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요약

뉴런 리소좀 근접 라벨링 단백질체학 프로토콜은 인간 유도 만능 줄기 세포 유래 뉴런에서 동적 리소좀 미세 환경을 특성화하기 위해 여기에 설명되어 있습니다. 리소좀 막 단백질 및 리소좀과 (안정적으로 또는 일시적으로) 상호 작용하는 단백질은 살아있는 인간 뉴런에서 우수한 세포 내 공간 분해능으로이 방법으로 정확하게 정량화 할 수 있습니다.

초록

리소좀은 분해 및 기타 다양한 세포 기능을 달성하기 위해 다양한 생체 분자와 자주 통신합니다. 리소좀은 인간의 뇌 기능에 매우 중요한데, 뉴런은 유사분열 후 세포성이고 세포 항상성을 유지하기 위해 자가포식-리소좀 경로에 크게 의존하기 때문입니다. 다양한 리소좀 기능에 대한 이해의 발전에도 불구하고 리소좀과 다른 세포 구성 요소 간의 매우 역동적인 통신을 캡처하는 것은 특히 고처리량 방식으로 기술적으로 어렵습니다. 여기서, 최근 발표된 인간 유도만능줄기세포(hiPSC) 유래 뉴런에서의 내인(knock-in) 리소좀 근접표지 단백질체에 대한 상세한 프로토콜이 제공된다.

리소좀 막 단백질과 반경 10-20nm 이내의 리소좀을 둘러싼 단백질은 살아있는 인간 뉴런에서 확실하게 식별하고 정확하게 정량화 할 수 있습니다. 프로토콜의 각 단계, 즉 hiPSC-뉴런 배양, 근접 라벨링, 뉴런 수확, 형광 현미경, 비오틴화 단백질 농축, 단백질 분해, LC-MS 분석 및 데이터 분석에 대해 자세히 설명합니다. 요약하면, 이 독특한 내인성 리소좀 근접 라벨링 단백질체학 방법은 살아있는 인간 뉴런에서 매우 역동적인 리소좀 활성을 연구하기 위한 고처리량의 강력한 분석 도구를 제공합니다.

서문

리소좀은 리소좀-자가포식 경로1을 통해 거대분자를 분해하는 이화작용 소기관입니다. 분해 외에도 리소좀은 신호 전달, 영양소 감지 및 분비 2,3,4와 같은 다양한 세포 기능에 관여합니다. 리소좀 기능의 섭동은 리소좀 저장 장애, 암, 노화 및 신경 퇴행과 관련이 있습니다 3,5,6,7. 유사분열 후 및 고도로 편광된 뉴런의 경우, 리소좀은 뉴런 세포 항상성, 신경 전달 물질 방출 및 축삭 8,9,10,11을 따른 장거리 수송에 중요한 역할을 합니다. 그러나 인간 뉴런에서 리소좀을 조사하는 것은 어려운 작업이었습니다. 유도 만능 줄기 세포 (iPSC) 유래 뉴런 기술의 최근 발전으로 이전에는 접근 할 수 없었던 살아있는 인간 뉴런의 배양이 가능해져 동물 모델과 인간 환자 간의 격차를 해소하여 인간의 뇌를 연구합니다12,13. 특히, 진보 된 i3뉴런 기술은 독시사이클린 유도 성 프로모터 하에서 뉴로 게닌 -2 전사 인자를 iPSC 게놈에 안정적으로 통합하여 iPSC가 2 주 만에 순수한 피질 뉴런으로 분화하도록 유도합니다14,15.

매우 역동적인 리소좀 활성으로 인해 다른 세포 구성 요소와의 리소좀 상호 작용을 캡처하는 것은 특히 고처리량 방식으로 기술적으로 어렵습니다. 근접 라벨링 기술은 탁월한 공간 특이성으로 안정 및 일시적 / 약한 단백질 상호 작용을 모두 캡처 할 수 있기 때문에 이러한 동적 상호 작용을 연구하는 데 적합합니다16,17. 조작된 퍼옥시다아제 또는 비오틴 리가아제는 미끼 단백질에 유전적으로 융합될 수 있습니다. 활성화 시, 반응성이 높은 비오틴 라디칼이 생성되어 이웃 단백질을 공유 표지하고, 액체 크로마토그래피-질량 분석법(LC-MS) 플랫폼 17,18,19,20,21을 통해 다운스트림 상향식 단백질체학을 위한 스트렙타비딘 코팅 비드에 의해 농축될 수 있습니다.

내인성 리소좀 근접 표지 단백질체학 방법이i3뉴런22에서 동적 리소좀 미세환경을 포착하기 위해 최근에 개발되었다. 조작된 아스코르브산 과산화효소(APEX2)는 iPSC의 리소좀 관련 막 단백질 1(LAMP1)의 C-말단에 녹인되었으며, 이는 피질 뉴런으로 분화될 수 있습니다. LAMP1은 풍부한 리소좀 막 단백질이며 고전적인 리소좀 마커23입니다. LAMP1은 또한 리소좀으로 성숙하는 후기 엔도좀에서 발현됩니다. 이러한 후기 엔도솜-리소좀과 비분해성 리소좀은 모두 이 프로토콜에서 리소좀이라고 합니다. 생리학적 수준에서 발현되는 이 내인성 LAMP1-APEX 프로브는 LAMP1 오국소화 및 과발현 인공물을 줄일 수 있습니다. 수백 개의 리소좀 막 단백질과 리소좀 인터랙터는 살아있는 인간 뉴런에서 뛰어난 공간 분해능으로 식별하고 정량화할 수 있습니다.

