Summary

Forbedret i-gel Reduktive β-Elimination for Omfattende O-bundne og sulfo-Glykobiologi ved massespektrometri

Published: November 20, 2014
doi:

Summary

In order to comprehensively explore the diversity of O-linked glycans, a new procedure for in-gel reductive β-elimination, combined with permethylation and a rapid phase-partition method, is applied to the analysis of O-linked glycans directly released from glycoproteins resolved by SDS-PAGE and amenable to subsequent glycomic analysis by mass spectrometry.

Abstract

Separation of proteins by SDS-PAGE followed by in-gel proteolytic digestion of resolved protein bands has produced high-resolution proteomic analysis of biological samples. Similar approaches, that would allow in-depth analysis of the glycans carried by glycoproteins resolved by SDS-PAGE, require special considerations in order to maximize recovery and sensitivity when using mass spectrometry (MS) as the detection method. A major hurdle to be overcome in achieving high-quality data is the removal of gel-derived contaminants that interfere with MS analysis. The sample workflow presented here is robust, efficient, and eliminates the need for in-line HPLC clean-up prior to MS. Gel pieces containing target proteins are washed in acetonitrile, water, and ethyl acetate to remove contaminants, including polymeric acrylamide fragments. O-linked glycans are released from target proteins by in-gel reductive β-elimination and recovered through robust, simple clean-up procedures. An advantage of this workflow is that it improves sensitivity for detecting and characterizing sulfated glycans. These procedures produce an efficient separation of sulfated permethylated glycans from non-sulfated (sialylated and neutral) permethylated glycans by a rapid phase-partition prior to MS analysis, and thereby enhance glycomic and sulfoglycomic analyses of glycoproteins resolved by SDS-PAGE.

Introduction

Glycosylering er et essentielt protein posttranslationel modifikation, der bidrager til organismal fysiologi, væv patologi og cellulær genkendelse 1-3. Til trods for store fremskridt i analytisk glycoscience, karakteriserer den komplette mangfoldighed glykaner på et specifikt protein fortsat er et særdeles udfordrende opgave, især på proteiner isoleret fra primære biologiske kilder. Ikke desto mindre, mikroheterogeniteten glycoproteinkomponenter glycaner ofte påvirker funktionelle interaktioner med andre proteiner. Derfor er væsentlige for forståelsen af fysiologiske betydning af cellulær og væv glycosylerings 4,5 karakterisering af glykan mangfoldighed. For at forstå bidrag glycoprotein glycosylering væv fysiologi og patofysiologi, robust, følsomme, og omfattende glycomic analytiske teknikker er blevet stadig vigtigere. I proteomanalyse er protein identifikationer generelt opnås ved LC-MS/ MS-analyse af tryptiske peptider 6. Proteinfordøjelsen kan udføres under anvendelse af et oprenset protein eller proteiner løst ved SDS-PAGE efter i-gel fordøjelse med proteaser, såsom trypsin 7-9. Pre-berigelse af proteinblandingen ved SDS-PAGE øger dybden og nøjagtigheden af ​​protein ID. Udviklingen af ​​analoge strategier for glycomic analyse af glycoprotein glycosylering ligger på forkant med glycoscience.

De to hovedklasser af glycaner er knyttet til protein backbone enten gennem N-binding eller O-binding. N-forbundne glycaner er bundet til asparagin (Asn) rester findes som en del af en sequon defineret som Asn-X-Ser / Thr / Cys (X er en vilkårlig aminosyre bortset fra prolin), og kan frigives ved enzymatisk fordøjelse med peptid-N -glycanase (PNGaseF eller A), enten i opløsning, i-gel eller på blot 10-12. O-bundne glykaner er hovedsagelig bundet til serin (Ser) eller threonin (Thr) -rester. Imidlertid har kun ét enzym blevet identificeret som er i stand til at frigive O-bundne glycaner fra glycoprotein, og det har en yderst begrænset glycan specificitet, frigiver kun de simpleste O-bundne glycaner. Kemisk frigivelse strategierne stadig den foretrukne metode for en omfattende frigivelse af O-bundne glycaner fra glycoproteiner. Reduktiv eller ikke-reduktiv β-elimination, eller hydrazinolyse er godt karakteriserede kemisk frigivelse teknikker og er i dag de mest anvendte metoder til at frigive O-bundne glycaner fra glycoproteiner 13,14. Selv reduktiv β-eliminering er blevet anvendt til at frigive O-bundne glycaner fra glycoproteiner adskilt ved SDS-PAGE, tidligere fremgangsmåder kræves HPLC-separation til efterfølgende analyse 15-17.

