JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Chemistry

Ion Mobility-Mass massespektrometri teknikker for fastsettelse av struktur og mekanismer for metal ion Recognition og Redox aktivitet av metall bindende Oligopeptides

Published: September 07, 2019
doi:
10.3791/60102
, , , ,
1Department of Chemistry,Texas A&M University-Commerce

Summary

Ion mobilitet-masse massespektrometri og molekylære modellering teknikker kan karakterisere selektiv metall chelaterande ytelse av designet metall-binding peptider og kobber-binding peptid methanobactin. Utvikling av nye klasser av metall chelaterande peptider vil bidra til legemidler for sykdommer forbundet med metall ion misbalance.

Abstract

Electrospray ionisering (ESI) kan overføre en vandig-fase peptid eller peptid kompleks til gass-fase samtidig bevare sin masse, total kostnad, metall-bindende interaksjoner, og conformational form. Kopling ESI med ion mobilitet-Mass massespektrometri (IM-MS) gir en instrumental teknikk som gjør det mulig for samtidig måling av et peptid masse-å-lade (m/z) og kollisjon tverrsnitt (CCS) som forholder seg til sin støkiometri, protonation tilstand, og conformational form. Den samlede ansvaret for et peptid kompleks styres av protonation av 1) peptid er syrlig og grunnleggende nettsteder og 2) oksidasjon tilstand av metall ion (s). Derfor er den samlede ladetilstand av et kompleks en funksjon av pH i løsningen som påvirker peptider metall ion bindende affinitet. For ESI-IM-MS analyser, peptid og metall ioner løsninger er fremstilt fra vandige-bare løsninger, med pH justert med fortynnet vandig eddiksyre eller ammonium natriumhydroksid. Dette gjør det mulig for pH-avhengighet og metall ion selektivitet å bli bestemt for en bestemt peptid. Videre kan m/z og CCS av et peptid kompleks brukes med B3LYP/LanL2DZ molekylær modellering å skjelne bindende områder av metall ion koordinering og tertiær struktur av komplekset. Resultatene viser hvordan ESI-IM-MS kan karakterisere selektiv chelaterande ytelsen til et sett med alternative methanobactin peptider og sammenligne dem til kobber-binding peptid methanobactin.

Introduction

Kobber og sink ioner er avgjørende for levende organismer og avgjørende for prosesser inkludert oksidativt beskyttelse, vev vekst, åndedrett, kolesterol, glukose metabolisme, og Genova lesing1. For å aktivere disse funksjonene, grupper som thiolate av cys, imidazole av hans2,3, (mer sjelden) thioether av metionin, og carboxylat av Glu og ASP selektivt innlemme metaller som kofaktorer inn i aktive områder av metalloenzymes. Likheten av disse koordinerings grupper reiser et spennende spørsmål om hvordan hans og cys ligander selektivt innlemme enten Cu (I/II) eller Zn (II) for å sikre riktig funksjon.

Selektiv binding oppnås ofte ved oppkjøp og smugling av peptider, som kontrollerer konsentrasjoner av Zn (II) eller Cu (I/II) ion4. Cu (I/II) er svært reaktiv og forårsaker oksidativt skade eller adventitious binding til enzymer, så dens frie konsentrasjon er strengt regulert av kobber chaperones og kobber regulerings proteiner som transporterer den trygt til ulike steder i cellen og tett kontrollere homeostase5,6. Forstyrrelse av kobber metabolisme eller homeostase er direkte innblandet i Menkes og Wilsons sykdom7 samt kreft7 og nevrale lidelser, slik som Prion8 og Alzheimers sykdom9.

Wilsons sykdom er assosiert med økt kobber nivåer i øyne, lever og deler av hjernen, der Redox reaksjoner av Cu (I/II) produserer reaktive oksygen arter, forårsaker hepatolenticular og nevrologisk degenerasjon. Eksisterende Chelation terapier er de små tiolderivat aminosyre Penicillamine og triethylenetetramine. Alternativt methanotrophic kobber-oppkjøpet peptider methanobactin (MB)10,11 Exhibit terapeutisk potensial på grunn av deres høye bindende affinitet for Cu (I)12. Når methanobactin (MB-OB3b) fra Methylosinus trichosporium OB3b ble studert i et dyr modell av Wilson ‘ s sykdom, kobber ble effektivt fjernet fra leveren og utskilles gjennom galle13. In vitro eksperimenter bekreftet at MB-OB3b kunne chelate kobber fra kobber metallothionein som finnes i leveren stoffer13. Laser ablasjon Induktivt kombinert plasma Mass massespektrometri Imaging teknikker har undersøkt romlig fordeling av kobber i Wilson ‘ s sykdom leveren prøver14,15,16 og vist at MB-OB3b fjerner kobber med korte behandlingsperioder på bare 8 dager17.

