Bir Aquatic Mikrobiyal Metaproteomics İş Akışı: Tandem Kütle Spektrometre tabanlı analiz için uygun Triptik Peptitler için Hücreleri itibaren

Summary

This protocol is for the extraction and concentration of protein and DNA from microbial biomass collected from seawater, followed by the generation of tryptic peptides suitable for tandem mass spectrometry-based proteomic analysis.

Abstract

Meta-omic technologies such as metagenomics, metatranscriptomics and metaproteomics can aid in the understanding of microbial community structure and metabolism. Although powerful, metagenomics alone can only elucidate functional potential. On the other hand, metaproteomics enables the description of the expressed in situ metabolism and function of a community. Here we describe a protocol for cell lysis, protein and DNA isolation, as well as peptide digestion and extraction from marine microbial cells collected on a cartridge filter unit (such as the Sterivex filter unit) and preserved in an RNA stabilization solution (like RNAlater). In mass spectrometry-based proteomics studies, the identification of peptides and proteins is performed by comparing peptide tandem mass spectra to a database of translated nucleotide sequences. Including the metagenome of a sample in the search database increases the number of peptides and proteins that can be identified from the mass spectra. Hence, in this protocol DNA is isolated from the same filter, which can be used subsequently for metagenomic analysis.

Introduction

Mikroorganizmalar her yerde ve Dünya'nın biyokimyasal döngüler ¹ temel rol oynamaktadır. Şu anda, mikrobiyal topluluk yapısını ve işlevini tanımlamak için kullanılabilir birçok moleküler yaklaşımlar vardır. ^{4 – En yaygın} 16S rRNA geninin analizi, çevre DNA ² PCR ile amplifiye dizileri. 16S rRNA gen analizi bir dezavantajı sadece bir metabolik fonksiyonu ile ilgili çok az bilgi, filogenetik kimlik ve toplum yapısı hakkında bilgi temin etmesidir. Metagenomik, metatranscriptomics ve metaproteomics toplum yapısı ve metabolizma hakkında bilgi vermek olarak tersine, bu tür yaklaşımları. ^{8 –} Metagenomiks veya organizmaların bir topluluğu gen içeriğinin analizi, toplum ⁵ yapısı ve fonksiyonel potansiyeli hakkında bilgi sağlar. Güçlü olmasına rağmen, bu fonksiyonel potansiyeli metabolik uygun olmayabilirorganizmaların faaliyetleri. Bir organizmanın genotipi RNA'ya transkribe ve ayrıca bir fenotipe yol açacak şekilde proteine ​​tercüme edilebilir, her biri kendi gen tarafından temsil edilmektedir. Bu nedenle, bir ortamda mikrop fonksiyonel aktivite anlaşılmasına yardım etmek için, post-genomik analizi ⁹ yapılmalıdır. Bu, herhangi bir ortamda transkripsiyonu hangi genlerin ortaya için Metatranscriptomics ya da RNA transkriptlerinin analizinin yararlıdır. Ancak, mRNA düzeyleri nedeniyle her zaman öteleme yönetmelik, RNA yarılanma ömrü ve birden çok protein kopyaları her mRNA ¹⁰ oluşturulabilir gerçeğini bunlara karşılık gelen protein düzeyleri uyuşmuyor.

Bu nedenlerle metaproteomics için artık çevre mikrobiyolojisi için önemli bir araç olarak kabul edilmektedir. Ortak metaproteomic karmaşık bir numunede proteinlerin yakın tam tamamlayıcı genellikle tr aracılığıyla, saflaştırılmış ve eş zamanlı olarak analiz edilir bir tüfek proteomik yaklaşım kullanır analizleriBir kütle spektrometresi üzerinde peptitler ve analize Enzimatik sindirim. Daha sonra bir tandem kütle spektrometrisi (MS / MS) "peptit parmak izi" arama protein veritabanı tarafından peptid dizisi ve kaynaklı olası protein (Bir inceleme için bakınız ¹¹⁾ belirlemek için kullanılır. Proteomik iş genomik veri kullanılabilirliği artış ve hassasiyet ve yüksek verimli protein tanımlanması ve ölçümü ^11,12 sağlayan kitle spektrometre doğruluğu artışa geçmiş 25 yıl sayesinde uzun bir yol kat etti. Proteinler gen ifadesinin nihai ürün olduğundan, metaproteomic veriler herhangi bir ortamda ve hangi proteinler dile getiriyorlar aktif olan organizmalar belirlemenize yardımcı olabilir. Çevresel değişkenler belirli bir dizi bir organizmanın ya da topluluğun fenotip nasıl etkileyeceğini belirlemek için çalışırken bu avantajlıdır. Erken, okyanusta MS / MS-tabanlı metaproteomic çalışmalarda hedeflenen belirli proteinleri belirlemek için kullanıldıSAR11 deniz bakteri ¹³ ışık tahrik proton pompa proteorhodopsin odaklanan ilk çalışma ile mikrobiyal soy. Daha yakın zamanlarda, karşılaştırmalı analizler metaproteomic karmaşık topluluklar arasındaki fark protein ekspresyonu aydınlatmıştır. Örnekler kıyı Kuzeybatı Atlantik Okyanusu ^{14 veya} Antarktika Yarımadası'nın ⁵ metabolizmasında zamansal değişimlerin belirlenmesini içermektedir. Diğer çalışmalar son derece verimli kıyı upwelling sistemine ¹⁵ düşük besin okyanus gyre bir coğrafi transekt boyunca, örneğin, mekansal ölçekler arasında protein ekspresyonu varyasyonları nitelendirdiler. Metaproteomics daha değerlendirme için biz Schneider vd., (2010), ^{9 ve} Williams ve ark. (2014) ¹⁶ önerilir. Hedeflenen proteomiks ayrıca çevre ^17,18 belirli metabolik yollar ifadesini ölçmek için son yıllarda istihdam edilmiştir.

