוות אותם לתוך הנחושת-מחייב פפטיד mb-OB3b.
Protocol
Representative Results
Discussion
שלבים קריטיים: שימור התנהגות בשלב הפתרון לבדיקה דרך ESI-IM-MS
יש להשתמש בהגדרות האינסטרומנטליות המקוריות שמאגור את הפפטידים הסטויכמטריה, לטעון את המצב ואת המבנה הקונפורמי. עבור תנאים מקומיים, התנאים במקור ESI כגון מתח חרוט, טמפרטורות, וזרמי הגז צריך להיות ממוטב. כמו כן, את הלחצים ואת …
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חומר זה מבוסס על העבודה הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע תחת 1764436, תמיכה בכלי NSF (MRI-0821247), קרן וולש (T-0014), ומשאבי מיחשוב מהמחלקה לאנרגיה (TX-W-20090427-0004-50) ו-L3 תקשורת . אנו מודים לקבוצת בוואר של אוניברסיטת קליפורניה-סנטה ברברה על שיתוף התוכנית סיגמא ו Ayobami Ilesanmi להפגין את הטכניקה בווידאו.
Materials
| acetonitrile HPLC-grade | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A998SK-4 | |
| ammonium hydroxide (trace metal grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A512-P500 | |
| cobalt(II) chloride hexahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 255599-5G | |
| copper(II) chloride 99.999% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203149-10G | |
| copper(II) nitrate hydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 229636-5G | |
| designed amb1,2,3,4,5,6,7 peptides | Neo BioLab (neobiolab.com) | designed peptides were synthized by order | |
| designed amb5B,C,D,E,F peptides | PepmicCo (www.pepmic.com) | designed peptides were synthized by order | |
| Driftscope 2.1 software program | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
| Freeze-dried, purified, Cu(I)-free mb-OB3b | cultured and isolated in the lab of Dr. DongWon Choi (Biology Department, Texas A&M-Commerce) | ||
| glacial acetic acid (Optima grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A465-250 | |
| Iron(III) Chloride Anhydrous 98%+ | Alfa Aesar (www.alfa.com) | 12357-09 | |
| lead(II) nitrate ACS grade | Avantor (www.avantormaterials.com) | 128545-50G | |
| manganese(II) chloride tetrahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203734-5G | |
| MassLynx 4.1 | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
| nickel chloride hexahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203866-5G | |
| poly-DL-alanine | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | P9003-25MG | |
| silver nitrate 99.9%+ | Alfa Aesar (www.alfa.com) | 11414-06 | |
| Waters Synapt G1 HDMS | Waters (www.waters.com) | quadrupole – ion mobility- time-of-flight mass spectrometer | |
| zinc chloride anhydrous | Alfa Aesar (www.alfa.com) | A16281 |
Referencias
- Dudev, T., Lim, C. Competition among Metal Ions for Protein Binding Sites: Determinants of Metal Ion Selectivity in Proteins. Chemical Reviews. 114 (1), 538-556 (2014).
- Sovago, I., Kallay, C., Varnagy, K. Peptides as complexing agents: Factors influencing the structure and thermodynamic stability of peptide complexes. Coordination Chemistry Reviews. 256 (19-20), 2225-2233 (2012).
- Sóvágó, I., Várnagy, K., Lihi, N., Grenács, &. #. 1. 9. 3. ;. Coordinating properties of peptides containing histidyl residues. Coordination Chemistry Reviews. 327, 43-54 (2016).
- Rubino, J. T., Franz, K. J. Coordination chemistry of copper proteins: How nature handles a toxic cargo for essential function. Journal of Inorganic Biochemistry. 107 (1), 129-143 (2012).
- Robinson, N. J., Winge, D. R. Copper Metallochaperones . Annual Review of Biochemistry. 79, 537-562 (2010).
- Scheiber, I. F., Mercer, J. F. B., Dringen, R. Metabolism and functions of copper in brain. Progress in Neurobiology. 116, 33-57 (2014).
- Tisato, F., Marzano, C., Porchia, M., Pellei, M., Santini, C. Copper in Diseases and Treatments, and Copper-Based Anticancer Strategies. Medicinal Research Reviews. 30 (4), 708-749 (2010).
