Metal Bağlama Oligopeptidlerinin Yapısı ve Mekanizmalarının Belirlenmesinde Iyon Hareketliliği-Kütle Spektrometresi Teknikleri ve Metal Bağlayıcı Oligopeptidlerin Redoks Aktivitesi
Summary
Iyon hareketlilik-kütle spektrometresi ve moleküler modelleme teknikleri, tasarlanmış metal bağlayıcı peptidlerin ve bakır bağlayıcı peptid metanobakinin seçici metal şelat performansını karakterize edebilir. Metal şelat peptidler yeni sınıflar geliştirilmesi metal iyon dengesizliği ile ilişkili hastalıklar için terapötik yol yardımcı olacaktır.
Abstract
Elektrosprey iyonizasyonu (ESI), kütlesini, genel yükünü, metal bağlayıcı etkileşimlerini ve konformasyonel şeklini muhafaza ederken bir sulu faz peptid veya peptit kompleksini gaz fazına aktarabilir. IYON hareket-kütle spektrometresi (IM-MS) ile kaplin ESI, bir peptitin kütle-şarj (m/z) ve çarpışma kesitinin (CCS) eşzamanlı olarak ölçülmesine olanak tanıyan ve stokiyometrisi, protonasyon durumu ile ilgili enstrümental bir teknik sağlar. ve konformasyonel şekil. Bir peptit kompleksinin genel yükü 1) peptidin asidik ve bazik bölgeleri ve 2) metal iyonun oksidasyon durumu ile kontrol edilir. Bu nedenle, bir kompleksin genel yük durumu peptidler metal iyon bağlama afinitesini etkileyen çözeltinin pH fonksiyonudur. ESI-IM-MS analizleri için, peptit ve metal iyonları çözeltileri sadece sulu çözeltilerden hazırlanır ve pH seyreltik sulu asetik asit veya amonyum hidroksit ile ayarlanır. Bu, pH bağımlılığı ve metal iyon seçiciliğinin belirli bir peptid için belirlenmesini sağlar. Ayrıca, bir peptid kompleksinin m/z ve CCS’si B3LYP/LanL2DZ moleküler modelleme ile metal iyon koordinasyonu ve kompleksin üçüncül yapısının bağlayıcı bölgelerini ayırt etmek için kullanılabilir. Sonuçlar, ESI-IM-MS’in bir dizi alternatif metanobakin peptidin seçici şelatif performansını nasıl karakterize ettiğini ve bakır bağlayıcı peptid metanobakin ile karşılaştırabileceğini göstermektedir.
Introduction
Bakır ve çinko iyonları canlı organizmalar için gereklidir ve oksidatif koruma, doku büyümesi, solunum, kolesterol, glikoz metabolizması ve genom okuma1dahil olmak üzere süreçler için çok önemlidir. Bu işlevleri etkinleştirmek için, Cys thiolate gibi gruplar, Onun imidazol, Onun2,3,(daha nadiren) metiyonin tiyoteter, ve Glu ve Asp karboksiat seçici aktif sitelere kofaktör olarak metaller dahil metalloenzimler. Bu koordinasyon gruplarının benzerliği, His ve Cys ligandlarının doğru işleyişi sağlamak için Cu(I/II) veya Zn(II) ile nasıl seçici olarak birleştirirler konusunda ilginç bir soru doğurmaktadır.
Seçici bağlama genellikle Zn(II) veya Cu(I/II) iyonkonsantrasyonlarınıkontrol eden peptidlerin elde edilmesi ve ticareti ile gerçekleştirilir 4. Cu(I/II) son derece reaktiftir ve enzimlere oksidatif hasara veya adventif bağlanmaya neden olur, bu nedenle serbest konsantrasyonu bakır şaperonlar ve bakır düzenleyici proteinler tarafından sıkı bir şekilde düzenlenir ve onu hücredeki çeşitli yerlere güvenli bir şekilde taşır ve sıkıca homeostaz isikontrol 5,6. Bakır metabolizması veya homeostaz bozulması doğrudan Menkes ve Wilson hastalığı7 yanı sıra kanserler7 ve nöral bozukluklar, prion8 ve Alzheimerhastalığı9 gibi karıştığı 9 .
