Summary
液体クロマトグラフィー、トラップ型イオンモビリティー分光、飛行時間型質量分析(LC-TIMS-ToF MS/MS)に基づく分析ワークフローにより、主要パラメーター(保持時間[RT]、衝突断面積[CCS]、正確な質量電荷比[m/z])に基づくヒストン修飾および同定の高信頼性で再現性の高い「ボトムアップ」分析を実現します。
Abstract
ヒストンタンパク質は真核生物に豊富に存在し、保存されており、翻訳後修飾(PTM)として知られる構造の結果として、遺伝子制御に大きな役割を果たしています。外的要因または遺伝的要因を参照して、各PTMの位置と性質またはPTMのパターンを特定することで、この情報をDNA転写、複製、修復などの生物学的応答と統計的に相関させることができます。本研究では、生体試料からヒストンPTMを検出するためのハイスループット分析プロトコルについて説明します。相補的な液体クロマトグラフィー、トラップドイオンモビリティースペクトロメトリー、飛行時間型質量分析(LC-TIMS-ToF MS/MS)を使用することで、1 回の分析で最も生物学的に関連性の高い修飾を分離し、PTM に割り当てることができます。説明されているアプローチは、モビリティトラップでの並列蓄積とそれに続く連続的なフラグメンテーションと衝突による解離を使用した依存データ収集(DDA)の最近の開発を利用しています。Histone PTMは、保持時間、移動度、フラグメンテーションパターンに基づいて確実に割り当てられます。
Introduction
真核細胞では、DNAはクロマチンとしてヌクレオソームと呼ばれる機能単位にパッケージ化されています。これらのユニットは、4つのコアヒストン(H2A、H2B、H3、H4の各2つ)の八量体で構成されています1,2,3,4。ヒストンは、真核生物の中で最も豊富で保存性の高いタンパク質の一つであり、遺伝子調節に大きく関与しています5。ヒストンの翻訳後修飾(PTM)は、クロマチン動態の調節に大きな役割を果たし、DNAの転写、複製、修復などのさまざまな生物学的プロセスに関与しています6。PTMは、主にDNAと接触しているヒストンのN末端領域のアクセス可能な表面に発生します3,7。しかし、尾部とコアの修飾はクロマチン構造に影響を与え、ヌクレオソーム間の相互作用を変化させ、特定のタンパク質を動員します3,8。
液体クロマトグラフィー質量分析(LC-MS)ベースのプロテオミクスにおける現在の課題は、目的の分析種の共溶出の可能性です。データ依存性分析(DDA)の場合、これはMS/MS取り込みプロセス中にいくつかのプリカーサーイオンが失われる可能性があることを意味します9。飛行時間型(ToF)機器は、非常に高い周波数9,10(最大数十kHz)でスペクトルを取得します11。これにより、複合体サンプル(MS1)内の全プリカーサーイオンを迅速にスキャンできるため、最適な感度とMS/MSシーケンシングレート(最大100 Hz)が約束され9、生物学的サンプル分析に理想的です10。それにもかかわらず、これらの高いスキャンレートで利用可能な感度は、MS/MSレート9によって制限されます。これらの制限を軽減するために、直交四重極飛行時間型(qToF)質量分析計と組み合わせたトラップドイオンモビリティースペクトロメトリー(TIMS)の追加が使用されました。TIMSでは、すべての前駆体イオンは、四重極9で単一の前駆体質量を選択するのではなく、それらの移動度の関数としてタンデムで蓄積され、溶出されます。PASEF(Parallel Accumulation-Serial Fragmentation)により、感度を損なうことなく、毎秒数百のMS/MSイベントを処理できます9。
この研究の主な目的は、移動トラップでの並列蓄積とそれに続く連続的な断片化と衝突誘起解離(CID)を使用して、DDAの最近の発展を示すことでした。Histone PTM は、保持時間(RT)、移動度、およびフラグメンテーションパターンに基づいて、自信を持って割り当てました。
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Protocol
注:ヒストンサンプルは、Bhanu et al.(2020)12から採用された方法を使用して抽出されました。
1. サンプル調製
- 培養細胞の回収
- 細胞が80%コンフルエントになったら、トリパンブルー排除法を用いて細胞が生存可能であることを確認します。
注:これらの実験にはHeLa S3細胞株を使用しましたが、この方法はあらゆる培養細胞に適用できます。 - 培地を吸引し、5 mL の 1x リン酸緩衝生理食塩水(PBS)を各プレートに塗布します。
- プレートを回転させて残留培地をすべて洗浄し、PBSを吸引し、5 mLの1x PBSを塗布します。
- 使い捨てのセルリフターで細胞をこすり落として、プレートから細胞を静かに分離します。
- 各細胞懸濁液を15 mLのコニカルチューブに移します。
- 800 x g で5分間遠心分離して細胞をペレット化します。
- 細胞ペレットからPBSを吸引します。
- ヒストン抽出に進みます。
注:セルペレットがすぐに処理できない場合は、液体窒素で急速凍結してください。準備が整うまで、ペレットを-80°Cで保存します。
- 細胞が80%コンフルエントになったら、トリパンブルー排除法を用いて細胞が生存可能であることを確認します。
- ヒストン抽出
- 各細胞ペレットの体積を推定し、半月板に油性マーカーで印を付けます。
- すべてのサンプルについて十分な核分離バッファー(NIB、15 mM Tris-HCl(pH 7.5)、15 mM NaCl、60 mM KCl、5 mM MgCl2、1 mM CaCl2、 250 mM スクロース)を調製します。また、多くのサンプルを時間をかけて処理する必要がある場合は、バッファーをバルクにして2〜8°Cで最大6か月間保存するか、各抽出に必要な量のみを解凍して、-15°C〜-25°Cで無期限に分注して凍結します。
メモ: 保管中は、バッファをクリアにしておく必要があります。緩衝液が曇ったり、異常な外観になったりした場合は、廃棄して新しい緩衝液を準備してください。 - 細胞ペレットの50倍の容量の洗浄バッファーを調製し、以下のように阻害剤を添加します(洗浄バッファー2検体あたり約10mL)。
- 10 mLの洗浄バッファーを調製するには、10 mLのNIB、30 μLの200 mM 4-(2-アミノエチル)ベンゼンスルホニルフッ化塩酸塩[AEBSF]、10 μLの1 Mジチオスレイトール[DTT]、20 μLの5 μMミクロシスチン、20 μLの5 M酪酸ナトリウムを混合します。
- 洗浄バッファーの1/5を除去して、溶解バッファーを調製します(洗浄バッファーの1/5容量、0.3%NP-40またはNP-40の代替品)。
