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Method Article
cLC-SRM이라고 하는 액체 크로마토그래피(LC) - 선택 반응 모니터링(SRM)과 결합된 단백질 캐리어 지원 원팟 시료 전처리는 단일 세포를 포함한 소수의 세포에 대한 다중 표적 단백질체학 분석을 위한 편리한 방법입니다. 표적 정량화를 위해 과도한 외인성 단백질을 운반체로 사용하고 특이도가 높은 LC-SRM을 활용하는 활용합니다.
소수의 인간 세포에 대한 단백질 분석은 주로 항체 기반 면역 분석을 통한 표적 단백질체학에 의해 이루어지며, 이는 내재적 한계(예: 낮은 멀티플렉스 및 새로운 단백질에 대한 항체 사용 불가)가 있습니다. 질량분석법(MS) 기반 표적 단백질체학은 항체가 없고 멀티플렉스가 높으며 특이성과 정량 정확도가 높기 때문에 대안으로 떠올랐습니다. 최근 MS 기기의 발전으로 MS 기반 표적 단백질체학(targeted proteomics)을 통해 단일 세포에서 매우 풍부한 단백질의 다중 정량화가 가능해졌습니다. 그러나 MS 분석을 위해 최소한의 시료 손실로 단일 세포를 효과적으로 처리하기 위해서는 기술적인 과제가 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 당사는 최근 소량의 인간 세포에 대한 표적 단백질체학 분석을 위해 cLC-SRM이라고 하는 액체 크로마토그래피(LC) - 선택 반응 모니터링(SRM)과 결합된 편리한 단백질 운반체 보조 원팟 시료 전처리를 개발했습니다. 이 방법은 결합된 과도한 외인성 단백질을 캐리어 및 저용량 원팟 공정으로 사용하여 표면 흡착 손실과 특이성이 높은 LC-SRM을 크게 줄여 외인성 캐리어 단백질의 추가로 인해 증가한 동적 농도 범위를 효과적으로 처리합니다. 그 유용성은 적은 수의 세포(예: 10-100개 세포)에서 가장 적당히 풍부한 단백질과 단일 세포에서 매우 풍부한 단백질의 정확한 정량화에 의해 입증되었습니다. 구현하기 쉬운 기능과 특정 장치가 필요하지 않기 때문에 대부분의 단백질체학 실험실에서 이 방법을 쉽게 사용할 수 있습니다. 본 연구에서는 세포 분류, 세포 용해 및 분해, LC-SRM 분석, 데이터 분석을 포함하여 소수의 인간 세포에 대한 cLC-SRM 분석을 위한 상세한 프로토콜을 제공했습니다. 표적 단일 세포 단백질체학 분석을 위해 검출 감도와 시료 처리량을 더욱 개선해야 합니다. 우리는 cLC-SRM이 정밀 의학을 촉진할 수 있는 잠재력을 가지고 생물 의학 연구 및 시스템 생물학에 광범위하게 적용될 것으로 기대합니다.
최근 유전체학(transcriptomics)의 기술 발전으로 단일 세포의 게놈(transcriptome)을 포괄적이고 정밀하게 분석할 수 있게 되었습니다 1,2,3. 그러나 단세포 단백질체학 기술은 훨씬 뒤처져 있지만 유전체학(전사체학) 기술만큼 중요합니다 4,5,6,7,8. 더욱이, 단백질 풍부도는 반드시 mRNA풍부도9로부터 추론될 수 없으며, 단백질체는 전사체10보다 더 복잡하고 동적이다. 이러한 어려움을 감안할 때, 많은 수의 혼합 세포 집단(즉, 벌크 세포)이 일반적으로 포괄적인 단백질체 데이터를 생성하는 데 사용됩니다 11,12,13. 그러나 이러한 벌크 측정은 개별 세포의 확률적 변이를 평균화하여 중요한 세포 간 변동성(즉, 세포 이질성)을 모호하게 만듭니다 4,14. 이러한 벌크 측정의 한계는 관심 세포가 전체 세포 집단의 작은 부분만 차지할 때 훨씬 더 심각해집니다(예: 초기 단계의 암에서 종양 내 암 줄기세포). 따라서 단세포 단백질체학과 유전체학(transcriptomics) 사이에는 엄청난 지식 격차가 있습니다.