Wilson hastalığı gözlerde artan bakır düzeyleri ile ilişkilidir, karaciğer ve beynin bölümleri, Cu redoks reaksiyonları reaktif oksijen türleri üretir nerede(I/II) reaktif oksijen türleri üretir, hepatolentiküler ve nörolojik dejenerasyona neden. Mevcut şelasyon tedavileri küçük tiyol amino asit penicillamine ve triethylenetetramine vardır. Alternatif olarak, metanotrofik bakır edinimi peptidler methanobactin (mb)10,11 cu (I)12için yüksek bağlayıcı yakınlık nedeniyle tedavi potansiyeli sergiler. Methylosinus trichosporium OB3b gelen metanobactin (mb-OB3b) Wilson hastalığının bir hayvan modeli nde incelendiğinde, bakır verimli karaciğer den çıkarıldı ve safra13ile atılır . In vitro deneyler mb-OB3b karaciğer sitosol bulunan bakır metallothionein bakır chelate olabileceğini doğruladı13. Lazer ablasyon endüktif plazma kütle spektrometresi görüntüleme teknikleri Wilson hastalığı karaciğer örneklerinde bakır mekansal dağılımı araştırılmış14,15,16 ve mb-OB3b gösterdi bakırı sadece 8 gün17kısa tedavi süreleri ile temizler.
Mb-OB3b ayrıca Ag(I), Au(III), Pb(II), Mn(II), Co(II), Fe(II), Ni(II) ve Zn(II)18,19gibi diğer metal iyonlarıyla da bağlanacaktır. Fizyolojik Cu(I) bağlama alanı için rekabet Ag(I) tarafından sergilenmektedir, çünkü cu(I) mb-OB3b kompleksinden yerinden edebilir, hem Ag(I) hem de Ni(II) aynı zamanda Cu(I)19tarafından yerinden edilemeyen Mb’ye geri dönüşü olmayan bir bağlanma gösterir. Son zamanlarda, 2His-2Cys bağlayıcı motifi ile alternatif metanobactin (amb) oligopeptidler bir dizi incelenmiştir20,21, ve onların Zn(II) ve Cu (I/II) karakterize bağlama özellikleri. Birincil amino asit dizileri benzerdir ve hepsi 2His-2Cys motifi, Pro ve asetillenmiş N-terminus içerir. 2His-2Cys motifi mb-OB3b’nin iki enethiol oxazolone bağlama yerinin yerini aldığı için esas olarak mb-OB3b’den farklıdırlar.
Elektrosprey iyonizasyoniyoniyonizasyon iyon hareketlilik-kütle spektrometresi (ESI-IM-MS) ile birleştiğinde peptidlerin metal bağlayıcı özelliklerini belirlemek için güçlü bir araçtekniği sağlar, çünkü kütle-yük(m/z) ve çarpışmayı ölçer. çözelti fazından kütle, yük ve konformasyonel şekillerini muhafaza ederken kesit (CCS). m/z ve CCS peptidler stokiyometri, protonasyon durumu ve konformasyonel şekil ile ilgilidir. Stokiyometri, türde bulunan her elementin kimliği ve sayısı açıkça belirlendiği için belirlenir. Peptit kompleksinin genel yükü asidik ve bazik alanların protonlanma durumu ve metal iyonun oksidasyon durumu ile ilgilidir. CCS, kompleksin üçüncül yapısıyla ilgili dönme ortalama boyutunu ölçtebildiği için peptit kompleksinin konformasyonel şekli hakkında bilgi verir. Kompleksin genel yük durumu da pH bir fonksiyonudur ve karboksil gibi deprotonated temel veya asidik siteler, His, Cys ve Tyr da metal iyon için potansiyel bağlayıcı siteleri olduğu için peptid metal iyon bağlayıcı afinite etkiler. Analizler için, peptit ve metal iyon seyreltik sulu asetik asit veya amonyum hidroksit tarafından ayarlanmış pH ile sulu çözeltiler halinde hazırlanır. Bu, peptid için pH bağımlılığının ve metal iyon seçiciliğinin belirlenmesini sağlar. Ayrıca, ESI-IM-MS tarafından belirlenen m/z ve CCS, kompleksin metal iyon koordinasyonu ve üçüncül yapısını keşfetmek için B3LYP/LanL2DZ moleküler modelleme ile kullanılabilir. Bu makalede gösterilen sonuçlar, ESI-IM-MS’in bir dizi bir set peptidin seçici şelat performansını nasıl karakterize ettiğini ve bunları bakır bağlayıcı peptid mb-OB3b ile nasıl karşılaştırabileceğini ortaya koymaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritik adımlar: ESI-IM-MS ile inceleme için çözüm fazı davranışlarının muhafaza edilmesi
