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Method Article
Este artigo descreve um método de preparação amostral baseado na inativação de calor para preservar peptídeos endógenos evitando a degradação pós-morte, seguido de quantitação relativa usando rotulagem isotópica mais LC-MS.
A peptidomia pode ser definida como a análise qualitativa e quantitativa dos peptídeos em uma amostra biológica. Suas principais aplicações incluem identificar os biomarcadores de peptídeos de doença ou estresse ambiental, identificar neuropeptídeos, hormônios e peptídeos intracelulares bioativos, descobrir peptídeos antimicrobianos e nutracêuticos a partir de hidrólises proteicos, e pode ser usado em estudos para entender os processos proteolíticos. O recente avanço na preparação da amostra, métodos de separação, técnicas de espectrometria de massa e ferramentas computacionais relacionadas ao sequenciamento de proteínas contribuíram para o aumento do número de peptídeos identificados e peptidomes caracterizados. Estudos peptidômicos frequentemente analisam peptídeos que são gerados naturalmente nas células. Aqui, é descrito um protocolo de preparação de amostras baseado na inativação do calor, que elimina a atividade de protease, e extração com condições leves, portanto não há laços de peptídeos. Além disso, também é mostrada a quantitação relativa de peptídeos usando rotulagem estável de isótopos por metilação redutiva de aminas. Este método de rotulagem tem algumas vantagens, pois os reagentes estão disponíveis comercialmente, baratos em comparação com outros, quimicamente estáveis, e permite a análise de até cinco amostras em uma única corrida LC-MS.
As ciências "omics" são caracterizadas pela análise profunda de um conjunto de moléculas, como DNA, RNA, proteínas, peptídeos, metabólitos, etc. Estes conjuntos de dados gerados em larga escala (genômica, transcriômica, proteômica, peptidômica, metabolômica, etc.) revolucionaram a biologia e levaram a uma compreensão avançada dos processos biológicos1. O termo peptidomia começou a ser introduzido no início do século XX, e alguns autores se referem a ele como um ramo da proteômica2. No entanto, a peptidômica possui particularidades distintas, onde o principal interesse é investigar o conteúdo de peptídeos gerados naturalmente durante os processos celulares, bem como a caracterização da atividade biológica dessas moléculas3,4.
Inicialmente, os estudos de peptídeos bioativos eram restritos aos neuropeptídeos e peptídeos hormonais através da degradação de Edman e radioimunessay. No entanto, essas técnicas não permitem uma análise global, dependendo do isolamento de cada peptídeo em altas concentrações, tempo para a geração de anticorpos, além da possibilidade de reatividade cruzada5.
A análise da peptidomia só foi possível após vários avanços na cromatografia líquida acoplado à espectrometria de massa (LC-MS) e projetos de genoma que forneceram pools de dados abrangentes para estudos proteômicos/peptidóticos6,7. Além disso, um protocolo específico de extração de peptídeos para peptidomes precisava ser estabelecido porque os primeiros estudos que analisaram neuropeptídeos globalmente em amostras cerebrais mostraram que a detecção foi afetada pela degradação maciça de proteínas, que ocorrem principalmente neste tecido após 1 min após a morte. A presença desses fragmentos de peptídeo mascarava o sinal de neuropeptídeo e não representava o peptidome in vivo. Esse problema foi resolvido principalmente com a aplicação de inativação de aquecimento rápido de proteases usando irradiação de micro-ondas, o que reduziu drasticamente a presença desses fragmentos de artefato e permitiu não apenas a identificação de fragmentos de neuropeptídeos, mas revelou a presença de um conjunto de peptídeos de proteínas citostómicas, mitocondriais e nucleares, diferentes de degradação6,8,9.
Esses procedimentos metodológicos permitiram uma expansão do peptidome para além dos conhecidos neuropeptídeos, onde centenas de peptídeos intracelulares gerados principalmente pela ação de proteasomes foram identificados em leveduras10, zebrafish11, tecidos de roedores12 e células humanas13. Dezenas desses peptídeos intracelulares têm sido extensivamente mostrados com atividades biológicas e farmacológicas14,15. Além disso, esses peptídeos podem ser usados como biomarcadores de doenças e possivelmente ter significância clínica, como demonstrado no fluido cefalorraquidiano de pacientes com aneurisma saccular intracraniano16.