여기서, 인간 iPSC 유래 뉴런에서 리소좀 근접 표지 단백질체학에 대한 상세한 프로토콜이 최근에 공개된 방법(22)으로부터의 추가적인 개선과 함께 기술된다. 전체 워크플로는 그림 1에 나와 있습니다. 이 프로토콜에는 hiPSC 유래 뉴런 배양, 뉴런의 근접 라벨링 활성화, 형광 현미경을 통한 APEX 활성 검증, 최적의 스트렙타비딘 비드 대 입력 단백질 비율 결정, 비오틴화 단백질 농축, 온비드 단백질 분해, 펩타이드 탈염 및 정량화, LC-MS 분석 및 단백질체학 데이터 분석이 포함됩니다. 문제 해결 지침 및 실험 최적화도 근접 라벨링 품질 관리 및 성능을 개선하기 위해 논의됩니다.

프로토콜

모든 절차는 조지 워싱턴 대학교 생물 안전 및 윤리위원회의 승인을 받았습니다. 이 프로토콜에 사용된 배지 및 완충액의 조성은 표 1에 제공된다. 여기에 사용된 상업용 제품 정보는 재료 표에 나와 있습니다.

1. 인간 iPSC 유래 뉴런 배양

  1. 인간 iPSC 배양 및 LAMP1-APEX 프로브 통합(7일)
    1. Matrigel 원액을 4°C의 얼음 양동이에 밤새 해동하고, 용액 500μL를 차가운 멸균 튜브에 분취하고, 분취량을 -80°C에서 보관한다. 49.5mL의 차가운 DMEM/F12 배지에 500μL의 매트리겔 스톡을 추가하여 50mL의 코팅 용액을 준비합니다.
      알림: Matrigel을 차갑게 유지하고 사전 냉각된 원추형 튜브와 피펫 팁을 사용하여 중합을 방지하십시오. 코팅 용액은 4°C에서 2주 동안 보관할 수 있습니다.
    2. 10cm 세포 배양 접시를 37°C 인큐베이터에서 1시간 동안 코팅 용액 4mL로 코팅합니다.
      참고: 비트로넥틴은 iPSC 배양을 위한 5μg/mL 농도 및 2시간 코팅에서 대체 코팅 용액이 될 수 있습니다. Vitronectin (단일 단백질 성분)은 Matrigel보다 비싸지 만 수많은 세포 외 기질 단백질이있는 마우스 종양에서 추출한 Matrigel보다 배치 변형이 적고 배경 신호가 깨끗합니다. 비트로넥틴 코팅을 위해 처리되지 않은 조직 배양 플레이트가 필요합니다. Matrigel 코팅은 처리된 조직 배양 플레이트와 처리되지 않은 조직 배양 플레이트 모두에 적용됩니다.
    3. ROCK 억제제(최종 농도 10μM Y-27632 또는 50nM Chroman1)가 보충된 8mL의 필수 E8 완전 배지가 미리 로드된 각 코팅된 10cm 접시에 1-3백만 hiPSC를 해동 및 플레이트합니다.
      참고: 줄기 세포 배양 배지에 ROCK 억제제(Y-27632 또는 Chroman1)를 추가하면 분열 및 극저온 보존 후 해리로 인한 세포자멸사를 최소화할 수 있습니다. Chroman1은 최근 ROCK1과 ROCK224 모두를 억제하는 데 Y-27632보다 더 강력한 것으로 나타났습니다.
    4. iPSC가 콜로니를 형성한 후(일반적으로 1-2일 후) ROCK 억제제가 없는 E8 완전 배지 10mL로 변경합니다. iPSC 배양물을 E8 완전 배지에 유지하고 상청액을 격일로 신선한 배지로 교체합니다.
    5. 근접 표지 효소인 조작된 아스코르브산 과산화효소(APEX2)를 CRISPR 게놈 엔지니어링에 의해 내인성 LAMP1 유전자의 C-말단에 통합합니다. 조작된 안정한 세포주를 생성하기 위한 자세한 단계는 이전에 공개된 방법(Frankenfield et al)을 참조하십시오. 22.
  2. 인간 iPSC-뉴런 분화 (3일)
    1. 분화하기 전에 37°C 인큐베이터에서 4mL의 Matrigel 코팅 용액으로 10cm 세포 배양 접시를 밤새 코팅합니다.
    2. ~70% 합류할 때까지 hiPSC를 유지합니다. 인산염 완충 식염수(PBS) 2x로 hiPSC를 부드럽게 세척하여 죽은 세포를 제거합니다. PBS를 흡인하고 세포의 10cm 접시에 Accutase3mL를 추가합니다. 균일한 분포를 위해 플레이트를 흔들고 37°C 인큐베이터에서 8분 동안 배양합니다.
    3. 2mL의 PBS를 추가하여 플레이트에서 세포를 세척하고 들어 올리고 15mL 원뿔형 튜브에 모든 세포 용액을 수집합니다. 세포를 300 ×g에서 5 분 동안 원 심분리하여 펠릿화한다. 8mL의 따뜻한 뉴런 유도 배지가 미리 로드된 매트리겔 코팅 플레이트에 2-4 × 106 hiPSC를 플레이트합니다(표 1). 세포를 골고루 분배하고 37°C 배양기에 넣는다.
      참고: 뉴런 분화는 독시사이클린 유도성 전사 인자인 뉴로게닌-2(NGN2)에 의해 구동되며, 이는 이 안정적인 hiPSC 세포주15에서 과발현되었습니다.
    4. 분화 1일째에 PBS로 hiPSC를 부드럽게 세척하여 죽은 세포 파편을 제거합니다. ROCK 억제제가 없는 따뜻한 유도 배지 10mL로 교체합니다.
    5. 분화 3일째까지 매일 ROCK 억제제가 없는 따뜻한 유도 배지로 교체합니다.
      참고: 뉴런은 뉴런 매질에 다시 도금할 준비가 되었습니다.
  3. 뉴런 도금 및 뉴런 배양 유지(10일)
    1. 붕산염 완충액에 0.1mg/mL 폴리-L-오르니틴(PLO) 코팅 용액을 준비합니다(표 1).
    2. 세포 배양 접시를 PLO 코팅 용액으로 37°C 인큐베이터에서 적어도 1시간 동안 또는 3일째 뉴런 도금 전에 밤새 코팅한다. 접시를 멸균수 4mL로 세 번 씻고 생물 안전 캐비닛 내부에서 완전히 자연 건조시킵니다.
    3. 각 10cm 접시에서 3일차 뉴런을 Accutase 3mL로 해리하고 따뜻한 피질 뉴런 배지가 미리 로드된 각 10cm PLO 코팅 접시에 8-1천만 개의 세포를 플레이트합니다(표 1).
    4. 분화 후 2 주 후에 i 3 뉴런이 성숙에 도달 할 때까지 따뜻한 뉴런 배지로2-3일마다 반 매체 변경을 수행하십시오.