Multidimensional MS (MS n) analyse giver i øjeblikket den rigeste kilde til strukturelle data til karakterisering glycaner frigivet fra glycoproteiner isoleret i de beløb, der forventes fra de fleste biologiske kilder. Dybden af ​​MS-baseret strukturel karakterisering lettes meget ved permethylating de frigivne glykaner forud for deres analyse. Permethylering forbedrer ionisering og har tendens til at udligne molære signalrespons på tværs af en bred vifte af glycanstrukturer 18,19. Derudover permethylering utvetydigt tags terminal- og monosaccharid dele med markante masserne og dermed forbedre den strukturelle belysning 20-23. For eksempel, er generelt svære at opdage, da ikke-permethyleret arter ved MS sure glykaner. Selvom sure glycaner kan detekteres i negativ ion-mode af MS, er det umuligt at detektere både sure og neutrale glycaner i samme ion-mode. En stor fordel ved glycan permethylering er, at alle de frie hydroxylgrupper (OH) på en glycan s monosaccharid substituenter vil blive afsluttet med en methylgruppe (OCH3 eller OMe), således en sialylerede glykan anklager neutraliseres, hvilket gør dem opdages som permethyleret neutral (AsienLO) glykaner. Men hydroxyler sulfatgrupper på sulfoglycans er resistente over for permethylering, hvilket resulterer i tilbageholdelse af anionisk ladning, der undertrykker ionisering og nedsætter følsomheden. Denne undertrykkelse forhindrer i øjeblikket omfattende glycomic analyse af meget komplekse glycoproteiner såsom muciner, som bærer en stor overflod af sulfaterede glykaner 24-26.

Nylige rapporter om rensende sulfaterede glykaner anvendte opladet, omvendt fase chromatografi at rense og separate permethyleret glykaner før MALDI analyse. Denne metode bygger på fuldstændig adskillelse af sulfaterede og ikke-sulfaterede glykaner ved hjælp af forskellige mobile faser for eluering, som vi har fundet at være lempeligere end organiske fase partitionering. Derfor er nye teknikker, der er egnede til påvisning og berigelse af sulfoglycans præsenteres her. Disse teknikker gør det muligt for kvantitativ genvinding af sulfaterede glycaner i den vandige fase efter vand: DCM (dichlormethan)ekstraktion, som rutinemæssigt udføres ved afslutningen af glycan permethylering reaktioner 27. Vigtigere er det, denne robuste adskillelse af permethylerede sulfoglycans fra en blanding af permethylerede non-sulfaterede glykaner samtidig beriger for ladede arter samtidig forenkle MS 2 fragmenteringsmønstre. En omfattende protokol for forbedret i-gel O-bundet glycan analyse præsenteres også. Den forbedrede protokol forbedrer glycan genopretning, øger den strukturelle information fås via MS n analyse af permethylerede glykaner og forbedrer følsomheden af sulfoglycomic analyser anvendes til væsentlige glycoproteiner isoleret fra biologiske kilder.

Denne protokol er beregnet til O-koblet glycan analyse af hele glycoprotein ekstrakter eller for et bestemt glycoprotein af interesse løses ved SDS-PAGE og er sammensat af tre eksperimentelle procedurer; A) gel oprydning, B) i-gel reduktiv β-elimination, og C) glycan permethyning. Målet er at opnå fuldstændige O-bundne glycomic data for glycoproteiner høstet fra primære kilder af biologisk interesse (figur 1). Glycoproteiner adskilt ved SDS-PAGE visualiseres ved farvning og bånd af interesse udskæres og den resulterende gel båndet skæres i små stykker. Gelstykkerne er affarvet og underkastet ethylacetat vasker for at fjerne forureninger gel (figur 2A). Glycan frigivelse opnås ved in-gel reduktiv β-eliminering (figur 2B), og de ​​frigivne glycaner er permethyleret. Vandige organiske ekstraktion efter permethylering kvantitativt opdeler de anioniske sulfaterede glykaner væk fra ikke-sulfaterede neutrale glykaner (figur 2C). In-gel reduktiv β-eliminering koblet til vandige organiske ekstraktion muliggør karakteriseringen af ​​O-bundne glycaner og sulfoglycans frigivet fra små mængder af glycoprotein separeret ved SDS-PAGE. Den strategisk overblik er summarized i figur 1 og detaljer er vist i figur 2. Desuden kan en del af affarvet og vasket gelstykker anvendes til protein ID ved standard LC-MS / MS proteomiske teknikker.

