Espectrometría de masas de intercambio de hidrógeno/deuterio de milisegundos para el estudio de la dinámica estructural de la alfa-sinucleína en condiciones fisiológicas
Summary
El conjunto estructural de la alfa-sinucleína monomérica afecta su función fisiológica y sus propiedades fisicoquímicas. El presente protocolo describe cómo realizar espectrometría de masas de intercambio de hidrógeno/deuterio de milisegundos y análisis de datos posteriores para determinar información conformacional sobre el monómero de esta proteína intrínsecamente desordenada en condiciones fisiológicas.
Abstract
La alfa-sinucleína (aSyn) es una proteína intrínsecamente desordenada cuyos agregados fibrilares son abundantes en los cuerpos de Lewy y las neuritas, que son las características distintivas de la enfermedad de Parkinson. Sin embargo, gran parte de su actividad biológica, así como su agregación, involucra centralmente la forma de monómero soluble de la proteína. La elucidación de los mecanismos moleculares de la biología y fisiopatología de aSyn requiere métodos estructuralmente altamente resueltos y es sensible a las condiciones biológicas. Sus estructuras metaestables desplegadas de forma nativa hacen que el aSyn monomérico sea intratable para muchas técnicas de biología estructural. Aquí, se describe la aplicación de uno de estos enfoques: espectrometría de masas de intercambio de hidrógeno / deuterio (HDX-MS) en la escala de tiempo de milisegundos para el estudio de proteínas con baja estabilidad termodinámica y factores de protección débiles, como aSyn. En la escala de tiempo de milisegundos, los datos de HDX-MS contienen información sobre la accesibilidad al disolvente y la estructura unida al hidrógeno de aSyn, que se pierden en tiempos de etiquetado más largos, lo que en última instancia produce una resolución estructural hasta el nivel de aminoácidos. Por lo tanto, HDX-MS puede proporcionar información a altas resoluciones estructurales y temporales sobre dinámica conformacional y termodinámica, interacciones intra e intermoleculares, y el impacto estructural de mutaciones o alteraciones en las condiciones ambientales. Si bien es ampliamente aplicable, se demuestra cómo adquirir, analizar e interpretar mediciones de HDX-MS de milisegundos en aSyn monomérica.
Introduction
La enfermedad de Parkinson (EP) es una enfermedad neurodegenerativa que afecta a millones de personas en todo el mundo1. Se caracteriza por la formación de inclusiones citoplasmáticas conocidas como cuerpos de Lewy y neuritas de Lewy en la región de la sustancia negra pars compacta del cerebro. Se ha encontrado que estas inclusiones citoplasmáticas contienen agregados de la proteína intrínsecamente desordenada aSyn2. En la EP y otras sinucleinopatías, aSyn se transforma de un estado desordenado soluble en un estado enfermo insoluble y altamente estructurado. En su forma nativa, aSyn monomérico adopta una amplia gama de conformaciones estabilizadas por interacciones electrostáticas de largo alcance entre su N- y C-termini e interacciones hidrofóbicas entre su región C-terminal y el componente beta no amiloide (NAC) 3,4,5,6. Cualquier interrupción en esas interacciones estabilizadoras, como mutaciones, modificaciones post-traduccionales y cambios en el entorno local, puede conducir al plegamiento incorrecto del monómero, desencadenando así el proceso de agregación7.