2. 현장 근접 라벨링 및 뉴런 용해(2시간)

  1. 디메틸 설폭 사이드 (DMSO)에서 500mM 비오틴-페놀 (BP) 저장 용액을 준비하고 -20 ° C에서 보관하십시오. 근접 라벨링 당일에 BP 스톡 용액을 따뜻한 뉴런 배지로 희석하고 37°C 인큐베이터에서 30분 동안 최종 농도 500μM의 뉴런을 처리합니다.
    참고: 독시사이클린이 뉴런 배지에 첨가되어 APEX 효소 발현이 활성화됩니다. 독소사이클린은 근접 라벨링 실험 최소 24시간 전에 추가해야 합니다.
  2. 뉴런 배양물에 1mM의 최종 농도로 H2O2를 첨가하여 표지 반응을 시작하고 정확히 1분 동안 배양한다. 즉시 배지를 흡인하고 담금질 완충액으로 3회 헹굽니다(표 1).
    참고 : H2 O2 용액은 라벨링 반응 전에 신선하게 만들어야합니다. H2O2활성화는 실험 변동을 줄이고 연장된H2O2처리로 인한 산화 스트레스를 최소화하기 위해 정확히 1분이어야 합니다.
  3. 플레이트를 기울여 모든 잔류 버퍼를 흡입합니다. 얼음처럼 차가운 세포 용해 완충액(표 1)을 뉴런 플레이트에 직접 추가합니다. 100만 개의 뉴런당 100μL의 세포 용해 완충액을 사용합니다. 충분한 세포 용해를 위해 플레이트를 소용돌이 치고 얼음 위에 놓습니다.
  4. 세포 용해물을 차가운 1.5mL 튜브에 긁어냅니다. 목욕 초음파 처리기 (>100 W)를 사용하여 얼음처럼 차가운 수조에서 40 초, 20 초 오프 사이클을 번갈아 가며 15 분 동안 초음파 처리합니다.
    알림: 충분히 용해된 단백질 용액은 펠릿이나 과도한 기포 없이 투명해야 합니다. 세포 용해물의 충분한 초음파 처리는 핵산을 전단하고 세포 용해물의 끈적임을 줄여 다운스트림 절차에서 비특이적 결합을 줄이는 데 중요합니다. 프로브 초음파 처리기를 사용하여 더 강력하고 빠른 세포 용해를 제공할 수도 있지만 교차 오염 및 샘플 손실을 최소화하려면 샘플 사이의 프로브를 세척해야 합니다.
  5. 차가운 아세톤 (-20 ° C)을 4 배 부피의 용해 완충액으로 샘플에 첨가하십시오. 와류를 잠깐 동안 -20 ° C에서 3 시간 동안 배양합니다.
  6. 16,500 × g 에서 2 °C에서 10 분 동안 원심 분리합니다. 단백질 펠릿을 방해하지 않고 상청액을 제거한다. 펠릿을 -20°C 아세톤 2x 1mL로 세척하고 원심분리 후 상청액을 제거합니다.
  7. 단백질 펠릿을 진공 농축기로 1분 동안 건조시킵니다. 펠릿을 완전히 용해시키기 위해 세포 용해 완충액을 추가합니다. 필요한 경우 간단히 초음파 처리합니다. 샘플을 -80 °C에서 보관하십시오.
    참고: 아세톤 침전은 샘플에서 잔류물 비오틴-페놀을 제거할 수 있으며, 이는 비오틴화 단백질의 다운스트림 농축을 방해할 수 있습니다.