MB-OB3b vil også binde med andre metall ioner, inkludert AG (I), Au (III), PB (II), MN (II), co (II), fe (II), ni (II) og Zn (II)18,19. Konkurranse om fysiologiske Cu (I) bindende området er utstilt ved AG (I) fordi den kan fortrenge Cu (I) fra MB-OB3b kompleks, med både AG (I) og ni (II) også viser irreversible binding til MB som ikke kan fordrevet av Cu (I)19. I den seneste tid, en serien av alternativ methanobactin (AMB) oligopeptides med det 2His-2Cys innbindingen motiv ha blitt studert20,21, og deres Zn (II) og Cu (jeg/II) innbindingen eiendom kjennetegnet. Deres primære aminosyre sekvenser er like, og de alle inneholder 2His-2Cys motiv, Pro og en acetylert N-Terminus. De hovedsakelig avvike fra MB-OB3b fordi 2His-2Cys motiv erstatter de to enethiol oxazolone bindende områder av MB-OB3b.

Electrospray ionisering kombinert med ion mobilitet-Mass massespektrometri (ESI-IM-MS) gir en kraftig instrumental teknikk for å bestemme metall-binding egenskaper av peptider fordi den måler deres masse-å-lade (m/z) og kollisjon tverrsnitt (CCS) og samtidig bevare sin masse, ladning, og conformational form fra løsnings fasen. M/z og CCS forholder seg til peptider støkiometri, protonation tilstand og conformational form. Støkiometri bestemmes fordi identiteten og antallet av hvert element i arten er eksplisitt identifisert. Den samlede ansvaret for peptid komplekset er relatert til protonation tilstand av Sure og grunnleggende nettsteder og oksidasjon tilstand av metall ion (s). CCS gir informasjon om den conformational formen av peptid komplekset fordi den måler rotasjons gjennomsnittet størrelse som er relatert til tertiær strukturen av komplekset. Den samlede ladetilstand av komplekset er også en funksjon av pH og påvirker peptid ‘ s metal ion bindende affinitet fordi deprotonated grunnleggende eller sure nettsteder som kar bok SYL, hans, cys og Tyr er også de potensielle bindende områder for metall ion. For analysene, peptid og metall ion er utarbeidet i vandige løsninger med pH justert ved å fortynne vandig eddiksyre eller ammonium natriumhydroksid. Dette gjør det mulig for pH-avhengighet og metall ion selektivitet skal fastsettes for peptid. Videre kan m/z og CCS BESTEMMES av ESI-im-MS brukes med B3LYP/LanL2DZ molekylær modellering å oppdage hvilken type metall ion koordinering og tertiær struktur av komplekset. Resultatene som vises i denne artikkelen avslører hvordan ESI-IM-MS kan karakterisere selektiv chelaterande ytelsen til et sett med AMB peptider og sammenligne dem til kobber-bindende peptid MB-OB3b.

Protocol

1. tilberedning av reagenser Kultur Methylosinus trichosporium OB3b, Isoler Cu (I)-gratis MB-OB3b18,22,23, Frys-tørk prøven og oppbevar ved-80 ° c til bruk. Syntetisere den AMB peptider (> 98% renhet for AMB1, AMB2, AMB4; > 70% renhet for AMB7), fryse-tørk prøvene, og oppbevar dem ved-80 ° c til bruk. Kjøp > 98% renhet mangan (II) klorid, k…

Representative Results

Metal binding av AMB1IM-MS Study20 av AMB1 (figur 1A) viste at både kobber og sink ioner bundet til AMB1 i en pH-avhengig måte (figur 2). Men kobber og sink bundet til AMB1 gjennom ulike reaksjons mekanismer på ulike koordinering nettsteder. Hvis du for eksempel legger til Cu (II) i AMB1 resulterte i oksidasjon av AMB1 (AMB1ox</…

Discussion

Kritiske trinn: bevaring løsning-fase atferd for undersøkelse via ESI-IM-MS
Native ESI instrumental innstillinger må brukes som bevarer peptider støkiometri, ladetilstand, og conformational struktur. For native forhold, forholdene i ESI kilde som membran spenninger, temperaturer, og gass renn må optimaliseres. Også presset og spenninger i kilde, Trap, ion mobilitet, og overføre reise bølger (spesielt DC felle bias som styrer injeksjon spenning inn i IM-cellen) må sjekkes for sine påvirkninge…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette materialet er basert på arbeid støttet av National Science Foundation under 1764436, støtte for NSF-instrumentet (MRI-0821247), Welch Foundation (T-0014), og databehandling ressurser fra Department of Energy (TX-W-20090427-0004-50) og L3 Communications . Vi takker Bower ‘ s gruppe University of California-Santa Barbara for deling av Sigma programmet og Ayobami Ilesanmi for å demonstrere teknikken i videoen.