Si bien existe una gran cantidad de investigación sobre las formas oligomérica y fibrilar de aSyn 8,9,10,11, existe una necesidad crucial de estudiar la forma monomérica de la proteína y comprender mejor qué conformadores son funcionales (y cómo) y cuáles son propensos a agregar 8,9,10,11 . Al ser intrínsecamente desordenado, de solo 14 kDa de tamaño y difícil de cristalizar, el monómero aSyn no es susceptible a la mayoría de las técnicas biológicas estructurales. Sin embargo, una técnica capaz de medir la dinámica conformacional de aSyn monomérico es el HDX-MS de milisegundos, que recientemente ha generado importantes observaciones estructurales que serían desafiantes o imposibles de obtener de otra manera 12,13,14. Millisegundo HDX-MS mide sensiblemente el promedio del conjunto conformacional de proteínas mediante el monitoreo del intercambio isotópico en hidrógenos amida, lo que indica la accesibilidad al solvente y la participación en la red de enlace de hidrógeno de una región proteica particular en la escala de tiempo de milisegundos. Es necesario enfatizar el aspecto de milisegundos del HDX-MS ya que, debido a su naturaleza metaestable y desplegada de forma nativa, aSyn exhibe una cinética de intercambio de hidrógeno muy rápida que se manifiesta muy por debajo del límite inferior de los sistemas HDX-MS convencionales. Por ejemplo, la mayor parte de la molécula aSyn ha intercambiado completamente hidrógeno por deuterio en condiciones intracelulares en menos de 1 s. Varios laboratorios han construido instrumentación de mezcla rápida; en este caso, se utiliza un prototipo de instrumento de flujo de enfriamiento de mezcla rápida capaz de realizar HDX-MS con un tiempo muerto de 50 ms y una resolución temporal de 1 ms15. Si bien HDX-MS de milisegundos ha sido recientemente muy importante en el estudio de aSyn, puede ser valioso para estudiar proteínas / regiones intrínsecamente desordenadas más ampliamente y una gran cantidad de proteínas con asas / regiones que solo son débilmente estables. Por ejemplo, medicamentos peptídicos (por ejemplo, insulina; GLP-1/glucagón; tirzepatida) y las proteínas de fusión peptídica (por ejemplo, el inhibidor del VIH FN3-L35-T1144) son los principales formatos de fármacos en los que la información estructural y de estabilidad en fase de solución puede ser un insumo crítico para las decisiones de desarrollo de fármacos y, sin embargo, la fracción peptídica a menudo solo es débilmente estable e intratable por HDX-MS en la escala de tiempo de segundos 16,17,18,19,20 . Se ha demostrado que los métodos emergentes HDX-MS con etiquetado en los dominios de segundos/minutos derivan información estructural para los G-cuadrúplex de ADN, pero debería ser posible extender esto a estructuras de oligonucleótidos más diversas mediante la aplicación de HDX-MS21 de milisegundos.
Los experimentos hdX-MS se pueden realizar en tres niveles diferentes: (1) de abajo hacia arriba (por lo que la proteína marcada se digiere proteolíticamente), (2) de medio hacia abajo (por lo que la proteína marcada se digiere proteolíticamente y los péptidos resultantes se fragmentan aún más mediante técnicas de fragmentación suave) y (3) de arriba hacia abajo (mediante la cual las técnicas de fragmentación suave fragmentan directamente la proteína marcada)22 . Por lo tanto, los datos submoleculares de HDX-MS nos permiten localizar el comportamiento de intercambio a regiones específicas de una proteína, por lo que es fundamental tener una cobertura de secuencia adecuada para tales experimentos. La resolución estructural de cualquier experimento HDX-MS se basa en el número de péptidos proteolíticos o fragmentos derivados de la proteína en la digestión o la fragmentación suave, respectivamente. En cada uno de los tres tipos de experimentos descritos anteriormente, el cambio en el intercambio de amida en cada péptido / fragmento se mapea de nuevo en la estructura primaria de la proteína para indicar el comportamiento de las regiones localizadas de la proteína. Si bien la resolución estructural más alta se logra a través de la fragmentación suave, la descripción de estos experimentos está fuera del alcance del estudio actual, que se centra en la medición de conformaciones de monómeros aSyn. Se pueden obtener excelentes resultados con el flujo de trabajo “de abajo hacia arriba” comúnmente aplicado que se describe aquí.
Aquí, se proporcionan procedimientos sobre (1) cómo preparar y manejar muestras de aSyn y búferes HDX-MS, (2) cómo realizar el mapeo de péptidos para un experimento HDX-MS de abajo hacia arriba, (3) cómo adquirir datos HDX-MS en aSyn monomérico en condiciones fisiológicas, específicamente en el dominio del tiempo de milisegundos (utilizando un instrumento personalizado; también se han descrito instrumentos alternativos para el etiquetado de milisegundos), y (4) cómo procesar y analizar los datos de HDX-MS. Los métodos que utilizan aSyn monomérico a pH fisiológico (7.40) en dos condiciones de solución se ejemplifican aquí. Si bien son críticamente útiles en el estudio de aSyn, estos procedimientos se pueden aplicar a cualquier proteína y no se limitan a proteínas intrínsecamente desordenadas.
