Name: a hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (hdx-ms) platform for investigating peptide biosynthetic enzymes
Uploaded: 2020-05-04T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Hydrogen-Deuterium Exchange Mass Spectrometry HDX-MS Platform for Investigating Peptide Biosynthetic Enzymes at JoVE.com

Dette arbeidet ble støttet av Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Fonds de Recherche du Quebec Nature et Technologie, Canadian Foundation for Innovation og McGill University oppstartsfond.

1. Fremstilling av deutererte reagenser og enzymbestandsløsninger
<ol><li>Forbered reagenser som trengs for HDX-reaksjonene (inkludert buffere, salter, substrater, ligander, etc.) som 100-200x konsentrerte lagerløsninger i D2O (99,9% atomfraksjon D). Klargjør minst 50 ml bufferlagerløsning. MERK: For karakterisering av HalM2, Følgende løsninger ble utarbeidet: 500 mM MgCl2, 100 mM tris (2-karboksyetyl)fosfin (TCEP), 750 mM ATP (i HEPES buffer), 800 mM HEPES pD 7,1, 500 μM HalA2 og 500 mM...

<ol>
	<li>Karplus, M., McCammon, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+dynamics+simulations+of+biomolecules.">Molecular dynamics simulations of biomolecules.</a> Nature Structural &amp; Molecular Biology. 9 (9), 646-652 (2002).</li><li>Campbell, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+protein+dynamics+in+the+evolution+of+new+enzyme+function.">The role of protein dynamics in the evolution of new enzyme function.</a> Nature Chemical Biology. 12 (11), 944-950 (2016).</li><li>Tokuriki, N., Tawfik, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protein+dynamism+and+evolvability.">Protein dynamism and evolvability.</a> Science. 324 (5924), 203-207 (2009).</li><li>Wales, T. E., Engen, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+exchange+mass+spectrometry+for+the+analysis+of+protein+dynamics.">Hydrogen exchange mass spectrometry for the analysis of protein dynamics.</a> Mass Spectrometry Reviews. 25 (1), 158-170 (2006).</li><li>Konermann, L., Pan, J., Liu, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+exchange+mass+spectrometry+for+studying+protein+structure+and+dynamics.">Hydrogen exchange mass spectrometry for studying protein structure and dynamics.</a> Chemical Society Reviews. 40 (3), 1224 (2011).</li><li>Katta, V., Chait, B. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conformational+changes+in+proteins+probed+by+hydrogen-exchange+electrospray-ionization+mass+spectrometry.">Conformational changes in proteins probed by hydrogen-exchange electrospray-ionization mass spectrometry.</a> Rapid Communications in Mass Spectrometry. 5 (4), 214 (1991).</li><li>Zhang, Z., Smith, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+amide+hydrogen+exchange+by+mass+spectrometry:+a+new+tool+for+protein+structure+elucidation.">Determination of amide hydrogen exchange by mass spectrometry: a new tool for protein structure elucidation.</a> Protein Science. 2 (4), 522 (1993).</li><li>Smith, D. L., Deng, Y., Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+the+non-covalent+structure+of+proteins+by+amide+hydrogen+exchange+and+mass+spectrometry.">Probing the non-covalent structure of proteins by amide hydrogen exchange and mass spectrometry.</a> Journal of Mass Spectrometry. 32 (2), 135-146 (1997).</li><li>Bai, Y., Milne, J. S., Mayne, L., Englander, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Primary+structure+effects+on+peptide+group+hydrogen+exchange.">Primary structure effects on peptide group hydrogen exchange.</a> Proteins. 17 (1), 75-86 (1993).</li><li>Xiao, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Revealing+the+architecture+of+protein+complexes+by+an+orthogonal+approach+combining+HDXMS,+CXMS,+and+disulfide+trapping.">Revealing the architecture of protein complexes by an orthogonal approach combining HDXMS, CXMS, and disulfide trapping.</a> Nature Protocols. 13 (6), 1403-1428 (2018).</li><li>Smith, D. L., Deng, Y., Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+the+non-covalent+structure+of+proteins+by+amide+hydrogen+exchange+and+mass+spectrometry.">Probing the non-covalent structure of proteins by amide hydrogen exchange and mass spectrometry.</a> Journal of Mass Spectrometry. 32 (2), 135-146 (1997).</li><li>Masson, G. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recommendations+for+performing,+interpreting+and+reporting+hydrogen+deuterium+exchange+mass+spectrometry+(HDX-MS)+experiments.">Recommendations for performing, interpreting and reporting hydrogen deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) experiments.</a> Nature Methods. 16 (7), 595-602 (2019).</li><li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Efficient+Site-Specific+Method+for+Irreversible+Covalent+Labeling+of+Proteins+with+a+Fluorophore.">An Efficient Site-Specific Method for Irreversible Covalent Labeling of Proteins with a Fluorophore.</a> Scientific Reports. 5, 16883 (2015).</li><li>Marion, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Overcoming+the+overlap+problem+in+the+assignment+of+proton+NMR+spectra+of+larger+proteins+by+use+of+three-dimensional+heteronuclear+proton-nitrogen-15+Hartmann-Hahn-multiple+quantum+coherence+and+nuclear+Overhauser-multiple+quantum+coherence+spectroscopy:+application+to+interleukin+1.beta.">Overcoming the overlap problem in the assignment of proton NMR spectra of larger proteins by use of three-dimensional heteronuclear proton-nitrogen-15 Hartmann-Hahn-multiple quantum coherence and nuclear Overhauser-multiple quantum coherence spectroscopy: application to interleukin 1.beta.</a> Biochemistry. 28 (15), 6150-6156 (1989).</li><li>Balasubramaniam, D., Komives, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen-exchange+mass+spectrometry+for+the+study+of+intrinsic+disorder+in+proteins.">Hydrogen-exchange mass spectrometry for the study of intrinsic disorder in proteins.</a> Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics. 1834 (6), 1202-1209 (2013).