Materials

acetonitrile HPLC-grade Fisher Scientific (www.Fishersci.com) A998SK-4
ammonium hydroxide (trace metal grade) Fisher Scientific (www.Fishersci.com) A512-P500
cobalt(II) chloride hexahydrate 99.99% Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) 255599-5G
copper(II) chloride 99.999% Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) 203149-10G
copper(II) nitrate hydrate 99.99% Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) 229636-5G
designed amb1,2,3,4,5,6,7 peptides Neo BioLab (neobiolab.com) designed peptides were synthized by order
designed amb5B,C,D,E,F peptides PepmicCo (www.pepmic.com) designed peptides were synthized by order
Driftscope 2.1 software program Waters (www.waters.com) software analysis program
Freeze-dried, purified, Cu(I)-free mb-OB3b cultured and isolated in the lab of Dr. DongWon Choi (Biology Department, Texas A&M-Commerce)
glacial acetic acid (Optima grade) Fisher Scientific (www.Fishersci.com) A465-250
Iron(III) Chloride Anhydrous 98%+ Alfa Aesar (www.alfa.com) 12357-09
lead(II) nitrate ACS grade Avantor (www.avantormaterials.com) 128545-50G
manganese(II) chloride tetrahydrate 99.99% Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) 203734-5G
MassLynx 4.1 Waters (www.waters.com) software analysis program
nickel chloride hexahydrate 99.99% Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) 203866-5G
poly-DL-alanine Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) P9003-25MG
silver nitrate 99.9%+ Alfa Aesar (www.alfa.com) 11414-06
Waters Synapt G1 HDMS Waters (www.waters.com) quadrupole – ion mobility- time-of-flight mass spectrometer
zinc chloride anhydrous Alfa Aesar (www.alfa.com) A16281
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dudev, T., Lim, C. Competition among Metal Ions for Protein Binding Sites: Determinants of Metal Ion Selectivity in Proteins. Chemical Reviews. 114 (1), 538-556 (2014).
  2. Sovago, I., Kallay, C., Varnagy, K. Peptides as complexing agents: Factors influencing the structure and thermodynamic stability of peptide complexes. Coordination Chemistry Reviews. 256 (19-20), 2225-2233 (2012).
  3. Sóvágó, I., Várnagy, K., Lihi, N., Grenács, &. #. 1. 9. 3. ;. Coordinating properties of peptides containing histidyl residues. Coordination Chemistry Reviews. 327, 43-54 (2016).
  4. Rubino, J. T., Franz, K. J. Coordination chemistry of copper proteins: How nature handles a toxic cargo for essential function. Journal of Inorganic Biochemistry. 107 (1), 129-143 (2012).
  5. Robinson, N. J., Winge, D. R. Copper Metallochaperones . Annual Review of Biochemistry. 79, 537-562 (2010).
  6. Scheiber, I. F., Mercer, J. F. B., Dringen, R. Metabolism and functions of copper in brain. Progress in Neurobiology. 116, 33-57 (2014).
  7. Tisato, F., Marzano, C., Porchia, M., Pellei, M., Santini, C. Copper in Diseases and Treatments, and Copper-Based Anticancer Strategies. Medicinal Research Reviews. 30 (4), 708-749 (2010).
  8. Millhauser, G. L. Copper and the prion protein: Methods, structures, function, and disease. Annual Review of Physical Chemistry. 58, 299-320 (2007).
  9. Arena, G., Pappalardo, G., Sovago, I., Rizzarelli, E. Copper(II) interaction with amyloid-beta: Affinity and speciation. Coordination Chemistry Reviews. 256 (1-2), 3-12 (2012).
  10. Kim, H. J., et al. Methanobactin, a copper-acquisition compound from methane-oxidizing bacteria. Science. 305 (5690), 1612-1615 (2004).
  11. Di Spirito, A. A., et al. Methanobactin and the link between copper and bacterial methane oxidation. Microbiology Molecular Biology Reviews. 80 (2), 387-409 (2016).
  12. Kenney, G. E., Rosenzweig, A. C. Chemistry and biology of the copper chelator methanobactin. ACS Chemical Biology. 7 (2), 260-268 (2012).
  13. Summer, K. H., et al. The biogenic methanobactin is an effective chelator for copper in a rat model for Wilson disease. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 25 (1), 36-41 (2011).
  14. Hachmoeller, O., et al. Investigating the influence of standard staining procedures on the copper distribution and concentration in Wilson’s disease liver samples by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 44, 71-75 (2017).