- Millhauser, G. L. Copper and the prion protein: Methods, structures, function, and disease. Annual Review of Physical Chemistry. 58, 299-320 (2007).
- Arena, G., Pappalardo, G., Sovago, I., Rizzarelli, E. Copper(II) interaction with amyloid-beta: Affinity and speciation. Coordination Chemistry Reviews. 256 (1-2), 3-12 (2012).
- Kim, H. J., et al. Methanobactin, a copper-acquisition compound from methane-oxidizing bacteria. Science. 305 (5690), 1612-1615 (2004).
- Di Spirito, A. A., et al. Methanobactin and the link between copper and bacterial methane oxidation. Microbiology Molecular Biology Reviews. 80 (2), 387-409 (2016).
- Kenney, G. E., Rosenzweig, A. C. Chemistry and biology of the copper chelator methanobactin. ACS Chemical Biology. 7 (2), 260-268 (2012).
- Summer, K. H., et al. The biogenic methanobactin is an effective chelator for copper in a rat model for Wilson disease. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 25 (1), 36-41 (2011).
- Hachmoeller, O., et al. Investigating the influence of standard staining procedures on the copper distribution and concentration in Wilson’s disease liver samples by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 44, 71-75 (2017).
- Hachmoeller, O., et al. Spatial investigation of the elemental distribution in Wilson’s disease liver after D-penicillamine treatment by LA-ICP-MS. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 44, 26-31 (2017).
- Hachmoeller, O., et al. Element bioimaging of liver needle biopsy specimens from patients with Wilson’s disease by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 35, 97-102 (2016).
- Mueller, J. C., Lichtmannegger, J., Zischka, H., Sperling, M., Karst, U. High spatial resolution LA-ICP-MS demonstrates massive liver copper depletion in Wilson disease rats upon Methanobactin treatment. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 49, 119-127 (2018).
- Choi, D. W., et al. Spectral and thermodynamic properties of Ag(I), Au(III), Cd(II), Co(II), Fe(III), Hg(II), Mn(II), Ni(II), Pb(II), U(IV), and Zn(II) binding by methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b. Journal of Inorganic Biochemistry. 100, 2150-2161 (2006).
- McCabe, J. W., Vangala, R., Angel, L. A. Binding Selectivity of Methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b for Copper(I), Silver(I), Zinc(II), Nickel(II), Cobalt(II), Manganese(II), Lead(II), and Iron(II). Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 28, 2588-2601 (2017).
- Sesham, R., et al. The pH dependent Cu(II) and Zn(II) binding behavior of an analog methanobactin peptide. European Journal of Mass Spectrometry. 19 (6), 463-473 (2013).
- Wagoner, S. M., et al. The multiple conformational charge states of zinc(II) coordination by 2His-2Cys oligopeptide investigated by ion mobility – mass spectrometry, density functional theory and theoretical collision cross sections. Journal of Mass Spectrom. 51 (12), 1120-1129 (2016).
- Bandow, N. L., et al. Isolation of methanobactin from the spent media of methane-oxidizing bacteria. Methods in Enzymology. 495, 259-269 (2011).
- Choi, D. W., et al. Spectral and thermodynamic properties of methanobactin from γ-proteobacterial methane oxidizing bacteria: a case for copper competition on a molecular level. Journal of Inorganic Biochemistry. 104 (12), 1240-1247 (2010).
- Pringle, S. D., et al. An investigation of the mobility separation of some peptide and protein ions using a new hybrid quadrupole/travelling wave IMS/oa-ToF instrument. International Journal of Mass Spectrometry. 261 (1), 1-12 (2007).
- Forsythe, J. G., et al. Collision cross section calibrants for negative ion mode traveling wave ion mobility-mass spectrometry. Analyst. 14 (20), 6853-6861 (2015).
- Allen, S. J., Giles, K., Gilbert, T., Bush, M. F. Ion mobility mass spectrometry of peptide, protein, and protein complex ions using a radio-frequency confining drift cell. Analyst. 141 (3), 884-891 (2016).
- Bush, M. F., Campuzano, I. D. G., Robinson, C. V. Ion Mobility Mass Spectrometry of Peptide Ions: Effects of Drift Gas and Calibration Strategies. Analytical Chemistry. 84 (16), 7124-7130 (2012).
