Summary

Kvantitativ analyse af kromatin Proteomes i Disease

Published: December 28, 2012
doi:

Summary

Fremskridt inden massespektrometri har tilladt high throughput analyse af proteinekspression og ændringen i en lang række væv. Kombineret med subcellulær fraktionering og sygdomsmodeller, kvantitativ massespektrometri og bioinformatik kan afsløre nye egenskaber i biologiske systemer. Fremgangsmåden beskrevet heri analyseres chromatin-associerede proteiner i tilfælde af hjertesygdomme og let anvendes til andre<em> In vivo</em> Modeller af sygdomme hos mennesker.

Abstract

I kernen bor de proteomes hvis funktioner er mest tæt knyttet til genregulering. Voksent pattedyr cardiomyocyte kerner er unik på grund af den høje procentdel af binucleated celler, 1 den overvejende heterochromatic tilstand af DNA'et, og den ikke-delende art cardiomyocyte som gør voksne kerner i en permanent tilstand af interfase. 2 Transkriptionel regulering under udvikling og sygdom er blevet godt undersøgt i dette organ, 3-5, men hvad forbliver relativt uudforsket, er den rolle, som de nukleare proteiner, der er ansvarlige for DNA emballage og udtryk, og hvordan disse proteiner styre ændringer i transkriptionelle programmer, der opstår under sygdom. 6 I den udviklede verden, hjertesygdom er den største årsag til dødelighed for både mænd og kvinder. 7 indsigt i, hvordan kerneproteiner samarbejder om at regulere udviklingen af denne sygdom er afgørende for at fremme den nuværende behandling oULIGHEDER.

Massespektrometri er det ideelle redskab til at løse disse spørgsmål, da det giver mulighed for en fordomsfri annotation af det nukleare proteomanalyse og relativ kvantificering for hvordan overflod af disse proteiner ændringer med sygdom. Mens der har været flere proteom undersøgelser for mammale nukleare proteinkomplekser, 8-13 indtil for nylig 14 har der kun været én undersøgelse undersøger hjertets nukleare proteom, og den fandt hele kerne, snarere end at udforske proteomet på niveau med nukleare sub rum . 15. I stor del, dette arbejdsmangel skyldes vanskeligheden ved at isolere hjerte kerner. Cardiac kerner forekommer inden for et stift og tæt actin-myosin apparatur, hvortil de er forbundet via flere udvidelser fra det endoplasmatiske reticulum, i det omfang, myocyt sammentrækning ændrer deres samlede form. Seksten Derudover kardiomyocytter er 40% mitokondrier vol. 17, som necessitaTES berigelse af kernen bortset fra de andre organeller. Her beskriver vi en protokol for hjerte-nukleare berigelse og yderligere fraktionering i biologisk relevante rum. Endvidere har vi detalje metoder til label-fri kvantitativ massespektrometrisk dissektion af disse fraktioner-teknikker modtagelige for in vivo eksperimenter i forskellige dyremodeller og organsystemer hvor metabolisk mærkning ikke er mulig.

Protocol

Den eksperimentelle workflow indeholder syv store trin (figur 1). For ethvert arbejde, der involverer prøver, der vil blive kørt på massespektrometer, bør eksperimentatoren bære en laboratoriekittel, handsker og hårnet og sørge for at undgå forurening fra støv og personlig udgydelse af keratin. 1. Heart Homogenisering og nuklear Isolation Mus hjerter homogeniseres og et intakt kerner pelleten isoleret (fig. 2). <li…

Representative Results

Figur 4 fremhæver nytten af denne form for relativ kvantificering. Vises i venstre panel er de enkelte monoisotopic peptidtoppe (overlejret fra forskellige mus), som er blevet udpeget som hørende til proteinet HMGB1 (identificeret via databasesøgning). Hver top, hovedsagelig en ekstraherede ion chromatograf for den givne peptid, kommer fra en anden mus. Grupperne repræsenterer tre forskellige fysiologiske tilstande: basal, hjertehypertrofi og hjertesvigt, med tre biologiske replikater for hver grupp…

Discussion

To primære fremgangsmåder til nuklear isolation er gennemgået tidligere: 27 ene er den Behrens teknik homogenisering lyofiliseret væv i et ikke-vandigt opløsningsmiddel, og den anden, en modifikation, som vi bruger her, for at homogenisere vævet i en vandig saccharose / saltopløsning efterfulgt ved differentiel eller densitet-gradientcentrifugering.