注:Triton-X 100は、特定の細胞タイプには研磨性が高すぎる可能性があるため、NP-40またはNP-40の代替品の代わりに使用しないでください。 - 細胞ペレットを5カラムの洗浄バッファーに懸濁し、800 x g で4°Cで5分間遠心分離することにより、完全に洗浄します。 このステップを2回実行し、洗浄の合間に上清を吸引して廃棄します。
- 細胞ペレットの体積が油性マーカーでマークされていることを確認してください。10容量の溶解緩衝液に再懸濁します。
- 各ペレットをピペットで混合して再懸濁し、氷上で15分間インキュベートします。
- 15分後、800 x g で4°Cで5分間遠心分離します。
- 上澄み液を吸引して廃棄する。
注意: ペレットは、元のペレットサイズの≤ 1/2 に縮小する必要があります(マーカー線で示されます)。ペレットが十分に還元されない場合は、溶解手順を繰り返し、乳棒を使用して細胞をこじ開ける穏やかな均質化ステップを含めます。 - 溶解が完了したら、ペレットを500 μLの洗浄バッファーに再懸濁し、800 x g で4°Cで5分間遠心分離します。 上清を吸引して廃棄し、もう一度洗浄ステップを繰り返してNP-40の痕跡をすべて除去します。
注:この時点で、ペレットはヒストンを含むクロマチンで構成されています。 - ペレットを0.4 N H2SO4の5容量(元の細胞ペレットサイズ)に再懸濁します。
- 攪拌機を使用して冷蔵室または冷蔵庫で2時間インキュベートします。
- 2時間後、サンプルを3400 x g で4°Cで5分間遠心分離します。 上澄み液を捨てないでください。
- 上清を新しいチューブに移し、100%トリクロロ酢酸(TCA)を内容物の1/3の体積にスパイクします(最終的なTCA濃度は約20%になります)。
- チューブを静かに裏返し、無色透明の溶液が白色および/または濁り、タンパク質の沈殿を示すのを観察します。
注:ヒストン濃度が低い溶液の場合、タンパク質の沈殿はすぐには目立たないかもしれませんが、一晩のインキュベーション後に沈殿物が見えるはずです。 - 4°Cで一晩(12〜18時間)撹乱することなくインキュベートし、ヒストンタンパク質を完全に沈殿させます。
- 翌日、3400 x g で4°Cで5分間遠心分離します。
- ピペットチップでチューブの側面に触れないように注意しながら、上清を吸引します。この段階では、ヒストンは主にチューブの側面に膜として堆積します。
- 500 μLの氷冷アセトン+0.1% HCl(酸性アセトン)をガラス製のパスツールピペットを使用して各チューブに加え、チューブを数回静かに反転させます。この間、サンプルを順番に(1、2、3など)配置します、アセトンが間違っているとチューブのマーキングが取れる可能性があるためです。3400 x g で 4 °C で 5 分間遠心分離し、上清を静かにデカントします。
- 500 μLの氷冷100%アセトンとガラス製のパスツールピペットで、このすすぎステップを繰り返します。3400 x g で 4 °C で 5 分間遠心分離し、上清を静かにデカントします。
- 残りのアセトンが蒸発するまで、チューブを開いたまま室温で乾燥させます。
- 乾燥したら、各チューブに質量分析(MS)グレードの水100 μLを加えます。この液滴を使用して、容器のすべての側面を綿棒で拭き取り、ヒストン膜全体を再懸濁します。これを行うには、液滴をチューブの側面にピペッティングし、ピペッティングしながら回転させるか、100 μLの半分を分注し、チップを使用して全体を攪拌します。両方の方法を組み合わせるのが最適です。ヒストンは水に容易に溶け、溶液中にあります。
- すべてのサンプルを再懸濁した後、白色固体が残っている場合は、室温の浴中で5分間超音波処理します。
- 4°Cで5分間、800 x g で遠心分離します。 透明な溶液を新しいチューブに移します。残っている不溶性ペレットは廃棄してください。
- 還元条件下でSDS-PAGEを実行し、抽出がクリーンであることを確認します。
注:ゲルは、10〜20 kDaの範囲のタンパク質を区別できる限り、適切な濃度のポリアクリルアミドを使用して実行できます。このプロトコルで使用されるゲルについては、 材料表を参照してください。 - タンパク質濃度アッセイ(すなわち、ブラッドフォードまたはBCA)を実行して、総タンパク質濃度を決定します。
- リジン残基の化学的誘導体化(プロピオニル化)
- 20 μgのヒストン(タンパク質アッセイで測定)を清潔なチューブに移します。真空濃縮装置を使用してこのサンプルを <5 μL まで乾燥させ、20 μL の 100 mM 重炭酸アンモニウム (NH4CO3) (~1 μg/μL 溶液) を使用して再懸濁します。必要に応じて、水酸化アンモニウムを使用して pH を ~8 に調整します。
注意:水酸化アンモニウム(NH4OH)を使用して再懸濁せず、必要に応じてpHを調整するためにのみ使用してください。そうしないと、タンパク質が変性して沈殿します。
注:サンプルの損失を最小限に抑えてpHをチェックするには、ピペットチップを使用してサンプルに浸し、pHストリップに軽くたたきます。この試験手順は、残りのサンプル前処理ステップで役立ちます。 - アセトニトリル(ACN)に無水プロピオン酸を1:3(v/v)の比率で添加して、プロピオニル化試薬を調製します(すなわち、40 μLの試薬を作るには、10 μLの無水プロピオン酸と30 μLのACNを混合します)。
注:従来、メタノールまたはイソプロパノールはプロピオニル化試薬の調製に使用されてきました。プロピオニル化はアミド生成反応であるため、メタノールの使用から生じるメチルプロピオニルエステルなどの不要な副生成物や反応を防ぐために、アセトニトリルなどの非プロトン性溶媒が必要です。一度に最大4つのサンプルに十分な量のプロピオニル化試薬を調製するだけで、試薬の鮮度が保たれます。調製後1〜2分以内に試薬を使用してください。試薬が置かれると、無水プロピオン酸が周囲の水分と反応し、酢酸が形成され始め、試薬の有効性が変化し、試薬が添加されるとヒストン溶液のpHが変化します。 - 各サンプルにプロピオニル化試薬を1:4(v/v)で添加します(すなわち、ヒストン20 μLの場合、プロピオニル化試薬5 μLを添加します)。
- 1:5(v/v)NH4OHを速やかに添加し(すなわち、ヒストン溶液20 μLに対して4 μLを添加)、溶液のpHを~8に再確立します。それでもpHが低すぎる場合は、pH1が8になるまで一度に1〜2μLのNH4OHを追加します。通常、1:5(v/v)の比率で十分です。
- サンプルを室温で15分間インキュベートします。
- プロピオニル化試薬のバッチあたり3〜4サンプル以下でプロピオニル化反応を繰り返して、酸の形成を最小限に抑えます。
- プロピオニル化手順のステップ1.3.2-1.3.5を繰り返します。2回目のプロピオニル化により、利用可能なリジンの>95%が誘導体化されます。