Peptidlerin stokiyometrisini, şarj durumunu ve konformasyonel yapısını korumak için yerli ESI enstrümantal ayarları kullanılmalıdır. Yerel koşullar için, KONI gerilimleri, sıcaklıklar ve gaz akışları gibi ESI kaynağındaki koşulların optimize edilmesi gerekir. Ayrıca, kaynak, tuzak, iyon hareketliliği ve transfer dalgalarındaki (özellikle IM hücresine enjeksiyon gerilimini kontro…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu materyal, 1764436, NSF enstrüman desteği (MRI-0821247), Welch Vakfı (T-0014) ve Enerji Bakanlığı (TX-W-20090427-0004-50) ve L3 Communications’ın bilgi işlem kaynakları altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen çalışmalara dayanmaktadır. . Biz California Üniversitesi Bower grubu teşekkür ederiz – Santa Barbara Sigma programı ve Ayobami Ilesanmi video tekniği göstermek için paylaştığı için.
Materials
| acetonitrile HPLC-grade | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A998SK-4 | |
| ammonium hydroxide (trace metal grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A512-P500 | |
| cobalt(II) chloride hexahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 255599-5G | |
| copper(II) chloride 99.999% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203149-10G | |
| copper(II) nitrate hydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 229636-5G | |
| designed amb1,2,3,4,5,6,7 peptides | Neo BioLab (neobiolab.com) | designed peptides were synthized by order | |
| designed amb5B,C,D,E,F peptides | PepmicCo (www.pepmic.com) | designed peptides were synthized by order | |
| Driftscope 2.1 software program | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
| Freeze-dried, purified, Cu(I)-free mb-OB3b | cultured and isolated in the lab of Dr. DongWon Choi (Biology Department, Texas A&M-Commerce) | ||
| glacial acetic acid (Optima grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A465-250 | |
| Iron(III) Chloride Anhydrous 98%+ | Alfa Aesar (www.alfa.com) | 12357-09 | |
| lead(II) nitrate ACS grade | Avantor (www.avantormaterials.com) | 128545-50G | |
| manganese(II) chloride tetrahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203734-5G | |
| MassLynx 4.1 | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
| nickel chloride hexahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203866-5G | |
| poly-DL-alanine | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | P9003-25MG | |
| silver nitrate 99.9%+ | Alfa Aesar (www.alfa.com) | 11414-06 | |
| Waters Synapt G1 HDMS | Waters (www.waters.com) | quadrupole – ion mobility- time-of-flight mass spectrometer | |
| zinc chloride anhydrous | Alfa Aesar (www.alfa.com) | A16281 |
References
- Dudev, T., Lim, C. Competition among Metal Ions for Protein Binding Sites: Determinants of Metal Ion Selectivity in Proteins. Chemical Reviews. 114 (1), 538-556 (2014).
- Sovago, I., Kallay, C., Varnagy, K. Peptides as complexing agents: Factors influencing the structure and thermodynamic stability of peptide complexes. Coordination Chemistry Reviews. 256 (19-20), 2225-2233 (2012).
- Sóvágó, I., Várnagy, K., Lihi, N., Grenács, &. #. 1. 9. 3. ;. Coordinating properties of peptides containing histidyl residues. Coordination Chemistry Reviews. 327, 43-54 (2016).
- Rubino, J. T., Franz, K. J. Coordination chemistry of copper proteins: How nature handles a toxic cargo for essential function. Journal of Inorganic Biochemistry. 107 (1), 129-143 (2012).
- Robinson, N. J., Winge, D. R. Copper Metallochaperones . Annual Review of Biochemistry. 79, 537-562 (2010).
- Scheiber, I. F., Mercer, J. F. B., Dringen, R. Metabolism and functions of copper in brain. Progress in Neurobiology. 116, 33-57 (2014).