항체 기반 면역분석법(예: 유세포 또는 질량 세포 분석)은 주로 단일 세포 6,7,15,16,17,18의 표적 단백질체 분석에 사용됩니다. 그러나 이들은 낮은 멀티플렉스(multiplex), 제한된 특이성(specificity), 그리고 새로운 관심 단백질에 대한 항체의 가용성이 없다는 문제점을 가지고 있습니다. 질량분석법(MS) 기반 표적 단백질체학은 항체가 없고, 높은 멀티플렉스(단일 분석에서 ≥150개의 단백질19), 높은 정량 정확도(절대량 또는 농도), 높은 특이성 및 재현성(≤10% CV)20,21,22,23으로 인해 정확한 단백질 정량화를 위한 대안으로 부상했습니다. 최근 샘플 전처리의 상당한 발전으로 인해 단일 인간 세포에서 매우 풍부한 단백질의 정량 분석을 위해 MS 기반 단일 세포 단백질체학이 가능해졌습니다. 그러나 MS 기반 단세포 단백질체학은 아직 초기 단계에 있습니다. 예를 들어, 초저유량 RPLC 유속과 결합된 가장 진보된 MS 플랫폼은 단일 HeLa 세포24,25의 총 ≥12,000개 단백질 중 ~670-870개의 단백질에 대한 무표지 MS 검출 및 정량화만 허용할 수 있습니다.
현재 단일 포유류 세포 분석에 사용할 수 있는 6개의 MS 기반 단세포 단백질체학 접근법이 있으며, 그 중 4개는 글로벌 단백질체학을 위한 것입니다(nanoPOTS: 미량 시료를 위한 나노웰 기반 전처리26; iPAD-1: 단일 세포 분석을 위한 통합 단백질체 분석 장치27; OAD(oil-air-droplet) 칩 기반 단세포 단백질체 분석28; SCoPE-MS: 질량 분석법에 의한 단일 세포 단백질체학29) 및 다른 두 가지는 표적 단백질체학(cLC-SRM: 캐리어 보조 액체 크로마토그래피(LC) - 선택 반응 모니터링(SRM)30; cPRISM-SRM: SRM31과 결합된 지능형 선택 및 멀티플렉싱을 통한 캐리어 지원 고압, 고분해능 분리를 위한 것입니다.). 그러나 이러한 모든 접근 방식에는 기술적인 단점이 있습니다. nanoPOTS, iPAD-1 및 OAD는 시료 처리량을 2-200nL로 축소하고 광범위한 벤치탑 응용 분야에 적합하지 않습니다 26,27,28. SCoPE-MS의 경우, 단일 셀 처리 후 TMT(탠덤 질량 태그) 캐리어가 추가되므로 단일 셀 처리에 단일 튜브를 사용할 때 샘플 처리 중 표면 흡착 손실을 효과적으로 방지할 수 없습니다29 복제32 간 상관 계수 ~0.2-0.4에 불과한 낮은 재현성을 초래합니다. cLC-SRM 및 cPRISM-SRM의 경우, 과도한 외인성 단백질의 펩타이드가 MS/MS에 의해 자주 염기서열분석되기 때문에 외인성 단백질을 운반체로 사용하는 것이 표적 단백질체학에 더 적합하며, 이는 풍부한 내인성 펩타이드를 염기서열분석할 기회를 크게 감소시킵니다30,31. 상대적 정량화를 위한 글로벌 단백질체학과 달리, 두 가지 표적 단백질체학 접근법은 알려진 농도에서 중질 동위원소 표지 내부 표준물질을 사용하여 높은 재현성으로 소수의 세포에 대한 정확한 단백질 또는 절대 단백질 분석을 제공할 수 있습니다. 이전의 고분해능 PRISM 분획법이 필요하여 분석해야 할 분획 샘플이 많았던 cPRISM-SRM과 비교했을 때, cLC-SRM은 분획 없이 시료 처리량을 높일 수 있는 이점이 있으며 단일 분석에서 수백 개의 단백질을 동시에 정량화할 수 있지만 검출 감도는 상대적으로 낮습니다30. 따라서 cLC-SRM은 접근성이 더 높으며 질량이 제한된 샘플뿐만 아니라 적은 수의 세포에 대한 정확한 다중 단백질 분석을 위해 더 광범위한 유틸리티를 가져야 합니다.
본 명세서에서는 단일 세포를 포함한 소수의 인간 세포에 대한 편리한 표적 단백질체학 분석을 위해 cLC-SRM을 수행하기 위한 자세한 프로토콜에 대해 설명합니다. 프로토콜은 FACS(형광 활성화 세포 분류)에 의한 세포 분류, 저용량 단일 중합효소 연쇄 반응(PCR) 튜브에서 처리된 세포 용해 및 분해, LC-SRM 데이터 수집 및 공개적으로 사용 가능한 Skyline 소프트웨어를 사용한 SRM 데이터 분석의 주요 단계로 구성됩니다(그림 1). 1-100 MCF7 또는 MCF10A 세포에서 EGFR/MAPK 경로 단백질의 절대 표적 정량화와30의 광범위한 동적 농도에서 세포당 경로 단백질 사본 측정을 통해 이전에 잘 확립된 SRM 분석과 함께 광범위한 유용성이 입증되었습니다. 당사는 상세한 프로토콜을 통해 대부분의 단백질체학 연구자들이 프로젝트 요구 사항을 충족하기 위해 초소형 샘플(예: 희귀 종양 세포)의 정확한 단백질 분석을 위해 실험실에서 cLC-SRM을 즉시 구현할 수 있을 것으로 기대합니다.
