סינתזה וקביעת מבנה ממוצע-Conotoxin Isomers PIIIA עם Connectivities דיסולפידי שונים
Summary
ציסטאין עתירי פפטידים מקפלים לתוך מבנים תלת מימדיים נפרדות בהתאם שלהם קישוריות דיסולפידי. יישוב סינתזה של isomers דיסולפידי הפרט נדרש כאשר מאגר חמצון לא תוביל קישוריות דיסולפידי הרצוי. הפרוטוקול עוסק הסינתזה סלקטיבי של פפטידים 3 דיסולפידי-בונדד וניתוח מבניים שלהם באמצעות מחקרים NMR ו- MS/MS.
Abstract
פפטידים עם מספר גבוה של cysteines בדרך כלל מושפעים באשר למבנה התלת ממדי שלהם קישוריות דיסולפידי. זה ולכן חשוב מאוד להימנע מיצירת קשר דיסולפידי רצויה במהלך סינתזה פפטיד, כי זה עלול לגרום במבנה פפטיד שונה לחלוטין, וכתוצאה מכך משתנה bioactivity. אולם, היווצרות חוב דיסולפידי מרובים בפפטיד הנכון הוא קשה להשיג באמצעות שיטות עצמית מתקפלים סטנדרטיים כגון פרוטוקולים חימצון מאגר המקובלת, כי יכול להיווצר מספר connectivities דיסולפידי. פרוטוקול זה מייצג את אסטרטגיית מתקדם הדרושים לסינתזה יישוב של פפטידים גשר דיסולפידי מרובות אשר לא יכול להיות מסונתז באמצעות חימצון מאגר איכותי, כמותי. המחקר מדגים היישום של אסטרטגיה ברורה קבוצה שיגן על הסינתזה של כל פפטיד 3 דיסולפידי-בונדד אפשרי isomers של ממוצע-conotoxin PIIIA באופן ממוקד. פפטידים מוכנות על ידי באמצעות אסטרטגיה קבוצה מגן על היווצרות קשר דיסולפידי מוגדר סינתזה פפטיד מבוססי Fmoc מעבדתי. זוגות בהתאמה של cysteines מוגנים עם trityl (Trt), acetamidomethyl (Acm) טרט-בוטיל (tBu) הגנה על קבוצות כדי לוודא כי במהלך כל שלב חמצון רק הנדרשת cysteines deprotected הינם מקושרים. בנוסף הסינתזה יישוב, שילוב של מספר שיטות אנליטיות משמש כדי להבהיר את מתקפלות הנכונה ואת הדור של המבנים פפטיד הרצוי. ההשוואה של isomers שונים 3-דיסולפידי-בונדד מציין את החשיבות של נחישות מדויק והידע של קישוריות דיסולפידי עבור החישוב של מבנה תלת מימדי, פרשנות של הביולוגי פעילות של isomers פפטיד. אפיון אנליטיים כולל הבהרה קשר דיסולפידי המדויק באמצעות ספקטרומטר מסה (MS/MS) טנדם ניתוח שבו מבוצע עם נגזרות חלקית מופחתת ו alkylated של איזומר פפטיד שלם המיוצר על ידי פרוטוקול מותאם. יתר על כן, המבנים פפטיד נקבעים באמצעות תהודה מגנטית גרעינית (NMR) 2D ניסויים ואת הידע המתקבל ניתוח MS/MS.