- 真空濃縮器を使用してサンプルを<5μLまで乾燥させます。これにより、NH4OHから放出された未反応のプロピオニル化試薬、酸生成物、およびアンモニアガスが蒸発します。サンプルが完全に乾燥しても、大きなサンプル損失は発生しないため、問題ありません。
注意: ボトル内に残っている周囲の水分との接触による酢酸の形成を防ぐために、保管する前に無水プロピオン酸ボトル内の空気をアルゴンガスで置換してください。
- 20 μgのヒストン(タンパク質アッセイで測定)を清潔なチューブに移します。真空濃縮装置を使用してこのサンプルを <5 μL まで乾燥させ、20 μL の 100 mM 重炭酸アンモニウム (NH4CO3) (~1 μg/μL 溶液) を使用して再懸濁します。必要に応じて、水酸化アンモニウムを使用して pH を ~8 に調整します。
- トリプシンによるタンパク質分解消化
- ヒストンを 100 mM NH4HCO3 に再懸濁して容量を 20 μL にし、最適濃度 1 μg/μL にします。
注:濃度が 1 μg/μL 未満のサンプル溶液では、トリプシン効率が低下します。 - トリプシンをヒストンサンプルに1:10の比率(wt/wt)で添加します(すなわち、20 μgのヒストンに対して1 μg/μLのトリプシン溶液2 μLを添加します)。
- 反応液を37°Cで6〜8時間インキュベートします。または、室温で一晩(12〜18時間)インキュベートします。
- -80°Cで少なくとも1時間凍結して消化を停止します。
注:消化反応を急冷するために酸を使用すると、手順のこの時点でpHが望ましくない低下を引き起こすため、使用しないでください。サンプルは、続行する準備が整うまで-80°Cで保存できます(暫定停止点)。
- ヒストンを 100 mM NH4HCO3 に再懸濁して容量を 20 μL にし、最適濃度 1 μg/μL にします。
- ペプチドN末端の化学誘導体化(プロピオニル化)
- 真空濃縮器を使用してサンプルを<5μLまで乾燥させます。
- 100 mM NH4HCO3 を使用して、サンプルを 20 μL(1 μg/μL)まで再懸濁します。
- 前と同様にプロピオニル化を繰り返します(ステップ1.3)。
注:水相比:有機相比が高いため、このステップではサンプルの乾燥に時間がかかるのが普通です。
- ステージチップによるサンプル脱塩
- サンプルを 50 μL の MS グレード水 + 0.1% TFA で再懸濁または希釈します。
- 11-G サンプルコアラーを使用して、固相抽出ディスクから C18 材料のディスク 5 枚をパンチします (ピペットチップに移す前に 5 枚のディスクすべてをパンチします)。ディスクを200 μLのピペットチップの底に挿入し、しっかりと均等にくさびで留めます(図1)。
注:1つのステージチップから25 μgを超えるサンプルを脱塩する場合は、15-Gコアラーを使用してください。 - 遠心分離アダプターを使用して、ステージチップを1.5 mLまたは2 mLの微量遠心チューブに固定します。
注:以下の遠心分離ステップでは、4°Cで一度に1〜2分間、400〜2回転の低速(400〜2 x g)を使用します。溶媒は通常、C18 材料がチップにどれだけ密集しているかにもよりますが、1分以内に樹脂を通過します。 - 50 μLの100%アセトニトリルで遠心分離してレジンをすすぎ、C18 材料を活性化し、潜在的な汚染物質を取り除きます。
注:ゲルローディングピペットチップを使用して、溶液をステージチップにロードする方が簡単な場合があります。C18 材料が活性化されたら、脱塩手順の間、樹脂を乾燥させないことが重要です。 - 遠心分離により、ディスク材料を 80 μL の MS グレード水 + 0.1% TFA で平衡化します。
- 氷酢酸を使用してサンプルをpH 4以下に酸性化します。サンプルの損失を最小限に抑えるために、以前と同様にpHストリップでpHをチェックします。
- ゆっくりと遠心分離して、サンプル全体をレジンディスクにロードします。
- 遠心分離により、サンプルを 80 μL の MS グレード水 + 0.1% TFA で洗浄します。
- 70 μL の 75% アセトニトリルと 0.5% 酢酸をゆっくりと遠心分離して洗い流し、サンプルを清浄な 1.5 mL チューブに溶出します。さらに遠心分離時間を設けて、全量のサンプルをステージチップから溶出させることができます。遠心分離時間が長くなれば、サンプルの溶出後に樹脂は不要になるため、乾燥しても問題ありません。
- 各サンプルを真空濃縮器で完全に乾燥させます。
注:サンプルは、続行する準備ができるまで-80°Cで保存できます(暫定停止点)。 - LC-MS/MS 分析では、最終濃度が 0.4 μg/μL になる液体クロマトグラフィー(LC)プロトコルの溶媒 A(0.1% ギ酸)でサンプルを再溶解します(つまり、20 μg のヒストンを 50 μL の溶媒 A に溶解します)。
2. TIMSソフトウェアインターフェース
- [ Instrument](装置 )タブを選択し、[Operate]( 操作 )に切り替えます(装置名が緑色でハイライトされていることを確認します)(図2)。
- TIMSパラメータを確認します(図2)。
- MS設定(スキャン開始、スキャン終了、イオン極性、スキャンモード)を確認します(図2)。
- TIMS設定(モード、モビリティ開始、モビリティ終了、ランプ時間、蓄積時間、デューティサイクル、ランプレート、MSレート、MS平均化、自動キャリブレーション)を確認します(図2)。
- [ Source ]タブに移動し、シリンジオプション(Hamilton 500 μL)を TuneMix キャリブレーションステップでのみアクティブにします(図3)13。
- [ キャリブレーション ]タブに移動し、[ m / z]をクリックして、[ キャリブレーションモード]を選択し、モード(通常はエンハンスドQ)、ズーム(+ 0.01%)STD偏差(0.24)を選択し、[ キャリブレーション]をクリックします。100%のスコアが達成されたら、受け入れます(図4)。
- [モビリティ]タブに移動し、キャリブレーションプロセス(通常はリニアモード)、検出範囲(+ 5%)、幅(0.1 Da)、標準偏差(0.1855)を繰り返してから、[キャリブレーション]をクリックします。98.5%≥スコアが出たら、受け入れます(図5)。
- メソッドに移動し、使用するメソッドを選択します。この例では、 Proteomic_/2023-01-19-CF/20230119-Hela Control histone_prep_pasefDIA_1-24_1_451.d/451.m-TimsControlが選択されています (図5)。
3. LC-TIMS-PASEF-ToF MS/MS
- 4,500 V キャピラリー電圧、800 V エンドプレートオフセット、3.0 bar ネブライザー圧力、10.0 L/minドライガス、200 °C ドライヒーター、50 μL/minの注入流量という一般的な nESI 動作条件を使用します。