3. APEX 국소화 및 활성을 검증하기 위한 형광 현미경 검사(1.5일)

  1. 내인성 LAMP1-APEX를 발현하는i3뉴런을 37°C에서 30분 동안 500μM BP로 인큐베이션한다. 비오틴 클라우드의 확산을 제한하기 위해 단 1초 동안 1mMH2O2처리로 표지를 활성화합니다.
  2. 담금질 완충액에 4% 파라포름알데히드로 세포를 즉시 고정하고 PBS로 3배를 부드럽게 세척합니다.
    알림: 10cm 접시의 경우 충분한 세척을 위해 4-6mL가 필요합니다.
  3. 실온(RT)에서 30분 동안 PBS 중 3% 당나귀 혈청과 0.1% 사포닌을 사용하여 세포를 차단하고 투과화합니다.
  4. 세포를 1차 항-LAMP1 항체(마우스 단일클론 H3A4, 1:1,000)와 함께 4°C에서 밤새 배양합니다.
  5. PBS로 뉴런을 3 배 부드럽게 씻으십시오. RT에서 1 시간 동안 항 마우스 AF561 2 차 항체 (1 : 1,000) 및 스트렙타비딘 -680 (1 : 1,000)으로 뉴런을 배양합니다.
  6. PBS로 2x를 세척하고 Hoechst 또는 4',4- 디아 미디노 -2- 페닐 인돌 (DAPI) 핵 마커로 RT에서 10 분 동안 배양합니다. 세포를 PBS로 2x 헹굽니다.
  7. 고정된 뉴런을 형광 현미경으로 시각화합니다. 스트렙타비딘으로 염색되고 핵 외부의 LAMP1 염색과 공동 국소화된 비오틴화 단백질을 관찰하여 APEX 활성의 정확한 위치를 검증합니다.

4. 스트렙타비딘 비드 대 입력 단백질 비율 결정(1.5일)

  1. 세제 호환 단백질 분석(DCA)을 수행하여 세포 용해물의 총 단백질 농도 측정
    1. 소 혈청 알부민(BSA) 단백질 표준물질을 세포 용해 완충액에 4mg/mL 농도로 용해합니다. 세포 용해 완충액을 사용하여 일련의 BSA 단백질 표준 용액(0.2-2 mg/mL, 5회 희석액)을 준비합니다.
    2. 각 단백질 샘플, BSA 단백질 표준 용액 및 빈 세포 용해 완충액에서 5μL를 삼중으로 96웰 플레이트의 각 웰로 옮깁니다.
    3. 시약 A 1mL당 시약 S 2μL를 추가하여 시약 A'를 얻습니다. 각 웰에 25μL의 시약 A'를 추가합니다. 각 웰에 200μL의 시약 B를 추가합니다. 거품이 있으면 섞고 터뜨립니다.
    4. 96웰 플레이트를 RT에서 15분 동안 배양하고, 마이크로플레이트 리더에서 750nm에서의 흡광도를 읽고, BSA 표준 곡선을 기반으로 단백질 샘플의 농도를 정량화합니다.
  2. 비즈 적정 도트 블롯 분석(1.5일)
    1. 일련의 스트렙타비딘 마그네틱 비드 슬러리(20 μL, 15 μL, 12 μL, 10 μL, 8 μL, 4 μL, 1 μL, 0 μL)를 PCR 스트립 튜브로 옮깁니다. PCR 스트립 튜브를 마그네틱 랙에 놓고 100% SDS 버퍼 100μL로 비드를 3배 세척하고 마그네틱 랙에서 세척 버퍼를 완전히 제거합니다.
    2. 각 튜브에 50μg의 단백질 샘플을 추가합니다. 총 부피 80μL에 용해 완충액을 더 추가합니다. 각 튜브를 단단히 닫고 4°C에서 밤새 회전합니다.
    3. PCR 스트립 튜브를 벤치탑 마이크로 원심분리기에서 잠시 원심분리합니다. PCR 스트립 튜브를 마그네틱 랙에 1분 동안 놓습니다. 각 튜브에서 2μL의 상층액을 건조한 니트로셀룰로오스 멤브레인에 스팟하고 멤브레인이 완전히 건조되도록 합니다.
      알림: 신호 강도가 낮으면 멤브레인에 2μL 이상을 발견할 수 있습니다. 부피는 멤브레인이 각 시간 사이에 공기 건조 된 후 동일한 지점에서 여러 번 스팟함으로써 증가 될 수 있습니다. 바이오 도트 장치도 사용할 수 있습니다.
    4. 멤브레인을 블로킹 버퍼(TBS)에서 1시간 동안 배양합니다. 멤브레인을 스트렙타비딘 Alexa Fluor 680 접합체(블로킹 완충액 중 1:1,000)에서 1시간 동안 인큐베이션합니다. 이어서, 멤브레인을 TBS-T(표 1) 5x로 세척한다.
      참고: 도트 블롯 분석의 대안은 스트렙타비딘 항체를 사용하는 웨스턴 블로팅입니다.
    5. 680nm 파장에서 멤브레인의 각 점의 형광 신호를 측정하고 비드 부피에 대한 형광 신호와 함께 산점도를 생성합니다. 곡선의 지수 붕괴가 끝나는 위치를 기준으로 50μg의 입력 단백질 샘플에 필요한 최적의 비드 부피를 선택합니다.
      참고: 형광 강도는 상청액에 풍부한 비오티닐화 단백질을 나타내며, 이는 비드의 양이 증가함에 따라 감소해야 합니다.

