Metabolische Markierung und Membran Fraktionierung für Vergleichende Proteomanalyse von<em> Arabidopsis thaliana</em> Fahrwerk Zellkulturen
Summary
Hier beschreiben wir ein robustes Verfahren für die Fraktionierung von pflanzlichen Plasmamembranen in Waschmittel-und Reinigungsmittel beständig löslichen Membranen auf der Basis einer Mischung von unmarkierten und in vivo vollständig 15 N markierten Arabidopsis thaliana Zellkulturen. Das Verfahren ist für die vergleichende Proteom-Studien angewendet, um Signalprozesse zu verstehen.
Abstract
Plasmamembran-Mikrodomänen sind Funktionen, basierend auf den physikalischen Eigenschaften der Lipid-Sterol-und Umwelt und haben bestimmte Rollen in Signalprozessen. Extrahieren Sterol angereicherte Membrandomänen von Pflanzenzellen zur Proteom-Analyse ist eine schwierige Aufgabe, vor allem aufgrund von mehreren Vorbereitungsschritte und Quellen für Verunreinigungen von anderen zellulären Kompartimenten. Die Plasmamembran bildet nur etwa 5-20% aller Membranen in einer Pflanzenzelle, und daher Trennung von hoch gereinigten Plasmamembranfraktion ist eine Herausforderung. Ein häufig verwendetes Verfahren beinhaltet wässrigen Zweiphasentrennung in Polyethylenglykol und Dextran, das Plasmamembran-Vesikel mit einer Reinheit von 95% 1 ergibt. Sterol-reichen Membranmikrodomänen in der Plasmamembran unlöslich sind bei der Behandlung mit kaltem nichtionische Detergentien bei alkalischen pH-Wert. Dieser Detergenz-resistenten Membranfraktion aus dem Großplasmamembran durch Ultrazentrifugation getrennt werden, wie inucrose Steigung 2. Anschließend kann Proteine aus der geringen Dichte Band des Saccharose-Gradienten von Methanol / Chloroform Fällung extrahiert werden. Extrahierte Protein wird dann Trypsin gespalten werden, entsalzt und schließlich durch LC-MS/MS analysiert. Unsere Extraktionsprotokoll für Sterol-reiche Mikrodomänen wird zur Herstellung von sauberen Detergenz-resistenten Membranfraktionen aus Arabidopsis thaliana Zellkulturen optimiert.
Wir verwenden vollständige metabolische Markierung von Arabidopsis thaliana Suspensionszellkulturen, die mit K 15 NO 3 als einzige Stickstoffquelle für die quantitative Proteomik vergleichende Studien nach der biologischen Behandlung von Zins 3. Durch Mischen gleicher Verhältnisse von markierten und unmarkierten Zellkulturen für die gemeinsame Proteinextraktion der Einfluss der Herstellungsschritte auf die endgültige quantitative Ergebnis wird auf einem Minimum gehalten. Auch Materialverlust während der Extraktion werden die beiden Kontroll-und Behandlungs Proben in der gleichen Weise einen Einflussd daher das Verhältnis von Licht und heben Peptid konstant. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren entweder markiert oder unmarkiert Zellkultur erfährt eine biologische Behandlung, die andere dient als Steuer 4.
