Enrichissement des lipoprotéines bactériennes et préparation des Lipopeptides N-terminal pour la détermination de structure par spectrométrie de masse
Summary
L’enrichissement des lipoprotéines bactériennes à l’aide d’une phase de surfactant non ionique, méthode de partitionnement est décrite pour une utilisation directe dans des essais de TLR ou d’autres applications. D’autres mesures sont détaillées pour préparer des N-terminal lipopeptides tryptique pour la caractérisation structurale par spectrométrie de masse.
Abstract
Les lipoprotéines sont des constituants importants de l’enveloppe de la cellule bactérienne et puissants activateurs de la réponse immunitaire innée chez la mammifères. Malgré leur importance à la fois la physiologie cellulaire et immunologie, il reste encore beaucoup à découvrir sur les lipoprotéines nouveaux formulaires, comment ils sont synthétisés et l’effet des différentes formes sur l’immunité de l’hôte. Pour permettre des études approfondies sur les lipoprotéines, ce protocole décrit une méthode pour l’enrichissement de lipoprotéines bactériennes et préparation de N-terminal lipopeptides tryptique pour la détermination de structure par laser assistée par matrice desorption ionisation-temps de vol spectrométrie de masse (MALDI-TOF MS). Poursuivant sur une phase de Triton X-114 établie partitionnement méthode pour extraction de lipoprotéines et l’enrichissement de la membrane de la cellule bactérienne, le protocole prévoit des mesures supplémentaires pour éliminer les contaminants non-lipoprotéines, augmentant le rendement de la lipoprotéine et pureté. Étant donné que les lipoprotéines sont couramment utilisés dans les essais de récepteurs Toll-like (TLR), il est essentiel d’abord caractériser la structure de N-terminal par MALDI-TOF Mme Herein, on présente une méthode pour isoler des peptides hydrophobes concentrés enrichis en N-terminal lipopeptides adaptés à l’analyse directe par MALDI-TOF MS/MS. lipoprotéines qui ont été séparés par électrophorèse Sodium dodécyl Sulfate Poly-Acrylamide (SDS-PAGE) sont transférées à une membrane de nitrocellulose, digérés in situ avec la trypsine, séquentiellement lavé pour enlever des peptides tryptiques polaires et finalement élué avec du chloroforme-méthanol. Lorsqu’il est couplé avec MS des peptides trypsinisés plus polaires de solutions de lavage, cette méthode fournit la capacité à identifier la lipoprotéine et caractériser son extrémité N-terminale dans une expérience simple. Formation d’un adduit sodium intentionnelle peut également être utilisée comme un outil pour promouvoir plusieurs spectres de fragmentation structurellement informative. En fin de compte, enrichissement des lipoprotéines et détermination de leurs structures de N-terminal permettra des études plus approfondies sur cette classe omniprésente des protéines bactériennes.
Introduction
Lipoprotéines bactériennes sont caractérisées par une conservée cystéine des lipides modifiés de N-terminal qui ancre le domaine protéine globulaire à la surface de la membrane cellulaire. Ils sont universellement distribués chez les bactéries, qui constituent 2 à 5 % de tous les gènes cellulaires au sein d’un génome typique1. Assemblée de complexes protéiques et dans le maintien de cellules enveloppe intégrité structurale2, lipoprotéines jouent un rôle crucial dans une grande variété de processus cellulaires, notamment l’absorption des éléments nutritifs, transduction du signal. Chez les bactéries pathogènes, lipoprotéines servent de facteurs de virulence3,4. Lors d’une infection, reconnaissance des lipopeptides N-terminale de récepteur Toll-like (TLR) 2 incite à une réaction immunitaire innée pour éliminer les pathogènes envahisseurs. Selon l’état de l’acylation N-terminale, lipoprotéines sont généralement reconnus par le remplaçant TLR2 hétérodimérique complexes. TLR2-TLR1 reconnaît N-acylés lipopeptides, tandis que TLR2-TLR6 lie lipopeptide libre α-aminé termini. Une fois lié, les voies de signalisation convergent pour induire la sécrétion de proinflammatory cytokines3,4.
On pensait auparavant que lipoprotéines de bactéries Gram-positives ont été diacylated et ceux des bactéries à Gram négatif triacylated, différant par l’absence ou la présence d’un acide gras amidé sur le résidu de cystéine N-terminale conservé. Cette hypothèse a été soutenue par l’absence de séquences orthologues dans les génomes de Lnt, la transférase de N-acyl-Gram négatif qui forme triacylated lipoprotéines5Gram positifs. Cependant, des études récentes ont révélé triacylation lipoprotéine dans Firmicutes Gram positif que manque lnt, ainsi que trois structures de lipoprotéines N-terminal roman, appelés la peptidyl, lyso et N –acétyl formes6,7 ,,8. Ces résultats soulèvent des questions sur les formulaires de lipoprotéine d’encore-à-être-découvert possible, aux côtés des questions fondamentales sur comment ces nouvelles lipoprotéines sont faites et quel but physiologique ou avantage répandre des diverses formes. En outre, ils démontrent clairement l’incapacité actuelle de la génomique pour prédire la structure de lipoprotéines. En effet, nous avons récemment identifié une nouvelle classe de transférase de N-acyl-lipoprotéine, appelé Lit, Enterococcus faecalis et Bacillus cereus qui rend lyso-formulaire lipoprotéines9. Ceci indique la nécessité de vérifier expérimentalement la structure de lipoprotéines, qui peut s’avérer difficile en raison de leur nature extrêmement hydrophobe et limitée des méthodes permettant de caractériser leur structure moléculaire.
