Method Article
Nous présentons un protocole d’étiquetage optimisé de l’étiquette de masse en tandem (TMT) qui comprend des informations détaillées pour chacune des étapes suivantes : extraction de protéines, quantification, précipitations, digestion, étiquetage, soumission à une installation de protéomique et analyses de données.
Les technologies protéomiques sont des méthodologies puissantes qui peuvent nous aider à comprendre les mécanismes d’action dans les systèmes biologiques en fournissant une vision globale de l’impact d’une maladie, d’un traitement ou d’une autre condition sur le protégé dans son ensemble. Ce rapport fournit un protocole détaillé pour l’extraction, la quantification, les précipitations, la digestion, l’étiquetage et l’analyse subséquente des données des échantillons de protéines. Notre protocole d’étiquetage TMT optimisé nécessite une concentration plus faible d’étiquettes et permet d’obtenir des données fiables. Nous avons utilisé ce protocole pour évaluer les profils d’expression protéique dans une variété de tissus de souris (c.-à-d., le cœur, le muscle squelettique et le cerveau) ainsi que les cellules cultivées in vitro. En outre, nous démontrons comment évaluer des milliers de protéines à partir de l’ensemble de données résultant.
Le terme « protéomique » a d’abord été défini comme la caractérisation à grande échelle de l’ensemble du complément protéique d’une cellule, d’un tissu ou d’un organisme1. Les analyses protéomiques permettent d’enquêter sur les mécanismes et les processus cellulaires impliqués dans le développement de la maladie, les voies thérapeutiques et les systèmes sains utilisant des techniques pour effectuer la quantitation relative des niveaux d’expression des protéines2. Les descriptions initiales de ces études ont été publiées en 1975 et ont démontré l’utilisation de l’électrophoresis en gel polyacrylamide bidimensionnel (2D-PAGE) à cette fin1,3. La méthode 2D sépare les protéines basées sur la charge (mise au point isoélectrique, IEF) et la masse moléculaire (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, ou SDS-PAGE)4. Pendant des années, la combinaison de 2D-PAGE et de spectrométrie de masse tandem ultérieure effectuée sur chaque composant de gel a été la technique d’analyse non ciblée la plus commune d’expression de protéine exécutée et a identifié de nombreux profils d’expression de protéine précédemment inconnus5,6. Les inconvénients généraux de l’approche 2D-PAGE sont qu’il prend beaucoup de temps, ne fonctionne pas bien pour les protéines hydrophobes, et il ya des limites dans le nombre total de protéines évaluées en raison de la faible sensibilité7,8.
L’étiquetage des isotopes stables par les acides aminés dans la méthode de culture cellulaire (SILAC) est devenu la prochaine approche populaire pour identifier et quantifier l’abondance des protéines dans les échantillons9. Il se compose de l’étiquetage métabolique des cellules qui sont incubées dans le milieu dépourvu d’un acide aminé essentiel standard et complétée par une version isocéocéocée de cet acide aminé spécifique10. L’avantage de cette technique est son efficacité et son étiquetage précis9. La principale limite à l’approche SILAC est principalement la réduction du taux de croissance cellulaire causée par l’incorporation d’étiquettes isotopiques, qui peut être particulièrement difficile dans les lignées cellulaires relativement sensibles modélisant les maladies humaines11.
En 2003, une technique de protéomique nouvelle et robuste impliquant des étiquettes isobaric tandem (TMT) a été introduite sur le terrain12. L’étiquetage TMT est une méthode puissante en raison de sa sensibilité accrue pour détecter les niveaux relatifs d’expression des protéines et les modifications posttranslationnelles13. À la date de publication, des kits TMT ont été développés qui peuvent simultanément étiqueter 6, 10, 11 ou 16 échantillons. En conséquence, il est possible de mesurer l’abondance de peptides dans de multiples conditions avec des répliques biologiques en même temps14,15,16. Nous avons récemment utilisé TMT pour caractériser le profil protéomique cardiaque d’un modèle de souris du syndrome de Barth (BTHS)17. Ce faisant, nous avons pu démontrer une amélioration généralisée des profils cardiaques des souris BTHS traitées avec la thérapie génique et identifier de nouvelles protéines touchées par BTHS qui ont révélé de nouvelles voies thérapeutiques impliquées dans les cardiomyopathies.
Ici, nous décrivons une méthode détaillée pour effectuer des analyses quantitatives de protéomique de TMT multiples utilisant des échantillons de tissu ou des granules cellulaires. Il peut être avantageux d’effectuer la préparation et l’étiquetage de l’échantillon avant la soumission à un noyau parce que les peptides tryptiques étiquetés sont plus stables que les échantillons congelés bruts, pas tous les noyaux ont l’expérience de traiter tous les types d’échantillons, et la préparation des échantillons dans un laboratoire peut gagner du temps pour les noyaux, qui ont souvent de longs arriérés. Pour des descriptions détaillées de la partie de spectroscopie de masse de ce processus s’il vous plaît voir Kirshenbaum et al. et Perumal et al.18,19.
Le protocole de préparation de l’échantillon se compose des étapes majeures suivantes : extraction, quantification, précipitations, digestion et étiquetage. Les principaux avantages de ce protocole optimisé sont qu’il réduit les coûts d’étiquetage, améliore l’extraction des protéines et génère constamment des données de haute qualité. En outre, nous décrivons comment analyser les données TMT pour dépister des milliers de protéines dans un court laps de temps. Nous espérons que ce protocole encouragera d’autres groupes de recherche à envisager d’intégrer cette méthodologie puissante dans leurs études.
