تحليل خصوصية البروتين ليسين ميثيل عن طريق SPOT الببتيد صفائف
Summary
Peptide arrays synthesized by the SPOT method can be used to analyze the substrate specificity of Protein lysine methyltransferases (PKMTs) and to define the substrate spectrum of PKMTs to understand their biological role. This protocol describes how to synthesize peptide arrays, methylate them with PKMTs, and analyze the results.
Abstract
يسين مثيلة هو التعديل بعد الترجمة الناشئة وتم التعرف على العديد من هيستون وغير هيستون-البروتينات، حيث أنه يلعب دورا حاسما في تطوير خلية والعديد من الأمراض. وقد تم تحديد مواقع 5،000 مثيلة ليسين تقريبا على البروتينات المختلفة، وهي تحدد من قبل عدد قليل العشرات من ميثيل البروتين ليسين. وهذا يشير إلى أن كل PKMT methylates بروتينات متعددة، ولكن حتى الآن تم التعرف على واحد أو اثنين فقط ركائز للعديد من هذه الإنزيمات. تحليلات لنهج هذه المشكلة، أدخلنا مجموعة الببتيد تستند الركيزة خصوصية PKMTs. صفائف الببتيد هي أدوات قوية لتوصيف خصوصية PKMTs بسبب مثيلة من عدة ركائز مع سلاسل مختلفة يمكن اختبارها على مجموعة واحدة. نحن توليفها صفائف الببتيد على غشاء السليلوز باستخدام المزج Intavis SPOT وتحليلها خصوصية مختلف PKMTs. وبناء على هذه النتائج، بالنسبة للعديد من هذه الإنزيمات، رواية الصورةيمكن تحديد ubstrates. على سبيل المثال، لNSD1 من خلال توظيف صفائف الببتيد، أظهرنا أنه methylates K44 من H4 بدلا من H4K20 ذكرت وبالإضافة H1.5K168 هو الركيزة يفضل بدرجة كبيرة خلال H3K36 المعروفة سابقا. وبالتالي، صفائف الببتيد هي أدوات قوية لتوصيف كيميائيا وPKMTs.
Introduction
في العقدين الأخيرين، أظهرت عدة تقارير على أهمية التعديلات بعد متعدية (PTM) في التنمية الخلوية والعديد من الأمراض مثل السرطان، ولكن في الآونة الأخيرة البروتين يسين مثيلة قد ظهرت كعامل حيوي PTM آخر. في حين تم العثور على هيستون في البداية مثيلة ليسين ليكون علامة لونين الأساسية، وأظهر العمل في وقت لاحق أيضا يسين مثيلة من عدة بروتينات غير بسيطة 1-4. يتم تحفيز نقل متتابعة من مجموعات الميثيل من S-adenosyl-L-ميثيونين إلى مجموعة-ε الأمينية من بقايا يسين من قبل عائلة من الإنزيمات يسمى البروتين ليسين ميثيل (PKMTs) الذي يحتوي على أكثر من 60 البروتينات في الجينوم البشري. وقد اكتشفت في البداية PKMTs كما هيستون تعديل الانزيمات التي ميثيل بقايا يسين محددة ولكن أظهرت تقارير لاحقة أنها يمكن أيضا ميثيل البروتينات غير بسيطة 5. حتى الآن، تم تحديد ما يقرب من 5،000 مواقع مثيلة ليسين على البروتينات المختلفة 6 </sتصل>، ولكن غالبا ما لا يتم التعرف على الانزيمات المسؤولة عن هذه التعديلات. وأحد أسباب ذلك هو أن خصوصية أكثر PKMTs لم يدرس على نطاق واسع. ولذلك، فإنه يحدث متكرر أن ركائز جديدة للPKMTs يتم اكتشافها. عدم وجود معرفة مفصلة من خصوصية الركيزة من PKMTs يعيق فهم وظيفتها البيولوجية ودورها. لدراسة خصوصية من PKMT بالتفصيل، يجب أن تقاس معدلات مثيلة من العديد من ركائز الببتيد التي تختلف في واحد أو عدد قليل من الأحماض الأمينية ومقارنة، والتي تتم بشكل مثالي باستخدام صفائف الببتيد. استنادا إلى ملامح خصوصية الناتجة عن ذلك، يمكن تحديد ركائز المحتملة للPKMTs التي يمكن مزيد من الدراسة.