</li><li>Goswami, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time+window+expansion+for+HDX+analysis+of+an+intrinsically+disordered+protein.">Time window expansion for HDX analysis of an intrinsically disordered protein.</a> Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 24 (10), 1584-1592 (2013).</li><li>Keppel, T. R., Howard, B. A., Weis, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+Unstructured+Regions+and+Synergistic+Folding+in+Intrinsically+Disordered+Proteins+with+Amide+H/D+Exchange+Mass+Spectrometry.">Mapping Unstructured Regions and Synergistic Folding in Intrinsically Disordered Proteins with Amide H/D Exchange Mass Spectrometry.</a> Biochemistry. 50 (40), 8722-8732 (2011).</li><li>Mitchell, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+Characterization+and+Conformational+Analysis+of+the+Herpesvirus+saimiri+Tip-C484+Protein.">Functional Characterization and Conformational Analysis of the Herpesvirus saimiri Tip-C484 Protein.</a> Journal of Molecular Biology. 366 (4), 1282-1293 (2007).</li><li>Pan, J., Han, J., Borchers, C. H., Konermann, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen/deuterium+exchange+mass+spectrometry+with+top-down+electron+capture+dissociation+for+characterizing+structural+transitions+of+a+17+kDa+protein.">Hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry with top-down electron capture dissociation for characterizing structural transitions of a 17 kDa protein.</a> Journal of the American Chemical Society. 131 (35), 12801-12808 (2009).</li><li>Habibi, Y., Uggowitzer, K. A., Issak, H., Thibodeaux, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Insights+into+the+Dynamic+Structural+Properties+of+a+Lanthipeptide+Synthetase+using+Hydrogen-Deuterium+Exchange+Mass+Spectrometry.">Insights into the Dynamic Structural Properties of a Lanthipeptide Synthetase using Hydrogen-Deuterium Exchange Mass Spectrometry.</a> Journal of the American Chemical Society. 141 (37), 14661-14672 (2019).</li><li>Hebling, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conformational+analysis+of+membrane+proteins+in+phospholipid+bilayer+nanodiscs+by+hydrogen+exchange+mass+spectrometry.">Conformational analysis of membrane proteins in phospholipid bilayer nanodiscs by hydrogen exchange mass spectrometry.</a> Analytical Chemistry. 82 (13), 5415-5419 (2010).</li><li>Duc, N. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effective+application+of+bicelles+for+conformational+analysis+of+G+protein-coupled+receptors+by+hydrogen/deuterium+exchange+mass+spectrometry.">Effective application of bicelles for conformational analysis of G protein-coupled receptors by hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry.</a> Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 26 (5), 808-817 (2015).</li><li>Canul-Tec, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+and+allosteric+inhibition+of+excitatory+amino+acid+transporter+1.">Structure and allosteric inhibition of excitatory amino acid transporter 1.</a> Nature. 544 (7651), 446-451 (2017).</li><li>Reading, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interrogating+Membrane+Protein+Conformational+Dynamics+within+Native+Lipid+Compositions.">Interrogating Membrane Protein Conformational Dynamics within Native Lipid Compositions.</a> Angewandte Chemie International Edition. 56 (49), 15654-15657 (2017).</li><li>Hentze, N., Mayer, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analyzing+protein+dynamics+using+hydrogen+exchange+mass+spectrometry.">Analyzing protein dynamics using hydrogen exchange mass spectrometry.</a> Journal of Visualized Experiments. (81), e50839 (2013).</li><li>Lento, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+ElectroSpray+Ionization+Hydrogen-deuterium+Exchange+Mass+Spectrometry+for+Studying+Protein+Structure+and+Dynamics.">Time-resolved ElectroSpray Ionization Hydrogen-deuterium Exchange Mass Spectrometry for Studying Protein Structure and Dynamics.</a> Journal of Visualized Experiments. (122), e55464 (2017).</li><li>Schowen, K. B., Schowen, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solvent+isotope+effects+on+enzyme+systems.">Solvent isotope effects on enzyme systems.</a> Methods in Enzymology. 87, 551-606 (1982).</li><li>Lau, A. M. C., Ahdash, Z., Martens, C., Politis, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deuteros:+software+for+rapid+analysis+and+visualization+of+data+from+differential+hydrogen+deuterium+exchange-mass+spectrometry.">Deuteros: software for rapid analysis and visualization of data from differential hydrogen deuterium exchange-mass spectrometry.</a> Bioinformatics. 35 (7), 3171-3173 (2019).</li><li>Houde, D., Berkowitz, S. A., Engen, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+utility+of+hydrogen/deuterium+exchange+mass+spectrometry+in+biopharmaceutical+comparability+studies.">The utility of hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry in biopharmaceutical comparability studies.</a> Journal of Pharmaceutical Sciences. 100 (6), 2071 (2011).</li><li>Burkitt, W., O'Connor, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+the+repeatability+and+reproducibility+of+hydrogen/deuterium+exchange+mass+spectrometry+measurements.">Assessment of the repeatability and reproducibility of hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry measurements.</a> Rapid Communications in Mass Spectrometry. 22 (23), 3893-3901 (2008).</li><li>Rob, T., Gill, P. K., Golemi-Kotra, D., Wilson, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+electrospray+ms-coupled+microfluidic+device+for+sub-second+hydrogen/deuterium+exchange+pulse-labelling+reveals+allosteric+effects+in+enzyme+inhibition.">An electrospray ms-coupled microfluidic device for sub-second hydrogen/deuterium exchange pulse-labelling reveals allosteric effects in enzyme inhibition.</a> Lab on a Chip. 13, 2528-2532 (2013).</li></ol>