Introduction
השימוש של פפטידים ביו התרופות במחקר ופיתוח מוכרת מאוד, משום שהם מייצגים תרכובת סלקטיבי מאוד חזק עבור מטרות ביולוגיות מוגדרות1. עבור אתריים שלהם, למבנה התלת ממדי זאת, חשיבות רבה על מנת לבצע פעילות מבנה היחסים מחקרים2,3,4. מלבד רצף חומצת אמינו העיקרי המשפיע על קונפורמציה הכוללת, חוב דיסולפידי משמעותית לייצוב המבנה של ציסטאין עתירי פפטידים5. פפטידים גשר דיסולפידי מרובים כוללים conotoxins כגון ממוצע-PIIIA מ פורפורסנס אשר מכיל שישה cysteines ברצף שלה. תוכן ציסטאין גבוהה זה באופן תיאורטי מאפשרת היווצרות של 15 isomers דיסולפידי. קישוריות דיסולפידי נכונה חשוב מאוד פעילות ביולוגית6,7. עם זאת, השאלה שעולה היא האם יש אחד או יותר קונפורמציה ביו פפטידים המתרחשים באופן טבעי, אם אז, אשר של isomers האלה יש הפעילות הביולוגית הגבוהה ביותר? במקרה של ממוצע-conotoxins, מטרות ביולוגיות הן תעלות יונים ממותגת מתח נתרן, ממוצע-PIIIA בפרט הוא החזק ביותר עבור סוגיV1.2, נה נהV1.4 ו- NaV1.73.
הסינתזה של פפטידים גשר דיסולפידי יכולה להיות מושגת באמצעות שיטות שונות. השיטה הנוחה ביותר להיווצרות חוב דיסולפידי בתוך פפטיד היא הגישה כביכול על עצמי מתקפלים חמצוני. כאן, מבשר ליניארי של פפטיד מחזורית הרצוי הוא מסונתז הראשון באמצעות פפטיד מוצק-שלב הסינתזה, לאחר המחשוף מתמיכה פולימריים נתון חמצון במערכת מאגר. חמצון-חיזור-פעיל סוכני כגון גלוטתיון מופחתת ו מחמצנים (GSH/GSSG) מתווספים לעיתים קרובות כדי לקדם את היווצרות חוב דיסולפידי. החיסרון העיקרי של הנתמך על-ידי מאגר קיפול עצמית היא כי הקשרים דיסולפידי לא נוצרות באופן סלקטיבי stepwise אופנה. בהשוואה של פפטיד מקורית, אשר לעיתים קרובות איזומר אחד בלבד דיסולפידי ספציפי מתואר, זה אפשרי להשיג רבים isomers אחרים עם גישה זו8. ממוצע-PIIIA כבר הוכח לגרום לפחות שלושה isomers באופן שונה מקופל על עצמי מתקפל לתוך המחקר הקודם3. הפרדת תערובת איזומר כזה קשה למדי בשל פעמים השמירה דומה אם באמצעות שיטות טיהור כרומטוגרפי9. הסינתזה יישוב של איזומר ספציפי לכן יתרון. כדי לייצר באופן ספציפי שאיזומר עם קישוריות דיסולפידי מוגדרים, אסטרטגיה מיוחד נדרש אשר דיסולפידי איגרות החוב במרוכז סגורים. לכן, מבשר ליניארי נושאת קבוצות להגן על זוגות בודדים ציסטאין הוא מסונתז על התמיכה פולימר. לאחר חיסול, זוגות ציסטאין בנפרד ולא במרוכז deprotected הינם מקושרים ב תגובה חמצון להניב את הרצוי דיסולפידי אג ח10,11,12,13, 14 , 15 , 16. לאחר הסינתזה הטיהור של המוצר התגובה, נדרש לאשר את הזהות וקישוריות דיסולפידי לפי שיטות אנליטיות מתאימים. שיטות אנליטיות רבות זמינות עבור הבהרה של הרצף חומצת אמינו העיקרי, למשל., MS/MS, בעוד הקביעה של קישוריות דיסולפידי עדיין נשאר הרבה פחות ובדוקים. מלבד למורכבות כה מרובים בונדד דיסולפידי פפטידים, זיהומים הקשור למוצר (למשל., מ דיסולפידי ערבול), עקב מדגם והכנה לעבודה יכול לסבך עוד יותר את ניתוח. בנייר זה, אנו מראים כי השימוש בשילוב של טכניקות אנליטיות שונות הכרחי להבהיר באופן חד משמעי את זהותו של הקשרים דיסולפידי ב isomers ממוצע-PIIIA. יש בשילוב שיטות כרומטוגרפיות ספקטרומטר מסה ואנו מסופקים הדגימות