Harzgestützte Erfassung in Verbindung mit isobarer Tandem-Massenmarkierung für eine multiplexige Quantifizierung der Proteinthioloxidation

Summary

Die Proteinthioloxidation hat unter normalen physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen erhebliche Auswirkungen. Wir beschreiben die Details einer quantitativen Redox-Proteomik-Methode, die harzgestützten Einfang, isobare Markierung und Massenspektrometrie verwendet, um eine ortsspezifische Identifizierung und Quantifizierung von reversibel oxidierten Cysteinresten von Proteinen zu ermöglichen.

Abstract

Reversible oxidative Modifikationen an Proteinthiolen haben sich kürzlich als wichtige Mediatoren der Zellfunktion herausgestellt. Hierin beschreiben wir das detaillierte Verfahren einer quantitativen Redox-Proteomik-Methode, die harzgestützten Einfang (RAC) in Kombination mit isobarer Tandem-Massenmarkierung (TMT) und Flüssigkeitschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS / MS) verwendet, um eine gemultiplexte stöchiometrische Quantifizierung oxidierter Proteinthiole auf Proteomebene zu ermöglichen. Die standortspezifischen quantitativen Informationen zu oxidierten Cysteinresten liefern zusätzliche Einblicke in die funktionellen Auswirkungen solcher Modifikationen.

Der Arbeitsablauf kann an viele Probentypen angepasst werden, einschließlich kultivierter Zellen (z. B. Säugetierzellen, Prokaryoten) und ganzer Gewebe (z. B. Herz, Lunge, Muskel), die zunächst lysiert/homogenisiert und mit freien Thiolen alkyliert werden, um eine künstliche Oxidation zu verhindern. Die oxidierten Proteinthiole werden dann reduziert und von einem Thiol-Affinitätsharz erfasst, das die Arbeitsschritte rationalisiert und vereinfacht, indem die fortschreitenden Verdauungs-, Markierungs- und Waschvorgänge ohne zusätzlichen Transfer von Proteinen / Peptiden durchgeführt werden können. Schließlich werden die markierten Peptide eluiert und mittels LC-MS/MS analysiert, um umfassende stöchiometrische Veränderungen im Zusammenhang mit der Thioloxidation über das gesamte Proteom aufzudecken. Diese Methode verbessert das Verständnis der Rolle der redoxabhängigen Regulation unter physiologischen und pathophysiologischen Zuständen im Zusammenhang mit der Proteinthioloxidation erheblich.

Introduction

Unter homöostatischen Bedingungen erzeugen Zellen reaktive Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefelspezies, die dazu beitragen, Prozesse wie Stoffwechsel und Signalübertragung ^1,2,3 zu erleichtern^, die sich sowohl auf Prokaryoten als auch auf Eukaryoten erstrecken. Die physiologischen Ebenen dieser reaktiven Spezies sind für die ordnungsgemäße Zellfunktion notwendig, auch bekannt als “Eustress”^1,4. Im Gegensatz dazu kann ein Anstieg der Oxidationsmittel, der zu einem Ungleichgewicht zwischen Oxidationsmitteln und Antioxidantien führt, oxidativen Stress oder “Distress”¹ verursachen, der zu Zellschäden führt. Oxidantien leiten Signale an biologische Signalwege weiter, indem sie verschiedene Biomoleküle modifizieren, einschließlich Protein, DNA, RNA und Lipide. Insbesondere Cysteinreste von Proteinen sind hochreaktive Stellen, die aufgrund der Thiolgruppe auf Cystein, die gegenüber verschiedenen Arten von Oxidationsmitteln reaktiv ist, oxidationsanfällig sind⁵. Dies führt zu einer Vielzahl von reversiblen redoxbasierten posttranslationalen Modifikationen (PTMs) für Cystein, einschließlich Nitrosylierung (SNO), Glutathionylierung (SSG), Sulfenylierung (SOH), Persulfidierung (SSH), Polysulfidierung (SS_nH), Acylierung und Disulfiden. Irreversible Formen der Cysteinoxidation umfassen Sulfinylierung (SO₂H) und Sulfonylierung (SO₃H).