5. 풍부한 비오틴화 단백질과 온비드 소화(3일)

  1. -80 °C에서 단백질 용해물 샘플을 옮기고 목욕 초음파 처리기에서 30 초 동안 1.5 mL 튜브에서 샘플을 초음파 처리하여 용액을 신속하게 해동합니다. 와류를 일으키고 샘플 튜브를 얼음 위에 놓습니다.
  2. 250μL의 스트렙타비딘(SA) 마그네틱 비드 슬러리를 각 1.5mL 튜브로 옮깁니다. 튜브를 마그네틱 랙에 놓고 1mL의 세척 버퍼 A(2% SDS)로 비드를 3배 세척하고 잔류 버퍼를 제거합니다.
  3. 도트 블롯 분석 및 DC 단백질 분석의 결과를 바탕으로 스트렙타비딘 마그네틱 비드 슬러리의 250μL에 필요한 단백질 샘플(μg)의 양을 계산합니다.
    참고: 이 내인성으로 발현된 LAMP1-APEX 프로브에서는 50μg의 입력 단백질에 대해 5μL의 비드가 필요합니다. 따라서 총 단백질 2.5mg을 비드 250μL에 첨가합니다. 250 μL 미만의 SA 비드가 제한된 입력 샘플 재료에 사용될 수 있습니다.
  4. 자성 비드-용해물 혼합물을 함유하는 튜브에 세포 용해 완충액을 총 부피 1 mL로 첨가하고 4°C에서 밤새 회전시킨다.
    참고: 다른 그룹 또는 반복의 샘플은 실험 변동을 줄이기 위해 동일한 단백질 농도, 부피 및 비드 양으로 정규화되어야 합니다.
  5. 벤치탑 마이크로 원심분리기에서 모든 튜브를 잠깐 돌리고 튜브를 마그네틱 랙에 1분 동안 놓습니다. 마그네틱 랙에 있는 동안 상층액을 제거합니다.
    알림: 매번 샘플 튜브를 마그네틱 랙에 놓은 후 1분 동안 기다리는 것이 중요합니다. 이것은 보이지 않는 소량의 비드가 여전히 용액의 자석을 향해 움직이기 때문에 비드 손실을 최소화할 수 있습니다.
  6. RT에서 1mL의 세척 버퍼 A로 비드를 2회 세척합니다(매번 5분 회전). 각 세척 완충액을 4°C에서 2x 순차적으로 이 과정을 반복한다. (버퍼 B, 버퍼 C, 및 버퍼 D; 표 1).
    알림: 고농도의 SDS 용액은 추운 온도에서 침전 될 수 있습니다. 첫 번째 세척은 RT에서 수행해야합니다.
  7. 튜브를 마그네틱 랙에 놓습니다. 버퍼 D로 비드를 2배 세척하여 잔류 세제를 완전히 제거합니다. 비드를 50mM 트리스 완충액 100μL에 재현탁하고 5mM TCEP(최종 농도)를 추가하여 온도 제어식 혼합기에서 37°C에서 30분 동안 배양하고 1,200rpm으로 흔들어 줍니다.
  8. 각 튜브에 15mM 요오도아세트아미드(IAA, 최종 농도)를 추가하고 온도가 제어되는 믹서에서 37°C에서 30분 동안 배양하고 어두운 곳에서 1,200rpm으로 흔들어줍니다(믹서 캡 켜짐).
    알림: IAA는 빛에 민감하며이 단계 5 분 전에 새로 만들어야합니다.
  9. 5mM TCEP(최종 농도)를 추가하여 초과 IAA를 냉각합니다. 1,200rpm(믹서 캡 꺼짐)에서 진탕하면서 온도가 제어되는 믹서에서 37°C에서 10분 동안 배양합니다.
  10. 샘플 튜브를 짧게 원심분리하고 마그네틱 랙에 1분 동안 놓아 상청액을 제거합니다. 50 mM 트리스 완충액에 200 μL의 5 mM TCEP를 첨가하여 비드를 재현탁시킨다. 1μg의 트립신/Lys-C 혼합물을 샘플에 추가하고 1,200rpm으로 흔들면서 온도 제어 믹서에서 37°C에서 14시간 동안 배양합니다.
  11. 0.2 μg의 트립신/Lys-C 믹스를 추가로 넣고 3시간 동안 분해합니다.
  12. 샘플 튜브를 잠시 돌리고 튜브를 마그네틱 랙에 1분 동안 놓습니다. 펩타이드 상청액을 옮겨 마그네틱 랙에 있는 동안 튜브를 청소합니다. 비드를 50 μL의 50 mM 트리스 완충액으로 세척하고(5분 동안 흔들림) 펩티드 상청액을 합친다.
  13. 펩타이드 상청액이 들어있는 튜브에 10 % 트리 플루오로 아세트산 (TFA) 30 μL를 추가하여 pH <3을 얻습니다.

