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Die Massenspektrometrie hat sich als wertvolles Tool für die Analyse großer Proteinkomplexe werden. Diese Methode ermöglicht Einblicke in die Zusammensetzung, Stöchiometrie und Gesamtarchitektur des Multi-Untereinheit Baugruppen. Hier beschreiben wir, Schritt-für-Schritt, wie man ein strukturelles Massenspektrometrie-Analyse durchzuführen, und Charakterisierung makromolekularen Strukturen.
Lebende Zellen steuern und regeln ihre biologische Prozesse durch die koordinierte Aktion von einer großen Anzahl von Proteinen, die sich versammeln in ein Array von dynamischen, multi-Protein-Komplexe 1. Um ein mechanistische Verständnis der verschiedenen zellulären Prozessen, ist es wichtig, die Struktur eines solchen Protein-Komplexe zu bestimmen, und zeigen, wie ihre strukturelle Organisation ihre Funktion bestimmt. Viele Aspekte der Multi-Protein-Komplexe sind jedoch schwer zu charakterisieren, die aufgrund ihrer heterogenen Natur, asymmetrische Struktur und Dynamik. Daher sind neue Ansätze für die Erforschung der tertiären Protein Organisation erforderlich.
Einer der aufstrebenden Strukturbiologie Werkzeuge zur Analyse von makromolekularen Komplexen ist die Massenspektrometrie (MS) 2-5. Diese Methode liefert Informationen über die komplexen Protein-Zusammensetzung, Untereinheit Stöchiometrie und strukturelle Topologie. Die Macht der MS ergibt sich aus seiner hohen Empfindlichkeit und, als Folge, geringe Probenvolumina nötig, die Untersuchung von Protein-Komplexen an endogenen Ebenen zum Ausdruck ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist die Geschwindigkeit der Analyse, die Überwachung von Reaktionen ermöglicht in Echtzeit. Darüber hinaus kann die Technik die gleichzeitige Messung der Eigenschaften der getrennten Populationen koexistierenden in einer Mischung.
Hier beschreiben wir ein detailliertes Protokoll für die Anwendung von Struktur-MS zur Analyse von großen Protein-Baugruppen. Das Verfahren beginnt mit der Herstellung von Gold-beschichteten Kapillaren für nanoflow Elektrospray-Ionisation (NESI). Es fährt dann mit Probenvorbereitung, betont die Puffer-Bedingungen, die kompatibel sein NESI auf der einen Seite sollte und damit zu Komplexen intakt auf der anderen Seite zu halten. Wir haben dann zu erklären, Schritt-für-Schritt, wie man die experimentellen Bedingungen für die hohe Masse Messungen zu optimieren und zu erwerben MS und Tandem-MS-Spektren. Schließlich, ein Diagramm wir die Datenverarbeitung und-analysen, die folgen. Statt zu versuchen, jeden Aspekt des Protein-Baugruppen zu charakterisieren, stellt dieses Protokoll grundlegende MS-Verfahren, wodurch die Leistung der MS und MS / MS-Experimente auf nichtkovalente Komplexe. Insgesamt ist es unser Ziel, den Forschern auf dem Gebiet der strukturellen MS unbekannt, mit der Kenntnis der wichtigsten experimentellen Werkzeuge bieten.
Teil 1: Herstellung von Gold-beschichteten Kapillaren für nanoflow Elektrosprayionisation
Die Analyse der nicht-kovalenten Komplexen ist in der Regel durch nanoflow Elektrospray-Ionisation (NESI) 6 durchgeführt, unter Verwendung von Glas-oder Quarz-Kapillaren, die zu einer feinen Spitze (~ 1 um Innendurchmesser) und beschichtet mit leitfähigem Material gezogen wurden (meist Gold) . Solche Kapillaren sind aus kommerziellen Quellen erhältlich (New Objective oder Proxeon) ready-to-use, aber es kann kostengünstiger, sie im eigenen Haus vorbereitet:
Schritt | Wärme | Ziehen | Vell | Zeit |
1 | 750 | - | 15 | 80 |
2 | 700 | - | 15 | 50 |
3 | 750 | 200 | 20 | 80 |
Teil 2: Probenvorbereitung
Teil 3: Kalibrierung des Massenspektrometers für hohe Masse-Messungen
Die meisten der Experimente auf Multi-Protein-Komplexen durchgeführt werden unter Verwendung eines Nano-Elektrospray-Quadrupol-Time-of-flight (Q-TOF)-Instrument. Es wird empfohlen, dass Sie ein Quadrupolmassenfilter angepasst werden, um tiefe Frequenzen zu verwenden, um die Übertragung und die Masse Analyse von Ionen mit hoher m / z-Werte 7,8 zu ermöglichen. Es istauch empfohlen, dass Gaseinlässe 7,8 oder Hülsen 9, das Instrument in der ersten Ionenleitsystems hinzugefügt werden, um den Druck steuern bei der ersten Vakuum-Phase zu ermöglichen. Letzteres ermöglicht eine Optimierung des Getriebes, und Desolvatation von sehr großen Ionen 7-9. Derzeit sind kommerzielle ESI-TOF-und Q-ToF Instrumenten verschiedener Hersteller (z. B. Wasser, SCIEX, Bruker, oder Agilent), die relativ leicht und kostengünstig angepasst werden können, für die native MS-Anwendungen 7,8 zur Verfügung. Es ist jedoch möglich, Standard-ToF oder QTof Konfigurationen auf Instrumente wie die LCT oder QToF1 (Waters) verwenden, um Massenspektren der Komplexe bis zu 1 MDa zu erwerben, ohne die Notwendigkeit für Änderungen an der Hardware 5.
