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Presentamos un protocolo de etiquetado optimizado de etiquetas de masa en tándem (TMT) que incluye información detallada para cada uno de los siguientes pasos: extracción de proteínas, cuantificación, precipitación, digestión, etiquetado, envío a una instalación proteómica y análisis de datos.
Las tecnologías proteómicas son metodologías poderosas que pueden ayudar a nuestra comprensión de los mecanismos de acción en los sistemas biológicos al proporcionar una visión global del impacto de una enfermedad, tratamiento u otra condición en el proteomo en su conjunto. Este informe proporciona un protocolo detallado para la extracción, cuantificación, precipitación, digestión, etiquetado y posterior análisis de datos de muestras de proteínas. Nuestro protocolo de etiquetado TMT optimizado requiere una menor concentración de etiquetas de etiquetas y logra datos fiables de forma consistente. Hemos utilizado este protocolo para evaluar perfiles de expresión de proteínas en una variedad de tejidos de ratón (es decir, corazón, músculo esquelético y cerebro), así como células cultivadas in vitro. Además, demostramos cómo evaluar miles de proteínas del conjunto de datos resultante.
El término "proteómica" se definió por primera vez como la caracterización a gran escala de todo el complemento proteico de una célula, tejido u organismo1. Los análisis proteómicos permiten la investigación de mecanismos y procesos celulares implicados en el desarrollo de enfermedades, vías terapéuticas y sistemas saludables utilizando técnicas para realizar la cuantificación relativa de los niveles de expresión de proteínas2. Las descripciones iniciales de dichos estudios se publicaron en 1975 y demostraron el uso de electroforesis de gel de poliacrilamida bidimensional (2D-PAGE) para este fin1,3. El método 2D separa las proteínas en función de la carga (enfoque isoeléctrico, IEF) y la masa molecular (electroforesis de gel de sulfato de dodecilo sódico, o SDS-PAGE)4. Durante años, la combinación de 2D-PAGE y la posterior espectrometría de masas en tándem realizada en cada componente de gel fue la técnica de análisis de expresión de proteína no segmentada más común realizada e identificó numerosos perfiles de expresión de proteínas previamente desconocidos5,,6. Las desventajas generales del enfoque 2D-PAGE son que consume mucho tiempo, no funciona bien para las proteínas hidrofóbicas, y hay limitaciones en el número total de proteínas evaluadas debido a la baja sensibilidad7,8.
El etiquetado de isótopos estables por aminoácidos en el cultivo celular (SILAC) método se convirtió en el siguiente enfoque popular para identificar y cuantificar la abundancia de proteínas en las muestras9. Consiste en el etiquetado metabólico de las células que se incuban en medio carente de un aminoácido esencial estándar y complementadas con una versión etiquetada por isótopos de ese aminoácido específico10. La ventaja de esta técnica es su eficiencia y etiquetado preciso9. La principal limitación al enfoque SILAC es principalmente la reducción de la tasa de crecimiento celular causada por la incorporación de etiquetas de isótopos, que puede ser particularmente difícil en líneas celulares relativamente sensibles que modelan enfermedades humanas11.
En 2003, se introdujo en el campo12una técnica novedosa y robusta de proteómica que implica etiquetas isobáricas de etiqueta de masa en tándem (TMT). El etiquetado TMT es un método potente debido a su mayor sensibilidad para detectar los niveles relativos de expresión de proteínas y las modificaciones posttranslacionales13. A partir de esta fecha de publicación, se han desarrollado kits de TMT que pueden etiquetar simultáneamente 6, 10, 11 o 16 muestras. Como resultado, es posible medir la abundancia de péptidos en múltiples condiciones con réplicas biológicas al mismo tiempo14,15,16. Recientemente utilizamos TMT para caracterizar el perfil proteómico cardíaco de un modelo de ratón de Síndrome de Barth (BTHS)17. Al hacerlo, pudimos demostrar una mejora generalizada en los perfiles cardíacos de los ratones BTHS tratados con terapia génica e identificar proteínas novedosas afectadas por BTHS que revelaron nuevas vías terapéuticas implicadas en cardiomiopatías.