  15. Hachmoeller, O., et al. Spatial investigation of the elemental distribution in Wilson’s disease liver after D-penicillamine treatment by LA-ICP-MS. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 44, 26-31 (2017).
  16. Hachmoeller, O., et al. Element bioimaging of liver needle biopsy specimens from patients with Wilson’s disease by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 35, 97-102 (2016).
  17. Mueller, J. C., Lichtmannegger, J., Zischka, H., Sperling, M., Karst, U. High spatial resolution LA-ICP-MS demonstrates massive liver copper depletion in Wilson disease rats upon Methanobactin treatment. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 49, 119-127 (2018).
  18. Choi, D. W., et al. Spectral and thermodynamic properties of Ag(I), Au(III), Cd(II), Co(II), Fe(III), Hg(II), Mn(II), Ni(II), Pb(II), U(IV), and Zn(II) binding by methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b. Journal of Inorganic Biochemistry. 100, 2150-2161 (2006).
  19. McCabe, J. W., Vangala, R., Angel, L. A. Binding Selectivity of Methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b for Copper(I), Silver(I), Zinc(II), Nickel(II), Cobalt(II), Manganese(II), Lead(II), and Iron(II). Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 28, 2588-2601 (2017).
  20. Sesham, R., et al. The pH dependent Cu(II) and Zn(II) binding behavior of an analog methanobactin peptide. European Journal of Mass Spectrometry. 19 (6), 463-473 (2013).
  21. Wagoner, S. M., et al. The multiple conformational charge states of zinc(II) coordination by 2His-2Cys oligopeptide investigated by ion mobility – mass spectrometry, density functional theory and theoretical collision cross sections. Journal of Mass Spectrom. 51 (12), 1120-1129 (2016).
  22. Bandow, N. L., et al. Isolation of methanobactin from the spent media of methane-oxidizing bacteria. Methods in Enzymology. 495, 259-269 (2011).
  23. Choi, D. W., et al. Spectral and thermodynamic properties of methanobactin from γ-proteobacterial methane oxidizing bacteria: a case for copper competition on a molecular level. Journal of Inorganic Biochemistry. 104 (12), 1240-1247 (2010).
  24. Pringle, S. D., et al. An investigation of the mobility separation of some peptide and protein ions using a new hybrid quadrupole/travelling wave IMS/oa-ToF instrument. International Journal of Mass Spectrometry. 261 (1), 1-12 (2007).
  25. Forsythe, J. G., et al. Collision cross section calibrants for negative ion mode traveling wave ion mobility-mass spectrometry. Analyst. 14 (20), 6853-6861 (2015).
  26. Allen, S. J., Giles, K., Gilbert, T., Bush, M. F. Ion mobility mass spectrometry of peptide, protein, and protein complex ions using a radio-frequency confining drift cell. Analyst. 141 (3), 884-891 (2016).
  27. Bush, M. F., Campuzano, I. D. G., Robinson, C. V. Ion Mobility Mass Spectrometry of Peptide Ions: Effects of Drift Gas and Calibration Strategies. Analytical Chemistry. 84 (16), 7124-7130 (2012).
  28. Salbo, R., et al. Traveling-wave ion mobility mass spectrometry of protein complexes: accurate calibrated collision cross-sections of human insulin oligomers. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 26 (10), 1181-1193 (2012).
  29. Smith, D. P., et al. Deciphering drift time measurements from travelling wave ion mobility spectrometry-mass spectrometry studies. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 113-130 (2009).
  30. Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. Journal of Chemical Physics. 98 (7), 5648-5652 (1993).
  31. Dunning, T. H., Hay, P. J. Gaussian basis sets for molecular calculations. Modern Theoretical Chemistry. 3, 1-27 (1977).
  32. Hay, P. J., Wadt, W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for potassium to gold including the outermost core orbitals. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 299-310 (1985).
  33. Hay, P. J., Wadt, W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for the transition metal atoms scandium to mercury. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 270-283 (1985).