6. 펩타이드 탈염 및 분획 (2 시간)

  1. 역상 고체상 추출 플레이트(사용할 웰만)를 진공 매니폴드에서 200μL의 HPLC 등급 메탄올(MeOH) 3배로 적십니다. 플레이트를 평형화하기 위해 HPLC 등급 물 3x에 1% TFA 200μL를 추가합니다.
  2. 펩타이드 샘플을 플레이트에 넣고 샘플 손실을 최소화하기 위해 3방울/초 미만의 유속으로 진공을 천천히 켭니다.
  3. 추출 플레이트를 200μL의 1% TFA로 3회 세척합니다. 2% MeOH(v/v)를 함유한 1% TFA 200μL로 추출 플레이트를 다시 세척합니다. 유속을 3방울/초 미만으로 유지하십시오.
  4. 수집 플레이트를 96웰 수집 플레이트로 교체합니다. 분획이 필요하지 않은 경우 80% MeOH를 함유한 1% TFA 100μL로 펩타이드 샘플을 3x 용리하고 새 샘플 튜브에서 결합합니다. 펩타이드 샘플을 진공 농축기에서 열이 없는 상태로 건조시킵니다.
    참고: 분획이 필요한 경우, 펩타이드 샘플은 다른 수집 플레이트에서 각각 15%, 35%, 50% 및 90% MeOH를 포함하는 1% TFA 200μL를 사용하여 연속적으로 4개의 분획으로 용리될 수 있습니다.

7. 비색 펩타이드 정량 분석 (옵션) (1 시간)

  1. 50μL의 LC-MS 등급 물에 펩타이드 샘플을 재현탁하고 20μL 분취량을 취하여 펩타이드 분석을 수행합니다.
    참고: 이 단계는 많은 양의 펩타이드 샘플을 소비하지만 LC-MS 분석 전에 펩타이드 농도의 정확한 정량화를 제공할 수 있습니다. 이는 일반적으로 대규모 샘플 준비 전에 테스트를 위해 샘플 유형당 한 번만 수행됩니다.
  2. LC-MS 등급 물에서 펩타이드 표준 용액(비색 분석 키트에 제공됨)의 연속 희석액을 준비합니다. 50% 시약 A, 48% 시약 B 및 2% 시약 C를 혼합하여 작업 시약을 준비합니다.
  3. 각 펩타이드 표준용액 20μL(3회 반복)와 미지 펩타이드 샘플을 96웰 마이크로플레이트에 옮깁니다. 각 웰에 180μL의 작동 시약을 추가하고 잘 혼합한 다음 RT에서 30분 동안 플레이트를 배양합니다.
  4. 마이크로플레이트 리더에서 480nm에서의 흡광도를 읽고 펩타이드 표준 곡선을 기반으로 펩타이드 샘플의 농도를 정량화합니다.

8. LC-MS 분석

  1. LC 버퍼 A(2% 아세토니트릴 및 0.1% 포름산, LC-MS 등급)에 펩타이드 샘플을 재현탁합니다. 가능한 미립자를 제거하기 위해 4°C에서 10분 동안 16,500× g 으로 원심분리합니다.
  2. 상청액을 LC-MS 바이알로 옮깁니다. nanoLC-MS 기기를 사용하여 샘플을 분석합니다.
    참고: 자세한 LC-MS/MS 파라미터는 기기에 따라 다르며 이전에 22,25,26에서 설명했습니다.
  3. 5ppm 질량 정확도로 스트렙타비딘 및 트립신과 같은 매우 풍부한 오염 물질 펩타이드 피크에 대한 머무름 시간 범위의 맞춤형 LC-MS 제외 목록생성 22(예: 일반적인 스트렙타비딘 펩타이드 피크는 m/z 402.5435 [충전 3], m/z 603.3117 [충전 2], m/z 654.9733 [충전 3], m/z 678.6812 [충전 3], m/z 1017.5182 [충전 2], 등.; 일반적인 트립신 펩타이드 피크는 m/z 421.7584[전하 2], m/z 523.2855[충전 2] 및 m/z 737.7062[충전 3])입니다.

