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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Questo metodo descrive una strategia semplice e veloce per la caratterizzazione e l'indagine della proteoforma istonica.
Gli istoni subiscono varie modificazioni post-traduzionali (PTM) come la metilazione, l'acetilazione, la fosforilazione, l'acilazione e l'ubiquitinazione, che controllano la dinamica dei nucleosomi e determinano il destino cellulare. Il nucleosoma, che è l'unità funzionale della cromatina, comprende il DNA, quattro coppie di istoni (H3, H4, H2A e H2B) che costituiscono il nucleo globulare e l'istone linker H1, che stabilizza la struttura della cromatina. Le code amminiche (N)-terminali degli istoni sporgono dai domini del nucleo globulare e subiscono PTM distinti che influenzano il panorama della cromatina. Alcune prove suggeriscono che l'omeostasi dell'istone PTM è fondamentale per preservare tutte le attività fisiologiche. La deregolazione dei PTM istonici è la causa principale della proliferazione cellulare anormale, dell'invasione e delle metastasi. Pertanto, lo sviluppo di metodi per caratterizzare i PTM istonici è fondamentale. Qui descriviamo una tecnica efficace per isolare e analizzare le isoforme degli istoni. La metodica, basata sulla combinazione di due separazioni ortogonali, consente l'arricchimento delle isoforme istoniche e la successiva identificazione con spettrometria di massa. La tecnica, originariamente descritta da Shechter et al., combina gel di poliacrilammide acido-urea (TAU-GEL), in grado di separare le proteine istoniche basiche in base alle dimensioni e alla carica, e gel di sodio dodecil solfato-poliacrilammide (SDS-PAGE), che possono separare le proteine in base al peso molecolare. Il risultato è una mappa bidimensionale delle isoforme istoniche, adatta per la digestione in gel seguita dall'identificazione con spettrometria di massa e dall'analisi western blot. Il risultato è una mappa bidimensionale delle isoforme istoniche, adatta sia per la digestione in gel che per l'identificazione con spettrometria di massa e l'analisi western blot. Questo approccio proteomico è un metodo robusto che consente l'arricchimento di una singola isoforma istonica e la caratterizzazione di nuovi PTM istonici.
L'insorgenza, la progressione e la chemioresistenza del cancro sono correlate a eventi genetici ed epigenetici, inclusi i PTM istonici. Gli istoni subiscono una varietà di PTM che regolano la dinamica della cromatina e determinano il destino cellulare1.
Il nucleosoma è l'unità funzionale della cromatina ed è un complesso molecolare di DNA e proteine che consente al DNA di essere impacchettato nel nucleo. È costituito da quattro coppie di istoni (H3, H4, H2A e H2B) che costituiscono il nucleo del nucleosoma, nonché l'istone linker H1, che aiuta a stabilizzare la struttura della cromatina. Le code ammino-terminali degli istoni sporgono dai loro domini centrali globulari e subiscono specifiche modificazioni post-traduzionali che influenzano il paesaggio della cromatina2.
Finora sono note almeno 23 classi di PTM istoniche. Questi PTM sono modificazioni covalenti che consistono principalmente in metilazione, acetilazione, fosforilazione, glicosilazione, ubiquitilazione, SUMOilazione e ADP-ribosilazione3. Inoltre, è stata recentemente proposta una stretta correlazione tra l'omeostasi dell'epigenoma e il ricablaggio metabolico, il che spiega la crescita esponenziale del possibile numero di istoni PTM 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 . I PTM istonici, depositati, cancellati e trasdotti da enzimi modificatori, sono denominati rispettivamente scrittori, gomme e lettori. Influenzano le proprietà fisiche e chimiche della struttura della cromatina, influenzando il profilo di espressione genica, compresa l'espressione dei geni oncosoppressori e degli oncogeni 14,15,16.
