イオンモビリティー質量分析法は、その衝突断面積と質量に基づいて、イオンを分離する新興気相技術です。方法は、タンパク質複合体の全体的なトポロジーと形状の三次元情報を提供します。ここで、我々は、機器設定や最適化、ドリフト時間のキャリブレーション、およびデータ解釈のための基本的な手順を概説する。
イオンモビリティ(IM)は、弱電界の影響下で加圧セルを通過するイオンにかかる時間を測定する方法です。イオンがドリフト領域を横断これにより、速度はその大きさに依存します:大規模なイオンがバックグラウンド不活性ガス(通常はN 2)との衝突の大きい数を経験し、その結果、より小さいを構成するこれらのイオンよりもIMのデバイスを介して、よりゆっくりと旅する断面。一般的に、イオンが濃いガスの相も移行するのにかかる時間は、その衝突断面積(Ω)によると、それらを分離する。
最近、IM分析法は質量分析法と結合され、進行波(T波)SYNAPTイオンモビリティー質量分析計(IM - MS)がリリースされました。イオン移動度と質量分析を統合することで三次元スペクトルを(電荷の質量、強度、およびドリフトの時間)を得た、サンプルの分離と定義の余分な次元が可能になります。この分離技術は、スペクトルの重複が減少することができます、と非常に似て質量、または質量対電荷比が、異なるドリフト時間を持つ異種複合体の分解能を可能にします。また、ドリフト時間の測定値は、Ωがイオンの全体的な形状とトポロジーに関連しているとして、構造情報の重要なレイヤを提供しています。測定されたドリフトの時間値とΩの間に相関関係が定義されているクロスセクション1の較正タンパク質から生成された検量線を用いて計算されます。
IM - MSのアプローチのパワーは、サブユニットのパッキングとマイクロモル濃度でタンパク質のアセンブリの全体的な形状を定義する能力にあります、そして近い生理的な条件は1。成功したタンパク質四次構造を気相で維持、および未知の幾何学のタンパク質集合体の研究ではこのアプローチの可能性をハイライト表示されていることを明らかに個々の蛋白質2,3および非共有結合タンパク質複合体4-9、両方の最近のいくつかのIMの研究。 10;ここで、我々は、SYNAPT(四重極イオンモビリティ-飛行時間型)HDMSの楽器(現在入手可能な唯一の商用IM - MSの楽器ウォーターズ株式会社)を用いて、タンパク質複合体のIMS - MS分析の詳細な説明を提供しています。我々は、基本的な最適化の手順、衝突断面のキャリブレーション、およびデータの処理および解釈するための方法を説明します。プロトコルの最後のステップは、理論上のΩ値を算出する方法を説明します。全体的に、プロトコルは、タンパク質のアセンブリのIM - MSの特性評価のあらゆる側面をカバーしようとするのではなく、その目標は、フィールドでの新たな研究者に法の実用的側面を導入することである。
我々が説明する手順は、単にタンパク質複合体のIM - MS分析に焦点を当てています。したがって、我々は構造的なMSの分野で面識のない研究者は、サンプル調製のステップ、計器のキャリブレーションとKirshenbaum らに記載されてMSおよびタンデムMSの最適化手順を参照していることを示唆し、2009年https://www.jove.com/index/detailsを。 STP?ID = 1954。一般的には、このプロトコルは、酢酸アンモニウム( - 1 M、pHは6〜8 0.005)のような揮発性緩衝液中で複合体の低マイクロモル濃度(1〜20μM)を含む。 1〜2μLをキャピラリーナノフローあたりに消費されていることを考えると、MS条件の最適化を有効にするために、最小体積として10〜20μlを示唆している。
第1部:イオンモビリティー質量分析法のスペクトルを取得
のm / z | ドウェル(%) | ランプ(%) |
960 | 10 | 20 |
3200 | 30 | 40 |
10667 |
元 | トラップ | IMS | 転送 | |
RFオフセット | 450 | 380 | 380 | 380 |
RFゲイン | 0 | 0 | 0 | 0 |
RFリミット | 450 | 380 | 380 | 380 |
パート2:ネイティブ構造のモビリティ測定を保証するために実験条件をスクリーニング