- 6 eVのコリジョンエネルギー、1200 VppのコリジョンRF、75 μsの転送時間、5 μsのプリパルスストレージという標準的なMS設定を使用します。
- 入口漏斗P1と出口漏斗P2の圧力差を用いてドリフトガス流量を求める。TIMS細胞ではPASEF(Parallel Accumulation-Serial Fragmentation)が発生し、すべての前駆体イオンが個別にではなく同時に蓄積されます。その後、プリカーサーイオンは、通常ははるかに広いピーク(約 50 倍短い)に対して狭いイオンピークで放出され、S/N 比を高めながら、モビリティー14 を介して共溶出ペプチドを分離します。
- タンパク質分解ヒストンペプチドを分析するための LC-TIMS-ToF MS/MS 分析法を開発します。C18 (300 Å、5 μm、4.6 mm × 250 mm)カラムを取り付けた高速液体クロマトグラフ(HPLC)と、独自のPASEFテクノロジーを採用した市販のTIMS-TOF MS装置を組み合わせます。
注:このカラムサイズは、以前に発表された研究15、16、17 に基づいて、ペプチド混合物の高 pH と低 pH の両方で良好な分離が得られるように決定されました。- 注入量を 20 μL(8 μg)のサンプルと 0.4 mL/分の流速に設定します。
- 0.1% ギ酸を含む水(溶媒 A)とアセトニトリルと 0.1% ギ酸(溶媒 B)を使用して、60 分間の非線形 LC グラジエントを実行します。グラジエントを設定します:10%Bに2.7分、次に5.3分で20%B、4分で28%B、さらに18分で35%B、13分で40%B、さらに2分で100%B。100%Bを5分間保持した後、5分間で濃度を10%Bに下げ、最後の5分間保持します。
- ポジティブイオン化モードでナノエレクトロスプレーイオン化(nESI)により、HPLCからTIMS-TOFへのサンプル溶出を検証します。
4. データ分析
- ペプチド配列と修飾部位を同定します。
- MS-digest ツールで ProteinProspector [https://prospector.ucsf.edu/prospector/cgi-bin/msform.cgi?form=msdigest] を使用して、ペプチドの理論リストを作成します。
- 消化物の条件(使用する酵素)、検索するPTMの種類(モノメチル化、ジメチル化、トリメチル化など)、検索するペプチドのサイズ範囲、質量検出範囲、および切断の見逃しの潜在的な数を考慮しながら、理論的な消化を行います。
- MS-digest ツールで ProteinProspector [https://prospector.ucsf.edu/prospector/cgi-bin/msform.cgi?form=msdigest] を使用して、ペプチドの理論リストを作成します。
- 理論ペプチドに基づいて取得したデータを手動で解析します(図6)12。
- 各理論ペプチドについて、いくつかのチャージ状態(+1〜+4)での質量を検索します。
- 各 m/z を最初に同定した後、ピークを選択し、PTM を含むペプチド配列に基づくフラグメンテーションイオンの理論リストを使用して MS/MS を確認します。
注:同定されたペプチドの移動度が以前に知られていた場合、これも確認されます。
- さまざまなPTMの相対存在量を計算し、各修飾を指定されたペプチド配列のパーセンテージとして報告します。
- 検出された各PTMの相対存在量は、次の式を使用して計算されます。
相対存在量 = PTM の面積/特定のペプチドの未修飾および PTM の総面積
- 検出された各PTMの相対存在量は、次の式を使用して計算されます。
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Representative Results
ボトムアッププロテオミクスワークフロー(図7)では、通常、粗サンプルから標的タンパク質を抽出し、タンパク質の濃度を定量し、通常はゲル電気泳動または液体クロマトグラフィーで分画します。分画後、タンパク質はタンパク質分解酵素(しばしばトリプシン)を用いて消化され、最後に、得られたペプチドの質量分析および確立されたデータベースを用いたタンパク質同定が行われる18。配列情報は、示された質量電荷比(m/z)範囲内の前駆体イオンに由来し、衝突誘起解離(CID)を受け、データベース19 (図8)を用いて同定および配列決定されるフラグメンテーションパターンを生成します。
この研究の主な目標は、プロトコルのセクションで前述した手順に従って、LC-TIMS-PASEF-ToF MS/MS DDA メソッドを開発して適用することでした。異性体および同重体ペプチドの翻訳後修飾の位置を決定することは、同定とスペクトル解釈に関して特に課題となっています。本研究では、組換えヒトヒストン標準試料およびHeLa S3細胞をサンプルとして使用しました。
ESI-TIMS-PASEF-ToF MS/MSによるヒトヒストン標準試料のヒストンPTM分析により、ペプチドあたり最大5チャージで検出される中型から大型のペプチド(長さ3〜30アミノ酸)が得られました。プロピオニル化手順は、トリプシン消化によって一般的に生成されるペプチドよりも長く、より有益なペプチドを生成することに成功しました。データ解析の結果、ペプチドは種々の修飾状態にあることが同定されました。利点として、TIMSベースの分析法では、同じPTMを担持するいくつかの位置異性体ペプチドが区別されました。例えば、2 つの異性体種は保持時間と m/z が重複している可能性があります。ただし、2つの信号はモビリティドメインで分離できます(図9)。
図 9 に示したペプチドの対応するフラグメンテーションスペクトルは、適切な FASTA ファイルを使用してプロテオミクス解析ソフトウェアでアノテーションしました。図9Aでは、未修飾ペプチドに3つのプロピオニル基(+56.03)が見られます(N末端、リジン18、リジン23)。図 9B では、リジン 18 にアセチル基(+42.02)と 2 つのプロピオニル基(N 末端に 1 基、リジン 23 に 1 基)がペプチドで観察されています。最後に、図 9C では、リジン 23 と 2 つのプロピオニル基(N 末端とリジン 18)でアセチル化が観察されたペプチドが見られます。以前に発表されたように、PASEFの利点は、同じ特徴を繰り返し標的とすることにより、シーケンシングの速度と感度を向上させるために使用できます9。これにより、ユーザーは生体試料からより多くの構造情報を得ることができます。この場合、これは各ヒストンに発生するPTMの種類と位置に適用されます。