- Salbo, R., et al. Traveling-wave ion mobility mass spectrometry of protein complexes: accurate calibrated collision cross-sections of human insulin oligomers. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 26 (10), 1181-1193 (2012).
- Smith, D. P., et al. Deciphering drift time measurements from travelling wave ion mobility spectrometry-mass spectrometry studies. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 113-130 (2009).
- Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. Journal of Chemical Physics. 98 (7), 5648-5652 (1993).
- Dunning, T. H., Hay, P. J. Gaussian basis sets for molecular calculations. Modern Theoretical Chemistry. 3, 1-27 (1977).
- Hay, P. J., Wadt, W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for potassium to gold including the outermost core orbitals. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 299-310 (1985).
- Hay, P. J., Wadt, W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for the transition metal atoms scandium to mercury. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 270-283 (1985).
- Wadt, W. R., Hay, P. J. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for main group elements sodium to bismuth. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 284-298 (1985).
- . Gaussian 09, Revision C.01. Gaussian, Inc. , (2012).
- Wyttenbach, T., von Helden, G., Batka, J. J., Carlat, D., Bowers, M. T. Effect of the long-range potential on ion mobility measurements. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 8 (3), 275-282 (1997).
- Choi, D., et al. Redox activity and multiple copper(I) coordination of 2His-2Cys oligopeptide. Journal of Mass Spectrometry. 50 (2), 316-325 (2015).
- Rigo, A., et al. Interaction of copper with cysteine: stability of cuprous complexes and catalytic role of cupric ions in anaerobic thiol oxidation. Journal of Inorganic Biochemistry. 98 (9), 1495-1501 (2004).
- Vytla, Y., Angel, L. A. Applying Ion Mobility-Mass Spectrometry Techniques for Explicitly Identifying the Products of Cu(II) Reactions of 2His-2Cys Motif Peptides. Analytical Chemistry. 88 (22), 10925-10932 (2016).
- Choi, D., Sesham, R., Kim, Y., Angel, L. A. Analysis of methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b via ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 18 (6), 509-520 (2012).
- Martell, A. E., Motekaitis, R. J. NIST Standard Reference Database 46. Institute of Standards and Technology. , (2001).
- Pesch, M. L., Christl, I., Hoffmann, M., Kraemer, S. M., Kretzschmar, R. Copper complexation of methanobactin isolated from Methylosinus trichosporium OB3b: pH-dependent speciation and modeling. Journal of Inorganic Biochemistry. 116, 55-62 (2012).
- Amin, E. A., Truhlar, D. G. Zn Coordination Chemistry: Development of Benchmark Suites for Geometries, Dipole Moments, and Bond Dissociation Energies and Their Use To Test and Validate Density Functionals and Molecular Orbital Theory. Journal of Chemical Theory and Computation. 4 (1), 75-85 (2008).
- Sorkin, A., Truhlar, D. G., Amin, E. A. Energies, Geometries, and Charge Distributions of Zn Molecules, Clusters, and Biocenters from Coupled Cluster, Density Functional, and Neglect of Diatomic Differential Overlap Models. Journal of Chemical Theory and Computation. 5 (5), 1254-1265 (2009).
- Lillo, V., Galan-Mascaros, J. R. Transition metal complexes with oligopeptides: single crystals and crystal structures. Dalton Transactions. 43 (26), 9821-9833 (2014).
- Choutko, A., van Gunsteren, W. F. Conformational Preferences of a beta-Octapeptide as Function of Solvent and Force-Field Parameters. Helvetica Chimica Acta. 96 (2), 189-200 (2013).
- Angel, L. A. Study of metal ion labeling of the conformational and charge states of lysozyme by ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 17 (3), 207-215 (2011).
- Kelso, C., Rojas, J. D., Furlan, R. L. A., Padilla, G., Beck, J. L. Characterisation of anthracyclines from a cosmomycin D-producing species of Streptomyces by collisionally-activated dissociation and ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 73-81 (2009).
- El Ghazouani, A., et al. Copper-binding properties and structures of methanobactins from Methylosinus trichosporium OB3b. Inorganic Chemistry. 50 (4), 1378-1391 (2011).