Le Comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux de l’Université de Floride a approuvé toutes les études sur les animaux.
1. Préparation des réactifs
2. Extraction de protéines
3. Mesure des protéines
4. Réduire/alkylating traitement de réactif
5. Précipitations du méthanol/chloroforme20
6. Digestion des protéines
7. Étiquetage Peptide
8. Spectroscopie de masse
9. Analyse des données
10. Méthodes pour évaluer les coups significatifs
11. Téléchargement de données protéomiques dans une banque de dépôts
Les cellules saines et malades ont été analysées dans le tampon CHAPS, préparées comme détaillées dans notre méthode d’étiquetage TMT, et soumises au Centre interdisciplinaire de l’Université de Floride pour la recherche en biotechnologie (UF-ICBR) Proteomics Core for Liquid Chromatography avec spectrométrie de masse tandem. À la suite de l’acquisition et de la livraison de données à partir du noyau, l’ensemble de données a été ouvert dans les logiciels fournis par le fournisseur et les filtres de coupure suivants ont été appliqués : 2 peptides uniques, ions reporter pour chaque échantillon de protéines présents dans tous les canaux, et ne comprennent que des protéines modifiées de manière significative (p - 0,05). Le tableau 1 résume les données : 39 653 peptides au total, dont 7 211 ont un nombre égal ou supérieur à deux peptides uniques, et 3 829 comprennent des ions de journaliste pour tous les canaux. Les valeurs p pour ces 3 829 peptides ont été calculées par le test t de l’étudiant et p 0,05 a été considérée comme significative. De plus, une coupure de changement a été utilisée pour déterminer la répartition relative des protéines provenant de cellules malades par rapport aux cellules saines : régulées (bleues) ou régulées (rouge)(figure 1).
La liste de l’expression significativement dysrégulée de protéine a été évaluée utilisant le système de classification d’ontologie de PANTHER et les analyses de STRING. Les analyses de panthères ont montré une liste classée de protéines basée sur une abondance significativement plus faible(figure 2A) ou une abondance plus élevée dans les cellules malades en fonction de la fonction moléculaire(figure 2B). Les analyses de chaînes de protéines de façon significative plus faible (figure 2C) et d’abondance plus élevée(figure 2D) ont permis d’identifier de multiples interactions et de fortes associations entre les protéines.
Figure 1 : Parcelle de volcan affichant des protéines dont l’abondance n’a pas été significativement altérée (noir), significativement abaissée (bleu), ou augmentée significativement (rouge) dans les cellules de contrôle malades vs saines. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Évaluations représentatives des coups dysrégulés significativement identifiés par PANTHER (A, B) et String (C, D) de protéines d’abondance significativement plus faibles ou plus élevées. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Peptides totaux | Total identifié | 2 peptides uniques | Protéines quantifiées | Protéines considérablement altérées | |
Faible | Haute | ||||
39653 | 7211 | 4457 | 3829 | 296 | 108 |
Tableau 1 : Tableau représentatif des protéines quantifiées par analyse de jeu de données.
Pour préparer avec succès des échantillons pour l’analyse protéomique à l’aide de méthodologies d’étiquetage isobarique stable isobarique à base de TMT, il est crucial d’effectuer des extractions de protéines très soigneusement à 4 oC et d’utiliser un tampon de lyse qui contient un cocktail inhibiteur de la protéase24,25. Le cocktail inhibiteur de la protéase est un réactif crucial pour éviter une dégradation inattendue des protéines pendant la digestion des protéines. Une différence clé entre notre protocole et le présent tel que le fournisseur est que nous recommandons fortement l’utilisation de tampons chapS lysis en fonction de notre expérience avec les cellules et les tissus de mammifères. Nous suggérons également d’utiliser une approche de précipitations de protéines de méthanol/chloroforme pour les granulés cellulaires et les tissus.
Idéalement, l’extraction de protéines, la mesure, la réduction/l’alkylating des traitements de réactif, et les précipitations de méthanol/chloroforme sont tous exécutés le même jour. Suite à cette recommandation, des concentrations de protéines plus précises pour l’étiquetage ultérieur se traduiront. L’étape de précipitation des protéines est importante pour l’élimination des réactifs qui interfèrent avec la spectrométrie de masse tandem. L’inclusion de l’étape de précipitations améliore considérablement la résolution de TMT26. En somme, les principaux avantages de notre protocole TMT sont l’efficacité élevée d’étiquetage pour différents types d’échantillons, sa reproductibilité, et les données fiables acquises.
Alors que la nature multiplexe de cette stratégie de protéomique non ciblée TMT continue de s’étendre, elle améliorera progressivement la capacité des chercheurs dans une grande variété de domaines à faire de nouvelles découvertes. Plus précisément dans le domaine biomédical, nous et d’autres avons trouvé cette technologie de plus en plus instructive dans les études explorant de nouveaux mécanismes d’action dans la maladie et les impacts relatifs de diverses thérapies. Pour toutes ces raisons, cette technologie puissante complète le répertoire d’autres approches OMICS utilisées dans les études de recherche modernes et fournit des informations clés qui peuvent guider davantage le développement thérapeutique.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Nous tenons à remercier l’installation de protéomique UF-ICBR pour leur traitement de nos échantillons. Ces travaux ont été soutenus en partie par les National Institutes of Health 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 |
Demande d’autorisation pour utiliser le texte ou les figures de cet article JoVE
Demande d’autorisationThis article has been published
Video Coming Soon