翻訳後修飾解析は、図 10 に示すように、シーケンスカバレッジプロットとして視覚的に表現することもできます。図 10A では、消化前にプロピオニル化されたヒストン H3 標準試料は、青色の線で示した、他の方法で得られるペプチドよりも長いペプチドを示します。HeLa S3細胞から抽出したヒストンを、図10Bに示すのと同じ方法で処理しました。同じアミノ酸位置に多くの異なるパターンを含む、いくつかのPTMが示された。これは、生物学的サンプルから予想されることです。注目すべきは、図10Bの少数の灰色の線は、低強度に起因するMS2の欠如のために曖昧に同定されたペプチドを示す。
図1:ステージチップの概略図と製造。 (A-G) C18-シリカディスクステージチップの製造に関するステップバイステップガイド。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:データ処理:プロピオニル化標準ヒストンMix_QCペプチド20210804。 データの解析を開始する前に、考えられるチャージ状態とそのフラグメンテーションの理論リスト(1550.9013、775.9543、517.6386 など)を必ず準備して、ベースピーククロマトグラム(BPC +すべての MS)からこれらの値を抽出してください。各ペプチドを抽出したら、図に示す分析リストのようになることを確認します。ピーク775.9543を例として選択しました。図の右側には 3 つのグラフが示されており、1 つ目はクロマトグラム(強度対時間グラフ)、2 つ目はモビログラム、3 つ目は PASEF フラグメンテーションを含むマススペクトルに対応しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:timsControlプロトコルのステップ1〜4。 この図は、timsControl プロシージャーの最初の 4 つのステップを示しています。左上の 「インストゥルメント 」ボタンをクリックして、インストゥルメントとソフトウェア間の接続のオンとオフを切り替えます。タスクを実行する前に、ソフトウェアが動作モードになっていることを確認する必要があります。最後に、TIMS パラメーターが正しいことを確認します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:ソースパラメータ この場合、シリンジハミルトン500μLは TuneMixのみに使用しました。他のパラメータが正しいことを確認します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:質量電荷比(m/z)のキャリブレーション。左下のパネルの [Calibration Mode] で 100% のスコアが得られるまで [Calibrate] を選択します。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図6:モビリティキャリブレーション。左下のパネルのキャリブレーションモードで少なくとも98.5%のスコアが得られるまで、キャリブレーションを選択します。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図7:典型的なボトムアッププロテオミクスワークフロー。 サンプル調製から同定までのボトムアップ手順のステップバイステップ9。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図8:保持時間、同位体パターン、H3 18-26 モビリティープロファイル。 (A)非修飾プロピオニル化、(B)他の2つの位置でプロピオニル化されたK23Acペプチド、および(C)他の2つの位置でプロピオニル化されたK18Ac。パネルBとCに示した構造異性体の場合の移動度分離の利点に注目してください。 この 図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図9:PASEFを用いたMS/MSフラグメンテーションペプチドシーケンシングの例。 フラグメントスペクトルは、アミノ酸位置が18〜26のH3ペプチドのプロテオミクス解析ソフトウェアから得ました。(A)非修飾プロピオニル化、(B)他の2つの位でプロピオニル化されたK23Acペプチド、および(C)他の2つの位でプロピオニル化されたK18Ac。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図10:視覚的なヒストンPTM分析の要約の例。 (A)H3 標準試料および(B)HeLa S3 細胞由来の H3 から観察されたペプチドおよびPTMの結果。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
表 1:標準および HeLa S3 ペプチドの LC-TIMS-ToF MS/MS 特性。 実験特性(保持時間、 m/z、1/Ko、LC ピーク面積など)を含む、ターゲットおよび観察されたペプチドリスト。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
ヒストンは、4つのコアヒストン(H2A、H2B、H3、H4の各2つ)からなる八量体の形でDNAと相互作用することにより、クロマチン構造を調節する基本的なタンパク質です20。ヒストンには多数のリジン残基とアルギニン残基が含まれており、これらは容易に修飾され、ヒストン機能に影響を与えたり、他の細胞タンパク質に結合したりしてクロマチンの化学的性質を変化させる広範なPTMにつながります21。PTMは連携して働くことで生物学的反応を誘発することができ、PTMの特定のグループはいくつかの疾患、特にいくつかの種類の癌で報告されています22。
DNA損傷が細胞レベルで認識されると、病変がマークされた複雑なシグナル伝達カスケードの作用が即座に続き、細胞周期の進行と必要な修復経路の活性化が調整されます。さらに、DNA損傷は、アセチルやメチル付加物などのさまざまな修飾を誘導し、タンパク質の動員を促進します23。DNA病変に関与するPTMは多種多様であるため、これらの分子機構がそれらの共存をどのように制御しているのか、また、非常に複雑な統合ネットワークを通じてゲノムの完全性を守ることの機能的重要性は何かという疑問が生じています。例えば、ヒストンH3(H3K9me3)のリジン9トリメチル化は、さまざまな疾患におけるさまざまな病態に関連している24。このような理由から、細胞レベルでのこれらの修飾の完全な特性評価を可能にする機器分析方法論を開発する必要がある23。
手動データ解析ソフトウェアとプロテオミクス解析ソフトウェアを用いたHeLa S3ヒストン抽出の解析により、いくつかのヒストンタンパク質について、アセチル化(+42.01 Da)、メチルプロピオニル化(+70.04 Da)、ジメチル化(+28.03 Da)、トリメチル化(+42.05)などのPTMが明らかになりました。さらに、PASEFベースのMS/MS分析法では、同じPTMを担持するいくつかの位置異性体ペプチドを区別することができました。