Aquí, describimos un método detallado para realizar análisis proteómicos cuantitativos TMT multiplex utilizando muestras de tejido o gránulos celulares. Puede ser beneficioso realizar la preparación y etiquetado de la muestra antes de enviarla a un núcleo porque los péptidos trípticos etiquetados son más estables que las muestras congeladas en bruto, no todos los núcleos tienen experiencia en el manejo de todos los tipos de muestras, y la preparación de muestras en un laboratorio puede ahorrar tiempo para los núcleos, que a menudo tienen largos retrasos. Para obtener descripciones detalladas de la parte de espectroscopia de masas de este proceso, consulte Kirshenbaum et al. y Perumal et al.18,19.
El protocolo de preparación de la muestra consta de los siguientes pasos principales: extracción, cuantificación, precipitación, digestión y etiquetado. Los principales beneficios de este protocolo optimizado son que reduce los costos de etiquetado, mejora la extracción de proteínas y genera constantemente datos de alta calidad. Además, describimos cómo analizar datos TMT para analizar miles de proteínas en un corto período de tiempo. Esperamos que este protocolo anime a otros grupos de investigación a considerar la incorporación de esta poderosa metodología en sus estudios.
El Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Florida aprobó todos los estudios con animales.
1. Preparación de reactivos
2. Extracción de proteínas
3. Medición de proteínas
4. Reducción/alquilación del tratamiento con reactivos
5. Precipitación de metanol/cloroformo20
6. Digestión de proteínas
7. Etiquetado de péptidos
8. Espectroscopia de masas
9. Análisis de datos
10. Métodos para evaluar impactos significativos
11. Carga de datos proteómicos en un banco de repositorios
Las células sanas y enfermas fueron coloreadas en búfer CHAPS, preparadas como se detalla en nuestro método de etiquetado TMT, y enviadas al Centro Interdisciplinario de Investigación Biotecnológica de la Universidad de Florida (UF-ICBR) Core para cromatografía líquida con espectrometría de masas en tándem. Después de la adquisición y entrega de datos desde el núcleo, el conjunto de datos se abrió en el software suministrado por el proveedor y se aplicaron los siguientes filtros de corte: 2 péptidos únicos, iones reportero para cada muestra de proteína presente en todos los canales, e incluyen sólo proteínas alteradas significativamente (p a 0,05). La Tabla 1 resume los datos: 39.653 péptidos totales, de los cuales 7.211 tienen igual o mayor que dos péptidos únicos, y 3.829 incluyen iones reportero para todos los canales. Los valores p para estos 3.829 péptidos se calcularon mediante la prueba t del estudiante y p a 0,05 se consideró significativo. Además, se utilizó un corte de cambio plegable para determinar la distribución relativa de proteínas de células enfermas en comparación con las células sanas: reguladas hacia abajo (azul) o reguladas (rojas)(Figura 1).
La lista de expresión de proteínas significativamente desreguladas se evaluó utilizando el sistema de clasificación ontológica PANTHER y los análisis STRING. Los análisis de Pantera mostraron una lista categorizada de proteínas basada en una abundancia significativamente menor(Figura 2A)o mayor en células enfermas basada en la función molecular (Figura 2B). Los análisis de cuerdas de proteínas de abundancia significativamente menor(Figura 2C)y superior(Figura 2D) identificaron múltiples interacciones y fuertes asociaciones entre proteínas.
Figura 1: Gráfica de volcanes que muestra proteínas cuya abundancia no fue alterada significativamente (negro), significativamente reducida (azul), o significativamente aumentada (roja) en células de control enfermas frente a saludables. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Evaluaciones representativas de los impactos significativamente desregulados identificados por PANTHER (A, B) y String (C, D) de proteínas de abundancia significativamente menor o mayor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Péptidos totales | Total identificado | 2 péptidos únicos | Proteínas cuantificadas | Proteínas significativamente alteradas | |
Bajo | Alto | ||||
39653 | 7211 | 4457 | 3829 | 296 | 108 |
Tabla 1: Tabla representativa de proteínas cuantificadas por análisis de conjunto de datos.
Para preparar con éxito las muestras para el análisis proteómico utilizando metodologías de etiquetado de isótopos isópticos isobáricos basados en TMT, es crucial realizar extracciones de proteínas con mucho cuidado a 4 oC y utilizar un tampón de lelisis que contenga un cóctel inhibidor de la proteasa24,,25. El cóctel inhibidor de la proteasa es un reactivo crucial para evitar la degradación inesperada de las proteínas durante la digestión de proteínas. Una diferencia clave entre nuestro protocolo y el actual proporcionado por el proveedor es que recomendamos encarecidamente el uso de tampón de lelisis CHAPS basado en nuestra experiencia con células y tejidos de mamíferos. También sugerimos el uso de un enfoque de precipitación de metanol/proteína cloroforma para pellets celulares y tejidos.
