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Method Article
* これらの著者は同等に貢献しました
この方法は、ヒストンプロテオフォームの特性評価と調査のためのシンプルで迅速な戦略を示しています。
ヒストンは、メチル化、アセチル化、リン酸化、アシル化、ユビキチン化など、ヌクレオソームの動態を制御し、細胞の運命を決定するさまざまな翻訳後修飾(PTM)を受けます。クロマチンの機能単位であるヌクレオソームは、DNAと球状コアを構成する4対のヒストン(H3、H4、H2A、H2B)、クロマチン構造を安定化するリンカーヒストンH1から構成されています。ヒストンのアミノ(N)末端テールは球状コアドメインから突き出ており、クロマチンランドスケープに影響を与える明確なPTMを受けます。いくつかの証拠は、ヒストンPTM恒常性がすべての生理学的活性を維持するために重要であることを示唆しています。ヒストンPTMの調節解除は、異常な細胞増殖、浸潤、および転移の主な原因です。したがって、ヒストンPTMsを特徴付ける方法を開発することは非常に重要です。ここでは、ヒストンアイソフォームの単離と分析に有効な手法について説明します。この分析法は、2つの直交する分離の組み合わせに基づいており、ヒストンアイソフォームの濃縮とそれに続く質量分析の同定を可能にします。Shechterらによって最初に報告されたこの技術は、サイズと電荷に基づいて塩基性ヒストンタンパク質を分離できる酸性尿素ポリアクリルアミドゲル(TAU-GEL)と、分子量によってタンパク質を分離できるドデシル硫酸ナトリウム-ポリアクリルアミドゲル(SDS-PAGE)を組み合わせたものです。その結果、ヒストンアイソフォームの2次元マップが得られ、ゲル内消化とそれに続く質量分析、およびウェスタンブロット分析に適しています。その結果、ヒストンアイソフォームの2次元マップが得られ、ゲル内消化とそれに続く質量分析の同定、およびウェスタンブロット分析の両方に適しています。このプロテオミクスアプローチは、単一のヒストンアイソフォームの濃縮と新しいヒストンPTMの特性評価を可能にする堅牢な方法です。
がんの発症、進行、および化学療法抵抗性は、ヒストンPTMを含む遺伝的およびエピジェネティックなイベントに関連しています。ヒストンは、クロマチンダイナミクスを調節し、細胞の運命を決定するさまざまなPTMを受けます1。
ヌクレオソームはクロマチンの機能単位であり、DNAを核にパッケージ化することを可能にするDNAとタンパク質の分子複合体です。ヌクレオソームコアを構成する4対のヒストン(H3、H4、H2A、H2B)と、クロマチン構造の安定化を助けるリンカーヒストンH1で構成されています。ヒストンのアミノ(N)末端尾部は、球状のコアドメインから突出し、クロマチンランドスケープに影響を与える特定の翻訳後修飾を受ける2。
これまでに、少なくとも23種類のヒストンPTMが知られています。これらのPTMは、主にメチル化、アセチル化、リン酸化、グリコシル化、ユビキチン化、SUMO化、およびADP-リボシル化からなる共有結合修飾です3。さらに、エピゲノムの恒常性と代謝再配線との間の密接な相関関係が最近提案されており、ヒストンPTMの可能な数の指数関数的な増加を説明しています4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 .ヒストンPTMは、モディファイア酵素によって堆積、消去、および形質導入され、それぞれライター、イレイサー、リーダーと呼ばれます。それらはクロマチン構造の物理的および化学的特性に影響を及ぼし、腫瘍抑制遺伝子および癌遺伝子14,15,16の発現を含む遺伝子発現プロファイルに影響を与える。
ヒストンプロテオフォームの数は、ヒストン変異体としてヌクレオソームに取り込まれると増加します。これらの変異体は、標準的なヒストンの非対立遺伝子アイソフォームであり、クロマチンの化学的および物理的特性を変化させることにより複雑さを増します。標準的なヒストンと比較して、ヒストン変異体は、独自の翻訳後修飾を受けるか、特定のクロマチン成分と相互作用する機能ドメインを持ち、ヌクレオソーム17のダイナミクスと安定性に影響を与えます。
がん細胞では、ヒストンPTMおよび変異体の調節解除が遺伝子発現プロファイルに影響を及ぼし、異常な細胞増殖、浸潤、転移、および薬剤耐性経路の活性化につながる3,18,19,20。ヒストンまたはクロマチンリモデリング複合体内の変異は、細胞の表現型を変化させ、腫瘍性の形質転換に寄与する可能性があります。ヒストンメチル化などのエピジェネティックな変化の蓄積は、薬剤耐性経路を活性化する重要な要素です21,22,23。SWI/SNF複合体内の変異は、29の遺伝子によってコードされる15のサブユニットから構成され、多くの腫瘍タイプにわたるヒトのがんの20%以上に影響を与えます。この10年間で、エピジェネティックに基づく薬物戦略(エピドラッグ)が開発され、ヒストン修飾パターンに異常があるがんを標的とした多くの薬剤が米国食品医薬品局(FDA)によって承認されています23。