Protocol

BEMÆRK: Lab Sikkerhedsspørgsmål I overensstemmelse med standardlaboratoriemetoder bedste praksis, observere følgende. Opbevar alle organiske opløsningsmidler i passende steder. Hold alle affaldsmaterialer i kemiske affaldsbeholdere med tydelig mærkning af kemiske sammensætninger. Da flere reagenser, der anvendes i disse protokoller er potentielle kræftfremkaldende stoffer eller generere flygtige brændbare gasser, håndtere alle reagenser i et stinkskab med ventilati…

Representative Results

Effekt ethylacetat behandling forud for In-gel Reduktiv β-Elimination Et repræsentativt massespektrum af permethylerede O-linked glycan prøver frigivet fra kvæg mucin anvendelse i-gel reduktiv β-eliminering er vist i figur 3. EtOAc vask af gelstykkerne fjerner effektivt SDS og polyacryl kontaminanter, der interfererer med efterfølgende MS-analyse 27. <img alt="Figur 3" src="/f…

Discussion

Combining in-gel reductive β-elimination with aqueous-organic extraction enhances the sensitivity and depth of structural data that can be acquired for characterizing sulfated and non-sulfated O-linked glycans harvested from small amounts of mucin-type glycoproteins resolved from other proteins by SDS-PAGE. The essential advances of the technical approaches presented in this study are: (a) facile removal of gel derived contaminants by simple washing steps; (b) quantitative recovery of permethylated sulfoglycans in t…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the grant P01HL107151 from the NHLBI/NIH. The authors also gratefully acknowledge the support and access to instrumentation provided through grant P41GM103490 from the NIGMS/NIH.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Water, deionized water Sigma-Aldrich  270733-4L CHROMASOLV, for HPLC
Acetic acid, Glacial Fisher A38-500 Certified ACS≥99.7 w/w %
Methanol Sigma-Aldrich  34860-4L-R CHROMASOLV, for HPLC, ≥99.9%
Ammonium bicarbonate Fluka 09830-500G BioUltra, ≥99.5% (T), Step 1
Acetonitrile Sigma-Aldrich  34998-4L CHROMASOLV Plus, for HPLC, ≥99.9%, Step 1
Ethyl acetate Fluka 34972-1L-R LC-MS CHROMASOLV, Step 1
Sodium borohydride Aldrich 213462-25G ReagentPlus, 99%, Step 2
Iodomethane Sigma-Aldrich  289566-100G ReagentPlus, 99.5%,  Step 6.  Store at 4 °C until use.  Sit at room temperature before use.
Sodium hydroxide solution, 50% w/w Fisher SS254-1 Certified, Step 6
Dimethyl sulfoxide, anhydrous Sigma-Aldrich  276855-1L Anhydrous, ≥99.9%, Step 6
Methanol, anhydrous Sigma-Aldrich  322415-100ML Anhydrous, 99.8%, Step 6
Dichloromethane Sigma-Aldrich  34856-4L CHROMASOL®, for HPLC, ≥99.8%, contains amylene as stabilizer, Step 7
Dowex 50WX8 hydrogen formhydrogen form 100-200 mesh Sigma-Aldrich  217506-500G Step 3
AG 50W-X8 Resin  Bio-Rad 142-1441 Step 3
BAKERBOND spe 1 ml x 100 mg Solid Phase Extraction Column, PP, Octadecyl (C18) Reverse Phase JT Baker JT-7020-01 Step 5 and 8
7.5% Mini-PROTEAN TGX Precast Gel  Bio-Rad Step 1
Bio-Safe Coomassie Stain  Bio-Rad 161-0786 G-250, Step 1
Silver Stain Kit for Mass Spectrometry Pierce 24600 Step 1
Oligosaccharides Kit (Maltotriose, Dp3: R474140) Supelco  47265
Oligosaccharides Kit (Maltotetraose, Dp4: R474135) Supelco  47265
Disposable Pasteur Pipets, Glass, Short Tip VWR 14673-010 Wash before use
PYREX 13 x 100 mm Disposable Round Bottom Threaded Culture Tubes Corning 99447-13 Wash before use
PYREX 16 x 125 mm Disposable Round Bottom Threaded Culture Tubes Corning 99447-16 Wash before use
Phenolic Caps/Closures with PTFE-Faced Rubber Liner Kimble 45066C-13 Wash before use
Phenolic Caps/Closures with PTFE-Faced Rubber Liner Kimble 45066C-15 Wash before use
Hamilton HPLC syringe HAMILTON 81265 volume 500 μL, needle size 22 ga 
Hamilton HPLC syringe HAMILTON 81165 volume 250 μL, needle size 22 ga
Hamilton HPLC syringe HAMILTON 81065 volume 100 μL, needle size 22s ga 
Hamilton HPLC syringe HAMILTON 80965 volume 50 μL, needle size 22s ga
Hamilton Calibrated Syringes HAMILTON 80300 volume 10 μL, needle size 26s ga 
Petri Dish Glass 100mm x 15mm GSC INTERNATIONAL INC 1500-4 Wash before use, Step 1
Bard-Parker Surgical Blades Fisher 371310 Step 1
Reacti-Therm Heating/Stirring Module Pierce 18870 Step 1, 4 and 7
Heating Blocks Fisher 125D Step 2
Pyrex fiber glass wool borosilicate pore size 8 μm Aldrich CLS3950 Step 3
Fused Silica CutterTubing cutter alltech 3194 Step 3
Multi-tube vortexers  VWR 444-7063 Step 6
Lyophilizer 25EL Freezemobile Virtis 25EL
Centrifuge VWR Clinical 50
LTQ Orbitrap Discovery Thermo Fisher Scientific 0