高度に解決したMSのピークを達成するために、タンパク質複合体は、多くの場合、残留水やバッファー成分11の除去を促進するため、質量分析計内でアクティブ化されます。活性化エネルギーが展開部分、しきい値を超えて増加されている場合には、ネイティブ、解決状態の構造(図3A - C)に対応しにくい、複数の中間状態12を形成誘導することができる。その結果、ドリフト時間のピークが折りたたま構造の不均一な集団を反映し、シフトと広げることができる。
液相の構造と一貫性のあるドリフト時間のデータを得るためには、それは分離してIMをする前に加速するイオンのために使用される電圧を、慎重に制御することが不可欠です。また、高いMSの解決には、転送ではなく、トラップの電圧を増加させることが望ましい。 IMのデバイスが配置されているとして、MSの精度を高めることができる一方、最初に、転写領域とTOFアナライザに続く、従って、活性化がIM測定とイオン以下は、影響を受けません。
そのデータの取得が複雑なのネイティブ構造を維持する条件下で行われる検証するためには、データはパラメータのセット、単一の、最適化に基づいて実験的な解決策の条件の範囲ではなく、以上を記録することを推奨する。
パート3:ドリフト時間の値と断面積の間の関連付け
測定されたドリフト時間の値が直線的にΩに関連する従来のIMの測定とは異なり、T波のIMSシステムでは、断面積は、キャリブレーションアプローチによって定義されます。このように、むしろ絶対的な測定よりも、相対的な指数の相関が測定されたドリフト時間とΩ1,13の間に生成されます。
ここで、t、Dは測定されたドリフト時間であり、そしてXは、検量線から抽出することができる比例定数です。キャリブレーションが実行され既知のΩ(従来のIMの実験から測定)とイオンのドリフト時間を測定することにより、ED。
パート4:ドリフト時間の値を定義する
必要なソフトウェア:MassLynxとDriftscope(ウォーターズ)。
パート5:代表的な結果
図1。 IMS - MSの買収の主要な調整可能なパラメータを示すSYNAPT HDMS器の模式図 。 IM - MSの測定に使用される実験のパラメータは、機器内での位置に従ってラベル表示されています。イオンビームは赤で着色され、そして各地域での圧力はカラーコードを使用して指定されています。下部にあるパネルには楽器とトラップと転送の衝突エネルギーだけでなく、バイアス電位を定義する潜在的な相違点に沿って電位勾配を示しています。すべての電位は、通常120Vに設定されている静的なオフセット電圧を基準としているバックを読んで。
図2。 Gβυタンパク質のイオンモビリティの到着時間分布。
A.高いT波速度はドリフト時間のプロファイルの狭い分布につながる。プロットはの到着時間分布を示しています。 16 +(赤)、15 +(緑)、14 +(青)、及び13 +(マゼンタ)の電荷状態だけでなく、Gのβυタンパク質の合計ドリフトの時間プロファイル(黒で)。
B.滑らかなガウスピーク形状最適化されたドリフト時間スペクトル。と同様のカラーラベル。
C.モビリティのセルを通過するイオンにかかる時間は、デバイスに新しいイオンのパケットの注射の間隔よりも遅い場合に発生する"ロールオーバー"効果、。結果として、拡張版のドリフト時間のピークは、スペクトルの先頭に表示されます。この効果は、T波の高さを増加し、T波速度とIMSの圧力を減少させることによって除去することができます。
転送T波速度とプッシャーの周波数が部分的に同期されるときにD.人工"波紋"が引き起こされます。この効果は、プッシャーの周波数または転送T波速度のどちらかを調整することによって克服することができます。
図3。ヘモグロビンのIM - MSスペクトルのイオン活性化し、部分的な変性条件の影響。量体ヘモグロビン複合体のためのm / z対ドリフト時間のプロット、10mMの酢酸アンモニウム(pH = 7.6)を(A、C)の水溶液を使用してと0.1%酢酸(B)の加算。データは、トラップの衝突エネルギーの13 V(A、B)の電圧、35 V(C)すべての3つのパネルで、質量スペクトルが(上に投影さ)4,000のm / zを中心とする四量の電荷シリーズで、同じように見えますが、を使用して取得ドリフトの時間プロファイルは、(両側に投影)とは異なります(総ドリフト時間の分布は黒、そして16 +のプロフィールに)赤になります。 Cで得られたBで得られた部分的に変性したサンプルの長いドリフト時間、、と気相アクティブイオンが、、展開のある程度の指標となる。この観察結果は、測定された質量はそのままに、複雑に対応していても、その溶液構造が破壊されていることを示しています。結果として、実験条件の注意深い制御が必要である。