Thermetaproteomic analizde üç ana aşamalar e bulunmaktadır. İlk aşama, örnek toplama hücre parçalanması ve protein konsantrasyonu içeren örnek hazırlama vardır. Deniz mikrobiyoloji örnek toplama yaygın haliyle, bir 0.22 mikron kartuş kullanımı ile, serbest yaşayan mikrobiyal hücrelerin yakalanması için, süzme, ardından daha büyük bir ökaryotik hücreler, partikül ve partikül ilişkili bakteriler kaldırmak için bir ön-filtre, geçen deniz filtrasyon gerektirir Filtre ünitesi ^19,20. Bu filtreler, plastik bir silindir incased edilmiştir ve filtre birimi içinde yapılabilir, bir hücre parçalama ve protein ekstre protokolü değerli bir araç olabilir. Biyokütle elde edildikten sonra, hücreler, protein ekstraksiyonu sağlamak için lize gerekir. Çeşitli yöntemler guanidin-HCl çözme ²¹ sodyum dodesil sülfat (SDS) tabanlı parçalama yöntemleri de dahil olmak üzere, kullanılabilir. SDS gibi deterjanlar, dikkat yoğunluğu birçok protein türleri zarları engellemeden ve çözülebilen çok verimli olmasına rağmen% 0.1 aşağı protein sindirimi ve MS analizi ²² ile müdahale gibi düşük ons. Önemli bir endişe iyon kaynağı ²³ içindeki ters faz sıvı kromatografisi ve iyon bastırılması veya birikim çözme gücü, tripsin sindirim verimliliği üzerinde SDS olumsuz etkilerdir.

İkinci faz proteinleri, ilk triptik peptid primer amino asit dizisini belirlemek için kullanılabilir am / z parçalanma örnekle sonuçlanan, LC MS / MS analizi ile izlenmiştir enzimatik sindirme tabi tutulur fraksiyonasyon ve analizdir. Çeşitli sindirim yöntemleri kullanılmıştır deterjan tipleri, hem de aşağı doğru kütle spektrometrisi akışı bağlı olarak gerçekleştirilebilir. Protokolde, jelden SDS ile uzaklaştırılarak elde edilmiş 1-D PAGE elektroforez herhangi bir deterjan kontaminasyonu ortadan kaldırmak için kullanılmaktadır. , Membran proteinleri gibi, çözündürülmesi zordur proteinlerin analiz, yüksek konsantre ve kullanımını gerektirirSDS veya diğer deterjan yerel yönetim bu. Bu, SDS-jel elektroforezi ile uyumluluk sorunları yol açar. Bir çalışmanın amacı, proteinleri çözmek için bu zor çözünür hale gerektiriyorsa, tüp jel sistemi, ^22,24 kullanılabilir. Tüp jel elektroforezi yöntemi kullanılmadan edilmiş jel matrisi içinde protein içerir. Ardından çözünürlük için kullanılan herhangi bir deterjanlar protein sindirimi önce kaldırılır.

Üçüncü aşama biyoinformatik analizi. Bu aşamada, MS / MS verileri peptid peptidler ve proteinler numunede mevcut olan belirlemek için çevrilen nükleotid dizilerinin bir veri tabanına karşı araştırılmıştır. Peptidler tanımlanması o karşı aranır veritabanı bağlıdır. Deniz metaproteomic veriler genellikle referans genomları, Küresel Okyanus Örnekleme veri kümesi ²⁵ olarak metagenomic veriler yanı sıra ekilmemiş li gelen tek bir hücre amplifiye genomları oluşan veritabanları karşı aranır^26,27 neages. Metaproteomic veriler ⁵ türetilmiş gibi protein tanımlanması aynı örnekten metagenomic dizilerin dahil edilmesi ile artırılabilir.

Burada mikrop biyokütle MS / MS-tabanlı analizi için uygun peptidler, süzme ile toplanmış ve bir RNA stabilizasyonu çözelti içinde depolanan üretimi için bir protokol sağlar. Burada açıklanan protokol DNA ve protein tüm adımları proteine ​​yol açan DNA çökelme aynıdır, böylece aynı numuneden izole edilmesi sağlar. Sadece bir filtre protein ve DNA izolasyonu hem de gerekli olduğundan pratik açıdan bakıldığında, daha az filtrasyon gereklidir. Biz de bu protokol iki önce yayınlanmış protokolleri kombinasyonu, adaptasyon ve modifikasyon yoluyla yaratılmış olduğunu kabul etmek istiyorum. Hücre parçalama adımlar (2011) ^28. Saito ve ark uyarlanan ve bileşeni sindirmek in-jel tripsin Shevche uyarlanmıştırNKO ve diğ. (2007) ^29.