Referências

  1. Varki, A. Biological roles of oligosaccharides: all of the theories are correct. Glycobiology. 3 (2), 97-130 (1993).
  2. Ohtsubo, K., Marth, J. D. Glycosylation in cellular mechanisms of health and disease. Cell. 126 (5), 855-867 (2006).
  3. Moremen, K. W., Tiemeyer, M., Nairn, A. V. Vertebrate protein glycosylation: diversity, synthesis and function. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 13 (7), 448-462 (2012).
  4. Lowe, J. B., Marth, J. D. A genetic approach to Mammalian glycan function. Annu. Rev. Biochem. 72, 643-691 (2003).
  5. Yan, A., Lennarz, W. J. Unraveling the mechanism of protein N-glycosylation. J. Biol. Chem. 280 (5), 3121-3124 (2005).
  6. Washburn, M. P. Utilisation of proteomics datasets generated via multidimensional protein identification technology (MudPIT). Brief Funct. Genomic Proteomic. 3 (3), 280-286 (2004).
  7. Rosenfeld, J., Capdevielle, J., Guillemot, J. C., Ferrara, P. In-gel digestion of proteins for internal sequence analysis after one- or two-dimensional gel electrophoresis. Anal. Biochem. 203 (1), 173-179 (1992).
  8. Hellman, U., Wernstedt, C., Gonez, J., Heldin, C. H. Improvement of an ‘In-Gel’ digestion procedure for the micropreparation of internal protein fragments for amino acid sequencing. Anal. Biochem. 224 (1), 451-455 (1995).
  9. Morelle, W., Canis, K., Chirat, F., Faid, V., Michalski, J. C. The use of mass spectrometry for the proteomic analysis of glycosylation. Proteomics. 6 (14), 3993-4015 (2006).
  10. Mortz, E., Sareneva, T., Haebel, S., Julkunen, I., Roepstorff, P. Mass spectrometric characterization of glycosylated interferon-gamma variants separated by gel electrophoresis. Electrophoresis. 17 (5), 925-931 (1996).
  11. Kuster, B., Wheeler, S. F., Hunter, A. P., Dwek, R. A., Harvey, D. J. Sequencing of N-linked oligosaccharides directly from protein gels: in-gel deglycosylation followed by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry and normal-phase high-performance liquid chromatography. Anal. Biochem. 250 (1), 82-101 (1997).
  12. Kuster, B., Mann, M. 18O-labeling of N-glycosylation sites to improve the identification of gel-separated glycoproteins using peptide mass mapping and database searching. Anal. Chem. 71 (7), 1431-1440 (1999).
  13. Aoki, K., et al. The diversity of O-linked glycans expressed during Drosophila melanogaster development reflects stage- and tissue-specific requirements for cell signaling. J. Biol. Chem. 283 (44), 30385-30400 (2008).
  14. Kozak, R. P., Royle, L., Gardner, R. A., Fernandes, D. L., Wuhrer, M. Suppression of peeling during the release of O-glycans by hydrazinolysis. Anal. Biochem. 423 (1), 119-128 (2012).