Das Protokoll unten beschrieben wurde auf einem SYNAPT Instrument (Waters) durchgeführt.
Teil 4: MS-Analyse von intaktem Protein-Komplexen
Teil 5: Tandem-Massenspektrometrie: distanziert Protein-Komplexe
Teil 6: Datenverarbeitung und-analyse
Teil 7: Repräsentative Ergebnisse
Abbildung 1. Vorbereitung gold-beschichteten Nano-Elektrospray Kapillaren.
A. Befestigen Sie zwei doppelseitigen Klebestreifen auf einer Petrischale, 2 cm voneinander entfernt. Zur Unterstützung der vorbereiteten Kapillaren, statt einem Glasstab (8 cm x 5 mm) in der Mitte eines der Pads. B. Kleben Sie das stumpfe Ende des vorbereiteten Kapillaren der Klebepad, und lehnen die Spitze auf dem Glasstab. C. Nach der Petrischale wird mit dem vorbereiteten Kapillaren, überziehen sie mit Gold gefüllt, bis eine dünne Schicht aus Gold gleichmäßig auf der äußeren Oberfläche der Kapillaren abgelagert.
Abbildung 2. Hochamt Kalibrierung mit Cäsium-Jodid-Ionen.
Die großen und monisotopic Cluster von CsI haben es die Verbindung der Wahl für die Kalibrierung von Massenspektrometern für hohe Masse Analyse. Die Reihe der gleichen Abständen Gipfel über einen weiten Bereich erstrecken, von m / z 393 bis weit über 10.000. Sie sind Assigned zu einfach Salz-Cluster der allgemeinen Zusammensetzung (CsI) n Cs + berechnet. Zusätzliche Signale zwischen den großen Gipfeln werden durch Doppel-und Dreifach-geladenen Spezies der Serie entstanden sind; [(CsI) n Cs2] 2 + und [(CsI) n Cs3] 3 +, jeweils. Erhöhung des Drucks in der ersten Vakuum-Phase ist die Voraussetzung zur Erkennung der hohen Masse Cluster. Die Wirkung des Drucks auf die hohe Masse Gipfel wird in Panels A nachgewiesen. und B. mit Druck readbacks von 1,2 und 5,3 bzw.. C. Expansion des Massenspektrums bei B dargestellt.
Abbildung 3. Nanoflow Elektrospray-Massenspektren einer pentameren Lektin.
A. Die Massenspektrometrie eines Lektin-Variante komplexe (abgeleitet von lib1-B7 durch gerichtete Evolution 18) führt zu einem Ladezustand Verteilungen zwischen 3.000 und 5.000 m / z, jedoch aufgrund unzureichender Desolvatation der Ionen, sind die Spitzen breit. Vergleich von Panel A. und B. zeigen die Wirkung der Erhöhung der Bias-Spannung von 4V (A). Bis 15V (B.) Auf die Peakbreite. Dieser Anstieg der beschleunigenden Bedingungen wird das Strippen von Restwasser und Puffer-Komponenten, was zu einem hochaufgelösten Spektrum. Die gemessene Masse (60.240 ± 38 Da) entspricht einer pentameren komplex. C. die +15 Ladezustand damals für Tandem-MS-Analyse (grau schattiert in Panel B). D ausgewählt. Die Erhöhung der Stoßenergie verursacht die Freisetzung eines hoch geladenen Monomer, bei 1.664 m / z zentriert, und eine abgespeckte tetrameren Komplex, in dem Bereich von 5.000 - 8.000 m / z Alle Spektren wurden von einer Probe mit 20 uM Lösung in 0,5 M Ammoniumacetat erhalten.