はじめに、PTM の研究における LC-TIMS-ToF MS/MS のカップリングの利点について、モビリティートラップでの並列蓄積とそれに続く連続フラグメンテーションと衝突誘起解離を用いた DDA の最近の発展について簡単に説明します。主なアイデアは、異なるペプチドに由来するシグナルの分離を可能にする方法論を確立することであり、これまで古典的な手法では解決できませんでした。無水プロピオン酸を用いた誘導体化プロセスは、トリプシンによるリジンC末端の切断を防ぎ、より長く、より有益なペプチドを生成します。 m/z と保持時間が同じペプチドを断片化パターンから同定することができましたが、このLC-TIMS-PASEF-ToF MS/MS法を用いることで、これらの分子種の一部をモビリティードメインで分離できることもわかりました。
これをよりよく理解するために、 図8 はあらゆる分子の3つの主要な特性を表しており、いくつかの例を挙げると、それらがインタクトなタンパク質、脂質、またはペプチド(この場合はヒストンH3 18-26)のいずれであるかにかかわらず、化合物の識別を可能にします。これらの特性には、クロマトグラフィーカラム内の化合物の保持時間(分)、各化合物の質量電荷比(m/z)、およびこれらの化合物がドリフトガスと相互作用するときに存在する移動度(1/Ko)が含まれます。 図8Aにおいて、未修飾H3ペプチド18〜26は、28.15分のRTを有し、その移動度スペクトルに2つのバンドを呈し、少なくとも2つのコンフォメーションを有することを示しており、この結果は、前述のプロトコルに従ってプロピオニル化された2つのリジン(18および23)の結果であると疑われる。以下のスペクトル(図8B、C)は、同じペプチド(H3 18-26)を示していますが、B、K18AcとC、K23Acの間でアセチル化基(42.02)の位置が変化しています。これら2つの異性体(K18AcおよびK23Ac)は、異なる空間分布を示し、その結果、TIMSセル内のガスとの異なる相互作用が生じるため、モビログラムによって同定されています。この方法の重要性は、例えばDNA損傷を通じて異なる疾患と関連している様々なPTMをより詳細に特定し、研究する可能性にある。
フラグメンテーションデータがまばらな場合、2つ以上の異なる修飾が同じ残基(またはそれに近い)で同時に起こり得、単一の修飾として理解され得るため、特定の残基における修飾を同定することは困難である25。これは、未修飾ペプチドが同定されていることを確認すること、特に複数の修飾ではなく単一の修飾の存在を確認または否定する標準を使用することによって解決できます(表1)。
過度のコンタミネーションや不純なヒストンの抽出を避けるためには、使用前に試薬の品質を確認することが重要です。例えば、NIB緩衝液を大量に保管して使用する場合は、溶液が透明で、外見に濁りや異常な症状がないことを確認してください。濁りは細菌の増殖の結果である可能性があり、サンプルを汚染し、ヒストンと細菌タンパク質の混合物を引き起こす可能性があります。さらに、タンパク質濃度の測定に使用する BCA や Bradford アッセイなど、アッセイ用に新しい検量線を作成し、検量線に使用するタンパク質が期限切れまたは劣化していないことを確認することをお勧めします。
この方法は、他の種類の細胞または生物、例えば蚊に拡張することができる。生物全体または部分的な生物の場合、最終的なヒストン濃度が分析に適していることを確認するために、適切な数の生物を選択することが特に重要です。
また、質量分析計のメンテナンスの一般的なガイドラインとして、装置への蓄積や分析間の汚染を防ぐために、フロントエンドを定期的に清掃する必要があります。このクリーニングには、必要に応じて、カーテン、オリフィスプレート、および四重極を含める必要があります。
一般に、LC を使用する場合は、MS グレードの溶媒を使用して毎週新しい移動相を調製することを考慮する必要があります。移動相調製専用のピペットとガラス器具を用意し、新しい溶液がシステムに導入されるたびに LC ラインをパージすることをお勧めします。ガードカラムと分離カラムは、通常、それぞれ 100 〜 200 回、500 〜 1500 回の注入ごとに交換する必要があります26。サンプルのバッチを実行する前と後に必ずブランクを注入してください。特定のバッチ内に多数のサンプルがある場合は、バッチ内のさまざまな間隔でブランクを実行することも検討できます。
このプロトコルは、ヒストンPTMを検出し、イオンモビリティーに基づいて同重体種と異性体種を区別するためのPASEFベースのDDAワークフローを提供します。
このプロトコルには広範なサンプル前処理が必要であり、全体的な実験サンプル前処理時間を考慮する必要があります。平均して、サンプル前処理プロトコルは完了するまでに2〜3営業日かかります。さらに、ラボと装置のバージョンの違いは、分析の全体的な感度に影響を与える可能性があります。
プロテオミクスデータ解析ソフトウェアで、手動による調整や補正を行わずにボトムアップ法でヒストンを分析するのに適していると考えられるものはほとんどありません27,28,29。結果は(少なくとも最初は)手動分析を使用して確認する必要がありますが、これも時間がかかります。分析ソフトウェアを使用する場合は、MS/MSアノテーション機能を備えている必要があり、一般的に確認または拒否が容易です。
また、TIMSセルを挿入し、移動度値を使用しない限り、質量分析で異性体を分離することは不可能であることにも言及する価値があります。例えば、ヒストン修飾の位置は、フラグメンテーションパターン(PASEF)を用いて決定することができる。
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Disclosures
Melvin A. ParkとMatthew Willettsは、timsTOF装置の製造元であるBruker Daltonics Inc.の従業員です。
Acknowledgments
この資料は、助成金番号の下で全米科学財団が支援する研究に基づいています。HRD-1547798およびグラント番号HRD-2111661 です。これらのNSF助成金は、科学技術研究センター(CREST)プログラムの一環としてフロリダ国際大学に授与されました。これは、フロリダ国際大学の卓越したプログラムである環境研究所からの寄稿番号1672です。米国国立衛生研究所(NIH)は、助成金No.フランシスコ・フェルナンデス・リマとグラントNo.にR21AI135469。ベンジャミン・A・ガルシア(Benjamin A. Garcia)にR01HD106051され、全米科学財団(National Science Foundation)から助成金番号で授与された。CHE-2127882 から Benjamin A. Garcia 宛て。著者らは、分析法開発の初期における Mario Gomez Hernandez 博士の初期サポートに感謝します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| -80 °C Freezer | |||