그림 1: cLC-SRM의 모든 단계 개요(liquid chromatography -selected reaction monitoring과 결합된 c arried-assisted one-pot 시료 준비).비인간 세포 용해물 분해물(예: Shewanella oneidensis)은 튜브 표면을 코팅하기 위해 PCR 튜브를 전처리하는 데 사용됩니다. FACS에 의해 분류된 소량의 인간 세포 또는 단일 세포를 전처리된 PCR 튜브에 수집합니다. BSA 단백질(또는 비인간 세포 용해물 단백질체) 운반체, 무거운 내부 표준물질(IS) 및 TFE(또는 DDM)를 세포 용해를 촉진하고 표면 흡착 손실을 줄이기 위해 샘플 튜브에 순차적으로 첨가합니다. 개념적으로 결합된 DDM과 비인간 세포 용해물 단백질체 운반체는 cLC-SRM에 잘 작동합니다. 세포 용해는 초음파 처리에 의해 수행되며 단백질 변성은 고온에서 가열하여 이루어집니다. DTT 및 IAA 시약은 각각 환원 및 알킬화에 사용됩니다(이 단계는 선택 사항임). 트립신은 소화를 위해 첨가되며, 표준 트립신 소화보다 단백질 양에 대한 트립신의 비율이 훨씬 높습니다. 시료 튜브의 캡을 제거한 다음 PCR 튜브를 LC 바이알에 삽입하여 직접 LC-SRM 분석을 수행합니다. 수집된 SRM 데이터는 공개적으로 사용 가능한 Skyline 소프트웨어를 사용하여 분석됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
참고: 단계별 cLC-SRM 분석은 그림 1에 나와 있습니다.
1. PCR 튜브의 전처리
2. FACS 정렬
3. 단백질 운반체, 무거운 내부 표준물질 및 TFE 추가
4. 세포 용해 및 단백질 변성
5. (선택) 감소 그리고 알킬화
6. 트립신 소화
7. 직접 LC-SRM 분석을 위한 준비
8. LC-SRM 분석
9. 데이터 분석
소량의 MCF7 세포 용해물(5-200개 세포에 해당하는 0.5-20ng)은 FACS로 분류된 적은 수의 세포와 비교할 때 더 균일하고 변동이 적기 때문에 EGFR/MAPK 경로 단백질의 표적 정량화를 통해 cLC-SRM의 성능을 평가하기 위해 처음 사용되었습니다. 그림 2A에서 볼 수 있듯이, XIC는 MCF7 셀34당 ~220,000 카피에 존재하는 GRB2에서 ?...
cLC-SRM은 단일 세포를 포함한 소수의 세포에 대한 정확한 다중 단백질 분석을 가능하게 하는 편리한 표적 단백질체학 방법입니다. 이 방법은 세포 채취, 다단계 세포 용해 및 분해, MS 분석을 위한 펩타이드 분해액을 모세관 LC 컬럼으로 옮기는 것을 포함한 모든 단계가 하나의 포트(예: 단일 튜브 또는 단일 웰)에서 수행되는 단백질 운반체 보조 원팟(one-pot) 시료 전처리를 ?...
저자는 공개할 내용이 없습니다.
이 작업은 NIH Grant R21CA223715(TS) 및 UG3CA256967(TS 및 HL)의 지원을 받았습니다. 본 명세서에 기술된 실험 작업은 계약 DE-AC05-76RL0 1830에 따라 미국 에너지부(United States Department of Energy)가 후원하는 국립 과학 사용자 시설인 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory)의 환경 분자 과학 실험실(Environmental Molecular Sciences Laboratory)에서 수행되었다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2 mL glass LC vial | Microsolv | 9502S-WCV | Vessel to hold PCR tube for autosample injection |
BSA | Sigma-Aldrich | P0834-10×1mL | Carrier protein for greatly reducing surface adsorption losses |
DTT | Thermo Scientific | A39255 | Reagent for reduction |
Formic acid | Thermo Scientific | 28905 | Reagent for stopping enzyme reaction |
IAA | Thermo Scientific | A39271 | Reagent for alkylation |
Peptide internal standards | New England peptide | Targeted quantification of EGFR/MAPK pathway proteins | |
RT-PCR tube | GeneMate Bioexpress | T-3035-1 | 0.2 mL PCR tube for one-pot sample preparation |
Skyline software | University of Washington | Publicly available for SRM data analysis | |
Sonicator | Hielscher Ultrasound Technology | UTR200 | Sonication on ice for cell lysis |
Speed Vac concentrator | Thermo Scientific | Reduction of the percentage of TFE for effective trypsin digestion | |
TFE | Sigma-Aldrich | 18370-10×1mL | 60% TFE for cell lysis |
Thermocycler w/ heated lid | Peltier Thermal Cycler | PTC-200 | Heating for protein denaturation |
Trypsin Gold | Promega | V528A | Enzyme for protein digestion |
Waters BEH C18 column | Waters | C18 column for peptide separation |
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