Zum Erwerb hochwertiger Spektren Augenmerk sollte auf die Probenvorbereitung, die Konzentration der Probe und Puffer Austausch beinhalten gegeben werden. In verdünnten Proben ergeben ein Low-Signal, während hochkonzentrierte Proben kann ziemlich zähflüssig, und blockieren die Elektrospray Nadel. Darüber hinaus Lösung Additive wie Salze, Glycerin, Wasch-, Metall-Ionen und Reduktionsmittel (DTT oder β-Mercaptoethanol), neigen dazu, an der äußeren Oberfläche der Proteine haften und verursachen Verbreiterung der Peaks. Deshalb, um gut aufgelöste Peaks zu erreichen, sollten diese Komponenten auf dem niedrigsten Konzentrationen möglich aufgenommen werden.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Position des nanoflow Kapillare, bezogen auf das Massenspektrometer Öffnung. Das Finden der "sweet spot" könnte eine Herausforderung sein für unerfahrene Benutzer, trotzdem sie beeinflusst maßgeblich die Qualität der Spektren. Es ist auch wichtig zu untersuchen, die nanoflow vor Beginn der Spraykapillare. Die Tröpfchengröße ist eine Funktion der Spitze Durchmesser, die ~ 1 &mgr; werden soll. Kleine Tröpfchen für effizientere Ionisation führen und wäre daher von Vorteil sein. Es ist auch wichtig, um zu überprüfen, dass es keine Luftblasen in der Kapillare, die den Fluss versperren könnte, und dass die Gold-Beschichtung ist nicht aus der Kapillare während der Akquisition entkleidet und wenn ja, weiter schneiden Sie die Spitze. Beachten Sie, dass eine übermäßige Menge an Probe wird die Möglichkeit der Optimierung MS-Bedingungen wie die Kapillare Spannung, beschleunigenden Spannungen, Druck und Aufprallenergie zu erhöhen.
Insgesamt haben sich die Verfahren in das Protokoll erklärt worden, um die Zusammensetzung, Stöchiometrie und Architektur der zahlreichen Protein-Komplexe (siehe Bewertungen 2,3,4) zu bestimmen. Analyse großer MDa Komplexe wie das Ribosom 19 und hochgeordnete Viruskapside 20-22, in der Definition Substratbindung zu molekularen Maschinen 23-25, oder die Charakterisierung der Untereinheit Interaktion Netzwerke 26,17,16,17,27,28 dienen als aber ein paar Beispiele für den Mehrwert dieses Ansatzes.
Die Autoren danken der Sharon Gruppenmitglieder für die kritische Durchsicht und für ihre Beiträge zu dem Manuskript. Wir sind dankbar für die Unterstützung der Morasha und Bikura Programme, die Israel Science Foundation (Grant Nr. 1823-1807 und 378/08), das Josef Cohn Minerva Center for Biomembrane Research, die Chais Familie Fellows Program für New Scientists, die Abraham und Sonia Rochlin Stiftung, die Familie Wolfson Charitable Trust, die Helen und Milton A. Kimmelman Zentrums für Biomolekulare Struktur und Montage; dem Nachlass von Shlomo und Sabine Beirzwinsky; Meil de Botton Aynsley, und Karen Siem, UK. Wir danken Dan Tawfik und Itamar Yadid, dass er uns das Lektin Variante Probe.
Anforderungen an die Probe:
Probe | Anforderung | Kommentare |
Volumen | 1-2 ul | Per Kapillare |
Konzentration | 1-20 um | Per komplexen |
Puffer | Aquanos flüchtigen Puffer wie Ammoniumacetat bei pH = 6 bis 8 | In der Regel 5 mM-1M |
Reinigungsmittel | Minimal | Cluster von Wasch-Moleküle produzieren breite und Hauptpeaks |
Glycerol | Minimal (bis zu 5%) | Haftet unspezifisch an Proteine und damit sind breite Peaks beobachtet |
Organische Lösungsmittel | Bis zu 50% | Might Proteine denaturieren Komplexe |
Acids | Bis zu 4% | Denaturieren Protein-Komplexe |
Salze | Minimal | Salzaddukte um eine breite und offene Gipfel führen |
DTT | Minimal | 1-2 um vorhanden sein können |
Chelatbildner | Minimal | Über 250 um umfangreiche Adduktbildung führen |
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