Den beskrevne sammenlignende kvantitativ proteom tilgang sigter på at opnå indsigt i sammensætningen af multiprotein komplekser under forskellige betingelser og demonstreres ved at sammenligne genetisk forskellige stammer. Til kvantitativ analyse lige store volumener af forskellige fraktioner fra en sucrosemassefyldegradient blandes og analyseres ved massespektrometri.
Det indførte protokol giver et værktøj til analyse af multiprotein komplekser i thylakoid membran, ved at afsløre indsigt i komplekse sammensætning under forskellige forhold. I denne protokol er påvist ved at sammenligne proteinsammensætning komplekse ansvarlig for cyklisk elektron flow (CEF) i Chlamydomonas reinhardtii, isoleret fra genetisk forskellige stammer tilgang. Proceduren består af isolering af thylakoid membraner, efterfulgt af deres adskillelse i multiprotein komplekser af saccharosedensitetsgradientcentrifugering, SDS-PAGE, immunpåvisning og sammenlignende kvantitativ massespektrometri (MS) baseret på forskellen metabolisk mærkning (14 N / 15 N) analyserede stammer. Vaskemiddel opløste thylakoid membraner er indlæst på saccharosedensitetsgradienter på klorofylkoncentrationen lige. Efter ultracentrifugering, er gradienterne adskilles i fraktioner, som analyseres ved masse-spectrometRy baseret på lige volumen. Denne fremgangsmåde giver undersøgelsen af sammensætningen inden for de gradientfraktioner og desuden til at analysere opførslen af forskellige proteiner migration, især med fokus på ANR1, CAS, og PGRL1. Desuden er denne metode demonstreret ved at bekræfte resultaterne med immunoblotting og derudover ved at støtte resultaterne fra tidligere undersøgelser (identifikation og PSI-afhængige migrering af proteiner, der tidligere blev beskrevet at være en del af CEF-supercomplex såsom PGRL1, FNR, og cyt f). Især denne tilgang er anvendelig til at løse en bred vifte af spørgsmål, som kan vedtages denne protokol og fx bruges til sammenlignende analyser af multiprotein komplekse sammensætning isoleret fra forskellige miljøforhold.
Fotosyntetiske processer i thylakoid membraner af planter og alger kan fungere i en lineær og cyklisk tilstand. Under lineær elektron flow (LEF) fotosystem I (PSI), fotosystem II (PSII) og cytochrom b 6 / f sidste ende overføre elektroner fra vand til NADP + 1, der fører til dannelse af NADPH og ATP 2. I modsætning hertil, cyklisk elektronstrøm (CEF), der vides at blive induceret under forskellige miljøforhold som eksempelvis state 2 3 og anaerobe betingelser 4, resulterer i re-reduktion af oxideret PSI ved at injicere elektroner tilbage i elektron transportkæden. Denne proces kan finde sted enten på det stromale side af cytochrom b 6 / f komplekse 1 eller på plastoquinon pool 5 og genererer ATP, men ingen NADPH 2.
Formålet med det præsenterede protokol er at demonstrere en massespektrometri (MS) baseret metode til sammenlignende, kvantitativ analyse af multiprotein komplekser i thylakoid membraner af Chlamydomonas reinhardtii at få indsigt i sammensætningen af disse komplekser under forskellige betingelser (eksemplificeret ved at sammenligne genetisk forskellige stammer). Denne fremgangsmåde blev anvendt i en publikation fra Terashima et al. I 2012 viser en Ca 2 +-afhængig regulering af CEF i C. reinhardtii formidlet af en multiprotein kompleks, herunder de proteiner, CAS, ANR1 og PGRL1 6. Proceduren vil blive forklaret ved forholdsvis analysere sammensætningen af CEF-supercomplex i to genetisk forskellige stammer, således udnytter mærkning af en af de to stammer med tung nitrogen (15 N). Kort fortalt protokollen omfatter udarbejdelse af thylakoid membraner efterfulgt af detergentsolubilisering og fraktionering af fotosyntetiske komplekser i en sucrosemassefyldegradient. Efter fraktionering af gradienten, valgte fractioner af to stammer blandes baseret på lige volumen, adskilt ved SDS-PAGE efterfulgt af i-gel-fordøjelse og efterfølgende kvantitativ MS analyse.