Reversible oxidative Modifikationen von Cysteinresten können eine schützende Rolle spielen, die eine weitere irreversible Oxidation verhindert, oder als Signalmoleküle für nachgeschaltete zelluläre Signalwege dienen ^6,7. Die Reversibilität einiger Thiol-Redox-PTMs ermöglicht es Cysteinstellen, als “Redoxschalter”^8,9 zu fungieren^, wobei Änderungen im Redoxzustand dieser Stellen die Proteinfunktion verändern, um ihre Rolle in transienten Prozessen zu regulieren. Die modulatorischen Wirkungen von Redox-PTMs 10 wurden in vielen Aspekten der Proteinfunktion 11 beobachtet, einschließlich Katalyse 12, Protein-Protein-Interaktionen¹³, Konformationsänderung¹⁴, Metallionenkoordination 15 oder pharmakologische Inhibitorbindung ¹⁶. Darüber hinaus sind Redox-PTMs an Cysteinstellen von Proteinen beteiligt, die Wege wie Transkription 17, Translation¹⁸ oder Stoffwechsel¹⁹ regulieren. Angesichts des Einflusses, den Redox-PTMs auf die Proteinfunktion und biologische Prozesse haben, ist es wichtig, das Ausmaß der Oxidation zu quantifizieren, das eine Cysteinstelle als Reaktion auf eine Störung des Redoxzustands erfährt.

Die Identifizierung von Cysteinstellen mit veränderten Redoxzuständen konzentriert sich auf den Vergleich der Oxidationsstufe auf der standortspezifischen Ebene zwischen normalen und gestörten Bedingungen. Faltenänderungsmessungen werden häufig verwendet, um festzustellen, welche Stellen signifikant verändert sind, da dies den Benutzern hilft, zu interpretieren, welche Cysteinstellen für die Studie physiologisch bedeutsam sein können. Alternativ liefern stöchiometrische Messungen der reversiblen Thioloxidation über einen bestimmten Probentyp hinweg ein allgemeines Bild des physiologischen Zustands in Bezug auf die zelluläre Oxidation, eine wichtige Messung, die oft übersehen und nicht ausreichend genutzt wird. Die Modifikationsstöchiometrie basiert auf der Quantifizierung des Prozentsatzes des modifizierten Thiols im Verhältnis zum Gesamtproteinthiol (modifiziert und unmodifiziert)^20,21. Infolgedessen bieten stöchiometrische Messungen eine präzisere Messung als Faltenänderungen, insbesondere bei Verwendung der Massenspektrometrie. Die Bedeutung der Zunahme der Oxidation kann leichter durch die Stöchiometrie ermittelt werden, um die PTM-Belegung einer bestimmten Cysteinstelle zu bestimmen. Zum Beispiel könnte ein 3-facher Anstieg der Thioloxidation aus einem Übergang von nur 1% zu 3% oder so groß wie 30% zu 90% resultieren. Eine 3-fache Erhöhung der Oxidation für eine Stelle, die nur bei 1% Belegung ist, kann wenig Einfluss auf die Funktion eines Proteins haben; Eine 3-fache Erhöhung für einen Standort mit 30% Belegung im Ruhezustand kann jedoch stärker betroffen sein. Stöchiometrische Messungen, wenn sie zwischen insgesamt oxidierten Thiolen und spezifischen oxidativen Modifikationen, einschließlich Proteinglutathionylierung (SSG) und Nitrosylierung (SNO), durchgeführt werden, können Verhältnisse und quantitative Informationen in Bezug auf bestimmte Modifikationstypen aufdecken.

Da die reversible Thioloxidation typischerweise eine posttranslationale Modifikation mit geringer Häufigkeit ist, wurden mehrere Ansätze für die Anreicherung von Proteinen entwickelt, die diese Modifikationen aus biologischen Proben enthalten. Ein früher Ansatz, der von Jaffrey und anderen entwickelt wurde und als Biotin-Switch-Technik (BST)²² bezeichnet wird, umfasst mehrere Schritte, bei denen unmodifizierte Thiole durch Alkylierung blockiert werden, reversibel modifizierte Thiole zu entstehenden freien Thiolen reduziert werden, naszierende freie Thiole mit Biotin markiert werden und die markierten Proteine durch Streptavidin-Affinitätspulldown angereichert werden. Diese Technik wurde in vielen Studien verwendet, um SNO und SSG zu profilieren und kann angepasst werden, um andere Formen der reversiblen Thioloxidation^23,24 zu untersuchen. Während BST verwendet wurde, um verschiedene Formen der reversiblen Thioloxidation zu untersuchen, besteht ein Problem bei diesem Ansatz darin, dass die Anreicherung durch die unspezifische Bindung von unbiotinylierten Proteinen an Streptavidin beeinflusst wird. Ein alternativer Ansatz, der in unserem Labor entwickelt wurde, genannt Resin-assisted capture (RAC)^25,26 (Abbildung 1), umgeht das Problem der Anreicherung von Thiolgruppen über das Biotin-Streptavidin-System.