| 1x Phosphate Buffered Saline (PBS), pH 7.4 | Thermo Fisher Scientific | 10010023 | Animal Origin-Free |
| 1 mL Pipette Tips | Thermo Fisher Scientific | 94060710 | Finntip Flex 1000 μL, nonsterile, nonfiltered, racked tips |
| 1.5 mL Microcentrifuge Tubes | Thermo Fisher Scientific | 14-282-300 | Use these tubes for the simple and safe processing of sample volumes up to 1.5 mL |
| 10 µL Pipette Tips | Thermo Fisher Scientific | 94060100 | Finntip Flex, 10 μL, nonsterile, non-filtered, racked |
| 10% NP-40 | Thermo Fisher Scientific | 28324 | NP-40 Surfact-Amps Detergent Solution |
| 10x Dulbecco’s PBS without Ca2+/Mg2+ | (Mediatech) | MT21031CM | |
| 15 mL Conical Tubes | Corning | 352196 | Falcon Conical Centrifuge Tubes |
| 200 µL Gel-Loading Pipette Tips | Thermo Fisher Scientific | 02-707-138 | Fisherbrand Gel-Loading Tips, 1–200 μL |
| 200 µL Pipette Tips | Thermo Fisher Scientific | 94060310 | Finntip Flex 200μL, nonsterile, nonfiltered, racked tips |
| 2x Laemmli Sample Buffer | Bio-Rad | 1610737 | Premixed protein sample buffer for SDS-PAGE |
| 50 mL Conical Tubes | Corning | 352070 | Falcon Conical Centrifuge Tubes |
| 96-well flat bottom plate | Thermo Fisher Scientific | 12565501 | |
| 96-well plate, V-Bottom 600 μL | Axygen | P-DW-500-C-S | |
| Acetone | Sigma Aldrich | 179124 | ACS reagent, ≥99.5% |
| Acetonitrile (ACN) | Thermo Fisher Scientific | A998 | HPLC, Fisher Chemical |
| Acetonitrile with 0.1% Formic acid (v/v), LC/MS Grade | Thermo Fisher Scientific | LS120 | Optima LC/MS Grade, Thermo Scientific |
| AEBSF | Thermo Fisher Scientific | 328110500 | AEBSF hydrochloride, 98% |
| Ammonium bicarbonate, NH4HCO3 | Sigma Aldrich | 09830 | BioUltra, ≥99.5% (T) |
| Ammonium hydroxide solution, NH4OH | Sigma Aldrich | AX1303 | Meets ACS Specifications, Meets Reagent Specifications for testing USP/NF monographs GR ACS |
| Argon (Ar) | Airgas | AR HP 300 | |
| BEH C18 HPLC column | Waters | 186003625 | XBridge Peptide BEH C18 Column, 300 Å, 5 µm, 4.6 mm X 250 mm, 1K–15K |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma Aldrich | A7906 | Heat shock fraction, pH 7, ≥98% |
| Calcium chloride, CaCl2 | Sigma Aldrich | C4901 | Anhydrous, powder, ≥97% |
| Cell dissociation buffer | Thermo Fisher Scientific | 13151014 | |
| Ceramic scoring wafer | Restek | 20116 | |
| Compass DataAnalysis 6.0 | Bruker Datonics | ||
| Compass HyStar 6.2 | Bruker Daltonics | ||
| Compass IsotopePattern | Bruker Daltonics | ||
| Compass timsControl 4.1 | Bruker Daltonics | ||
| Coomassie Brilliant Blue R-250 | Bio-Rad | 1610436 | |
| Deep Well, 96-Well Microplate, 2.0 mL | Thermo Fisher Scientific | 89237526 | |
| Disposable Cell Lifters | Thermo Fisher Scientific | 08100240 | Fisherbrand Cell Lifters; Disposable lifters quickly remove cell layers |
| Disposable Pellet Pestles | Thermo Fisher Scientific | 12-141-363 | Fisherbrand Pellet Pestles; Resuspend protein and DNA pellets or grind soft tissue in microcentrifuge tubes |