HDX-MS-arbeidsflyten presentert i denne protokollen gir en bemerkelsesverdig robust plattform for kartlegging av romlig fordeling av strukturelt dynamiske elementer i proteiner og for å undersøke hvordan disse dynamikkene endres som respons på perturbasjon (ligandbinding, enzymmutagenese, etc.). HDX-MS har flere klare fordeler i forhold til andre strukturelle biologitilnærminger som ofte brukes til å undersøke konformasjonsdynamikk. Spesielt er det bare nødvendig med små mengder protein. Ved hjelp av arbeidsflyte...

Proteiner er strukturelt dynamiske molekyler som prøver forskjellige konformasjoner på tidsskalaer som spenner fra femtosecond-skala bindingsvibrasjon til omorganiseringer av hele proteindomener som kan oppstå over mange sekunder1. Disse konformasjonssvingningene er ofte kritiske aspekter ved enzym/proteinfunksjon. For eksempel er konformasjonsendringer forårsaket av ligandbinding ofte kritisk viktige for modulerende enzymfunksjon, enten ved å organisere aktive stedsrester som trengs for katalyse, definere substratbindingssteder i sekvensielle kinetiske mekanismer, skjerme reaktive mellomprodukter fra miljøet, eller ved å modulere enzymfunksjon via allosteriske nettverk. Nyere studier har også vist at konformasjonsdynamikk kan bevares gjennom evolusjonen, og at perturbasjoner til konserverte molekylære bevegelser kan korreleres med endringer i substratspesifikkitet og fremveksten av nye enzymfunksjoner2,3.
De siste årene har hydrogen-deuterium utveksling massespektrometri (HDX-MS) raskt dukket opp som en kraftig teknikk for å undersøke hvordan proteinkonformasjonslandskap reagerer på perturbasjoner som ligandbinding eller mutagenese4,5,6,7. I et typisk HDX-MS-eksperiment (figur 1) plasseres et protein av interesse i buffer fremstilt i D2O, som utløser utskifting av løsningsmiddelutskiftbare protoner med deuteria. Valutakursen for midte moiety av peptidbindingene avhenger sterkt av pH, den lokale aminosyresekvensen og på det lokale strukturelle miljøet i midt8. Amider som er engasjert i hydrogenbindingsinteraksjoner (som de som er tilstede i α-hæler og β ark) utveksles langsommere enn amider i ustrukturerte områder av proteinet som er utsatt for bulkløsningsmiddel. Dermed er omfanget av deuteriumopptak en refleksjon av enzymets struktur. Enzymer som er konforme dynamiske, eller som gjennomgår strukturelle overganger ved ligandbinding, forventes å gi en målbar HDX-respons.
Det mekanistiske grunnlaget for den langsomme valutakursen for en strukturert amide vises i figur 25,8,9. For å gjennomgå HDX må den strukturerte regionen først midlertidig prøve en utfoldet konformasjon, slik at løsningsmiddelmolekylene som katalyserer HDX-utveksling via en bestemt syre / base kjemisk mekanisme, har tilgang til den utskiftbare amiden. Til syvende og sist bestemmer de relative størrelsene på den kjemiske valutakursen (kchem) og folde- og brettehastighetene (kåpen og klukking) HDX-hastigheten målt i eksperimentet5,8. Fra denne enkle kinetiske modellen er det klart at omfanget av deuteriumopptak vil gjenspeile den underliggende konformasjonsdynamikken (som definert av kåpen og kclose). De fleste HDX-MS-eksperimenter utføres i en nedenfra-og-opp-arbeidsflyt der, etter utvekslingsreaksjonen, fordøyes proteinet av interesse i peptider og deuteriumopptaket ved hvert peptid måles som en økning i masse7. På denne måten tillater HDX-MS perturbasjoner til enzymkonformasjonsdynamikk som skal kartlegges på den lokale romlige skalaen av peptider, slik at forskeren kan vurdere hvordan perturbasjonen endrer dynamikken i forskjellige regioner av interesseens enzym.
Fordelene med HDX-MS-tilnærmingen for å belyse proteinstrukturelle dynamikker er mange. For det første kan metoden utføres med små mengder innfødt protein eller på proteinkomplekser i systemer med kvartær struktur10. Det er ikke engang nødvendig for enzympreparatet som brukes i analysen å være svært renset11,12, så lenge den nederste HDX-MS-arbeidsflyten gir et tilstrekkelig antall trygt identifiserte peptider som dekker proteinsekvensen av interesse. Videre kan HDX-MS gi informasjon om konformasjonsdynamikk under nær innfødte forhold uten behov for stedsspesifikk proteinmerking som vil bli brukt i enkeltmolekylet fluorescensstudier13, og det er ingen størrelsesgrense for protein- eller proteinkomplekset som kan undersøkes (som gjør tilnærminger som kjernemagnetisk resonans [NMR] spektroskopi utfordrende)7,14. Til slutt kan tidsavklarte HDX-MS-metoder brukes til å studere iboende uordnede proteiner, som er vanskelige å studere med røntgenkrystallografi15,16,17,18. Hovedbegrensningen til HDX-MS er at dataene har lav strukturell oppløsning. HDX-MS-data er nyttige for å peke på hvor konformasjonsdynamikken endrer seg og for å avsløre koblede konformasjonsendringer, men de gir ikke ofte mye innsikt i den nøyaktige molekylære mekanismen som driver den observerte endringen. Nylige fremskritt i kombinasjonen av elektronfangst dissosiasjonsmetoder med protein HDX-MS-data har vist løfte om kartlegging av utvekslingssteder til enkelt aminosyrerester19, men oppfølging av biokjemiske og strukturelle studier er fortsatt ofte nødvendig for å gi klarhet til strukturelle modeller videresendt av HDX-MS-data.