באותו כדי NMR ספקטרוסקופיה. ב- desorption/ionization(MALDI) לייזר בסיוע מטריקס ניתוח MS/MS, זיהינו את האיגרות דיסולפידי באמצעות הפחתה חלקית של iodoacetamide derivatization כי ניתוח מלמעלה אינה אפשרית עבור פפטיד זה. 2D NMR הניסויים בוצעו על מנת לקבל מבנה תלת ממדי של כל איזומר. לפיכך, על ידי שילוב של שיטות אנליטיות מתוחכמים ברורים, אפשרי להבהיר כראוי קישוריות דיסולפידי ואת מבנה תלת ממדי של קומפלקס פפטידים בונדד דיסולפידי מספר7.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטת המתוארים בזאת לסינתזה של ציסטאין עתירי פפטידים כגון ממוצע-PIIIA מייצג אפשרות לייצר באופן סלקטיבי בונדד דיסולפידי isomers של אותו רצף חומצות אמיניות. לכן, הוקמה שיטות כמו מוצק מבוססי Fmoc שלב הסינתזה פפטיד18 , אסטרטגיה מוגדרת קבוצה שיגן על היווצרות regioselective דיסולפידי חוב היו בשימו…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנחנו רוצים להודות Resemann א פ י מאייר, ד Suckau של ברוקר Daltonics GmbH ברמן; ד ההרחבה של טיצה, ההרחבה של טיצה א א, Schmidts ו’, ג למפשעה מאוניברסיטת דרמסטאדט של טכנולוגיה; O. Ohlenschläger מ יינה כאשר שגיא, Engeser מ מ באוניברסיטת בון; ק’ קרמר, Harzen א ו ה Nakagami של מכון מקס פלנק למחקר גידול הצמח, קלן; Susanne Neupert ממכון זואולוגיה, קלן; למערכות ביולוגיות תהודה מגנטית ספקטרוסקופיה במתקני באוניברסיטת פרנקפורט טכנית, תמיכה, הדרכה מודולים, וגישה מכשירים. תמיכה כספית מאת באוניברסיטת בון כדי ד הוא הודה בהכרת תודה.
Materials
| Fmoc Rink amide resin | Novabiochem | 855001 | |
| Pyr(Boc) | Bachem | A-3850 | |
| Arg(Pbf) | Iris Biotech | FSC1010 | |
| Asn(Trt) | Bachem | B-1785 | |
| Asp(tBu) | Iris Biotech | FSP1020 | |
| Hyp(tBu) | Iris Biotech | FAA1627 | |
| Lys(Boc) | Bachem | B-1080 | |
| Ser(tBu) | Iris Biotech | FSC1190 | |
| Gln(Trt) | Iris Biotech | FSC1043 | |
| Glu(tBu) | Iris Biotech | FSP1045 | |
| Trp(Boc) | Iris Biotech | FSC1225 | |
| Tyr(tBu) | Sigma Aldrich | 47623 | |
| Thr(tBu) | Iris Biotech | FSP1210 | |
| His(Trt) | Iris Biotech | FDP1200 | |
| 2-(1H-Benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3-tetramethyluroniumhexafluorphosphat | Sigma Aldrich | 8510060 | Flammable |
| DMF | Fisher Scientific | D119 | Flammable, Toxic |
| DCM | Fisher Scientific | D37 | Carcinogenic |
| Piperidine | Alfa Aesar | A12442 | Flammable, Toxic, Corrosive |
| N-Methyl-Morpholin | Sigma Aldrich | 224286 | |
| Cys(Acm) | Iris Biotech | FAA1506 | |
| Cys(Trt) | Bachem | E-2495 | |
| Cys(tBu) | Bachem | B-1220 | |
| trifluoruacetic acid | Sigma Aldrich | 74564 | Toxic, Corrosive |
| phenol | Merck | 1002060 | Toxic |
| thioanisol | Alfa Aesar | A14846 | |
| ethanedithiol | Fluka Analytical | 2390 | |
| diethyl ether | VWR | 100,921 | Flammable |
| tert-butanol | Alfa Aesar | L12338 | Flammable |
| acetonitrile | Fisher Scientific | A998 | Flammable |
| water | Fisher Scientific | W5 | |