Protocol

1. Reaktifler hazırlayın SDS-ekstraksiyon çözeltisi hazırlayın: 0.1 M Tris-HCl pH 7.5, 5% gliserol, 10 mM EDTA ve% 1 SDS. 4 ° C'de 0.22 mikron filtre ve mağaza kullanarak Filtre sterilize. Poliakrilamid jeli için ihtiyaç duyulan Stok reaktifleri hazırlayın. 1.5 M Tris-HCl pH 8.8 hazırlanır. Oda sıcaklığında 0.22 mikron filtre ve mağaza kullanarak Filtre sterilize. 0.5 M Tris-HCL pH 6.8. Oda sıcaklığında 0.22 mikron filtre ve mağaza kullanarak Filtre ste…

Representative Results

Bir gösteri olarak, yüzey ve Kuzey Kanada'da kıyı okyanus klorofil maksimum toplanan iki deniz suyu örnekleri üzerinde protokol uygulandı. Denizde, deniz suyu 6-7 L 3 mikron GF / D ön filtre geçirildi ederken, daha sonra mikrobiyal hücrelerin Walsh ve ark., 20 protokole 0.22 mikron kartuş filtre ünitesi üzerine toplanmıştır. Hücreler, hemen daha sonra işlenene kadar bir RNA stabilizasyonu çözelti içinde muhafaza edilmiştir. Burada sunulan laboratuarda döndükten sonra biz p…

Discussion

Örnek korunması metaproteomic çalışmalara anahtarıdır ve önceki iş bir RNA stabilizasyonu çözümü öncesinde protein ekstraksiyon ²⁸ hücreleri saklamak için kullanışlı bir depolama tampon olduğunu göstermiştir. İdeal olarak, numuneler ^33,34 taşıma sırasında protein ifadesindeki vardiya inkâr yerinde korunmuş olacaktır. Aslında, yerinde numune alma ve sabitleme teknolojileri gemi dağıtılan araçlarla özerk toplama ve numunelerin saklanması için iz…

Materials

Sterivex -GP 0.22 μm filter unit	Millipore	SVGP01050	Sampling
RNAlater Stabilization Solution	Ambion	AM7021	Sampling
Tris	Bio Basic	77-86-1 or TB0196-500G	Protein Extraction/ SDS PAGE gel
DTT	Sigma-Aldrich	D0632-1G	Protein Extraction
SDS	Bio Basic	15-21-3	Protein Extraction/ SDS PAGE gel
EDTA	Bio Basic	6381-92-6	Protein Extraction
Glycerol	Fisher Scientific	56-81-5	Protein Extraction
10K Amicon Filter	Millipore	UFC801024	Protein Extraction
Methanol	Sigma-Aldrich	179337-4L	Protein Precipitation
Acetone	Fisher Scientific	67-64-1	Protein Precipitation
MPC Protein Precipitation reagent	Epicenter	mmP03750	DNA Precipitation
2-Propanol	Fisher Scientific	67-63-0	DNA Precipitation
Qubit dsDNA BR Assay kit	Life Technologies	Q32850	DNA Quantification
Qubit Protein Assay kit	Life Technologies	Q33211	Protein Quantification
Sucrose	Bio Basic	57-50-1	SDS PAGE gel
TEMED	Bio Rad	161-0800	SDS PAGE gel
APS	Bio Rad	161-0700	SDS PAGE gel
30% Acrylamide	Bio Rad	161-0158	SDS PAGE gel
SimplyBlue SafeStain	Invitrogen	LC6060	SDS PAGE gel
Glycine	Bio Rad	161-0718	SDS PAGE gel
B-mercaptoethanol	Bio Basic	60-24-2	SDS PAGE gel
Laemmli Sample Buffer	Bio Rad	161-0737	SDS PAGE gel
Precision Plus Protein Kaleidoscope Ladder	Bio Rad	161-0375EDU	SDS PAGE gel
Acetonitrile	VWR	CABDH6044-4	In-gel Trypsin digest
NH4HCO3	Bio Basic	1066-33-7	In-gel Trypsin digest
DTT	Sigma-Aldrich	D0632-1G	In-gel Trypsin digest
Formic Acid	Sigma-Aldrich	F0507-500ML	In-gel Trypsin digest
HPLC grade H2O	Sigma-Aldrich	270733-4L	In-gel Trypsin digest
Iodoacetamide	Bio Basic	144-48-9	In-gel Trypsin digest
Trypsin	Promega	V5111	In-gel Trypsin digest
Protein LoBind Tube 1.5ml	Eppendorf	22431081	In-gel Trypsin digest
2mL ROBO vial 9mm	Candian Life Science	VT009/C395SB	In-gel Trypsin digest
PP BM insert, No spring	Candian Life Science	4025P-631	In-gel Trypsin digest