Subfraktionering af kernerne ved syreekstraktion på vævsprøver er et vigtigt redskab til undersøgelse af kromatin, som har…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Den Vondriska lab er støttet af tilskud fra National Heart, Lung og Blood Institute of NIH og Laubisch Endowment på UCLA. EM er modtager af Jennifer S. Buchwald Graduate Fellowship i fysiologi ved UCLA, HC er modtageren af ​​en American Heart Association Pre-ph.d Fellowship, MP er modtageren af ​​en NIH Ruth Kirschstein Post-ph.d. stipendium, og SF er modtageren af en NIH K99 Award.

Materials

Name of the reagent Company Catalogue number
Dulbeco Modified Eagle Medium Invitrogen 11965
Protease pellet Roche 04 693 159 001
100 μm strainer BD Falcon 352360
Ultracut ultramicrotome Reichert  
100CX Transmission Electron
Microscope
JEOL USA, Inc.  
Oriole BioRad 161-0496
Histone H2A antibody Santa Cruz sc-8648
Nucleoporin p62 antibody BD Biosciences 610498
Adenine nucleotide transporter antibody Santa Cruz sc-9299
BiP antibody Santa Cruz sc-1050
Tubulin antibody Sigma T1568
Histone H3 antibody Abcam ab1791
Fibrillarin antibody Cell Signaling C12C3
SNRP70 antibody Abcam ab51266
E2F-1 antibody Thermo Fisher MS-879
Retinoblastoma antibody BD Biosciences 554136
Hypoxia inducible factor-1 antibody Novus Biologicals NB100-469
BCA protein assay Thermo Scientific 23227
Reverse phase column New Objective PFC7515-B14-10
BioWorks Browser Thermo Scientific  