Introduction
Im Jahr 1972, Jonathan Singer und Garth Nicolson schlug die Flüssig-Mosaik-Modell ein Strukturmodell von Zellmembranen, anstelle der Protein-Lipid-Protein-Sandwich-Modell, das in der Regel in den frühen 1960er Jahren angenommen wurde. Singer und Nicolson postuliert, dass die biologische Membran kann als eine zweidimensionale Flüssigkeit in dem alle Lipid-und Protein-Moleküle frei und leicht diffundieren 5 betrachtet werden. Seit dieser Zeit Strukturmodell der Plasmamembran und der Kenntnis der Membranzusammensetzung wurde noch komplexer. Insbesondere in der Plasmamembran-Strukturen, wie Protein-und Lipidkomplexe / Sterol basierend strukturell ungeordnete Mikrodomänen beobachtet werden. In künstlichen Modellmembranen 6,7 kann Sterole und Sphingolipide seitlich von anderen Lipidarten zu trennen, um Bereiche mit veränderten physikalischen Eigenschaften bilden. Diese Trennung innerhalb der Zellmembran wird hauptsächlich durch die Eigen Zuordnen Eigenschaften zwischen Sterole und einen hoch verursachtturated Kohlenwasserstoffketten phopsho-und Sphingolipide 8. Insbesondere die starren Sterin Ringe begünstigen Wechselwirkungen mit steifer und gerader gesättigten Lipidspezies und diese Wechselwirkungen zwingen benachbarten Kohlenwasserstoffketten in mehr verlängert Konformationen, die Erhöhung der Membrandicke und Härte.
Eine der häufigsten beobachteten Merkmale Terinmembrandomänen war ihrer Unlöslichkeit bei Behandlung mit nicht-ionischen Detergenzien, wie Triton X-100 und Brij 35. Diese Fraktionen wurden vermutlich identisch mit Membran-Mikrodomänen und wurden Reinigungsmittel resistente Membranen (DRM) genannt auf der Grundlage ihrer biochemischen Herstellungsverfahren 2. Die Verwendung von nichtionischen Reinigungsmitteln während der DRM-Extraktion erhielt einige Kritik als die biochemische DRM Zubereitung kann nicht direkt an spezifische Membranraum innerhalb der lebenden Zelle 9 entsprechen. Insbesondere scheint das Detergens zu Protein-Verhältnis von entscheidender Bedeutung in solchen Zubereitungen eins verschiedene Reinigungsmittel, sowie verschiedene Reinigungs Mengen können unterschiedliche Zusammensetzung der Reinigungsmittel beständig Membranfraktion 10 ergeben. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass bestimmte Proteinspezies spezifisch zu assoziieren mit diesen zellulären sterolreichen Membrandomänen, und daß diese Proteine auch in der biochemischen Präparaten von Detergenz-resistenten Membranfraktionen 11 angereichert. Der Kern von Proteinen, die in Pflanzen DRM-Fraktion gefunden wurden, und bei denen die Anwesenheit in DRM war Sterol abhängig waren besonders GPI-verankerte Proteine, wie Fasciclin artigen Arabinogalactan-Proteine (FLA) und Mitglieder der SKU-Proteinfamilie. Auch einige Signalproteine, wie Rezeptor-like Kinasen oder Phospholipasen gefunden 11. Diese Ergebnisse sind konsistent mit vielen proteomischen Untersuchungen an Säugermembrandomänen 12,13. Auch bei Pflanzen gibt es immer mehr Hinweise auf die Rolle von Membran-Mikrodomänen in Zusammenhang mit Stress-Reaktion 14 –16.
Das hier beschriebene Protokoll bietet ein robustes Verfahren zur Fraktionierung von Plasmamembran-Mikrodomänen und insbesondere ein Protein verwendet, um Reinigungsmittelkonzentration, die uns Stress induzierte Veränderungen des sterolreichen Membrankompartiment 4,11,14 darstellen kann.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die in diesem Papier Protokoll enthält viele Schritte und alle von ihnen entscheidend für reine und Vertreter Fraktionierung der Plasmamembran Anlage in Waschmittel beständig Membranen und Reinigungsmittel lösliche Fraktionen zu erhalten sind. Daher ist es wichtig, jeden Schritt zu folgen, wie angewiesen.