図4。検量線を生成することにより、ドリフト時間の測定値との衝突断面を相関させることができる 。
A.は、イオンの電荷状態と換算質量の両方を補正した文献Ωの値に対してプロットされた馬のチトクロームC(丸)、馬の心臓ミオグロビン(三角形)と(四角)ユビキチンウシの複数の電荷状態のドリフト時間の値を測定。 LN(ΩC)= XLN(T D')+ A.:フィットに対応する線形関数が得られます決定した指数因子(X)、()フィットに決められた定数、および相関係数は、350 m / sのT波速度、および11 V. Bの静的な波の高さで取得したデータのプロット上に表示されます。 10連続キャリブレーションの実験から得られた相関係数の分布のヒストグラム。
タンパク質サンプル/技術的な変数 | GluFibrino - ペプチド 単量体 1.6 kDaの | ミオグロビン 単量体 17kDaの | ヘモグロビン 四量体 67 kDaの | トランスフェリン 単量体 80kDaの | GroELは 14 - merの 801 kDaの |
バッキングの圧力、ミリバール | 4.4 | 5.0 | 5.1 | 5.1 | 6.5 |
トラップの圧力、ミリバール | 1.6 × 10 -2 | 2.4x10 -2 | 2.4x10 -2 | 2.6 × 10 -2 | 2.8x10 -2 |
IMSの圧力、ミリバール | 4.4x10 -1 | 4.4x10 -1 | 4.4x10 -1 | 4.4x10 -1 | 4.2x10 -1 |
サンプリングコーン電圧、V | 46 | 80 | 80 | 80 | 118 |
抽出コーン電圧、V | 1.7 | 1 | 1 | 1 | 3 |
バイアス電圧、V | 20 | 20 | 25 | 25 | 50 |
トラップの衝突エネルギー、V | 20 | 15 | 15 | 15 | 80 |
転送衝突エネルギー、V | 5 | 12 | 12 | 12 | 15 |
表1。高分子の分析に使用される実験条件。
標準タンパク質 | 分子量(M) | 電荷(Z) | のm / z | 衝突断面積(2の) |
チトクロームC | 12213 | 10 | 1222.3 | 2226 |
11 | 1111.3 | 2303 | ||
12 | 1018.8 | 2335 | ||
13 | 940.5 | 2391 | ||
14 | 873.4 | 2473 | ||
15 | 815.2 | 2579 | ||
16 | 764.3 | 2679 | ||
17 | 719.4 | 2723 | ||
18 | 679.5 | 2766 | ||
ミオグロビン | 16952 | 11 | 1542.1 | 2942 |
12 | 1413.7 | 3044 | ||
13 | 1305.0 | 3136 | ||
14 | 1211.9 | 3143 | ||
15 | 1131.1 | 3230 | ||
16 | 1060.5 | 3313 | ||
17 | 998.2 | 3384 | ||
18 | 942.8 | 3489 | ||
19 | 893.2 | 3570 | ||
20 | 848.6 | 3682 | ||
21 | 808.2 | 3792 | ||
22 | 771.6 | 3815 | ||
ユビキチン | 8565 | 8 | 1071.6 | 1442 |
8 | 1071.6 | 1622 | ||
9 | 952.7 | 1649 | ||
10 | 857.5 | 1732 | ||
11 | 779.6 | 1802 |
従来のIMSのmeasurments 14で決定表2。キャリタンパク質とそれらの衝突断面積の値。
デバイス | 会社 | カタログ番号 |
SYNAPT HDMS - 32K RFジェネレータ | ウォーターズ(株) | |
P - 97フレーミング - ブラウンマイクロピペットプラー | サターインスツルメンツ | P - 97 |
コーターをスパッタ | 電子顕微鏡学 | EMS550 |
双眼顕微鏡 | ニコン | |
試薬 | 会社 | カタログ番号 |