Il numero di proteoformi degli istoni aumenta quando incorporati nel nucleosoma come varianti istoniche. Queste varianti sono isoforme non alleliche degli istoni canonici e aggiungono complessità alterando le proprietà chimiche e fisiche della cromatina. Rispetto agli istoni canonici, le varianti istoniche hanno domini funzionali che subiscono modifiche post-traduzionali uniche o interagiscono con specifici componenti della cromatina, influenzando la dinamica e la stabilità del nucleosoma17.
Nelle cellule tumorali, la deregolazione dei PTM istonici e delle varianti influisce sul profilo di espressione genica, portando a proliferazione cellulare anormale, invasione, metastasi e attivazione di vie di resistenza ai farmaci 3,18,19,20. Le mutazioni all'interno degli istoni o dei complessi di rimodellamento della cromatina possono alterare il fenotipo cellulare, contribuendo alla trasformazione neoplastica. L'accumulo di alterazioni epigenetiche, come la metilazione degli istoni, è un fattore chiave nell'attivazione delle vie di resistenza ai farmaci 21,22,23. Le mutazioni all'interno del complesso SWI/SNF, che consiste di 15 subunità codificate da 29 geni, hanno un impatto su oltre il 20% dei tumori umani in molti tipi di tumore. Nell'ultimo decennio, sono state sviluppate strategie farmacologiche su base epigenetica (epi-farmaci) e molti farmaci mirati al cancro con modelli di modifica istonici anomali sono stati approvati dalla Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti23.
L'analisi delle proteine istoniche è piuttosto impegnativa, il che la rende un'area di studio impegnativa. Recentemente, i metodi di spettrometria di massa sono diventati il metodo preferito per caratterizzare e studiare le proteoforme istoniche. Tuttavia, le drastiche condizioni di estrazione, in combinazione con la scarsa solubilità di alcune varianti e l'elevata omologia di sequenza, rendono la loro analisi impegnativa.
Nell'ultimo decennio, sono stati sviluppati diversi metodi basati sulla spettrometria di massa per la profilazione e l'indagine degli istoni 24,25,26,27. In questo studio, presentiamo un metodo economico e affidabile per creare una mappa bidimensionale delle proteoforme istoniche, che può aumentare le possibilità di scoprire nuove modifiche post-traduzionali.
L'elettroforesi TAU 2D combina la separazione in condizioni acide con SDS PAGE. Nella prima dimensione, la condizione acida del mezzo conferisce una carica positiva netta alle proteine basiche. Poiché gli istoni sono proteine molto basiche e hanno un punto isoelettrico (pH) più alto rispetto al mezzo, si caricano positivamente e migrano sotto un campo elettrico. Nella seconda dimensione, gli istoni vengono denaturati mediante SDS e separati in base al loro peso molecolare. La mappa 2D risultante può essere utilizzata come strumento per arricchire proteoforme specifiche con risoluzione a punto singolo per analisi di spettrometria di massa e studi immunologici28,29. Dopo l'elettroforesi, i punti TAU 2D possono essere colorati, digeriti con tripsina e analizzati mediante spettrometria di massa. In alternativa, la mappa TAU 2D può essere tamponata su un filtro nitrocellulosa/PVDF e studiata mediante immunocolorazione27.
In questo contesto, i metodi potrebbero essere strategici per migliorare l'identificazione e l'analisi di nuove modificazioni post-traduzionali correlate con il ricablaggio metabolico30,31.
Abbiamo ulteriormente migliorato il metodo originale incorporando una fase di sonicazione, utile per la degradazione del DNA e per migliorare la solubilità delle proteine. Inoltre, abbiamo prolungato la fase di incubazione per l'estrazione degli istoni, al fine di ottenere un campione proteico con elevata purezza. Inoltre, nel nostro protocollo, abbiamo eseguito la prima dimensione a bassa tensione per una durata maggiore per ottenere una migliore risoluzione. Il gel risultante è stato utilizzato per studiare i PTM degli istoni canonici e caratterizzare nuove modifiche come la glicazione10,32.