Nedenfor presenteres en detaljert protokoll for utvikling av en HDX-MS-analyse20. Prøveprepareringsprotokollene som presenteres nedenfor, bør generelt gjelde for ethvert protein som har god løselighet i vandige buffere. Mer spesialiserte prøveprepareringsmetoder og HDX-MS-arbeidsflyter er tilgjengelige for proteiner enn det som er nødvendig for å bli analysert i nærvær av vaskemiddel eller fosfolipider21,22,23,24. Instrumentelle innstillinger for HDX-MS-datainnsamling er beskrevet for et høyoppløselig quadrupole-tid-av-fly massespektrometer kombinert med flytende kromatografisystem. Data om lignende kompleksitet og oppløsning kan samles inn på et hvilket som helst av en rekke kommersielt tilgjengelige spektromatografi-massespektrometrisystemer (LC-MS). Viktige aspekter ved databehandlingen ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig programvarepakke tilbys også. Vi presenterer også retningslinjer for datainnsamling og analyse som er i samsvar med anbefalinger fra det bredere HDX-MS-fellesskapet12. Den beskrevne protokollen brukes til å studere de dynamiske strukturelle egenskapene til HalM2, en lanthipeptidsyntetase som katalyserer multistep modningen av et antimikrobielt peptid naturlig produkt20. Vi illustrerer hvordan HDX-MS kan brukes til å avdekke substratbindingsområder og allosteriske egenskaper som har unngått tidligere karakterisering. Flere andre protokoller om protein HDX-MS har blitt publisert de siste årene25,26. Sammen med det nåværende arbeidet skal disse tidligere bidragene gi leseren en viss fleksibilitet i eksperimentell design.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Reagents</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>[glu-1]-fibrinopeptide B (Glu-Fib)</td>
			<td>BioBasic</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.5 mL Amicon Ultracel 10k centrifugal filtration device (Millipore)</td>
			<td>Milipore Sigma</td>
			<td>UFC501096</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>acetonitrile</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>A955-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AMP-PNP</td>
			<td>SIGMA</td>
			<td>A2647-25MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ATP</td>
			<td>SIGMA</td>
			<td>a2383-5G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D2O</td>
			<td>ALDRICH</td>
			<td>435767-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>formic acid</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>28905</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>guanidine-HCl</td>
			<td>VWR</td>
			<td>97063-764</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HEPES</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>BP310-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnesium chloride</td>
			<td>SiGMA-Aldrich</td>
			<td>63068-250G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium chloride</td>
			<td>BioBasic</td>
			<td>PB0440</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>potassium phosphate</td>
			<td>BioBasic</td>
			<td>PB0445</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TCEP Hydrochloride</td>
			<td>TRC Canada</td>
			<td>T012500</td>
			<td>peptide was synthesized upon request</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name of Material/ Equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deuteros</td>
			<td>Andy M C Lau, et al</td>
			<td>version 1.08</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DynamX</td>
			<td>Waters</td>
			<td>version 3.0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MassLynx</td>
			<td>Waters</td>
			<td>version 4.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Protein Lynx 
			Global Server (PLGS)</td>
			<td>Waters</td>
			<td>version 3.0.3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PyMOL</td>
			<td>Schr&#246;dinger</td>
			<td>version 2.2.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name of Material/ Equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Instrument and equipment</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ACQUITY UPLC BEH C18 analytical Column</td>
			<td>Waters</td>
			<td>186002346</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ACQUITY UPLC BEH C8 VanGuard Pre-column</td>
			<td>Waters</td>
			<td>186003978</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ACQUITY UPLC M-Class HDX System</td>
			<td>Waters</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HDX Manager</td>
			<td>Waters</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>microtip pH electrode</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>13-620-291</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Waters Enzymate BEH column or Pepsin solumn</td>
			<td>Waters</td>
			<td>186007233</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Waters Synapt G2-Si</td>
			<td>Waters</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (hdx-ms) platform for investigating peptide biosynthetic enzymes