ヒストンタンパク質の分析は非常に困難であり、要求の厳しい研究分野となっています。最近では、質量分析法がヒストンプロテオフォームの特性評価と研究に適した方法となっています。しかし、抜本的な抽出条件は、一部のバリアントの溶解性の低さや配列相同性が高いことと相まって、その分析を困難にしています。
過去10年間で、ヒストンプロファイリングと調査のために、質量分析に基づくいくつかの方法が開発されてきました24,25,26,27。この研究では、ヒストンプロテオフォームの2次元マップを作成するための費用対効果が高く信頼性の高い方法を提示します。これにより、新しい翻訳後修飾を発見する可能性を高めることができます。
2D TAU電気泳動は、酸性条件下での分離とSDS PAGEを組み合わせたものです。最初の次元では、培地の酸性状態は、塩基性タンパク質に正味の正電荷を与えます。ヒストンは非常に塩基性タンパク質であり、培地と比較して等電点(pH)が高いため、正に帯電し、電場下で移動します。2次元では、ヒストンはSDSによって変性され、分子量に基づいて分離されます。得られた2Dマップは、質量分析分析および免疫学的研究28,29のための単一スポット分解能で特定のプロテオフォームを濃縮するためのツールとして使用できる。電気泳動後、2D TAUスポットを脱染し、トリプシン消化し、質量分析法で分析することができます。あるいは、2D TAUマップをニトロセルロース/PVDFフィルターにブロットし、免疫染色27によって調査することができる。
この文脈では、これらの方法は、代謝再配線と相関する新規の翻訳後修飾の同定と分析を改善するための戦略的である可能性があります30,31。
私たちは、DNAの分解とタンパク質溶解性の向上に役立つ超音波処理ステップを組み込むことにより、元の方法をさらに改善しました。さらに、高純度のタンパク質サンプルを得るために、ヒストン抽出のためのインキュベーションステップを延長しました。さらに、私たちのプロトコルでは、より良い分解能を達成するために、最初の次元を低電圧でより長い時間実行しました。得られたゲルは、標準的なヒストンPTMを調査し、糖化などの新規修飾を特徴付けるために使用されました10,32。
全体として、ヒストンを抽出・精製する方法を開発し、続いて2次元マップを用いてヒストンプロテオフォームを分離しました。この作業には、質量分析のためのゲル内消化の手順や、2次元ウェスタンブロット分析の手順も含まれています。
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1. ヒストン抽出
2. ミニ2Dゲルトリトン酸尿素(TAU)電気泳動
3. 銀染色 32
4. ゲル内消化
5. 2DTAUウェスタンブロット
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図1Aでは、ヒストンタンパク質が1Dゲル内でどのように移動するかを観察することができます。これは、最初の次元の実行時間を理解するための重要な準備ステップです。分離の適切な時間が決まったら、2 番目のディメンションを実行します。ヒストンプロテオフォームの2Dマップは、独特のトポグラフィーパターンを示しています(
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過去10年間で、がん患者の治療は、がんの発生と進行を促進するさまざまな分子変化を特定することにより、革命をもたらしました。現代の腫瘍学における最も重要な進歩は、包括的な分子解析に基づく治療法の開発です。ゲノミクスとプロテオミクスの技術的進歩は、早期発見、監視、予後、および薬物モニタリングのための特定のバイオマーカーのプロファイリ?...
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著者は、利益相反を宣言しません。
研究はPRIN2022によって支援され、DS、CF、およびACはPRIN2022によって支援され、MLCは分子腫瘍学の博士課程プログラム、UMG博士課程プログラムによって支援されました。この作業は、Project PNRR INSIDE CUP: B83C22003920001 の支援も受けました
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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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