Nach der Reduktion reversibel oxidierter Thiole werden Proteine mit entstehenden freien Thiolen durch das Thiolaffinitätsharz angereichert, das kovalent freie Thiolgruppen einfängt, was eine spezifischere Anreicherung von Cystein-haltigen Proteinen als BST ermöglicht. Die Kopplung von RAC mit der Multiplexleistung der jüngsten Fortschritte in der isobaren Markierung und Massenspektrometrie schafft einen robusten und empfindlichen Workflow für die Anreicherung, Identifizierung und Quantifizierung reversibel oxidierter Cysteinreste auf proteomweiter Ebene. Jüngste Fortschritte in der Massenspektrometrie haben eine viel tiefere Profilierung des Thiolredoxproteoms ermöglicht und das Verständnis sowohl der Ursache als auch der Wirkung der Proteinthioloxidation verbessert²⁷. Die aus standortspezifischen quantitativen Daten gewonnenen Informationen ermöglichen weitere Studien der mechanistischen Auswirkungen und nachgelagerten Effekte reversibler oxidativer Modifikationen²⁸. Die Verwendung dieses Workflows hat Einblicke in die physiologischen Auswirkungen der reversiblen Cysteinoxidation in Bezug auf normale physiologische Ereignisse wie Alterung gegeben, wobei sich die SSG-Spiegel in Bezug auf das Alter unterschieden. Die Alterungseffekte auf SSG wurden teilweise mit SS-31 (Elamipretid) umgekehrt, einem neuartigen Peptid, das die mitochondriale Funktion verbessert und den SSG-Spiegel bei älteren Mäusen senkt, wodurch sie ein SSG-Profil haben, das jungen Mäusen ähnlicher ist²⁹.

Es wurde gezeigt, dass pathophysiologische Bedingungen, die auf die Exposition von Nanopartikeln zurückzuführen sind, SSG in einem Mausmakrophagenmodell einbeziehen. Unter Verwendung von RAC in Verbindung mit Massenspektrometrie zeigten die Autoren, dass die SSG-Spiegel direkt mit dem Grad des oxidativen Stresses und der Beeinträchtigung der phagozytischen Makrophagenfunktion korrelierten. Die Daten zeigten auch wegspezifische Unterschiede in der Reaktion auf verschiedene technisch hergestellte Nanomaterialien, die unterschiedliche Grade von oxidativem Stress induzieren³⁰. Die Methode hat sich auch bei prokaryotischen Spezies bewährt, wo sie angewendet wurde, um die Auswirkungen von Tageszyklen in photosynthetischen Cyanobakterien in Bezug auf die Thioloxidation zu untersuchen. Es wurden breite Veränderungen in der Thioloxidation über mehrere wichtige biologische Prozesse hinweg beobachtet, einschließlich Elektronentransport, Kohlenstofffixierung und Glykolyse. Darüber hinaus wurde durch orthogonale Validierung bestätigt, dass mehrere wichtige funktionelle Stellen modifiziert wurden, was auf eine regulatorische Rolle dieser oxidativen Modifikationen hindeutet⁶.

Hier beschreiben wir die Details eines standardisierten Workflows (Abbildung 1) und demonstrieren den Nutzen des RAC-Ansatzes für die Anreicherung von insgesamt oxidierten Cysteinthiolen von Proteinen und deren anschließende Markierung und stöchiometrische Quantifizierung. Dieser Workflow wurde in Studien des Redoxzustands in verschiedenen Probentypen implementiert, einschließlich Zellkulturen^27,30 und ganzen Geweben (z. B. Skelettmuskel, Herz, Lunge)29,31,32,33. Obwohl das RAC-Protokoll hier nicht enthalten ist, kann es auch leicht für die Untersuchung spezifischer Formen reversibler Redoxmodifikationen angepasst werden, einschließlich SSG, NSO und S-Acylierung, wie bereits erwähnt^25,29,34.