Behandlung der Plasmamembranfraktion mit nicht-ionischen Detergens (Schritt 3.2) den stärksten Einfluss auf die Qualität der Membran Mikrodomänen Fraktionierung. Um reproduzierbare E…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Materials
| REAGENTS | |||
| Chemicals were ordered from Sigma-Aldrich unless noted otherwise | |||
| Ammonia (stock 25 % solution) | WAKO | 010-03166 | |
| TiO2 10 μm | GL-Science | 5020-75010 | |
| Empore Disk C18 | Varian | 12145004 | |
| Polyethylene glycol(PEG 3350) | Sigma | 88276 | |
| Dextran T500 | Roth | 9219.2 | |
| Trypsin | Promega | V5113 | |
| Protease inhibitor cocktail (PIC) | Sigma | P9599 | |
| K15NO3 | Cambridge Isotope Laboratories | NLM-765-PK | |
| EQUIPMENT | |||
| Optima L-80 XP Ultracentrifuge | Beckman | ||
| Plate reader | BioTek | ||
| EASY-nLC II nano-Liquid Chromatograph | Thermo Scientific | ||
| LTQ-Orbitrap mass spectrometer | Thermo Scientific | ||
| Centrifuge 5810R | Eppendorf | ||
| Centrifuge 5417R | Eppendorf | ||
| Thermomixer | Eppendorf | ||
| Speed Vac RVC 2-25 | Christ | ||
| Shaker Unimax 2010 | Heidolph |
References
- Alexandersson, E., Saalbach, G., Larsson, C., Kjellbom, P. Arabidopsis plasma membrane proteomics identifies components of transport, signal transduction and membrane trafficking. Plant Cell Physiol. 45, 1543-1556 (2004).
- Brown, D. A., Rose, J. K. Sorting of GPI-anchored proteins to glycolipid-enriched membrane subdomains during transport to the apical cell surface. Cell. 68, 533-544 (1992).
- Lanquar, V., et al. 15N-metabolic labeling for comparative plasma membrane proteomics in Arabidopsis cells. Proteomics. 7, 750-754 (2007).
- Kierszniowska, S., Walther, D., Schulze, W. X. Ratio-dependent significance thresholds in reciprocal 15N-labeling experiments as a robust tool in detection candidate proteins responding to biological treatment. Proteomics. 9, 1916-1924 (2009).
- Singer, S. J., Nicolson, G. L. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science. 175, 720-731 (1972).
- Simons, K., Ikonen, E. Functional rafts in cell membranes. Nature. 387, 569-5672 (1997).
- Baumgart, T., et al. Large-scale fluid/fluid phase separation of proteins and lipids in giant plasma membrane vesicles. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 3165-3170 (2007).
- Silvius, J. R. Partitioning of membrane molecules between raft-and non raft-domains: insights from model membrane studies. Biochim. Biophys. Acta. 1746, 193-202 (2005).
- Tanner, W., Malinsky, J., Opekarova, M. In plant and animal cells, detergent-resistant membranes do not define functional membrane rafts. Plant Cell. , (2011).
- Lauwers, E., Andre, B. Association of yeast transporters with detergent-resistant membranes correlates with their cell-surface location. Traffic. 7, 1-15 (2006).
- Kierszniowska, S., Seiwert, B., Schulze, W. X. Definition of Arabidopsis sterol-rich membrane microdomains by differential treatment with methyl-ß-cyclodextrin and quantitative proteomics. Mol. Cell. Proteomics. 8, 612-623 (2009).
- Simons, K., Toomre, D. Lipid rafts and signal transduction. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 1, 31-39 (2000).
- Maeda, Y., Kinoshita, T. Structural remodeling, trafficking and functions of glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins. Prog. Lipid Res. 50, (2011).
- Keinath, N. F., et al. PAMP-induced changes in plasma membrane compartmentalization reveal novel components of plant immunity. J. Biol. Chem. 285, 39140-39149 (2010).
- Stanislas, T., et al. Quantitative proteomics reveals a dynamic association of proteins to detergent resistant membranes upon elicitor signaling in tobacco. Mol. Cell. Proteomics. 8, 2186-2198 (2009).
- Minami, A., et al. Alterations in detergent-resistant plasma membrane microdomains in Arabidopsis thaliana during cold acclimation. Plant Cell Physiol. 50, 341-359 (2008).