Nel complesso, abbiamo sviluppato un metodo per l'estrazione e la purificazione degli istoni, seguito dalla risoluzione delle proteoforme istoniche utilizzando una mappa bidimensionale. Il lavoro include anche una procedura per la digestione in gel per l'analisi della spettrometria di massa e le fasi per l'analisi bidimensionale del western blot.
1. Estrazione degli istoni
2. Elettroforesi mini 2D su gel tritone-acido-urea (TAU)
3. Colorazione dell'argento 32
4. Digestione in gel
5. 2DTAU western blot
Nella Figura 1A, è possibile osservare come le proteine istoniche migrano in un gel 1D. Questo è un importante passo preliminare per comprendere il tempo di esecuzione della prima dimensione. Una volta determinato il momento giusto di separazione, esegui la seconda dimensione. La mappa 2D delle proteoforme istoniche mostra un modello topografico distintivo (Figura 1B). Ogni punto nella Figura 1B r...
Nell'ultimo decennio, la terapia dei pazienti oncologici è stata rivoluzionata identificando varie alterazioni molecolari che guidano lo sviluppo e la progressione del cancro. Il progresso più significativo nell'oncologia moderna è lo sviluppo di una terapia basata su un'analisi molecolare completa. I progressi tecnologici nel campo della genomica e della proteomica hanno svolto un ruolo cruciale nella profilazione di biomarcatori specifici per la diagnosi precoce, la sorveglianza, la...
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Il lavoro è stato supportato da PRIN2022, DS, CF e AC sono stati supportati da PRIN2022 e MLC è stato supportato dal programma di dottorato in oncologia molecolare, scuola del programma di dottorato UMG. L'opera è stata supportata anche dal Progetto PNRR INSIDE CUP: B83C22003920001
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,4-Dithioerythritol | SIGMA- ALDRICH | D8255 | Reagent for maintaining −SH groups in the reduced state; quantitatively reduces disulfides. |
1,5 M Tris-HCL buffer, pH 8.8 | BIO-RAD | 161-0798 | Resolving Gel Buffer |
10x Tris/Glycine/SDS | BIO-RAD | 1610772 | Use this premixed 10x Tris/glycine/SDS running buffer to separate protein samples by SDS-PAGE. |
2-Propanol | SIGMA-ALDRICH | 33539 | 2-Propanol (Isopropanol) is a secondary alcohol. It has been tested as a substitute to fuel for use in various fuel cells. CuO powder dissolved in 2-propanol has been used for the laser ablation assisted synthesis of Cu colloids. Suspension of 2-propanol with Zn(NO3)2 has been employed for the fabrication of titanium dioxide-coated stainless steel (P25-TiO2/SS) photoanode coated with uniformly thick layer of P25-TiO2.This photoanode was used for the electrochemical photocatalytic (ECPC) degradation process. |
30% Acrylamide/Bis Solution | BIO-RAD | 1610158 | 2.6% Crosslinker. Electrophoresis purity reagent |
Acetic Acid Glacial | Carlo Erba Reagennts | 401392 | Acetic acid is an important chemical reagent with many industrial applicatios. |
Acetone | Panreac Applichem | 211007.1214 | Acetone is a solvent, renowned for its versatility in various laboratory, manufacturing, and cleaning applications. |
Acetonitile | VWR | 83640320 | for HPLC LC-MS grade |
Agarose | Invitrogen | 15510-027 | Agarose is a heteropolysaccharide frequently used in molecular biology. |
Ammonium bicarbonate | SIGMA-ALDRICH | A6141 | minimum 99,0% |
Ammonium persulfate | SIGMA-ALDRICH | A3678 | For molecular Biology, For electrophoresis, ≥98% |
Bioruptor plus | Diagenode | B01020001 - B01020002- B01020003 | sonicator |