| isopropanol | VWR | ACRO42383 | Flammable |
| sodium hydroxide | AppliChem | A6579,1000 | Corrosive |
| iodoacetamide | Sigma Aldrich | I6125 | |
| iodine | Sigma Aldrich | I0385 | |
| Hydrochloric acid | Merck | 110165 | Corrosive |
| ascorbic acid | Sigma Aldrich | A4403 | |
| diphenylsulfoxide | Sigma Aldrich | P35405 | |
| anisol | Sigma Aldrich | 96109 | Flammable |
| trichloromethylsilane | Sigma Aldrich | M85301 | Flammable |
| sample dilution buffer | Laborservice Onken | ||
| sodium dihydrogen phosphate | Sigma Aldrich | 106370 | |
| disodium hydrogen phosphate | Sigma Aldrich | 795410 | |
| (2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride | Sigma Aldrich | C4706 | |
| citric acid | Sigma Aldrich | 251275 | |
| sodium citrate dihydrate | Sigma Aldrich | W302600 | |
| tris-acetate | Carl Roth, | 7125 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma Aldrich | E26282 | |
| peptide calibration standard II | Bruker Daltonics GmbH | 8222570 | |
| Name of Equipment | Company | ||
| solid-phase peptide synthesizer | Intavis Bioanalytical Instruments AG | EPS 221 | |
| lyophilizer | Martin Christ GmbH | Alpha 1-2 Ldplus | |
| semipreparative HPLC | Jasco | system PV-987 | |
| Eurospher 100 C18 column (RP, 5 µm particle size, 100 Å pore size, 250 x 32 mm) | Knauer | 25QE181E2J | purification of the linear peptide |
| Vydac 218TP1022 column (RP C18, 10 µm particle size, 300 Å pore size, 250 x 22 mm) | Hichrom-VWR | HICH218TP1022 | purification of the oxidized peptide |
| analytical HPLC | Shimadzu | system LC-20AD | |
| Vydac 218TP54 column (C18 RP, 5 µm particle size, 300 Å pore size, 250 x 4.6 mm) | Hichrom-VWR | HICH218TP54 | analytical column |
| ground steel target (MTP 384) | Bruker Daltonics GmbH | NC0910436 | MALDI preparation |
| C18-concentration filter (ZipTip) | Merck KGaA | ZTC18S096 | MALDI preparation |
| MALDI mass spectrometer | Bruker Daltonics GmbH | ultraflex III TOF/TOF | |
| amino acid analyzer | Eppendorf-Biotronik GmbH | LC 3000 system | |
| NMR spectrometer Bruker Avance III | Bruker Daltonics GmbH | Bruker Avance III 600 MHz | |
| computer program for molecular visualising | YASARA Biosciences GmbH | Yasara structures | NMR structure calculation |
| computer program for MALDI data evaluation | Bruker Daltonics GmbH | flexAnalysis, BioTools | MS/MS fragmentation |
| analog vortex mixer | VWR | VM 3000 | |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5410 | |
| Centrifuge | Hettich | EBA 20 | |
| Rotational vacuum concentrator | Christ | 2-18 Cdplus | |
| Analytical Balance | A&D Instruments | GR-202-EC |
References
- Fosgerau, K., Hoffmann, T. Peptide therapeutics: Current status and future directions. Drug Discovery Today. 20 (1), 122-128 (2015).