Idealmente, la extracción de proteínas, la medición, los tratamientos de reactivos reductores/alquilantes y las precipitaciones de metanol/cloroformo se realizan el mismo día. Siguiendo esta recomendación dará lugar a concentraciones de proteínas más precisas para su posterior etiquetado. El paso de precipitación de proteínas es importante para la eliminación de reactivos que interferirán con la espectrometría de masas en tándem. Incluyendo el paso de precipitación mejora significativamente la resolución del TMT26. En resumen, las principales ventajas de nuestro protocolo TMT son las altas eficiencias de etiquetado para diferentes tipos de muestras, su reproducibilidad y los datos fiables adquiridos.
A medida que la naturaleza múltiplex de esta estrategia de proteómica no objetivo TMT continúa expandiéndose, mejorará progresivamente la capacidad de los investigadores en una amplia variedad de campos para hacer descubrimientos novedosos. Específicamente en el campo biomédico, nosotros y otros hemos encontrado esta tecnología cada vez más informativa en estudios que exploran nuevos mecanismos de acción en la enfermedad y los impactos relativos de diversas terapias. Por todas estas razones, esta poderosa tecnología complementa el repertorio de otros enfoques OMICS utilizados en estudios de investigación modernos y proporciona información clave que puede guiar un mayor desarrollo terapéutico.
Los autores no tienen nada que revelar.
Nos gustaría reconocer la instalación proteómica UF-ICBR para el procesamiento de nuestras muestras. Este trabajo fue apoyado en parte por los Institutos Nacionales de Salud R01 HL136759-01A1 (CAP).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 M Triethylammonium bicarbonate (TEAB), 50 mL | Thermo Fisher | 90114 | Reagent for protein labeling |
50% Hydroxylamine, 5 mL | Thermo Fisher | 90115 | Reagent for protein labeling |
Acetic acid | Sigma | A6283 | Reagent for protein digestion |
Anhydrous acetonitrile, LC-MS Grade | Thermo Fisher | 51101 | Reagent for protein labeling |
Benzonaze nuclease | Sigma-Aldrich | E1014 | DNA shearing |
Bond-Breaker TCEP solution, 5 mL | Thermo Fisher | 77720 | Reagent for protein labeling |
BSA standard | Thermo | 23209 | Reagent for protein measurement |
CHAPS | Thermo Fisher | 28300 | Reagent for protein extraction |
Chloroform | Fisher | BP1145-1 | Reagent for protein precipitation |
cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Tablet | Roche | 4693132001 | Reagent for protein extraction |
DC Protein Assay | BioRad | 500-0116 | Reagent for protein measurement |
Excel | Microsoft Office | Software for data analyses | |
Heat block | VWR analog | 12621-104 | Equipment for protein digestion incubation |
HEPES | Sigma | RDD002 | Reagent for protein extraction |
Methanol | Fisher | A452-4 | Reagent for protein precipitation |
Pierce Trypsin Protease, MS Grade | Thermo Fisher | 90058 | Reagent for protein digestion |
Potassium chloride | Sigma | 46436 | Reagent for protein extraction |
Sigma Plot 14.0 | Sigma Plot 14.0 | Software for data analyses | |
Sonicator | Fisher Scientific | FB120 | DNA shearing |
Spectra Max i3x Multi-Mode Detection Platform | Molecular Devices | Plate reader for protein measurement | |
Thermo Scientific Pierce Quantitative Colorimetric Peptide Assay | Thermo Fisher | 23275 | Reagent for protein measurement |
Thermo Scientific Pierce Quantitative Fluorescent Peptide Assay | Thermo Fisher | 23290 | Reagent for protein measurement |
Thermo Scientific Proteome Discoverer Software | Thermo Fisher | OPTON-30945 | Software for data analyses |
TMT 10plex Isobaric Label Reagent Set 0.8 mg, sufficient reagents for one 10plex isobaric experiment | Thermo Fisher | 90110 | Reagent for protein labeling |
TMT11-131C Label Reagent 5 mg | Thermo Fisher | A34807 | Reagent for protein labeling |
Water, LC-MS Grade | Thermo Fisher | 51140 | Reagent for protein extraction |
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