References

  1. Li, F., Wang, X., Capasso, J. M., Gerdes, A. M. Rapid transition of cardiac myocytes from hyperplasia to hypertrophy during postnatal development. J Mol Cell Cardiol. 28, 1737-1746 (1996).
  2. Rumyantsev, P. P. Interrelations of the proliferation and differentiation processes during cardiact myogenesis and regeneration. Int Rev. Cytol. 51, 186-273 (1977).
  3. Olson, E. N., Schneider, M. D. Sizing up the heart: development redux in disease. Genes Dev. 17, 1937-1956 (2003).
  4. Molkentin, J. D., Dorn, G. W. Cytoplasmic signaling pathways that regulate cardiac hypertrophy. Annu Rev. Physiol. 63, 391-426 (2001).
  5. Fishman, M. C., Chien, K. R. Fashioning the vertebrate heart: earliest embryonic decisions. Development. 124, 2099-2117 (1997).
  6. Rajabi, M., Kassiotis, C., Razeghi, P., Taegtmeyer, H. Return to the fetal gene program protects the stressed heart: a strong hypothesis. Heart Fail Rev. 12, 331-343 (2007).
  7. Roger, V. L., et al. Heart disease and stroke statistics–2011 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 123, e18-e209 (2011).
  8. Schirmer, E. C., Florens, L., Guan, T., Yates, J. R., Gerace, L. Nuclear membrane proteins with potential disease links found by subtractive proteomics. Science. 301, 1380-1382 (2003).
  9. Lambert, J. P., Mitchell, L., Rudner, A., Baetz, K., Figeys, D. A novel proteomics approach for the discovery of chromatin-associated protein networks. Mol. Cell Proteomics. 8, 870-882 (2009).
  10. Malik, P., et al. Cell-specific and lamin-dependent targeting of novel transmembrane proteins in the nuclear envelope. Cell Mol Life Sci. 67, 1353-1369 (2010).
  11. Tweedie-Cullen, R. Y., Reck, J. M., Mansuy, I. M. Comprehensive mapping of post-translational modifications on synaptic, nuclear, and histone proteins in the adult mouse brain. J. Proteome Res. 8, 4966-4982 (2009).
  12. Chu, D. S., et al. Sperm chromatin proteomics identifies evolutionarily conserved fertility factors. Nature. 443, 101-105 (2006).
  13. Uchiyama, S., et al. Proteome analysis of human metaphase chromosomes. J. Biol. Chem. 280, 16994-17004 (2005).
  14. Franklin, S., et al. Specialized compartments of cardiac nuclei exhibit distinct proteomic anatomy. Mol. Cell Proteomics. 10, (2011).
  15. Kislinger, T., et al. Global survey of organ and organelle protein expression in mouse: combined proteomic and transcriptomic profiling. Cell. 125, 173-186 (2006).
  16. Moore, D. H., Ruska, H. Electron microscope study of mammalian cardiac muscle cells. J. Biophys Biochem. Cytol. 3, 261-268 (1957).
  17. Anversa, P., Vitali-Mazza, L., Visioli, O., Marchetti, G. Experimental cardiac hypertrophy: a quantitative ultrastructural study in the compensatory stage. J. Mol. Cell Cardiol. 3, 213-227 (1971).
  18. Franklin, S., et al. Specialized compartments of cardiac nuclei exhibit distinct proteomic anatomy. Mol Cell. Proteomics. 10, (2011).
  19. Paulsson, A. K., et al. Post-translational regulation of calsarcin-1 during pressure overload-induced cardiac hypertrophy. Journal of molecular and cellular cardiology. 48, 1206-1214 (2010).
  20. Franklin, S., et al. Quantitative analysis of the chromatin proteome in disease reveals remodeling principles and identifies high mobility group protein b2 as a regulator of hypertrophic growth. Mol Cell Proteomics. 11, (2012).
  21. Gramolini, A. O., et al. Comparative proteomics profiling of a phospholamban mutant mouse model of dilated cardiomyopathy reveals progressive intracellular stress responses. Mol Cell Proteomics. 7, 519-533 (2008).
  22. Singh, H., Warburton, S., Vondriska, T. M., Khakh, B. S. Proteomics to Identify Proteins Interacting with P2X2 Ligand-Gated Cation Channels. J. Vis. Exp. (27), e1178 (2009).
  23. Park, S. K., Venable, J. D., Xu, T., Yates, J. R. A quantitative analysis software tool for mass spectrometry-based proteomics. Nat. Methods. 5, 319-322 (2008).
  24. Lomenick, B., et al. Target identification using drug affinity responsive target stability (DARTS). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106, 21984-21989 (2009).
  25. Kamleh, A., et al. Metabolomic profiling using Orbitrap Fourier transform mass spectrometry with hydrophilic interaction chromatography: a method with wide applicability to analysis of biomolecules. Rapid Commun. Mass Spectrom. 22, 1912-1918 (2008).
  26. Searle, B. C. Scaffold: a bioinformatic tool for validating MS/MS-based proteomic studies. Proteomics. 10, 1265-1269 (2010).
  27. Murray, K. The Basic Proteins of Cell Nuclei. Annu Rev. Biochem. 34, 209-246 (1965).
  28. Johns, E. W., Phillips, D. M., Simson, P., Butler, J. A. Improved fractionations of arginine-rich histones from calf thymus. Biochem. J. 77, 631-636 (1960).
  29. Rodriguez-Collazo, P., Leuba, S. H., Zlatanova, J. Robust methods for purification of histones from cultured mammalian cells with the preservation of their native modifications. Nucleic Acids Res. 37, e81 (2009).
  30. Kuehl, L., Salmond, B., Tran, L. Concentrations of high-mobility-group proteins in the nucleus and cytoplasm of several rat tissues. J. Cell Biol. 99, 648-654 (1984).
  31. Gronow, M., Griffiths, G. Rapid isolation and separation of the non-histone proteins of rat liver nuclei. FEBS Lett. 15, 340-344 (1971).
  32. Mischke, B. G., Ward, O. G. Isolation and tissue specificity of chromatin-associated proteins in Vicia faba. Can J. Biochem. 53, 91-95 (1975).
  33. Andersen, J. S., et al. Directed proteomic analysis of the human nucleolus. Curr. Biol. 12, 1-11 (2002).
  34. Zhao, Y., Jensen, O. N. Modification-specific proteomics: strategies for characterization of post-translational modifications using enrichment techniques. Proteomics. 9, 4632-4641 (2009).
  35. Ahrne, E., Muller, M., Lisacek, F. Unrestricted identification of modified proteins using MS/MS. Proteomics. 10, 671-686 (2010).
  36. Young, N. L., Plazas-Mayorca, M. D., Garcia, B. A. Systems-wide proteomic characterization of combinatorial post-translational modification patterns. Expert Rev. Proteomics. 7, 79-92 (2010).
  37. Guthals, A., Bandeira, N. Peptide identification by tandem mass spectrometry with alternate fragmentation modes. Mol. Cell Proteomics. , (2012).
  38. Wu, C., et al. A protease for ‘middle-down’ proteomics. Nat. Methods. , (2012).
  39. Tran, J. C., et al. Mapping intact protein isoforms in discovery mode using top-down proteomics. Nature. 480, 254-258 (2011).
check_url/kr/4294?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Monte, E., Chen, H., Kolmakova, M., Parvatiyar, M., Vondriska, T. M., Franklin, S. Quantitative Analysis of Chromatin Proteomes in Disease. J. Vis. Exp. (70), e4294, doi:10.3791/4294 (2012).

View Video