9. 단백질체학 데이터 분석

  1. Proteome Discoverer, MaxQuant27 또는 MS-Fragger28과 같은 단백질체학 데이터 분석 소프트웨어로 LC-MS 원시 데이터를 분석합니다. 데이터 분석을 위한 두 개의 FASTA 라이브러리 포함: 1) 스위스프로트 호모 사피엔스 참조 데이터베이스; 2) 단백질체학 식별을 개선하고 잘못된 발견을 감소시키는 것으로 입증된 새로 생성된 범용 오염 물질 FASTA 라이브러리(https://github.com/HaoGroup-ProtContLib)29.
  2. 단백질 및 펩타이드 스펙트럼 매칭(PSM) 식별을 위해 1% 거짓 발견률(FDR) 컷오프로 단백질체학 데이터 분석 파라미터를 설정합니다. 최대 3 개의 누락 된 절단, 시스테인 카바 미도 메틸화의 고정 변형, 메티오닌 산화 및 단백질 N- 말단 아세틸 화의 가변 변형으로 트립신 소화를 선택하십시오. 펩타이드 MS1 피크 강도를 사용하여 표지 없는 정량화를 수행합니다. 펩티드 강도를 내인성 비오티닐화 카르복실라제, 프로피오닐-CoA 카르복실라제(PCCA)로 정규화하여, 앞서 설명한 바와 같이 근접 표지 변동을 감소시킨다(22).
    참고: PCCA 정규화는 PCCA 단백질 서열 FASTA 파일을 포함하여 프로테옴 디스커버러 소프트웨어에서 선택할 수 있습니다. 대안적으로, PCCA 정규화는 다운스트림 데이터 분석에서 수행될 수 있다.
  3. 단백질체학 소프트웨어에서 단백질 수준 결과를 내보냅니다. 통계 분석 전에 오염 단백질을 제거하십시오29. 1 PSM 또는 정량 결과 없이 단백질을 제거합니다. Enrichr30 으로 단백질 유전자 온톨로지(GO) 용어 분석을 수행하고 STRING31을 사용하여 단백질 네트워크 분석을 수행합니다.

결과

이 리소좀 근접 라벨링 단백질체학 연구는 살아있는 뉴 런에서 동적 리소좀 미세 환경을 포착하기 위해 인간 iPSC 유래 뉴런에서 수행되었습니다. 상이한 시점에서의 hiPSC 및 hiPSC-유래 뉴런의 세포 형태가 도 2A에 예시되어 있다. 인간 iPSC는 E8 배지의 콜로니에서 자랍니다. 분화는 iPSC를 독시사이클린 함유 뉴런 유도 배지로 도금함으로써 시작됩니다. 신경 돌기 확장은 3...

토론

이 LAMP1-APEX 프로브를 사용하여 리소좀 막 위와 근처의 단백질이 비오틴화되고 농축됩니다. 100-1,200 nm의 일반적인 리소좀 직경을 감안할 때,이 방법은 10-20 nm 표지 반경으로 우수한 세포 내 분해능을 제공합니다. LAMP1은 풍부한 리소좀 막 단백질이자 리소좀의 고전적인 마커로, 내인성 발현 수준에서 리소좀 APEX 라벨링을 위한 우수한 미끼 단백질 역할을 합니다. 그러나, LAMP1이 후기 엔도솜 및 비분?...

공개

저자는 경쟁하는 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

감사의 말

이 연구는 NIH 보조금(R01NS121608)의 지원을 받습니다. AMF는 ARCS-Metro Washington Chapter 장학금과 Bourbon F. Scribner Endowment Fellowship을 인정합니다. 우리는 분자 생물학 지원과 i3뉴런 기술 개발에 대해 국립 신경 장애 및 뇌졸중 연구소 (NINDS)의 마이클 워드 연구소에 감사드립니다.