Protocol

Alle im Protokoll beschriebenen Verfahren in Bezug auf tierische oder menschliche Proben/Gewebe wurden von der Ethikkommission für Human- und Tierforschung genehmigt und folgten den institutionellen Richtlinien. 1. Probenhomogenisierung/-lyse Gefrorene GewebeprobenZerkleinern Sie gefrorenes Gewebe (~ 30 mg) auf einem Glasmikroskopobjektträger auf Trockeneis mit einer vorgekühlten Rasierklinge und einer Pinzette. Das Hackfleisch wird in ein vorgekühltes 5-ml-Polystyrolröh…

Representative Results

Die Fertigstellung des Protokolls wird zu einer hochspezifischen Anreicherung ehemals oxidierter Cystein-haltiger Peptide führen, oft mit >95% Spezifität 27,35,36. Einige Schlüsselschritte des Protokolls erfordern jedoch besondere Aufmerksamkeit, z. B. die anfängliche Blockierung freier Thiole vor der Probenlyse/Homogenisierung, die die künstliche Oxidation und unspezifische Anreicherung künstlich oxidierter Thiole verbiet…

Discussion

Die harzunterstützte Abscheidung wurde in einer Vielzahl von Probentypen und biologischen Systemen zur Untersuchung oxidativer Modifikationen von Cysteinresten^{eingesetzt 25,29,30}. Diese Methode ermöglicht die Auswertung von Proben auf mehreren Ebenen und Auslesen, einschließlich Proteinen und Peptiden mittels SDS-PAGE und Western Blot-Analyse sowie einzelner Cysteinstellen mittels Massenspektrometrie. Unabhängig vom Probenty…

Materials

2-(Pyridyldithio)ethylamine hydrochloride	Med Chem Express	HY-101794	Reagent for in-house resin synthesis
2.0 mL LoBind centrifuge tubes	Eppendorf	22431048
5.0 mL LoBind centrifuge tubes	Eppendorf	30108310
5.0 mL round bottom tubes	Falcon	352054
Acetone	Fisher Scientific	A949-1
Acetonitrile	Sigma Aldrich	34998
Activated Thiol–Sepharose 4B	Sigma Aldrich	T8512	Potential replacement for thiol-affinity resin
Amicon Ultra 0.5 mL centrifugal filter	Millipore Sigma	UFC5010BK
Ammonium bicarbonate	Sigma Aldrich	09830
Bicinchonicic acid (BCA)	Thermo Scientific	23227	Protein Assay Reagent
Centrifuge	Eppendorf	5810R
Centrifuge	Eppendorf	5415R
Dithiothreitol (DTT)	Thermo Scientific	20291
EDTA	Sigma Aldrich	E5134
HEPES buffer	Sigma Aldrich	H4034
Homogenizer	BioSpec Products	985370
Iodoacetimide (IAA)	Sigma Aldrich	I1149
N-ethylmaleimide	Sigma Aldrich	4259
NHS-Activated Sepharose 4 Fast Flow	Cytiva	17-0906-01	Reagent for in-house resin synthesis
QIAvac 24 Plus vacuum manifold	Qiagen	19413
Sodium chloride	Sigma Aldrich	S3014
Sodium dodecyl sulfate (SDS)	Sigma Aldrich	L6026
Sonicator	Branson	1510R-MT
Spin columns	Thermo Scientific	69705
Strata C18-E reverse phase columns	Phenomenex	8B-S001-DAK	Peptide desalting
Thermomixer	Eppendorf	5355
Thiopropyl Sepharose 6B	GE Healthcare	17-0420-01	Thiol-affinity resin; *Production of Thiopropyl Sepharose 6B resin has been discontinued by the manufacturer (see protocol for details).
TMT isobaric labels (16 plex)	Thermo Scientific	A44522	Peptide labeling reagent; available in multiple formats
Triethylammonium bicarbonate buffer (TEAB)	Sigma Aldrich	T7408
Trifluoroacetic acid (TFA)	Sigma Aldrich	T6508
Triton X-100	Sigma Aldrich	T8787
Trypsin	Promega	V5820
Urea	Sigma Aldrich	U5378
Vacufuge Plus speedvac	Eppendorf	22820001	vacuum concentrator
Vortex mixer	Scientific Industries	SI-0236