Hydrogen-deuterium utveksling massespektrometri (HDX-MS) er en kraftig metode for biofysisk karakterisering av enzymkonformasjonsendringer og enzym-substratinteraksjoner. Blant de mange fordelene bruker HDX-MS bare små mengder materiale, kan utføres under nær innfødte forhold uten behov for enzym / substratmerking, og kan gi romlig løst informasjon om enzymkonformasjonsdynamikk - selv for store enzymer og multiproteinkomplekser. Metoden er initiert ved fortynning av enzymet av interesse i buffer utarbeidet i D2O. Dette utløser utveksling av protium i peptidbinding (N-H) med deuterium (N-D). På de ønskede utvekslingstidspunktene blir reaksjons aliquots slokket, enzymet proteolysert i peptider, peptidene er skilt av ultraytelses væskekromatografi (UPLC), og endringen i massen av hvert peptid (på grunn av utveksling av hydrogen for deuterium) registreres av MS. Mengden av deuteriumopptak ved hvert peptid er sterkt avhengig av det lokale hydrogenbindingsmiljøet i det peptidet. Peptider tilstede i svært dynamiske områder av enzymet utveksling deuterium svært raskt, mens peptider avledet fra velordnede regioner gjennomgår utveksling mye langsommere. På denne måten rapporterer HDX-frekvensen om lokal enzymkonformasjonsdynamikk. Perturbasjoner til deuteriumopptaksnivåer i nærvær av forskjellige ligander kan deretter brukes til å kartlegge ligandbindingssteder, identifisere allosteriske nettverk og forstå rollen som konformasjonsdynamikk i enzymfunksjon. Her illustrerer vi hvordan vi har brukt HDX-MS for bedre å forstå biosyntesen til en type peptid naturlige produkter kalt lanthipeptides. Lanthipeptider er genetisk kodede peptider som er post-translasjonelt modifisert av store, multifunksjonelle, konforme dynamiske enzymer som er vanskelige å studere med tradisjonelle strukturelle biologi tilnærminger. HDX-MS gir en ideell og tilpasningsdyktig plattform for å undersøke de mekanistiske egenskapene til disse typer enzymer.