  34. Wadt, W. R., Hay, P. J. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for main group elements sodium to bismuth. Journal of Chemical Physics. 82 (1), 284-298 (1985).
  35. . Gaussian 09, Revision C.01. Gaussian, Inc. , (2012).
  36. Wyttenbach, T., von Helden, G., Batka, J. J., Carlat, D., Bowers, M. T. Effect of the long-range potential on ion mobility measurements. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 8 (3), 275-282 (1997).
  37. Choi, D., et al. Redox activity and multiple copper(I) coordination of 2His-2Cys oligopeptide. Journal of Mass Spectrometry. 50 (2), 316-325 (2015).
  38. Rigo, A., et al. Interaction of copper with cysteine: stability of cuprous complexes and catalytic role of cupric ions in anaerobic thiol oxidation. Journal of Inorganic Biochemistry. 98 (9), 1495-1501 (2004).
  39. Vytla, Y., Angel, L. A. Applying Ion Mobility-Mass Spectrometry Techniques for Explicitly Identifying the Products of Cu(II) Reactions of 2His-2Cys Motif Peptides. Analytical Chemistry. 88 (22), 10925-10932 (2016).
  40. Choi, D., Sesham, R., Kim, Y., Angel, L. A. Analysis of methanobactin from Methylosinus trichosporium OB3b via ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 18 (6), 509-520 (2012).
  41. Martell, A. E., Motekaitis, R. J. NIST Standard Reference Database 46. Institute of Standards and Technology. , (2001).
  42. Pesch, M. L., Christl, I., Hoffmann, M., Kraemer, S. M., Kretzschmar, R. Copper complexation of methanobactin isolated from Methylosinus trichosporium OB3b: pH-dependent speciation and modeling. Journal of Inorganic Biochemistry. 116, 55-62 (2012).
  43. Amin, E. A., Truhlar, D. G. Zn Coordination Chemistry: Development of Benchmark Suites for Geometries, Dipole Moments, and Bond Dissociation Energies and Their Use To Test and Validate Density Functionals and Molecular Orbital Theory. Journal of Chemical Theory and Computation. 4 (1), 75-85 (2008).
  44. Sorkin, A., Truhlar, D. G., Amin, E. A. Energies, Geometries, and Charge Distributions of Zn Molecules, Clusters, and Biocenters from Coupled Cluster, Density Functional, and Neglect of Diatomic Differential Overlap Models. Journal of Chemical Theory and Computation. 5 (5), 1254-1265 (2009).
  45. Lillo, V., Galan-Mascaros, J. R. Transition metal complexes with oligopeptides: single crystals and crystal structures. Dalton Transactions. 43 (26), 9821-9833 (2014).
  46. Choutko, A., van Gunsteren, W. F. Conformational Preferences of a beta-Octapeptide as Function of Solvent and Force-Field Parameters. Helvetica Chimica Acta. 96 (2), 189-200 (2013).
  47. Angel, L. A. Study of metal ion labeling of the conformational and charge states of lysozyme by ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 17 (3), 207-215 (2011).
  48. Kelso, C., Rojas, J. D., Furlan, R. L. A., Padilla, G., Beck, J. L. Characterisation of anthracyclines from a cosmomycin D-producing species of Streptomyces by collisionally-activated dissociation and ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 73-81 (2009).
  49. El Ghazouani, A., et al. Copper-binding properties and structures of methanobactins from Methylosinus trichosporium OB3b. Inorganic Chemistry. 50 (4), 1378-1391 (2011).

Tags

Keywords: Ion Mobility-mass SpectrometryIM-MSMetal Ion RecognitionRedox ActivityMetal Binding OligopeptidesMolecular ModelingTertiary StructureMetal CorrelationESI-IM-MSPoly-DL-alanineAlternative MethanobactinPH-dependent RedoxMethyl Binding ReactionProduct IonsStoichiometryProtonation StateConformational StructureMetal Chelating PeptidesTherapeuticsMenkes DiseaseWilson’s DiseaseCancerAlzheimer’s DiseaseNative ESI-IM-MSNegative IonPositive IonAcetic AcidAmmonium HydroxideMass-to-chargeIsotope Pattern
check_url/60102?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Yousef, E. N., Sesham, R., McCabe, J. W., Vangala, R., Angel, L. A. Ion Mobility-Mass Spectrometry Techniques for Determining the Structure and Mechanisms of Metal Ion Recognition and Redox Activity of Metal Binding Oligopeptides. J. Vis. Exp. (151), e60102, doi:10.3791/60102 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image