| Dithiothreitol (DTT) | Thermo Fisher Scientific | P2325 | 1 M |
| Formic acid (FA) | Sigma Aldrich | 695076 | ACS reagent, ≥96% |
| Fused silica capillary 75 μm ID x 363 μm OD | (Molex (Polymicro) | TSP075375 | |
| Glacial Acetic Acid | Thermo Fisher Scientific | A38S | Acetic Acid, Glacial (Certified ACS), Fisher Chemical |
| Glass Pasteur Pipettes | Sigma Aldrich | BR747725-1000EA | |
| High-Performance Liquid Chromatograph | Shimadzu | Shimadzu Prominence 20 HPLC UFLC System | |
| Hydrochloric acid, HCl | Sigma Aldrich | 258148 | ACS reagent, 37% |
| Hypercarb 30-40 μm Carbon 150–300 Å | Thermo Fisher Scientific | 60106-402 | |
| Hypersep cartridge | Thermo Fisher Scientific | 60109-404 | |
| LC/MS Calibration Standard, for ESI-ToF | Agilent | G1969-85000 | TuningMix |
| Magnesium chloride, MgCl2 | Sigma Aldrich | M8266 | Anhydrous, ≥98% |
| Methanol, for HPLC | Thermo Fisher Scientific | A454 | Optima for HPLC, Fisher Chemical |
| Microcentrifuge Tube Adapters | GL Sciences | 501021514 | |
| Microcystin | Thermo Fisher Scientific | 50-200-8727 | Enzo Life Sciences Microcystin-LA |
| MS sample vial, LaPhaPack, Snap, 12 mm x 32 mm | LEAP PAL Parts | LAP.11190933 | |
| Nanodrop | Thermo Fisher Scientific | model: ND3300 | |
| Nitrogen (N2) | Airgas | NI UHP300 | |
| PEAKS Studio X+ | Bioinformatic Solutions | ||
| pH indicator strips, Instachek | Micro Essential Lab | JR-113 | Model: Hydrion |
| Potassium chloride, KCl | Sigma Aldrich | P3911 | ACS reagent, 99.0%–100.5% |
| Pressure Injection Cell | Next Advance | model: PC77 | |
| Propionic Anhydride | Sigma Aldrich | 8.00608 | For synthesis |
| Refrigerated Centrifuge (700–18,000 x g) | NuAire, model: Nuwind | NU-C200V | |
| Reprosil-Pur 120 C18-AQ 3 μm, 3 g | ESI Source Solutions | r13.aq.0003 | |
| SDS-PAGE Gels | Bio-Rad | 4569035 | Any kD precast polyacrylamide gel, 8.6 cm × 6.7 cm (W × L), for use with Mini-PROTEAN Electrophoresis Cells |
| Sodium butyrate | Thermo Fisher Scientific | A11079.06 | 98+% |
| Sodium chloride, NaCl | Sigma Aldrich | S9888 | ACS reagent, ≥99.0% |
| SPE disk, C18 | VWR | 76333-134 | Empore SPE disk, C18, CDS Analytical, 90 mm x 0.5 mm, 12 µm |
| SpeedVac+ vacuum pump and plate rotor | Savant | model: SC210A | |
| Sucrose | Millipore | 1.07651 | suitable for microbiology |
| Sulfuric acid, H2SO4 | Sigma Aldrich | 339741 | 99.999% |
| TIMS-ToF Mass Spectrometer | Bruker Daltonics | model Tims tof ms | |
| Trichloroacetic acid solution, TCA | Sigma Aldrich | T0699 | 6.1 N |
| Trifluoroacetic acid (TFA) | Sigma Aldrich | 302031 | Suitable for HPLC, ≥99.0% |
| Triversa Nanomate | Advion | model: TR263 | |
| TrypsinProtease, MS Grade | Thermo Fisher Scientific | 90057 | |
| Tube rotator | Thermo Fisher Scientific | 88881001 | |
| Vortex Mixer | Thermo Fisher Scientific | 88880017 | |
| Water with 0.1% Formic acid (v/v), LC/MS Grade | Thermo Fisher Scientific | LS118 | Optima LC/MS Grade, Thermo Scientific |
References
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