Det er nødvendig å vurdere kvaliteten på den proteolytiske fordøyelsen og arbeidsflytens reproduserbarhet for hvert sett med prøveinjeksjoner. Før HDX-MS-analyser utføres, er det derfor viktig å etablere effektive forhold for proteolysen av proteinet av interesse, for separasjon av peptider ved hjelp av omvendt fase flytende kromatografi og gassfase ionmobilitet, og for påvisning av peptider ved hjelp av MS. Til dette formål bør referanseprøvene for proteinet av interesse (samlet i fravær av deuterium) under...

Watch this Scientific Journal Video about A Hydrogen-Deuterium Exchange Mass Spectrometry HDX-MS Platform for Investigating Peptide Biosynthetic Enzymes at JoVE.com

A Hydrogen-Deuterium Exchange Mass Spectrometry HDX-MS Platform for Investigating Peptide Biosynthetic Enzymes

Lanthipeptide synthetases katalyserer multistep reaksjoner under biosyntesen av peptid naturlige produkter. Her beskriver vi en kontinuerlig, nedenfra-og-opp, hydrogen-deuterium utveksling masse spektrometri (HDX-MS) arbeidsflyt som kan brukes til å studere konformasjonsdynamikken til lanthipeptid synthetaser, samt andre lignende enzymer involvert i peptid naturlig produkt biosyntese.

