分析阿拉伯恐惧症中渗透应激信号的磷蛋白分析策略
1Department of Plant Biology,Carnegie Institute for Science, 2Graduate School of Pharmaceutical Sciences,Kyoto University, 3Department of Biochemistry,Purdue University, 4Department of Chemistry,Purdue University, 5Shanghai Center for Plant Stress Biology, CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences,Chinese Academy of Sciences
Summary
这里介绍的是一种磷蛋白法，即停止和去提取基于磷蛋白的尖端，它提供了高通量和深度覆盖 的阿拉比多普西 磷蛋白。这种方法概述了阿拉伯语中渗透应激信号 的概述。
Abstract
蛋白质磷化对于控制渗透条件下的酶活性和基因表达至关重要。基于质谱（MS）的磷蛋白经济学改变了研究植物信号转导的方法。然而，需要大量的起始材料和更长的MS测量时间来达到覆盖深度，一直是全球植物磷蛋白变化高通量研究的限制因素。为了提高植物磷蛋白的灵敏度和通量，我们开发了一种停止和去提取（阶段）尖端的磷蛋白经济学方法，并结合Tandem质量标签（TMT）标签，对植物磷酸化扰动进行快速、全面的分析，以应对渗透应激。利用阶段尖端技术的简单性和高通量，整个过程大约需要一个小时，使用两个提示完成磷肽的浓缩、分馏和样品清洁步骤，表明该方法易于使用且效率高。这种方法不仅提供了深入的植物磷蛋白学分析（+11，000 磷肽识别），而且还显示了相邻分数之间的卓越分离效率（+lt; 5%重叠）。此外，还利用TMT标签实现了多路复用，以量化野生型和 snrk2 脱钩突变植物的磷蛋白变化。这种方法已成功地用于揭示拉夫样激酶的磷化事件，以回应渗透应激，这揭示了对陆地植物早期渗透信号的理解。
Introduction
高盐度、低温和干旱引起渗透应力，这是影响植物生产力的主要环境因素。蛋白质磷化是植物对渗透应激3、4、5的反应中最重要的转化后修饰之一。SNF1相关的蛋白激酶2s（SnRK2s）参与渗透应激信号6。SnRK2家族的10名成员中有9人因对渗透性压力7、8表现出显著的激活作用。snrk2.1/2/3/4/5/6/7/8/9/10突变（snrk2-dec）突变在所有 10 SnRK2 显示对渗透应激的超敏性。在snrk2-dec突变体中，渗透应激引起的不溶胶1，4，5-三磷酸盐（IP3）、苦酸（ABA）生物合成和基因表达的积累被强烈减少，突出了SnRK2s在渗透应激反应中的重要作用。然而，目前还不清楚SnRK2s激酶是如何调节这些生物过程的。分析针对渗透应激的磷蛋白变化是弥合这一差距和描绘植物中渗透应激触发防御机制的有效方法。
质谱学（MS）是测绘植物磷蛋白9的一项强有力的技术。然而，由于植物蛋白质组的动态范围和植物草酸盐4的复杂性，植物磷蛋白的定性仍然是一个挑战。为了克服这些挑战，我们开发了一种通用的植物磷蛋白工作流程，它消除了光合作用颜料和次要代谢物等不必要的干扰，并实现了植物磷蛋白10的深度覆盖。在MS分析11、12、13、14、15、16之前，已经开发出几种磷肽浓缩方法，如固定金属离子亲和度色谱（IMAC）和金属氧化物色谱（MOC）。酸性非磷肽与磷肽共同净化是磷肽检测的主要干扰物。此前，我们标准化了 IMAC 装载缓冲区的 pH 值和有机酸浓度，以消除非磷肽的结合，获得 90% 以上的浓缩特异性，绕过了分馏前步骤11。
磷肽富集和分馏多步骤过程中的样品流失妨碍了磷肽鉴定的敏感性和磷蛋白覆盖深度。停止和去提取技巧（阶段提示）是移液器提示，包含小磁盘，以盖住尖端的末端，它可以与色谱相结合的肽分馏和清洁17。避免样品在管子之间转移，可以最大限度地减少阶段提示过程中的样品损失。我们已经成功地在Ga3+-IMAC和Fe3+-IMAC中实现了阶段提示，将低丰富的多磷酸肽与单磷酸肽分离出来，从而提高了人类磷蛋白15的深度。此外，与强 cation 交换 （SCX） 和强阴离子交换 （SAX） 色谱18相比，高 pH 反相 （Hp-RP） 阶段尖端的使用表明人类膜蛋白质组的覆盖范围更广。因此，集成 IMAC 和 Hp-RP 阶段尖端技术可以提高植物磷蛋白的覆盖率，具有简单性、高特异性和高吞吐量。我们已经证明，这一战略从 阿拉比多普西 斯幼苗中确定了2万多个磷化位点，代表了植物磷蛋白体19的深度。
在这里，我们报告了阿拉伯磷蛋白分析阶段基于尖端的磷蛋白化方案 。 此工作流程用于研究野生型和 snrk2-dec 突变幼苗的磷蛋白扰动，以应对渗透应激。磷蛋白分析显示，磷化位点与激酶活化和早期渗透应激信号有关。对野生型和 snrk2-dec 突变磷蛋白组数据的比较分析，发现了一种类似Raf的激酶（RAF）-SnRK2激酶级联，在高植物的奥斯莫尔应激信号中起着关键作用。
Protocol
1. 样品准备 在铝箔中收获控制和应力处理的幼苗（1克），并闪过在液氮中冷冻样品。注意：通常从两周大的幼苗中观察到比成熟植物高的蛋白质浓度。一克幼苗产生大约10毫克的蛋白质解析，这足以进行MS分析。所有离心步骤在第 1 步中均在 16，000 x g 下进行。 用砂浆和充满液氮的害虫将冷冻幼苗磨成细粉。 添加1 mL的裂解缓冲区（（6 M瓜尼丁-HCl在100 mM特里斯-HCl?…
Representative Results
为了演示此工作流程的性能，我们利用 IMAC 阶段提示加上 Hp-RP 阶段尖端分馏来测量野生型和 snrk2-dec 突变幼苗中具有或无需曼尼托治疗的磷蛋白变化 30 分钟。每个样本都是在生物三元体中进行的，实验工作流程以 图1表示。每个样品的消化肽（400微克）被标记为一个TMT-6plex通道，汇总和脱盐。磷肽使用 IMAC 阶段尖端进一步丰富，随后 Hp-RP 阶段尖端将纯化磷肽分成八个…
Discussion
