Den beskrevne sammenlignende, kvantitativ proteomikk metode tar sikte på å skaffe innsikt i sammensetningen av multiprotein komplekser under forskjellige betingelser, og er vist ved å sammenligne genetisk forskjellige stammer. For kvantitativ analyse like volum av forskjellige fraksjoner fra et sukrose-densitets-gradient blir blandet og analysert ved massespektrometri.
Den introduserte protokollen gir et verktøy for analyse av multiprotein komplekser i thylakoid membranen, ved å avsløre innsikt i komplekse sammensetningen under forskjellige forhold. I denne protokoll tilnærmingen er demonstrert ved å sammenligne sammensetningen av protein-komplekset er ansvarlig for syklisk elektronstrømmen (CEF) i Chlamydomonas reinhardtii, isolert fra genetisk forskjellige stammer. Fremgangsmåten omfatter isolering av thylakoid membraner, etterfulgt av deres separering i multiprotein komplekser med sukrose-densitets-gradient sentrifugering, SDS-PAGE, og immuno-deteksjonssammen, kvantitativ massespektrometri (MS), basert på differensial metabolsk merking (14 N / 15 N) til analysert stammer. Vaskemiddel oppløseliggjorte thylakoid membraner er lastet på sukrose tetthetsgradienter på lik klorofyll konsentrasjon. Etter ultrasentrifugering, blir gradienter separert i fraksjoner, som ble analysert ved masse-spectrometry basert på tilsvarende volum. Denne tilnærmingen gjør etterforskningen av sammensetningen innenfor gradient fraksjoner og dessuten å analysere migrasjon oppførsel av forskjellige proteiner, spesielt med fokus på ANR1, CAS, og PGRL1. Videre er denne metode demonstrert ved å bekrefte resultatene med immunoblotting, og i tillegg ved å støtte resultatene fra tidligere undersøkelser (identifikasjon og PSI avhengige vandring av proteiner som tidligere er beskrevet til å være en del av CEF-supercomplex eksempel PGRL1, FNR, og cyt f). Spesielt, er denne tilnærmingen gjelder å løse et bredt spekter av spørsmål som denne protokollen kan bli vedtatt og f.eks brukes for komparative analyser av multiprotein kompleks sammensetning isolert fra forskjellige miljøforhold.
Fotosyntetiske prosesser i thylakoid membraner av planter og alger kan fungere i en lineær og cyklisk modus. Under lineær elektron flyt (LSF) photo I (PSI), photo II (PSII) og cytokrom b 6 / f til slutt overføre elektroner fra vann til NADP + 1, som fører til generering av NADPH og ATP to. I motsetning til dette sykliske elektronstrømmen (CEF), som er kjent for å bli indusert under forskjellige miljøbetingelser som statlige 2 3 og anaerobe betingelser 4, resulterer i en re-reduksjon av oksydert PSI ved å injisere elektroner tilbake inn i elektrontransportkjeden. Denne prosessen kan skje enten ved stromal side av cytokrom-b 6 / f-komplekset 1 eller ved plastoquinone basseng 5 og genererer ATP, men ingen NADPH 2.
Målet med den fremlagte protokoll er å demonstrere en massespektrometri (MS), basert m-metode for den komparative, kvantitativ analyse av multiprotein komplekser i thylakoid membraner av Chlamydomonas reinhardtii å få innsikt i sammensetningen av disse kompleksene under ulike forhold (eksemplifisert ved å sammenligne genetisk ulike stammer). Dette ble gjort i en publikasjon av Terashima et al. I 2012 viser en Ca 2 +-avhengige reguleringen av CEF i C. reinhardtii formidlet av en multiprotein komplekse inkludert proteiner CAS, ANR1, og PGRL1 seks. Fremgangsmåten vil bli forklart med forhold å analysere sammensetningen av CEF-supercomplex i to genetisk forskjellige stammer, for derved å ta fordel av merking av en av de to stammer med tunge nitrogen (15 N). I korthet protokollen innbefatter fremstilling av thylakoid membraner, etterfulgt av vaskemiddel solubilisering og fraksjonering av foto komplekser i en sukrose-densitets-gradient. Etter fraksjonering av graderingen, valgte fracsjoner av to stammer er blandet basert på tilsvarende volum, separert ved SDS-PAGE etterfulgt av in-gel fordøyelse og påfølgende kvantitativ MS analyse.