자료

NameCompanyCatalog NumberComments
10% (w/v) Saponin solutionAcros Organics419231000Flourescent Microscopy
AccutaseLife TechnologiesA1110501cell detachment solution, Cell Culture
B27 SupplementFisher Scientific17504044Cell Culture, Cortical Neuron Medium
BDNFPeproTech450-02Cell Culture, Cortical Neuron Medium
Boric acidSigma-AldrichB6768Cell Culture, Borate Buffer
Bovine Serum AlbuminMillipore SigmaA8806To make standard solutions to measure total protein concentrations
Brainphys neuronal mediumSTEMCELL Technologies5790Cell Culture, Cortical Neuron Medium
CD45R (B220) Antibody Alexa Fluor 561Thermo Fisher Scientific505-0452-82Flourescent Microscopy
Chroman1 ROCK inhibitorTocris716310Cell Culture
cOmplete mini Protease InhibitorRoche4693123001cocktail inhibitor in Lysis Buffer
DC Protein Assay Kit IIBio-Rad5000112To determine total protein concentrations of cell lysate
Dimethyl sulfoxide (DMSO)Sigma-AldrichD8418Proximity-labeling Reaction
DMEM/F12 mediumThermo Fisher Scientific11320082Cell Culture, Dish Coating
DMEM/F12 medium with HEPESThermo Fisher Scientific11330057Cell Culture, Induction Medium
Donkey serumSigma-AldrichD9663Flourescent Microscopy
Doxycycline hyclate, ≥98% (HPLC)Sigma-AldrichD9891-1GCell Culture, Induction Medium
Essential 8 MediumThermo Fisher ScientificA1517001Cell Culture
Essential 8 Supplement (50x)Thermo Fisher ScientificA1517101Cell Culture
Extraction plate vacuum manifold kitWatersWAT097944For Peptide desalting
Formic Acid (FA)Fisher ScientificA11750For LC-MS analysis
GDNFPeproTech450-10Cell Culture, Cortical Neuron Medium
Hoechst dyeThermo Fisher Scientific62239Flourescent Microscopy
HPLC grade methanolFisher ScientificA452For Peptide desalting
HPLC grade waterFisher ScientificW5For Peptide desalting
Human induced pluripotent stem cellsCorriell InstituteGM25256Cell Culture
Hydrogen peroxide, ACS, 29-32% w/w aq. soln., stab.Thermo Fisher ScientificAA33323ADProximity-labeling Reaction
Iodoacetamide (IAA)Millipore SigmaI6125For Protein Digestion
LamininFisher Scientific23017015Cell Culture, Cortical Neuron Medium
LC-MS grade AcetonitrileFisher ScientificA955For LC-MS analysis
LC-MS grade waterFisher ScientificW64For LC-MS analysis
L-glutamineFisher Scientific25-030-081Cell Culture, Induction Medium
MatrigelThermo Fisher Scientific08-774-552basement membrane matrix, Cell Culture, Dish Coating
Mouse anti-human LAMP1 monoclonal antibodyDevelopmental Studies Hybridoma Bankh4a3Flourescent Microscopy
N-2 Supplement (100x)Fisher Scientific17-502-048Cell Culture, Induction Medium
Nitrocellulose Membrane, Precut, 0.45 µm, 7 x 8.5 cmBio-Rad1620145To conduct dot blot assay for bead titration
Non-essential amino acids (NEAA)Fisher Scientific11-140-050Cell Culture, Induction Medium
NT-3PeproTech450-03Cell Culture, Cortical Neuron Medium
Oasis HLB 96-well solid phase extraction plateWaters186000309For Peptide desalting
Odyssey Blocking Buffer (TBS)LI-COR Biosciences927-50000To conduct dot blot assay for bead titration
ParaformaldehydeElectron Microscopy Sciences15710Flourescent Microscopy
Phenol Biotin (1,000x stock)Adipogen41994-02-9Proximity-labeling Reaction
Phosphate-buffered saline (PBS) without calcium or magnesiumGibco10010049Cell Culture, Proximity-labeling Reaction, Flourescent Microscopy
Pierce Quantitative Colorimetric Peptide AssayThermo Fisher23275Peptide Concentration Assay
Poly-L-Ornithine (PLO)Millipore SigmaP3655Cell Culture, Dish Coating
Sodium AscorbateSigma-AldrichA4034Proximity-Labeling Quench Buffer, Lysis Buffer
Sodium azideSigma-AldrichS8032Proximity-Labeling Quench Buffer, Lysis Buffer, Flourescent Microscopy
Sodium chlorideThermo Fisher ScientificS271500Cell Culture, Borate Buffer
Sodium dodecyl sulfate (SDS)Thermo Fisher ScientificBP1311220Lysis Buffer, Dot blot assay buffer, Beads wash buffer
Sodium hydroxideSigma-Aldrich415413Cell Culture, Borate Buffer
Sodium tetraborateSigma-Aldrich221732Cell Culture, Borate Buffer
SpeedVac concentratorvacuum concentrator
Streptavidin Magnetic Sepharose BeadsCytiva (formal GE)28-9857-99Enrich biotinylated proteins
Streptavidin, Alexa Fluor 680 ConjugateThermo Fisher ScientificS32358To conduct dot blot assay for bead titration
Thermomixertemperature-controlled mixer
Trifluoacetic acid (TFA)Millipore Sigma302031For Peptide desalting
Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP)Millipore SigmaC4706For Protein Digestion
Tris-HClThermo Fisher ScientificBP152500Lysis Buffer, Dot blot assay buffer, Beads wash buffer
Triton-XThermo Fisher ScientificBP151500Beads wash buffer
TROLOXSigma-Aldrich648471Proximity-Labeling Quench Buffer, Lysis Buffer
Trypsin/Lys-C Mix, Mass Spec GradePromegaV5073For Protein Digestion
TWEEN 20Millipore SigmaP1379Dot blot assay buffer
UreaThermo Fisher ScientificBP169500Beads wash and On-Beads Digestion Buffer
VitronectinSTEMCELL Technologies7180Cell Culture, Dish Coating
Y-27632 ROCK inhibitorSelleckS1049Cell Culture

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