Dithiothreitol | SIGMA- ALDRICH | D9163-5G | Reducing agent used to reduce disulfide bonds in proteins. |
Dodeca Silver Stain Kit | BIO-RAD | 161-0480 | The Dodeca silver stain kit is easy-to-use for the detection of nonagram levels of proteins in polyacrylamide gels. |
Glycerol | GE - Healthcare Life Sciences | 171325010L | Glycerol is a simple triol compound, it is involved to aid in casting gradient gels, protein stabilizer and storage buffer component. |
Halt Phosphatase Inhibitor | Thermo SCIENTIFIC | 78428 | Thermo Scientific Halt Phosphatase Inhibitor Cocktail preserves the phosphorylation state of proteins during and after cell lysis or tissue protein extraction Single- Use Cocktail (100X). |
Halt Protease Inhibitor | Thermo SCIENTIFIC | 78430 | Thermo Scientific Halt Protease Inhibitor Cocktail (100X) are ready-to-use concentrated stock solutions of protease inhibitors for addition to samples to prevent proteolytic degradation during cell lysis and protein extraction. Single- Use Cocktail (100X). |
Hydrochloric acid | SIGMA-ALDRICH | H1758 | BioReagent, for molecular biology |
Iodoacetamide | SIGMA-ALDRICH | I6125 | ≥99% (NMR), crystalline |
KCl | SIGMA-ALDRICH | P9541 | Potassium chloride, KCl, is generally used in laboratory routines. Its use as a storage buffer for pH electrodes and as a reference solution for conductivity measurements is well established. |
MCF10 cell line | atcc | CRL-10317 | epithelial cell line that was isolated in 1984 from the mammary gland of a White, 36-year-old female with fibrocystic breasts. This cell line was deposited by the Michigan Cancer Foundation. |
MgCl2 | SIGMA-ALDRICH | 208337 | Magnesium chloride is a colorless crystalline solid. |
N,N,N',N'-Tetramethylethylene-diamine | SIGMA-ALDRICH | T9281 | For Electrophoresis, approx. 99% |
Phosphate saline buffer 1X | Corning | 15373631 | 1 X PBS (phosphate buffered saline) is a buffered balanced salt solution used for a variety biological and cell culture applications, such as washing cells before dissociation, transporting cells or tissue, diluting cells for counting, and preparing reagents. |
Potassium hexacyanoferrate | SIGMA-ALDRICH | 60299 | Electron acceptor, employed in systems involving electron transport, |
SDS Solution 20% (w/v) | BIO-RAD | 161-0418 | Sodium dodecyl sulfate. Electrophoresis purity reagent |
Sodium thiosulfate, ReagentPlus 99% | SIGMA- ALDRICH | 21,726-3 | Sodium thiosulfate, ReagentPlus 99% |
Sulfuric acid | SIGMA-ALDRICH | 339741 | Sulfuric Acid, Reagent, is an extremely corrosive acid that comes as yellowy slightly viscous liquid. It is soluble in water and is a diprotic acid. It has very strong corrosive, dehydrating and oxidizing properties as well as being hygroscopic. |
Trichloroacetic acid | SIGMA-ALDRICH | T6399-5G | Trichloroacetic acid (TCA) is used as a reagent for the precipitation of proteins1,2 and nucleic acids3. |
Trifluoroacetic acid | Riedel-de Haën | 34957 | Trifluoroacetic acid |
Triton X-100 | SIGMA- ALDRICH | T9284-1L | Triton X-100 is a nonionic polyoxyethylene surfactant that is most frequently used to extract and solubilize proteins. |
Trypsin from porcine pancreas | SIGMA-ALDRICH | T6567 | Proteomics Grade, BioReagent, Dimethylated |
UREA | SIGMA-ALDRICH | 33247 | Urea is a chaotropic agent and is used for protein denaturation. It disturbs the hydrogen bonds in the secondary, tertiary and quaternary structure of proteins. It can also disturb hydrogen bonding present in DNA secondary structure |
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