Pour faciliter les études sur l’induction de la réponse immunitaire de l’hôte, ainsi que la détermination structurale N-terminal de lipoprotéine, nous avons adapté plusieurs protocoles décrits précédemment afin de purifier les lipoprotéines bactériennes et préparer le tryptique N-terminal lipopeptides pour analyse par MALDI-TOF MS6,10,11,12. Les lipoprotéines sont enrichis en utilisant une phase de X-114 Triton (désormais dénommé surfactant ou TX-114) établie partitionnement méthode, avec optimisation pour enlever les contaminants non-lipoprotéines et augmenter le rendement de la lipoprotéine. Ces lipoprotéines sont appropriés pour une utilisation directe dans des essais de TLR ou pour davantage de purification par SDS-PAGE. Pour MALDI-TOF MS, transfert des lipoprotéines de membrane de nitrocellulose fournit un échafaudage pour efficace in situ la digestion trypsique, lavage et élution subséquente de la surface de la membrane, ce qui entraîne très purifiée lipopeptides N-terminale. Nitrocellulose a été établi pour faciliter la manipulation des échantillons et améliorer la couverture de séquence pour les peptides fortement hydrophobes de l’intégrale de membrane protéines13,14, ainsi que les lipoprotéines9,10 . La méthode a l’avantage supplémentaire de fractionnement des peptides basées sur la polarité, afin que des solutions de lavage intermédiaire peuvent être analysées pour l’identification de protéines de haute confiance en même temps que la détermination de structure N-terminale dans une expérience simple . Ce protocole unique sodium intentionnelle caractéristiques la formation d’adduits à promouvoir la fragilisation d’ion parent vers dehydroalanyl ions pendant MS/MS, aidant à affectation structurelle de l’état d’acylation – N. L’extrémité N-terminale est deux la fonctionnalité plus variable et clée liée à la reconnaissance TLR des lipoprotéines. Pris ensemble, ce protocole a permis des études intensives et reproductibles sur les lipoprotéines, les différentes étapes de purification et de la détermination de structure par MALDI-TOF MS facilement adapté selon l’objectif global de l’expérience.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole ci-après décrit deux étapes distinctes de caractérisation des lipoprotéines : enrichissement de TX-114 phase de détermination de partitionnement et structurale par MALDI-TOF MS. Pendant l’essorage TX-114, centrifugation supplémentaire supprime les protéines contaminantes qui précipitent au cours de ce processus, suivi par la précipitation de l’acétone à céder des lipoprotéines hautement enrichis. En limitant l’échelle de chaque préparation à une valeur de 15 mL de cellules, plusieurs …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Recherche dans le laboratoire de Meredith a été financée par des fonds de démarrage fournis par le Collège Eberly de la Science (Pennsylvania State University). Nous remercions le Dr Tatiana Laremore d’expertise technique et l’accès à l’équipement à la Penn State protéomique et spectrométrie de masse Core Facility, University Park, PA, où ont été effectuées des analyses par spectrométrie de masse.
Materials
| Materials | |||
| 0.01 mm Zirconia/silica beads | BioSpec Products | 110791012 | |
| Acetic acid | EMD | AX0073-9 | |
| Acetone | EMD | AX0116-6 | |
| Acetonitrile | EMD | AX0142-6 | |
| Ammonium bicarbonate | Fluka Analytical | 09830 | |
| BioTrace NT Nitrocellulose | PALL Life Sciences | 66485 | |
| Bovine serum albumin (BSA) digest standard | Protea | PS-204-1 | |
| Chloroform | Acros Organics | 423550025 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Fisher Scientific | BP118 | |
| HPLC Grade water | EMD | WX0008-1 | |
| Lysozyme | Fisher Scientific | BP535-1 | |
| Methanol | Sigma-Aldrich | 34860 | |
| Phenylmethyl sulfonyl fluoride (PMSF) | Amresco | 0754 | |
| Pierce trypsin protease | Thermo Scientific | 90057 | |
| Ponceau S | Acros Organics | 161470100 | |
| Protein LoBind Tube 0.5mL | Eppendorf | 022431064 | |
| Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | 792519 | |
| Sodium chloride | Macron Fine Chemicals | 7581-06 | |
| Trifluoroacetic acid (TFA) | Sigma-Aldrich | 299537 | |
| Tris-hydrochloride (HCl) | Fisher Scientific | BP152 | |
| Triton X-114 | Sigma-Aldrich | 93422 | |
| Tryptic soy broth (TSB) | BD | 211822 | |
| α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (MS Grade) | Sigma-Aldrich | C8982 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| MagNALyser | Roche | ||
| Trans-Blot Turbo Transfer System | Bio-Rad | ||
| MALDI-TOF target | Bruker Daltonics | ||
| Ultraflextreme MALDI-TOF-TOF | Bruker Daltonics | Equipped with a 355 nm frequency-tripled Nd:YAG smartbeam-II laser |
References
- Babu, M. M., et al. A database of bacterial lipoproteins (DOLOP) with functional assignments to predicted lipoproteins. J Bacteriol. 188 (8), 2761-2773 (2006).