وتستخدم على نطاق واسع صفائف الببتيد أدوات لتحليل الكيمياء الحيوية من الأجسام المضادة، الببتيد الانزيمات تعديل ورسم خرائط لمواقع التفاعل البروتين البروتين (الضد مستضد، مستقبلات يجند) 7-9. وهناك حاجة إلى عدة مئات من الببتيدات لSUCح التطبيقات. وطرق المختلفة المتاحة لتخليق الببتيد، الببتيد التوليف بينها على الراتنج يستخدم عادة للغاية، ولكن له حدود في الإنتاجية وأنها مكلفة نسبيا. تم حل هذه القضايا مع إدخال طريقة تركيب SPOT فرانك وزملاؤه 10. يسمح للطريقة التوليف SPOT تجميع لعدة مئات من الببتيدات بالتوازي وفي المتوسط أنها غير مكلفة مقارنة توليف الراتنج. الببتيدات توليفها على غشاء السليولوز يمكن استخدام إما مباشرة لمختلف التطبيقات أو الببتيدات يمكن المشقوق من الغشاء واستخدامها كأداة الببتيدات المجانية للفي المقايسات حل أو لإعداد ميكروأرس الببتيد 10-13.
SPOT التوليف هو البديل من الببتيد مرحلة التوليف الصلبة، والذي يستخدم غشاء السليلوز كدعم قوي وتوظف القياسية Fmoc الكيمياء 10-13. وبالتالي، فإن تركيب سلاسل الببتيد يبدأ في نهاية-C محطة ويمضي نحونهاية-N محطة على النقيض من التوليف البيولوجي في ريبوسوم. وبين functionalized أغشية السليلوز لإلحاق أول الأحماض الأمينية تنشيط (الشكل 1). وتستند هذه الطريقة SPOT على تسليم متتابعة من الأحماض الأمينية تفعيلها في بقطرة من المذيب إلى مناطق محددة على الغشاء باستخدام نظام pipetting لالآلي. والاستغناء عن قطرة من السائل على غشاء مسامي حيث أنها تشكل بقعة دائرية الرطب، الذي يعمل في وقت لاحق كما مفاعل مفتوحا لتفاعلات كيميائية في التوليف الببتيد. يتم تحديد حجم بقعة على حجم الاستغناء والقدرة الاستيعابية للغشاء، يتم ترتيب مضاعفات مثل هذه البقع كما المصفوفات. حجم التوليف يرتبط حجم البقعة وقدرة التحميل من الغشاء. المسافة بين البقع وكثافة صفائف تدار من قبل متفاوتة الأحجام الفور. غشاء السليلوز لديها العديد من المزايا على النحو المرحلة الصلبة في التوليف الببتيد، أنها غير مكلفة، متسامح إلى كيميائياعتلال الأعصاب الحركية المستخدمة في تركيب الببتيد، مستقرة في المحاليل المائية وسهلة في التعامل معها. وبالإضافة إلى ذلك، طبيعته المحبة للماء يجعلها مناسبة لعدة أنظمة الفحص البيولوجية. يمكن أن يتم تركيب SPOT يدويا أو آليا (ل1000s من الببتيدات) اعتمادا على العدد المطلوب من الببتيدات. ويستخدم مركب SPOT مؤتمتة بالكامل من Intavis (كولن، ألمانيا) لطلباتنا. ويسمح تركيب الببتيدات في كميات مختلفة وطول مختلف. وقد تم تجميع الببتيدات الخطية بانتظام مع 15 إلى 20 الأمينية طول حامض، في الببتيدات إضافة ما يصل إلى 42 من الأحماض الأمينية يمكن أيضا أن تكون خطوة حكيمة التوليف 14،15 إعدادها. ومع ذلك، زيادة عدد الأحماض الأمينية يؤدي إلى تخفيضات في العوائد اقتران الشاملة، مما يؤثر على نوعية من الببتيدات. ونظرا لكمية قليلة من الببتيدات في بقعة، والمنتجات وغالبا ما تكون صعبة لتنقية ونوعية الببتيدات الفردية لا يمكن تقييمها بسهولة. ولذلك، فإن النتائج التي تم الحصول عليها من SPOT peptلا بد من تأكيد صفائف بيئة تطوير متكاملة سواء مع الببتيدات توليفها من قبل الأساليب القياسية في نطاق أوسع، والتي يمكن تنقيتها وتحليلها وفقا للمعايير في التوليف الببتيد أو عن طريق تجميع البروتينات التي تحتوي على سلاسل الببتيد المطلوب. ومع ذلك، وجدنا التوليف SPOT أن تكون موثوق بها للغاية ويؤدي عموما أن يكون استنساخه. لا يقتصر التوليف SPOT لproteinogenic الأحماض الأمينية، والعديد من الأحماض الأمينية تعديل المتاحة تجاريا كما يمكن استخدامها لتخليق، مما يسمح الببتيدات إلى أن يتم تعديل قبل وبعد الانقسام النهائي للمجموعة حماية الجانب السلسلة، وعلاوة على ذلك، فإنه يسمح أيضا إدماج فسفرته، مميثل أو الأسيتيل الأحماض الأمينية 11.