En Hydrogen-Deuterium Exchange Mass Spectrometry (HDX-MS) plattform for undersøkelse av peptidbiosyntetiske enzymer

Hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) is a powerful method for the biophysical characterization of enzyme conformational changes and ...

Research

JoVE Journal

Biochemistry

A Hydrogen-Deuterium Exchange Mass Spectrometry (HDX-MS) Platform for Investigating Peptide Biosynthetic Enzymes

Time-resolved ElectroSpray Ionization Hydrogen-deuterium Exchange Mass Spectrometry for Studying Protein Structure and Dynamics

Time-løst elektrospray-ionisering Hydrogen-deuterium Veksling massespektrometri for å studere Protein struktur og dynamikk

Intrinsically disordered proteins (IDPs) have long been a challenge to structural biologists due to their lack of stable secondary structure elements. ...

Resolving Affinity Purified Protein Complexes by Blue Native PAGE and Protein Correlation Profiling

Løse affinitetsrenset protein komplekser av Blå Native PAGE og Protein korrelasjon Profiling

Most proteins act in association with others; hence, it is crucial to characterize these functional units in order to fully understand biological ...

Lipid Droplet Isolation for Quantitative Mass Spectrometry Analysis

Lipid Droplet Isolasjon for Quantitative massespektrometri analyse

Lipid droplets are vital to the replication of a variety of different pathogens, most prominently the Hepatitis C Virus (HCV), as the putative site of ...

Sample Preparation for Mass Spectrometry-based Identification of RNA-binding Regions

Eksempel forberedelse til masse massespektrometri-baserte identifikasjon av RNA-bindende områder

Noncoding RNAs play important roles in several nuclear processes, including regulating gene expression, chromatin structure, and DNA repair. In most ...

Optimal Preparation of Formalin Fixed Samples for Peptide Based Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging Workflows

Optimal utarbeidelse av Formalin fast prøver for peptid basert Matrix assistert Laser desorpsjon/ionisering massespektrometri Imaging arbeidsflyter

The use of matrix-assisted laser desorption/ionization, mass spectrometry imaging (MALDI MSI) has rapidly expanded, since this technique analyzes a host ...

Defining Hsp33's Redox-regulated Chaperone Activity and Mapping Conformational Changes on Hsp33 Using Hydrogen-deuterium Exchange Mass Spectrometry

Definere Hsp33's Redox regulert Anstandsdame aktivitet og kartlegging Conformational endringer på Hsp33 med Hydrogen-deuterium Exchange massespektrometri

Living organisms regularly need to cope with fluctuating environments during their life cycle, including changes in temperature, pH, the accumulation of ...

Detection of Protein Ubiquitination Sites by Peptide Enrichment and Mass Spectrometry

Påvisning av protein ubiquitination nettsteder av peptid berikelse og masse spektrometri

The posttranslational modification of proteins by the small protein ubiquitin is involved in many cellular events. After tryptic digestion of ...

Nitropeptide Profiling and Identification Illustrated by Angiotensin II

Nitropeptide profilering og identifisering illustrert av angiotensin II

Protein nitration is one of the most important post-translational modifications (PTM) on tyrosine residues and it can be induced by chemical actions of ...

A Plasma Sample Preparation for Mass Spectrometry using an Automated Workstation

En plasmaprøve forberedelse for massespektrometri ved hjelp av en automatisert arbeidsstasjon

Sample preparation for mass spectrometry analysis in proteomics requires enzymatic cleavage of proteins into a peptide mixture. This process involves ...

Sample Preparation for Probe Electrospray Ionization Mass Spectrometry

Prøve forberedelse til sonde elektrospray ionisering massespektrometri

Mass spectrometry (MS) is a powerful tool in analytical chemistry because it provides very accurate information about molecules, such as mass-to-charge ...