酢酸アンモニウム | シグマアルドリッチ | シグマ、A2706 |
CsIの99.999パーセント | シグマアルドリッチ | アルドリッチ、203033 |
メタノール | シグマアルドリッチ | フルカ、34966 |
酢酸 | フィッシャーサイエンティフィック | AC12404 |
ウマミオグロビン(ウマ心臓から) | シグマアルドリッチ | M1882 |
ウマシトクロムc(ウマ心臓から) | シグマアルドリッチ | C - 2506 |
(赤血球から)ユビキチンウシ | シグマアルドリッチ | U6253 |
ヘモグロビン | シグマアルドリッチ | H2625 |
ガス | コメント | |
窒素、99.999%の純粋な | 8立方メートルのシリンダー | |
アルゴン、99.999%の純粋な | 8.8立方meterscylinder |
表3。試薬及び機器。
ここで説明するプロトコルは、その全体の形状、ユニットのパッキンとトポロジーに関する情報を提供する目的で、未知の三次元構造を持つタンパク質やタンパク質複合体の衝突断面積を定義することができます。この目的のために衝突断面積の値は一度それが構造的な細部にこれらの値を数値に変換する必要が描かれている。このプロセスは、追加の実験的な取り組みだけでなく、以下に簡単に説明されている計算分析を、必要になります。
で始まるには、公知の構造を持つタンパク質やタンパク質複合体を分析することをお勧めします。これらの測定は、方法論の有用な品質管理を提供することができますし、理論と実測Ωの値を比較することにより、取得パラメータの精度評価を可能にします。理論的な断面積は、結晶構造から計算することができますMOBCAL 15,16ソフトウェアを使用して座標を、オペレータのニーズに応じてコードの編集を可能にするオープンソースFORTRANベースのソフトウェアである。このような計算を実行するためには、入力構造ごとに実行反復計算の数が増えると原子の多数を含む座標ファイルは、1を受け入れていることをされるようにプログラムを変更するために必要です。
多成分のアセンブリ内でサブユニットの位相的な取り決めを定義するためのIM - MSの戦略は、最近4,6に提案されている。メソッドは小さいコンポーネントにタンパク質のアセンブリの解離経路の監視を行います。この解離は、アセンブリの"ビルディングブロック"の反射subcomplexesの分布を生じさせる溶液相の条件の制御による調整、によって達成されます。無傷の複雑かつ分解製品の両方のΩ値の同時測定は、タンパク質複合体の位相モデルを計算するために使用されている構造的な制約を生成します。この方法論の根底にある基本的な前提は、生成されたsubcomplexesが母国のような確認を保持することであり、そして実際に最近の研究では、分解製品の溶液構造が維持されることが実証されていると、溶液または気相のどちらかに大きな転位4,6を発生していません。
気相タンパク質の錯イオンに四次構造の割り当ての最後のステップは、コンピュータが生成モデルに衝突断面積の値は継手です。モデリングのアプローチが異なる可能トポロジーサブユニットの手配、彼らのシリコ Ωの値での計算と実験値と比較さを探求するために採用されています。現在はわずか数計算のアプローチはサブユニット1,8の直径に近似するspheretype粗粒度方式と同様に、使用されています。全体的に、このフィールドは、初期の頃のままであり、さらなる発展は、このアプローチは一般的な、そして複合体の広い範囲に適用可能にするために必要です。
著者は彼らの批判的検討のため、および原稿への彼らの貢献のためにシャロンのグループメンバーに感謝。我々は、イスラエル科学財団(助成番号1823から1807と378/08)、生体膜研究のためのヨーゼフコーンミネルバセンター、新しい科学者のためのChaisファミリーフェロープログラム、アブラハムMorashaとBikuraプログラムの支援に感謝していますとソニアRochlin財団、ウォルフソンのファミリー公益信託、ヘレンと生体分子の構造や組立のためのミルトンA. Kimmelmanセンター、シュロモとサビーヌBeirzwinskyの不動産、MEILデボタンエインズレイ、そしてカレンシェムリアップ、英国。
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