Som nævnt ovenfor er CEF induceret under forskellige miljøforhold og en publikation fra 2010 viser isolering af en funktionel CEF-supercomplex fra stat 2 låste celler af C. reinhardtii 7, som blev udført ved at adskille opløste thylakoid membraner på en sucrosemassefyldegradient under ultracentrifugering. Forskellig fra Iwai et al. 7, den præsenterede protokol beskriver isolering af CEF-supercomplex fra anaerob dyrket C. reinhardtii kulturer ved at følge en alternativ procedure. Dette omfatter ændringer i thylakoid isolation protokollen samt forskelle vedrørende solubiliseringstrin og adskillelse af protein komplekser ved ultracentrifugering. I den nuværende protokol, thylakoid membranerisoleres ved at anvende proceduren publiceret af Chua og Bennoun 8, medens de buffere, der anvendes til thylakoid fremstilling af Iwai et al. indeholdt 25 mM MES, 0,33 M saccharose, 5 mM MgCl2, 1,5 mM NaCl (pH 6,5) som beskrevet 9. Solubiliseringen blev udført med 0,7-0,8% detergent (n-tridecyl-β-D-maltoside) i 30 minutter på is i tilfælde af Iwai og medarbejdere, mens den her beskrevne solubilisering metode bygger på anvendelsen af 0,9% detergent (n -dodecyl-β-D-maltoside (β-DM)) og udføres for kun 20 min på is. Begge grupper anvendes 0,8 mg klorofyl pr ml solubilisering med det respektive rengøringsmiddel. Til adskillelse af fotosyntetiske komplekser fra opløste thylakoid membraner anvendt Iwai et al. Saccharose koncentrationer på mellem 0,1 til 1,3 M, mens forfatterne af denne protokol, der anvendes koncentrationer fra 0,4 til 1,3 M. Den sidste forskel er centrifugeringshastigheden, hvilket er lavere end til earlier publikation.
Solubilization af thylakoid membraner med nonioniske detergenter efterfulgt af sucrosemassefyldegradient fraktionering er allerede blevet anvendt i adskillige undersøgelser, der spænder fra 1980'erne til i dag 7, 9-14 og også anvendelse af metabolisk mærkning af proteiner er en udbredt metode inden for området proteomics. Den beskrevne fremgangsmåde anvender 15 N metabolisk mærkning af en af de to sammenlignede stammer ved dyrkning den i nærværelse af tungt nitrogen som eneste nitrogenkilde i form af 15 N NH4CI, som er indarbejdet i alle aminosyrer, der fører til en masse skifte afhængig aminosyresekvensen af peptidet. Ved analyse af en blanding af 14 N og 15 N inden for en MS løber, kan denne masse skift anvendes til at bestemme prøvens oprindelse for hvert peptid og relativ peptid mængderne kan beregnes repræsenterer relative mængder til de tilsvarendening protein 15.
Talrige kvantitative proteomics undersøgelser af C. reinhardtii er til rådighed, der sammenligner en defineret mængde protein til at analysere ændringer i proteom mellem eksperimentelle betingelser (eksempelvis ændringer i proteomet grund næringsstof 16-19 eller lys stress 20,21). I forhold til disse studier i den aktuelt præsenterede tilgang lige volumener af prøver kombineres og analyseres. Denne opsætning tillader at studere opførslen af proteiner migration inden for gradient og desuden til at analysere sammensætningen af forskellige komplekser med hensyn til de undersøgte stammer.
Denne metode vil blive forklaret ved primært koncentreret om tre proteiner: Den første kandidat er kloroplast lokaliseret calcium sensor protein CAS, som viste sig at være involveret i foto-akklimatisering i C. reinhardtii 22.. Calcium anses for at være et vigtigt signalning ion for veje, som aktiveres på grund af forskellige biotisk og abiotisk stress endelig fører til ændringer i genekspression og celle fysiologi 23, og det blev foreslået, at kloroplaster kan bidrage til cellulær Ca2 + signalering via CAS protein 22,24,25. Det andet protein er ANR1 (anaerob reaktion 1 6), et protein, der blev vist at blive induceret under anoxiske vækstbetingelser i C. reinhardtii 26.. Især blev CAS samt ANR1 identificeret som underenheder af CEF-supercomplex og i øvrigt, ved hjælp af reverse genetiske metoder, blev det påvist, at begge proteiner bidrager funktionelt til CEF in vivo 6, støtte deres rolle som funktionelle underenheder af dette protein kompleks. Den tredje protein er den thylakoid protein PGR5-Like 1 (PGRL1), som viste sig at være involveret i CEF i Chlamydomonas 4,27 samt i Arabidopsis 5,28 og var også identified i arbejdet i Iwai et al. 7.