- Tisato, F., Marzano, C., Porchia, M., Pellei, M., Santini, C. Copper in Diseases and Treatments, and Copper-Based Anticancer Strategies. Medicinal Research Reviews. 30 (4), 708-749 (2010).
- Millhauser, G. L. Copper and the prion protein: Methods, structures, function, and disease. Annual Review of Physical Chemistry. 58, 299-320 (2007).
- Arena, G., Pappalardo, G., Sovago, I., Rizzarelli, E. Copper(II) interaction with amyloid-beta: Affinity and speciation. Coordination Chemistry Reviews. 256 (1-2), 3-12 (2012).
- Kim, H. J., et al. Methanobactin, a copper-acquisition compound from methane-oxidizing bacteria. Science. 305 (5690), 1612-1615 (2004).
- Di Spirito, A. A., et al. Methanobactin and the link between copper and bacterial methane oxidation. Microbiology Molecular Biology Reviews. 80 (2), 387-409 (2016).
- Kenney, G. E., Rosenzweig, A. C. Chemistry and biology of the copper chelator methanobactin. ACS Chemical Biology. 7 (2), 260-268 (2012).
- Summer, K. H., et al. The biogenic methanobactin is an effective chelator for copper in a rat model for Wilson disease. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 25 (1), 36-41 (2011).
- Hachmoeller, O., et al. Investigating the influence of standard staining procedures on the copper distribution and concentration in Wilson’s disease liver samples by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 44, 71-75 (2017).
- Hachmoeller, O., et al. Spatial investigation of the elemental distribution in Wilson’s disease liver after D-penicillamine treatment by LA-ICP-MS. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 44, 26-31 (2017).
- Hachmoeller, O., et al. Element bioimaging of liver needle biopsy specimens from patients with Wilson’s disease by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 35, 97-102 (2016).
- Mueller, J. C., Lichtmannegger, J., Zischka, H., Sperling, M., Karst, U. High spatial resolution LA-ICP-MS demonstrates massive liver copper depletion in Wilson disease rats upon Methanobactin treatment. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 49, 119-127 (2018).
- Choi, D. W., et al. Spectral and thermodynamic properties of Ag(I), Au(III), Cd(II), Co(II), Fe(III), Hg(II), Mn(II), Ni(II), Pb(II), U(IV), and Zn(II) binding by methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b. Journal of Inorganic Biochemistry. 100, 2150-2161 (2006).
- McCabe, J. W., Vangala, R., Angel, L. A. Binding Selectivity of Methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b for Copper(I), Silver(I), Zinc(II), Nickel(II), Cobalt(II), Manganese(II), Lead(II), and Iron(II). Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 28, 2588-2601 (2017).
- Sesham, R., et al. The pH dependent Cu(II) and Zn(II) binding behavior of an analog methanobactin peptide. European Journal of Mass Spectrometry. 19 (6), 463-473 (2013).
- Wagoner, S. M., et al. The multiple conformational charge states of zinc(II) coordination by 2His-2Cys oligopeptide investigated by ion mobility – mass spectrometry, density functional theory and theoretical collision cross sections. Journal of Mass Spectrom. 51 (12), 1120-1129 (2016).
- Bandow, N. L., et al. Isolation of methanobactin from the spent media of methane-oxidizing bacteria. Methods in Enzymology. 495, 259-269 (2011).
- Choi, D. W., et al. Spectral and thermodynamic properties of methanobactin from γ-proteobacterial methane oxidizing bacteria: a case for copper competition on a molecular level. Journal of Inorganic Biochemistry. 104 (12), 1240-1247 (2010).
- Pringle, S. D., et al. An investigation of the mobility separation of some peptide and protein ions using a new hybrid quadrupole/travelling wave IMS/oa-ToF instrument. International Journal of Mass Spectrometry. 261 (1), 1-12 (2007).
- Forsythe, J. G., et al. Collision cross section calibrants for negative ion mode traveling wave ion mobility-mass spectrometry. Analyst. 14 (20), 6853-6861 (2015).
- Allen, S. J., Giles, K., Gilbert, T., Bush, M. F. Ion mobility mass spectrometry of peptide, protein, and protein complex ions using a radio-frequency confining drift cell. Analyst. 141 (3), 884-891 (2016).