- Narita, S., Tokuda, H. Bacterial lipoproteins; biogenesis, sorting and quality control. Biochim Biophys Acta. 1862 (11), 1414-1423 (2016).
- Kovacs-Simon, A., Titball, R. W., Michell, S. L. Lipoproteins of bacterial pathogens. Infect Immun. 79 (2), 548-561 (2011).
- Nguyen, M. T., Götz, F. Lipoproteins of Gram-Positive Bacteria: Key Players in the Immune Response and Virulence. Microbiol Mol Biol Rev. 80 (3), 891-903 (2016).
- Nakayama, H., Kurokawa, K., Lee, B. L. Lipoproteins in bacteria: structures and biosynthetic pathways. FEBS J. 279 (23), 4247-4268 (2012).
- Kurokawa, K., et al. Novel bacterial lipoprotein structures conserved in low-GC content Gram-positive bacteria are recognized by Toll-like receptor 2. J Biol Chem. 287 (16), 13170-13181 (2012).
- Kurokawa, K., et al. The Triacylated ATP Binding Cluster Transporter Substrate-binding Lipoprotein of Staphylococcus aureus Functions as a Native Ligand for Toll-like Receptor 2. J Biol Chem. 284 (13), 8406-8411 (2009).
- Asanuma, M., et al. Structural evidence of α-aminoacylated lipoproteins of Staphylococcus aureus. FEBS J. 278 (5), 716-728 (2011).
- Armbruster, K. M., Meredith, T. C. Identification of the Lyso-Form N-Acyl Intramolecular Transferase in Low-GC Firmicutes. J Bacteriol. 199 (11), e00099-e00017 (2017).
- Serebryakova, M. V., Demina, I. A., Galyamina, M. A., Kondratov, I. G., Ladygina, V. G., Govorun, V. M. The acylation state of surface lipoproteins of Mollicute Acholeplasma laidlawii. J Biol Chem. 286 (26), 22769-22776 (2011).
- Feng, S. H., Lo, S. C. Induced mouse spleen B-cell proliferation and secretion of immunoglobulin by lipid-associated membrane proteins of Mycoplasma fermentans incognitus and Mycoplasma penetrans. Infect Immun. 62 (9), 3916-3921 (1994).
- Feng, S. H., Lo, S. C. Lipid extract of Mycoplasma penetrans proteinase K-digested lipid-associated membrane proteins rapidly activates NF-kappaB and activator protein 1. Infect Immun. 67 (6), 2951-2956 (1999).
- Luque-Garcia, J. L., Zhou, G., Spellman, D. S., Sun, T. -. T., Neubert, T. A. Analysis of electroblotted proteins by mass spectrometry: protein identification after Western blotting. Mol Cell Proteomics. 7 (2), 308-314 (2008).
- Luque-Garcia, J. L., Zhou, G., Sun, T. -. T., Neubert, T. A. Use of Nitrocellulose Membranes for Protein Characterization by Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry. Anal Chem. 78 (14), 5102-5108 (2006).
- Kurokawa, K., et al. Environment-mediated accumulation of diacyl lipoproteins over their triacyl counterparts in Staphylococcus aureus. J Bacteriol. 194 (13), 3299-3306 (2012).
- Laemmli, U. K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 227 (5259), 680-685 (1970).
- Schӓgger, H. Tricine-SDS-PAGE. Nat Protoc. 1, 16-22 (2006).
- Gravel, P. Protein Blotting by the Semidry Method. The Protein Protocols Handbook. , 321-334 (2002).
- Webster, J., Oxley, D. Protein Identification by Peptide Mass Fingerprinting using MALDI-TOF Mass Spectrometry. The Protein Protocols Handbook. , 1117-1129 (2009).
- Wilkins, M. R., et al. Detailed peptide characterization using PEPTIDEMASS – a World-Wide-Web-accessible tool. Electrophoresis. 18 (3-4), 403-408 (1997).
- Gasteiger, E., et al. Protein Identification and Analysis Tools on the ExPASy Server. The Proteomics Protocols Handbook. , 571-607 (2005).
- Perkins, D. N., Pappin, D. J. C., Creasy, D. M., Cottrell, J. S. Probability-based protein identification by searching sequence databases using mass spectrometry data. Electrophoresis. 20 (18), 3551-3567 (1999).
- Al-Saad, K. A., Zabrouskov, V., Siems, W. F., Knowles, N. R., Hannan, R. M., Hill, H. H. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry of lipids: ionization and prompt fragmentation patterns. Rapid Commun Mass Spectrom. 17 (1), 87-96 (2003).