Protocol
Representative Results
Discussion
En el presente artículo, se describen los siguientes procedimientos: (1) realizar experimentos de mapeo de péptidos en aSyn monomérico para obtener la mayor cobertura de secuencia, (2) adquirir datos de HDX-MS de milisegundos en aSyn monomérico en condiciones fisiológicas, y (3) realizar análisis de datos e interpretación de los datos hdX-MS resultantes. Los procedimientos proporcionados son generalmente fáciles de ejecutar, cada experimento de etiquetado generalmente dura solo alrededor de 8 h para tres réplica…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NS está financiado por la Beca Del Jubileo de Diamante del Consejo Universitario. JJP cuenta con el apoyo de una beca UKRI Future Leaders Fellowship [Número de subvención: MR/T02223X/1].
Materials
| 1 × 100 mm ACQUITY BEH 1.7 μm C18 column | Waters Corporation | 186002346 | Analytical column |
| Acetonitrile HPLC grade >99.9% HiPerSolv | VWR | 20060.420 | For LC mobile phases |
| CaCl2 | Sigma Aldrich | C5670 | Salt for HDX buffers |
| Chronos | Axel Semrau (Purchased from Waters Corporation) | 667006090 | Scheduling software to enable multiple HDX-MS sample injections automatically. Alternative software is available from other vendors e.g. HDXDirector or LEAP Shell |
| Deuterium chloride | Goss Scientific (Cambridge Isotope Laboratories) | DLM-2-50 | For HDX labelling buffers |
| Deuterium oxide (99.9% D2O) | Goss Scientific (Cambridge Isotope Laboratories) | DLM-4 | Deuterated water |
| DynamX 3.0 | Waters Corporation | 176016027 | Isotopic assignment and deuterium incorporation calculation |
| Enzymate BEH Pepsin Column | Waters Corporation | 186007233 | Pepsin digestion column |
| Formic Acid, 99.0% LC/MS Grade | Fisher Scientific | 10596814 | For LC mobile phases |
| Guanidinium hydrochloride | Sigma Aldrich | RDD001-500G | Chaotrope/Denaturant |
| HDfleX | University of Exeter | N/A | https://ore.exeter.ac.uk/repository/handle/10871/127982 |
| KCl | Sigma Aldrich | P3911 | Salt for HDX buffers |
| LEAP HDX-2 CTC PAL sampling robot | Waters Corporation | 725000637 | Autosampler robot |
| Leucine enkephalin | Waters Corporation | 186006013 | For mass spectrometry lockspray calibration. |
| MassLynx | Waters Corporation | 667004007 | Software controlling inlet methods and mass spectrometer |
| Maximum recovery vials | Waters Corporation | 600000670CV | 100 pack including caps – used for quench tray in LEAP HDX-2 |
| MgCl2 | Sigma Aldrich | M8266 | Salt for HDX buffers |
| Millipore 0.22 µm syringe filters | Millipore | N9CA7069B | Syringe filters |
| ms2min | Applied Photophysics Ltd | N/A | fast-mix quench-flow millisecond hdx instrument |
| NaCl | Sigma Aldrich | S9888 | Salt for HDX buffers |
| Peltier temperature controller | LEAP Technologies Inc. | HP115-COOL/D | Peltier controller to set precise temperature of chambers in the LEAP robot. |
| ProteinLynx Global Server 3.0 | Waters Corporation | 715001030 | Peptide identification software. Alternative software is available from other vendors. |
| Reagent pot caps | Waters Corporation | 186004632 | 100 pack |
| Reagent pots for LEAP HDX-2 | Waters Corporation | 186001420 | 100 pack excluding caps – used for buffers in LEAP HDX-2 |
| Sodium deuteroxide (99.5% in D2O) | Goss Scientific (Cambridge Isotope Laboratories) | DLM-57 | For HDX labelling buffers |
| Spin filter microcentrifuge tubes (3 kDa MWCO) | Amicon (Merck Sigma Aldrich) | UFC5003 | Micro centrifuge tubes to concentrate protein. This facilitates buffer exchange and accurate sample loading for HDX-MS experiments. |
| Synapt G2-Si mass spectrometer | Waters Corporation | 176850035 | Mass spectrometer |
| Total recovery vials | Waters Corporation | 600000671CV | 100 pack including caps – used for labelling tray in LEAP HDX-2 |
| Tris-HCl | Sigma Aldrich | T3253-250G | Buffer |
| Trizma base | Sigma Aldrich | T60040-B2005 | Buffer |
| Urea | Sigma Aldrich | U5378-1KG | Chaotrope/Denaturant |
| VanGuard 2.1 x 5 mm ACQUITY BEH C18 column | Waters Corporation | 186004623 | Trap desalting column |
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