مكتبات الببتيد ثبتوا توليفها من خلال طريقة SPOT يمكن استخدامها مباشرة للعديد من المقايسات البيولوجية والبيوكيميائية. نحن العاملين صفائف الببتيد تضم 300-400 الببتيدات للتحقيق في خصوصية ركيزة من PKMTs. لmodifi الأنزيميالموجبة، يتم تحضين صفائف الببتيد مع PKMT منها وصفت [ميثيل 3 H] -AdoMet في العازلة المناسبة. ويتم تحليل الحامض الركيزة منها باتباع نقل الأنزيمية للمجموعات الميثيل المسمى بالإشعاع من AdoMet إلى الركيزة الببتيد عبر تصوير الإشعاع الذاتي (الشكل 3). بواسطة هذا الإجراء، صفائف الببتيد تسمح دراسة مثيلة من ركائز الببتيد مختلفة في نفس الوقت. أحد المزايا المهمة لهذا الأسلوب هو أن جميع الببتيدات وميثليته في المنافسة، هذا إلى أنه خلال المرحلة خطية من حركية مثيلة، ومثيلة النسبي لكل الببتيد يتناسب مع معدل ثابت الحفاز مقسوما على ثابت التفكك (ك القط / K D) من انزيم لالببتيد الركيزة منها. ولذلك، يرتبط مقدار النشاط الإشعاعي إدراجها في كل بقعة مباشرة مع النشاط الأنزيمي نحو الببتيد معين. باستخدامنتائج تجربة مثيلة مجموعة الببتيد، والوضع خصوصية PKMT يمكن تعريف وبناء على هذه الرواية ركائز يمكن أن يستند. صفائف الببتيد تسمح التحقق من صحة كفاءة السريع وتكلفة مثيلة من ركائز جديدة على مستوى الببتيد. لهذا، يتم إعداد المصفوفات التي تحتوي على ركائز جديدة توقع مع الببتيدات المعدلة تحتوي على علاء بدلا من ليز في المواقع المستهدفة وكذلك الببتيدات الإيجابية والسلبية السيطرة. وأخيرا، فإن ركائز الرواية يمكن أن تكون على استعداد كما البروتينات مع المسوخ، والتي يتم تبديل اليس هدف لعلاء ويمكن التأكد من مثيلة في مستوى البروتين. اعتمادا على نتائج، وهذا هو ثم تليها الدراسات البيولوجية معالجة الأدوار المحتملة للمثيلة من ركائز البروتين وصفها حديثا.
Protocol
Representative Results
Discussion
التوليف SPOT كما هو موضح هنا هو وسيلة قوية لرسم خريطة مواقع التفاعل البروتين البروتين والتحقيق في التعرف على الركيزة من الببتيد تعديل الانزيمات. ومع ذلك، SPOT التوليف لا يزال لديه بعض العيوب، لأنه على الرغم يتم الإبلاغ عن الببتيدات توليفها من خلال طريقة SPOT أن يكون أكثر م…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work has been supported by the DFG grant JE 252/7.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Ethanol abs Gradient Grade HPLC | Honeywell | 10299901 | Flammable |
| N,N-Dimethylformamide Peptide Synthesis | Biosolve | 4193302 | Flammable, Toxic |
| Piperidine ≥ 99 % for Peptide Synthesis | Roth | A122.1 | Flammable, Toxic, corrosive |
| Oxyma Pure (Ethyl (hydroxyimino)cyanoacetate ) | Novabiochem | 8510860100 | |
| N,N’-Diisopropylcarbodiimide purum ≥ 98% GC | Fluka | 38370 | Flammable, Toxic, corrosive |
| Acetic anhydride | Roth | CP28.1 | Flammable, Toxic, corrosive |
| Triisopropylsilane 99%, | Aldrich | 233781 | Flammable, Toxic |
| Dichlormethane ≥99,9% | Roth | P089.1 | Carcinogenic |
| N-Methyl-2-Pyrrolidone | Roth | 4306.2 | Toxic |
| Derivatized cellulose Membrane | Intavis AG Köln | 32.1 | |
| Trifluoroacetic acid | Roth | P088.2 | Toxic, corrosive |
| Bromphenolblue | AppliChem | A3640.0010 | |
| Ammonium Hydrogen Carbonate | Roth | T871.2 | Toxic |
| Sodium Dodecyl Sulfate Pellets | Roth | CN30.3 | Toxic, Flammable |
| MultiPep Synthesizer | Intavis AG Köln | n.a. | |
| HyperfilmTM high performance film | GE Healthcare | 28906837 | |
| Phoretix software | TotalLab | n.a. |
References
- Margueron, R., Reinberg, D. Chromatin structure and the inheritance of epigenetic information. Nat. Rev. Genet. 11, 285-296 (2010).