Denne tilgang vil blive præsenteret ved at vise resultaterne af to forskellige eksperimenter: vildtype (WT) versus (vs.) en ΔPSI 29 stamme, der udviser en sletning af psab gen, der koder for en væsentlig fotosystem I Subunit, som også er en del af den CEF-supercomplex og WT kontra en pgrl1 knock-out stamme 4. For hvert af disse eksperimenter den kvantitative sammensætning af CEF-supercomplex mellem en 15 N-og en 14 N-mærket stamme er blevet sammenlignet.
Forskellige kvantitative proteom undersøgelser ved hjælp af stabile isotoper mærkning er blevet offentliggjort i de seneste år. I disse forsøg normalt to forskellige prøver sammenlignes, hvoraf en prøve er mærket med en stabil isotop. Derefter proteiner eller peptider fra de to prøver er kombineret i et ligeværdigt forhold og viderebehandles sammen 48. Sådanne undersøgelser ofte til hensigt at sammenligne definerede isolerede cellulære rum (f.eks kloroplaster, mitokondrier eller thylakoi…
The authors have nothing to disclose.
MH anerkender støtte fra "Deutsche Forschungsgemeinschaft" (DFG). Forfatter bidrag: MH designet forskning KT, JS og MT udføres forskning og analyserede data KT og MH skrev papiret.
Chemicals | |||
Acetic acid | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A0662 | |
Acetone | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A2300 | |
Acetonitrile Optigrade für LC-MS | Diagonal website: https://www.diagonal.de/ |
9340 | harmful, work with gloves see protocol text for further precautions |
Ammonium chloride 15N | Cambridge Isotope Laboratories website: http://www.isotope.com/cil/index.cfm |
39466-62-1 | |
Ammonium chloride 14N | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A0988 | |
Ammonium hydrogenphosphate | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A3583 | |
Ammonium sulfate | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A3598 | |
Coomassie brilliant blue R-250 | Fisher Scientific website: http://www.de.fishersci.com/index.php/deindex |
10041653 | |
n-Dodecyl-β-D-maltoside | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A0819 | |
EDTA | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A2937 | |
Formic acid | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A3858 | |
Hepes | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A3724 | |
Magnesium chloride | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A4425 | |
Methanol | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A2954 | |
Phosphorous acid | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A0989 | |
Di-Potassium hydrogenphosphate | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A1042 | |
Potassium di-hydrogenphosphate | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A1043 | |
Sodium hydroxide | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A1551 | |
Sucrose | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A1125 | |
Tricine | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A3954 | |
Tris | AppliChem webiste: http://www.applichem.com/home/ |
A2264 | |
Trypsin (sequencing grade modified) and Trypsin buffer | Promega website: http://www.promega.de/ |
V5111 | |
Equipment | |||
Neboulizer (BioNeb cell disruptor) | Glas-Col website: http://www.glascol.com/product/subproduct/id/75 |
||
Centrifuge tubes (14 x 89 mm) for preparation of takahashi style gradients |
Beckman Coulter website: http://www.beckmancoulter.de/ |
331372 | |
Centrifuge tubes 25 x 89 mm for preparation of thylakoid isolation gradients |
Beckman Coulter website: http://www.beckmancoulter.de/ |
344058 | |
Coulter Avanti Centrifuge J-20 XP | Beckman Coulter website: http://www.beckmancoulter.de/ |
||
Fuchs-Rosenthal cell couting chamber | Diagonal website: https://www.diagonal.de/ |
449/72 | |
Homogenizer (Potter) 50 ml | Fisherbrand website: http://www.de.fishersci.com/index.php/defisherbrand |
10618242 | |
Pistil for homogenizer | Fisherbrand website: http://www.de.fishersci.com/index.php/defisherbrand |
105252220 | |
Ultracentrifuge (Optima XPN-80 Ultracentrifuge) | Beckman Coulter website: http://www.beckmancoulter.de/ |
||
기타 | |||
Antibodies | Agrisera website: http://www.agrisera.com/en/index.html |