- Gongora-Benítez, M., Tulla-Puche, J., Albericio, F. Multifaceted roles of disulfide bonds. peptides as therapeutics. Chemical Reviews. 114 (2), 901-926 (2014).
- Tietze, A. A., et al. Structurally diverse µ-conotoxin PIIIA isomers block sodium channel NaV1.4. Angewandte Chemie – International Edition. 51 (17), 4058-4061 (2012).
- Carstens, B. B., et al. Structure-Activity Studies of Cysteine-Rich α-Conotoxins that Inhibit High-Voltage-Activated Calcium Channels via GABABReceptor Activation Reveal a Minimal Functional Motif. Angewandte Chemie – International Edition. 55 (15), 4692-4696 (2016).
- Zhang, Y., Schulten, K., Gruebele, M., Bansal, P. S., Wilson, D., Daly, N. L. Disulfide bridges: Bringing together frustrated structure in a bioactive peptide. Biophysical Journal. 110 (8), 1744-1752 (2016).
- Nielsen, K. J., et al. Solution structure of µ-conotoxin PIIIA, a preferential inhibitor of persistent tetrodotoxin-sensitive sodium channels. Journal of Biological Chemistry. 277 (30), 27247-27255 (2002).
- Heimer, P., et al. Conformational µ-Conotoxin PIIIA Isomers Revisited: Impact of Cysteine Pairing on Disulfide-Bond Assignment and Structure Elucidation. Analytical Chemistry. 90 (5), 3321-3327 (2018).
- Chang, J. Y. Diverse pathways of oxidative folding of disulfide proteins: Underlying causes and folding models. Biochimie. 50 (17), 3414-3431 (2011).
- Böhm, M., et al. Novel insights into structure and function of factor XIIIa-inhibitor tridegin. Journal of Medicinal Chemistry. 57 (24), 10355-10365 (2014).
- Postma, T. M., Albericio, F. Disulfide Formation Strategies in Peptide Synthesis. European Journal of Organic Chemistry. 2014 (17), 3519-3530 (2014).
- Albericio, F., Isidro-llobet, A., Mercedes, A. Amino Acid-Protecting Groups. Chemical Reviews. 109 (6), 2455-2504 (2009).
- Annis, I., Hargittai, B., Barany, G. Disulfide bond formation in peptides. Methods in Enzymology. 289 (1988), 198-221 (1997).
- Kamber, B., et al. The Synthesis of Cystine Peptides by Iodine Oxidation of S-Trityl-cysteine and S-Acetamidomethyl-cysteine Peptides. Helvetica Chimica Acta. 63 (4), 899-915 (1980).
- Bosch, D. E., Zielinski, T., Lowery, R. G., Siderovski, D. P. Evaluating Modulators of Regulator of G-Protein Signaling (RGS) Proteins. Current Protocols in Pharmacology. 56 (2.8), 1-15 (2012).
- Mochizuki, M., Tsuda, S., Tanimura, K., Nishiuchi, Y. Regioselective formation of multiple disulfide bonds with the aid of postsynthetic S-tritylation. Organic Letters. 17 (9), 2202-2205 (2015).
- Peigneur, S., et al. δ-conotoxins synthesized using an acid-cleavable solubility tag approach reveal key structural determinants for NaV subtype selectivity. Journal of Biological Chemistry. 289 (51), 35341-35350 (2014).
- Heimer, P., et al. Application of Room-Temperature Aprotic and Protic Ionic Liquids for Oxidative Folding of Cysteine-Rich Peptides. ChemBioChem. 15 (18), 2754-2765 (2014).
- Kates, S. A., Albericio, F. . Solid-Phase Synthesis: A Practical Guide. , (2000).
- Wüthrich, K. NMR studies of structure and function of biological macromolecules (Nobel lecture). Angewandte Chemie – International Edition. 42 (29), 3340-3363 (2003).