植物蛋白质组和磷蛋白质组的动态范围和复杂性仍然是磷蛋白分析深度的限制因素。尽管单运行LC-MS/MS分析能够识别10，000个磷化位点21，22，但整个植物磷蛋白的覆盖率仍然有限。因此，在分析植物信号网络应对环境压力的全球视图时，需要提供高灵敏度和卓越分离效率的磷蛋白工作流。商用高压液体色谱（HPLC）柱基色谱是MS分析23、24</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了中国科学院战略优先研究项目格兰特XDB27040106的支持。
Materials
| 1.5 mL tube | eppendorf | 22431081 | Protein LoBind, 1.5 mL, PCR clean, colorless, 100 tubes |
| 200 µL pipet tip | Gilson | F1739311 | |
| 2-chloroacetamide | Sigma-Aldrich | C0267 | |
| acetic acid | Sigma-Aldrich | 5438080100 | |
| acetonitrile | Sigma-Aldrich | 271004 | |
| ammonium hydroxide | Sigma-Aldrich | 338818 | |
| ammonium phosphate monbasic | Sigma-Aldrich | 216003 | |
| BCA Protein Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | 23227 | |
| blunt-ended needle | Hamilton | 90516 | Kel-F hub (KF), point style 3, gauge 16 |
| C18-AQ beads | Dr. Maisch | ReproSil-Pur-C18-AQ 5 µm | |
| C8 Empore disk | 3 M | 2214 | 47 mm |
| Centrifuge | eppendorf | 22620444 | |
| chloroform | Sigma-Aldrich | CX1058 | |
| data analysis software | Perseus 1.6.2.1 | https://maxquant.net/perseus/ | |
| ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | ||
| formic acid | Sigma-Aldrich | 5330020050 | |
| Frits | Agilent | 12131024 | Frits for SPE Cartridges |
| Guanidine hydrochloride | Sigma-Aldrich | 50933 | |
| H2O | Sigma-Aldrich | 1153334000 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| Iron (III) chloride | Sigma-Aldrich | 157740 | |
| LTQ-orbitrap | Thermo Fisher Scientific | Velos Pro | |
| mass spectrometer | Thermo Fisher Scientific | LTQ-Orbitrap Velos Pro | |
| methanol | Sigma-Aldrich | 34860 | |
| nano LC | Thermo Fisher Scientific | Easy-nLC 1000 | |
| Ni-NTA spin column | Qiagen | 31014 | |
| N-Lauroylsarcosine sodium salt | Sigma-Aldrich | L9150 | |
| plunger | Hamilton | 1122-01 | Plunger assembly N, RN, LT, LTN for model 1702 (25 μl) |
| search engine software | MaxQuant 1.5.4.1 | https://www.maxquant.org | |
| SEP-PAK Cartridge 50 mg | Waters | WAT054960 | |
| sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | D6750 | |
| SpeedVac | Thermo Fisher Scientific | SPD121P | |
| TMT 6-plex | Thermo Fisher Scientific | 90061 | |
| Triethylammonium bicarbonate buffer | Sigma-Aldrich | T7408 | |
| Trifluoroacetic acid | Sigma-Aldrich | 91707 | |
| Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride | Sigma-Aldrich | C4706 | |
| Trizma hydrochloride | Sigma-Aldrich | T3253 |
References
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Cite This Article
Hsu, C., Tsai, C., Tao, W. A., Wang, P. Phosphoproteomic Strategy for Profiling Osmotic Stress Signaling in Arabidopsis. J. Vis. Exp. (160), e61489, doi:10.3791/61489 (2020).