Som nevnt ovenfor, er CEF indusert under forskjellige miljøbetingelser, og en publikasjon fra 2010 viser isolering av en funksjonell CEF-supercomplex fra tilstand 2 låste celler av C. reinhardtii 7, som ble utført ved separering av solubiliserte membraner thylakoid på en sukrose-densitets-gradient i løpet av ultrasentrifugering. Forskjellig fra Iwai et al. 7, beskriver den presenterte protokollen isolering av CEF-supercomplex fra anaerobisk dyrket C. reinhardtii kulturer ved å følge en alternativ prosedyre. Dette består av endringer i thylakoid isolert protokoll, så vel som forskjeller i forhold til oppløseliggjøring trinn og separasjon av proteinkomplekser ved ultrasentrifugering. I dagens protokoll, thylakoid membranerblir isolert ved anvendelse av fremgangsmåten publisert av Chua og Bennoun 8, mens de buffere som brukes for tilberedning av thylakoid Iwai et al. inneholdt 25 mM Mes, 0,33 M sukrose, 5 mM MgCl2, 1,5 mM NaCl (pH 6,5) som beskrevet 9.. Den oppløseliggjøring ble utført med 0,7 til 0,8% vaskemiddel (n-tridecyl-β-D-maltoside) i 30 min på is i tilfelle av Iwai og medarbeidere, mens oppløseliggjøring metoden som er beskrevet her er avhengig av bruk av 0,9% vaskemiddel (n -Dodecyl-β-D-maltoside (β-DM)) og er utført i bare 20 min på is. Begge gruppene brukt 0,8 mg klorofyll pr ml for oppløseliggjøring av respektive vaskemiddel. For separasjon av foto komplekser fra oppløseliggjorte thylakoid membraner Iwai et al. Søkt sukrose konsentrasjoner mellom 0,1 til 1,3 M, mens forfatterne av denne protokollen som brukes konsentrasjoner spenner 0,4 til 1,3 M. Den siste forskjellen er sentrifugehastigheten, noe som er lavere enn til earlier publikasjonen.
Solubilization av thylakoid membraner med ioniske vaskemidler etterfulgt av sukrose tettshetsgradient fraksjone har allerede blitt brukt i en rekke studier som spenner fra 1980-tallet fram til i dag 7, 9-14 og også anvendelsen av metabolsk merking av proteiner er en utbredt metode i proteomikk-feltet. Den beskrevne metode anvender 15 N metabolsk merking for en av de to mot-stammer ved å dyrke den i nærvær av tung nitrogen som eneste nitrogenkilde i form av 15 N NH4Cl, som er innlemmet i alle aminosyrer som fører til en masse skifte avhengig av aminosyre-sekvensen av peptidet. Ved analyse av en blanding av 14 N og 15 N i en MS løper, kan denne masseforskyvning brukes til å bestemme prøve opprinnelse for hvert peptid og relative peptid Forekomsten kan beregnes som representerer relative Forekomsten for den tilsvaring protein 15.
Tallrike kvantitative proteomikk studier på C. reinhardtii er tilgjengelig, som sammenligner en definert mengde protein for å analysere endringer i proteomet mellom eksperimentelle forhold (for eksempel endringer i proteomet grunn av næringsstoff 16-19 eller lett stresset 20,21). Sammenlignet med disse studiene, i dag presenterte tilnærming like volum av prøver samlet og analysert. Dette oppsettet gjør det mulig å studere vandringsadferd av proteiner innen gradienten og dessuten for å analysere sammensetningen av forskjellige komplekser med hensyn til de undersøkte stammer.
Denne metoden vil bli forklart ved hovedsak konsentrere seg om tre proteiner: Den første kandidaten er kloroplast-lokaliserte kalsium sensor protein CAS, noe som viste seg å være involvert i foto akklimatisering i C. reinhardtii 22. Kalsium er ansett å være et viktig signaling ion for trasé som aktiveres på grunn av ulike biotiske og abiotiske påkjenninger endelig fører til endringer i genuttrykk og cellefysiologi 23, og det ble foreslått at kloroplaster kan bidra til å mobil Ca 2 + signaliserer via CAS protein 22,24,25. Det andre protein er ANR1 (anaerob reaksjon 1 6), et protein som ble vist å bli indusert i henhold anoksiske vekstforhold i C. reinhardtii 26. Spesielt, ble CAS samt ANR1 identifisert som subenheter av CEF-supercomplex og dessuten, ved hjelp av revers genetiske tilnærminger, ble det vist at begge proteiner bidrar funksjonelt til CEF in vivo 6, som støtter rollen som funksjonelle subenheter av dette protein kompleks. Den tredje protein er thylakoid protein PGR5-Like 1 (PGRL1), som ble vist å være involvert i CEF i Chlamydomonas 4,27 samt i Arabidopsis 5,28 og var også identified i arbeidet med Iwai et al. 7
Denne fremgangsmåten vil bli presentert ved å vise resultater fra to forskjellige eksperimenter: villtype (WT) versus (vs) en ΔPSI 29 belastning, som oppviser en delesjon av den psab-genet, som koder for en essensiell photosystem I-underenheten, som også er en del av CEF-supercomplex og WT vs en pgrl1 knock-out belastning fire. For hvert av disse eksperimenter den kvantitative sammensetning av CEF-supercomplex mellom en 15 N-, og en 14 N-merkede stamme er blitt sammenlignet.
Ulike kvantitative proteomikk studier ved hjelp av stabile isotoper merking er publisert i de siste årene. I disse eksperimentene vanligvis to forskjellige prøver sammenlignes, hvorav en prøve merkes med en stabil isotop. Deretter proteiner eller peptider fra de to prøver er kombinert i et likt forhold, og viderebehandles sammen 48. Slike studier ofte har tenkt å sammenligne definerte isolerte cellene (f.eks kloroplaster, mitokondrier, eller thylakoid membraner) eksponert for ulike stressforhold…
The authors have nothing to disclose.
MH erkjenner støtte fra "Deutsche Forschungsgemeinschaft" (DFG). Forfatter bidrag: MH designet forskning; KT, JS og MT utført forskning og analysert dataene, KT og MH skrev avisen.
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/ |
||
Other | |||
Antibodies | Agrisera website: http://www.agrisera.com/en/index.html |