Atualmente, além da identificação de sequências de peptídeos, é possível através da espectrometria de massa obter dados de quantitação absoluta e relativa. Na quantitação absoluta, os níveis de peptídeos em uma amostra biológica são comparados aos padrões sintéticos, enquanto na quantitação relativa, os níveis de peptídeos são comparados entre duas ou mais amostras17. A quantitação relativa pode ser realizada utilizando as seguintes abordagens: 1) "livre de rótulos"18; 2) rotulagem metabólica in vivo ou 3) rotulagem química. Os dois últimos baseiam-se no uso de formas isotópicas estáveis incorporadas em peptídeos19,20. Na análise sem rótulos, os níveis de peptídeos são estimados considerando a força do sinal (contagem espectral) durante o LC-MS18. No entanto, a rotulagem isotópica pode obter níveis relativos mais precisos de peptídeos.
Muitos estudos peptidômicos utilizaram butiratrato de trimetilamônio (TMAB) rotulando reagentes como rotulagem química, e mais recentemente, a metilação redutiva de Aminas (RMA) com formas deutadas e não deuteradas de reagentes de formaldeído e cianoboroiddeto de sódio foram usados11,21,22. No entanto, os rótulos TMAB não estão disponíveis comercialmente, e o processo de síntese é muito trabalhoso. Por outro lado, na RMA, os reagentes estão disponíveis comercialmente, baratos em comparação com outros rótulos, o procedimento é simples de realizar, e os peptídeos rotulados são estáveis23,24.
O uso de RMA envolve a formação de uma base de Schiff permitindo que os peptídeos reajam com formaldeído, seguido de uma reação de redução através do cianoboroidido. Esta reação causa dimetilação de grupos de amino livres em terminais N e cadeias laterais de lise e monometilados N-terminais prolines. Como os resíduos de prolina são muitas vezes raros no terminal N, praticamente todos os peptídeos com aminas gratuitas no n-terminus são rotulados com dois grupos de metila23,24,25.
O procedimento a seguir para extração de peptídeos e metilação redutiva foi adaptado de procedimentos publicados anteriormente24,25,26,27. Esse protocolo seguiu as diretrizes do Conselho Nacional de Controle de Experimentação Animal (CONCEA) e foi aprovado pela Comissão de Ética para Uso de Animais (CEUA) do Instituto de Biociências da Universidade estadual de São Paulo. As etapas do protocolo são mostradas na Figura 1.
NOTA: Prepare todas as soluções aquosas em água ultrauso.
1. Extração de peptídeo
2. Quantificação de peptídeo com fluorescamina
NOTA: A quantidade de peptídeo pode ser estimada usando fluorescamina no pH 6.8 como descrito anteriormente11,28. Este método consiste na fixação de uma molécula de fluorescamina às aminas primárias presentes nos resíduos de lise (K) e/ou no terminal N de peptídeos. A reação é realizada no pH 6.8 para garantir que a fluorescamina reaja apenas com os grupos amino dos peptídeos e não com aminoácidos livres. A fluorescamina é medida usando um espectrofluorômetro em um comprimento de onda de excitação de 370 nm e um comprimento de onda de emissão de 480 nm.
3. Metilação redutiva da rotulagem de aminas
NOTA: Este método de rotulagem isotópica baseia-se na dimetilação de grupos de amina com formas deutadas e não deutadas de reagentes de formaldeído e cianoboroidride de sódio. O produto final desta reação adiciona 28 Da, 30 Da, 32 Da, 34 Da ou 36 Da à massa final de cada peptídeo em cada local de rotulagem disponível (lysine ou N-terminal). Esta reação produz uma diferença m/z nos peptídeos rotulados com diferentes formas observadas no espectro MS (Tabela 1).
ATENÇÃO: Os equipamentos de segurança adequados devem ser usados para manusear esses compostos, e devem ser tomados cuidados para minimizar a exposição. Procedimentos com reagentes de formaldeído e cianoboroidride de sódio devem ser realizados em um capô de fumaça porque são muito tóxicos (incluindo a pesagem do cianoboroidride de sódio). Durante a reação de sacieda e acidificação, um gás tóxico (cianeto de hidrogênio) pode ser gerado.
4. Cromatografia líquida e espectrometria de massa
5. Quantitação relativa de peptídeos
NOTA: Os espectros ms são analisados no software do espectrômetro de massa. Grupos de pico de peptídeos rotulados com diferentes tags são identificados no espectro de MS. A quantitação relativa é calculada pela intensidade de cada pico monoisotópico. Cada grupo tratado é comparado ao respectivo grupo controle.