  15. Schulz, B. L., Packer, N. H., Karlsson, N. G. Small-scale analysis of O-linked oligosaccharides from glycoproteins and mucins separated by gel electrophoresis. Anal. Chem. 74 (23), 6088-6097 (2002).
  16. Thomsson, K. A., Schulz, B. L., Packer, N. H., Karlsson, N. G. MUC5B glycosylation in human saliva reflects blood group and secretor status. Glycobiology. 15 (8), 791-804 (2005).
  17. Taylor, A. M., Holst, O., Thomas-Oates, J. Mass spectrometric profiling of O-linked glycans released directly from glycoproteins in gels using in-gel reductive β-elimination. Proteomics. 6 (10), 2936-2946 (2006).
  18. Anumula, K. R., Taylor, P. B. A comprehensive procedure for preparation of partially methylated alditol acetates from glycoprotein carbohydrates. Anal. Biochem. 203 (1), 101-108 (1992).
  19. Aoki, K., Perlman, M., Lim, J. M., Cantu, R., Wells, L., Tiemeyer, M. Dynamic developmental elaboration of N-linked glycan complexity in the Drosophila melanogaster embryo. J. Biol. Chem. 282 (12), 9127-9142 (2007).
  20. Domon, B., Costello, C. E. A Systematic Nomenclature for Carbohydrate Fragmentations in Fab-Ms Ms Spectra of Glycoconjugates. Glycoconj. J. 5 (4), 397-409 (1988).
  21. Ashline, D., Singh, S., Hanneman, A., Reinhold, V. Congruent strategies for carbohydrate sequencing. 1. Mining structural details by MSn. Anal. Chem. 77 (19), 6250-6262 (2005).
  22. Lapadula, A. J., et al. Congruent strategies for carbohydrate sequencing. 3. OSCAR: an algorithm for assigning oligosaccharide topology from MSn data. Anal. Chem. 77 (19), 6271-6279 (2005).
  23. Ashline, D. J., et al. Carbohydrate structural isomers analyzed by sequential mass spectrometry. Anal. Chem. 79 (10), 3830-3842 (2007).
  24. Thomsson, K. A., et al. The salivary mucin MG1 (MUC5B) carries a repertoire of unique oligosaccharides that is large and diverse. Glycobiology. 12 (1), 1-14 (2002).
  25. Yu, S. Y., Wu, S. W., Hsiao, H. H., Khoo, K. H. Enabling techniques and strategic workflow for sulfoglycomics based on mass spectrometry mapping and sequencing of permethylated sulfated glycans. Glycobiology. 19 (10), 1136-1149 (2009).
  26. Yu, S. Y., et al. Priming mass spectrometry-based sulfoglycomic mapping for identification of terminal sulfated lacdiNAc glycotope. Glycoconj J. 30 (2), 183-194 (2013).
  27. Kumagai, T., Katoh, T., Nix, D. B., Tiemeyer, M., Aoki, K. In-gel β-elimination and aqueous-organic partition for improved O- and sulfoglycomics. Anal. Chem. 85 (18), 8692-8699 (2013).

Play Video

Citar este artigo
Nix, D. B., Kumagai, T., Katoh, T., Tiemeyer, M., Aoki, K. Improved In-gel Reductive β-Elimination for Comprehensive O-linked and Sulfo-glycomics by Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (93), e51840, doi:10.3791/51840 (2014).

View Video