- Pauly, M., Eberhard, S., Albersheim, P., Darvill, A., York, W. S. Effects of the mur1 mutation on xyloglucans produced by suspension-cultured Arabidopsis thaliana cells. Planta. 214, 67-74 (2001).
- Jouanneau, J. P., Peaud-Lenoel, C. Growth and synthesis of proteins in cell suspensions of a kinetin dependent tobacco. Physiol. Plant. 20, 834-850 (1967).
- Engelsberger, W. R., Erban, A., Kopka, J., Schulze, W. X. Metabolic labeling of plant cell cultures with K15NO3 as a tool for quantitative analysis of proteins and metabolites. Plant Methods. 2, 1-11 (2006).
- Arsova, B., Kierszniowska, S., Schulze, W. X. The use of heavy nitrogen in quantitative proteomics experiments in plants. Trends Plant Sci. 17, 102-112 (2012).
- Rappsilber, J., Ishihama, Y., Mann, M. Stop And Go Extraction tips for matrix-assisted laser desorption/ionization, nanoelectrospray, and LC/MS sample pretreatment in proteomics. Anal. Chem. 75, 663-670 (2003).
- Olsen, J. V., Macek, B. High accuracy mass spectrometry in large-scale analysis of protein phosphorylation. Methods Mol. Biol. 492, 131-142 (2009).
- Schroeder, M. J., Shabanowitz, J., Schwartz, J. C., Hunt, D. F., Coon, J. J. A neutral loss activation method for improved phosphopeptide sequence analysis by quadrupole ion trap mass spectrometry. Anal. Chem. 76, 3590-3598 (2004).
- Frese, C. K., et al. Improved peptide identification by targeted fragmentation using CID, HCD and ETD on an LTQ-Orbitrap Velos. Journal of Protrome Research. 10, 2377-2388 (2011).
- van Breukelen, B., vanden Toorn, H. W., Drugan, M. M., Heck, A. J. StatQuant: a post-quantification analysis toolbox for improving quantitative mass spectrometry. Bioinformatics. 25, 1472-1473 (2009).
- Zauber, H., Schulze, W. X. Proteomics wants cRacker: Automated standardized data analysis of LC/MS derived proteomic data. J. Proteome Res. 11, 5548-5555 (2012).
- Raffaele, S., Mongrand, S., Gamas, P., Niebel, A., Ott, T. Genome-wide annotation of remorins, a plant-specific protein family: Evolutionary and functional perspectives. Plant Physiol. 145, 593-600 (2007).
- Shah, M. B., Sehgal, P. B. Nondetergent isolation of rafts. Methods Mol. Biol. 398, 21-28 (2007).
- Persaud-Sawin, D. -. A., Lightcap, S., Harry, G. J. Isolation of rafts from mouse brain tissue by a detergent-free method. Journal of Lipid Research. 50, 759-767 (2009).
- Macdonald, L. J., Pike, L. J. A simplified method for the preparation of detergent-free lipid rafts. Journal of Lipid Research. 46, 1061-1067 (2005).
- Mühlhaus, T., Weiss, J., Hemme, D., Sommer, F., Schroda, M. Quantitative shotgun proteomics using a uniform 15N-labeled standard to monitor proteome dynamics in time course experiments reveals new insights into the heat stress response of Chlamydomonas reinhardtii. Mol. Cell. Proteomics. 10, M110.004739 (2011).
- Schulze, W., Usadel, B. Quantitation in mass-spectrometry-based proteomics. Annu. Rev. Plant Biol. 61, 491-516 (2010).
- Foster, L. J., de Hoog, C., Mann, M. Unbiased quantiative proteomics of lipid rafts reveales high specificity for signaling factors. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 100, 5813-5818 (2003).
- Lilley, K. S., Dupree, P. Plant organelle proteomics. Curr. Opin. Plant Biol. 10, 594-599 (2007).
- Sadowski, P. G., Groen, A. J., Dupree, P., Lilley, K. S. Sub-cellular localization of membrane proteins. Proteomics. 8, 3991-4011 (2008).