- Dawson, M. A., Kouzarides, T. Cancer epigenetics: from mechanism to therapy. Cell. 150, 12-27 (2012).
- Helin, K., Dhanak, D. Chromatin proteins and modifications as drug targets. Nature. 502, 480-488 (2013).
- Clarke, S. G. Protein methylation at the surface and buried deep: thinking outside the histone box. Trends in Biochemical Sciences. 38, 243-252 (2013).
- Rathert, P., et al. Protein lysine methyltransferase G9a acts on non-histone targets. Nature Chemical Biology. 4, 344-346 (2008).
- Hornbeck, P. V., Chabra, I., Kornhauser, J. M., Skrzypek, E., Zhang, B. PhosphoSite: A bioinformatics resource dedicated to physiological protein phosphorylation. Proteomics. 4, 1551-1561 (2004).
- Reineke, U., Volkmer-Engert, R., Schneider-Mergener, J. Applications of peptide arrays prepared by the SPOT-technology. Current Opinion in Biotechnology. 12, 59-64 (2001).
- Winkler, D. F., Andresen, H., Hilpert, K. SPOT synthesis as a tool to study protein-protein interactions. Methods Mol. Biol. 723, 105-127 (2011).
- Leung, G. C., Murphy, J. M., Briant, D., Sicheri, F. Characterization of kinase target phosphorylation consensus motifs using peptide SPOT arrays. Methods Mol. Biol. 570, 187-195 (2009).
- Frank, R. The SPOT-synthesis technique. Synthetic peptide arrays on membrane supports–principles and applications. Journal of immunological methods. 267, 13-26 (2002).
- Hilpert, K., Winkler, D. F., Hancock, R. E. Peptide arrays on cellulose support: SPOT synthesis, a time and cost efficient method for synthesis of large numbers of peptides in a parallel and addressable fashion. Nature protocols. 2, 1333-1349 (2007).
- Li, S. S., Wu, C. Using peptide array to identify binding motifs and interaction networks for modular domains. Methods Mol. Biol. 570, 67-76 (2009).
- Winkler, D. F., Hilpert, K., Brandt, O., Hancock, R. E. Synthesis of peptide arrays using SPOT-technology and the CelluSpots-method. Methods Mol. Biol. 570, 157-174 (2009).
- Toepert, F., et al. Combining SPOT synthesis and native peptide ligation to create large arrays of WW protein domains. Angew Chem. Int. Ed. Engl. 42, 1136-1140 (2003).
- Volkmer, R. Synthesis and application of peptide arrays: quo vadis SPOT technology. Chembiochem : a EuropeanJournal of Chemical Biology. 10, 1431-1442 (2009).
- Rathert, P., Zhang, X., Freund, C., Cheng, X., Jeltsch, A. Analysis of the substrate specificity of the Dim-5 histone lysine methyltransferase using peptide arrays. Chemistr., & biology. 15, 5-11 (2008).
- Kudithipudi, S., Dhayalan, A., Kebede, A. F., Jeltsch, A. The SET8 H4K20 protein lysine methyltransferase has a long recognition sequence covering seven amino acid residues. Biochimie. 94, 2212-2218 (2012).
- Dhayalan, A., Kudithipudi, S., Rathert, P., Jeltsch, A. Specificity analysis-based identification of new methylation targets of the SET7/9 protein lysine methyltransferase. Chemistr., & Biology. 18, 111-120 (2011).
- Kudithipudi, S., Lungu, C., Rathert, P., Happel, N., Jeltsch, A. Substrate specificity analysis and novel substrates of the protein lysine methyltransferase NSD1. Chemistr., & Biology. 21, 226-237 (2014).
- Obenauer, J. C., Cantley, L. C., Yaffe, M. B. Scansite 2.0: Proteome-wide prediction of cell signaling interactions using short sequence motifs. Nucleic Acids Research. 31, 3635-3641 (2003).
- Takahashi, M., Ueno, A., Mihara, H. Peptide design based on an antibody complementarity-determining region (CDR): construction of porphyrin-binding peptides and their affinity maturation by a combinatorial method. Chemistry. 6, 3196-3203 (2000).
- Kramer, A., et al. Spot synthesis: observations and optimizations. J. Pept. Res. 54, 319-327 (1999).
- Stadler, V., et al. Combinatorial synthesis of peptide arrays with a laser printer. Angew Chem. Int. Ed. Engl. 47, 7132-7135 (2008).
- Schnack, C., Hengerer, B., Gillardon, F. Identification of novel substrates for Cdk5 and new targets for Cdk5 inhibitors using high-density protein microarrays. Proteomics. 8, 1980-1986 (2008).
- Mah, A. S., et al. Substrate specificity analysis of protein kinase complex Dbf2-Mob1 by peptide library and proteome array screening. BMC Biochemistry. 6, 22 (2005).