- Bush, M. F., Campuzano, I. D. G., Robinson, C. V. Ion Mobility Mass Spectrometry of Peptide Ions: Effects of Drift Gas and Calibration Strategies. Analytical Chemistry. 84 (16), 7124-7130 (2012).
- Salbo, R., et al. Traveling-wave ion mobility mass spectrometry of protein complexes: accurate calibrated collision cross-sections of human insulin oligomers. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 26 (10), 1181-1193 (2012).
- Smith, D. P., et al. Deciphering drift time measurements from travelling wave ion mobility spectrometry-mass spectrometry studies. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 113-130 (2009).
- Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. Journal of Chemical Physics. 98 (7), 5648-5652 (1993).
- Dunning, T. H., Hay, P. J. Gaussian basis sets for molecular calculations. Modern Theoretical Chemistry. 3, 1-27 (1977).
- Hay, P. J., Wadt, W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for potassium to gold including the outermost core orbitals. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 299-310 (1985).
- Hay, P. J., Wadt, W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for the transition metal atoms scandium to mercury. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 270-283 (1985).
- Wadt, W. R., Hay, P. J. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for main group elements sodium to bismuth. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 284-298 (1985).
- . Gaussian 09, Revision C.01. Gaussian, Inc. , (2012).
- Wyttenbach, T., von Helden, G., Batka, J. J., Carlat, D., Bowers, M. T. Effect of the long-range potential on ion mobility measurements. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 8 (3), 275-282 (1997).
- Choi, D., et al. Redox activity and multiple copper(I) coordination of 2His-2Cys oligopeptide. Journal of Mass Spectrometry. 50 (2), 316-325 (2015).
- Rigo, A., et al. Interaction of copper with cysteine: stability of cuprous complexes and catalytic role of cupric ions in anaerobic thiol oxidation. Journal of Inorganic Biochemistry. 98 (9), 1495-1501 (2004).
- Vytla, Y., Angel, L. A. Applying Ion Mobility-Mass Spectrometry Techniques for Explicitly Identifying the Products of Cu(II) Reactions of 2His-2Cys Motif Peptides. Analytical Chemistry. 88 (22), 10925-10932 (2016).
- Choi, D., Sesham, R., Kim, Y., Angel, L. A. Analysis of methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b via ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 18 (6), 509-520 (2012).
- Martell, A. E., Motekaitis, R. J. NIST Standard Reference Database 46. Institute of Standards and Technology. , (2001).
- Pesch, M. L., Christl, I., Hoffmann, M., Kraemer, S. M., Kretzschmar, R. Copper complexation of methanobactin isolated from Methylosinus trichosporium OB3b: pH-dependent speciation and modeling. Journal of Inorganic Biochemistry. 116, 55-62 (2012).
- Amin, E. A., Truhlar, D. G. Zn Coordination Chemistry: Development of Benchmark Suites for Geometries, Dipole Moments, and Bond Dissociation Energies and Their Use To Test and Validate Density Functionals and Molecular Orbital Theory. Journal of Chemical Theory and Computation. 4 (1), 75-85 (2008).
- Sorkin, A., Truhlar, D. G., Amin, E. A. Energies, Geometries, and Charge Distributions of Zn Molecules, Clusters, and Biocenters from Coupled Cluster, Density Functional, and Neglect of Diatomic Differential Overlap Models. Journal of Chemical Theory and Computation. 5 (5), 1254-1265 (2009).
- Lillo, V., Galan-Mascaros, J. R. Transition metal complexes with oligopeptides: single crystals and crystal structures. Dalton Transactions. 43 (26), 9821-9833 (2014).
- Choutko, A., van Gunsteren, W. F. Conformational Preferences of a beta-Octapeptide as Function of Solvent and Force-Field Parameters. Helvetica Chimica Acta. 96 (2), 189-200 (2013).
- Angel, L. A. Study of metal ion labeling of the conformational and charge states of lysozyme by ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 17 (3), 207-215 (2011).
- Kelso, C., Rojas, J. D., Furlan, R. L. A., Padilla, G., Beck, J. L. Characterisation of anthracyclines from a cosmomycin D-producing species of Streptomyces by collisionally-activated dissociation and ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 73-81 (2009).
- El Ghazouani, A., et al. Copper-binding properties and structures of methanobactins from Methylosinus trichosporium OB3b. Inorganic Chemistry. 50 (4), 1378-1391 (2011).