6. Identificação de Peptídeos
Figura 1: Estudos peptidômicos do fluxo de trabalho. Etapas de extração de peptídeos e Metilação Redutiva de aminas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os resultados obtidos a partir das corridas realizadas no espectrômetro de massa são armazenados em arquivos de dados brutos que podem ser abertos no software de espectrômetro de massa. Nos espectros de MS, é possível observar grupos de pico representando peptídeos rotulados de acordo com o esquema de rotulagem utilizado, variando de 2-5 rótulos. Por exemplo, na Figura 2, pares de picos detectados em tempo cromatográfico são representados em um experimento onde apenas dois rótulos ...
Na maioria dos estudos de peptidóticos, um dos passos críticos é, sem dúvida, a preparação da amostra que deve ser cuidadosamente realizada para evitar a presença de fragmentos de peptídeos gerados por proteases após alguns minutos após a morte. Os estudos iniciais sobre extratos cerebrais preparados a partir de amostras não micro-ondas mostraram um grande número de fragmentos de proteínas presentes nos microfiltratos de 10 kDa. Diferentes abordagens foram descritas para evitar espectros de peptídeos da deg...
Não existem interesses financeiros concorrentes.
O desenvolvimento e o uso das técnicas aqui descritas foram apoiados pelo Conselho Nacional de Pesquisa 420811/2018-4 (LMC); A Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (www.fapesp.br) concede 2019/16023-6 (LMC), 2019/17433-3 (LOF) e 21/01286-1 (MEME). Os financiadores não tiveram papel na concepção do estudo, coleta e análise de dados, decisão de publicar ou elaboração do artigo.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 kDa cut-off filters | Merck Millipore | UFC801024 | Amicon Ultra-4, PLGC Ultracel-PL Membrane, 10 kDa |
Acetone | Sigma-Aldrich | 179124 | |
Acetonitrile | Sigma-Aldrich | 1000291000 | |
Ammonium bicarbonate | Sigma-Aldrich | 11213 | |
analytical column (EASY-Column) | EASY-Column | (SC200) | 10 cm, ID75 µm, 3 µm, C18-A2 |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate | Sigma-Aldrich | E10521 | MS-222 |
Fluorescamine | Sigma-Aldrich | F9015 | |
Formaldehyde solution | Sigma-Aldrich | 252549 | |
Formaldehyde-13C, d2, solution | Sigma-Aldrich | 596388 | |
Formaldehyde-d2 solution | Sigma-Aldrich | 492620 | |
Formic acid | Sigma-Aldrich | 33015 | |
Fume hood | Quimis | Q216 | |
Hydrochloric acid - HCl | Sigma-Aldrich | 258148 | |
LoBind-Protein retention tubes | Eppendorf | EP0030108116-100EA | |
LTQ-Orbitrap Velos | Thermo Fisher Scientific | LTQ Velos | |
Microwave oven | Panasonic | NN-ST67HSRU | |
n Easy-nLC II nanoHPLC | Thermo Fisher Scientific | LC140 | |
PEAKS Studio | Bioinformatics Solutions Inc. | VERSION 8.5 | |
Phosphate-buffered saline | Invitrogen | 3002 | tablets |
precolumn (EASY-Column) | Thermo Fisher Scientific | (SC001) | 2 cm, ID100 µm, 5 µm, C18-A1 |
Refrigerated centrifuge | Hermle | Z326K | for conical tubes |
Refrigerated centrifuge | Vision | VS15000CFNII | for microtubes |
Reversed-phase cleanup columns (Oasis HLB 1 cc Cartridge) | Waters | 186000383 | Oasis HLB 1 cc Cartridge |
Sodium cyanoborodeuteride - NaBD3CN | Sigma-Aldrich | 190020 | |
Sodium cyanoborohydride - NaBH3CN | Sigma-Aldrich | 156159 | |
Sodium phosphate dibasic | Sigma-Aldrich | S9763 | NOTE: 0.2 M PB= 0.1 M phosphate buffer pH 6.8 (26.85 mL of Na2HPO3 1M) plus 0.1 M phosphate buffer pH 6.8 (23.15 mL of NaH2PO3 1M) to 250 ml of water |
Sodium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | S3139 | |
Sonicator | Qsonica | Q55-110 | |
Standard peptide | Proteimax | amino acid sequence: LTLRTKL | |
Triethylammonium buffer - TEAB 1 M | Sigma-Aldrich | T7408 | |
Trifluoroacetic acid - TFA | Sigma-Aldrich | T6508 | |
Ultra purified water | Milli-Q | Direct-Q 3UV | |
Vacuum centrifuge | GeneVac | MiVac DNA concentrator | |
Water bath | Cientec | 266 | |
Xcalibur Software | ThermoFisher Scientific | OPTON-30965 |
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