Кіріспе
Белоктың аминоқышқылдық құрамын тізбектеу – бұл белок немесе пептидтің толық немесе бір бөлігінің аминоқышқылдық тізбесін анықтаудың практикалық процесі. Бұл белокты сәйкестендіруге немесе оның трансляциядан кейінгі өзгерістерін сипаттауға мүмкіндік береді. Әдетте, белоктың ішінара тізбектелуі, оны гендердің болжамды аудармасынан алынған белок тізбектерінің дерекқорларымен салыстырып анықтау үшін жеткілікті ақпарат (бір немесе бірнеше тізбек белгілері) ұсынады. Белок тізбектеуінің екі негізгі тікелей әдісі – массалық спектрометрия және белок тізбектеуіш (секвенсор) арқылы Эдман ыдырауы. Массалық спектрометрия әдістері қазір белок тізбектеу және сәйкестендіру үшін ең көп қолданылады, бірақ Эдман ыдырауы белоктың N-ұшын сипаттау үшін құнды құрал болып қалады.
Protein sequencing is the practical process of determining the amino acid sequence of all or part of a protein or peptide. This may serve to identify the protein or characterize its post translational modifications. Typically, partial sequencing of a protein provides sufficient information (one or more sequence tags) to identify it with reference to databases of protein sequences derived from the conceptual translation of genes. The two major direct methods of protein sequencing are mass spectrometry and Edman degradation using a protein sequenator (sequencer). Mass spectrometry methods are now the most widely used for protein sequencing and identification but Edman degradation remains a valuable tool for characterizing a protein's N terminus.
Аминоқышқылдардың құрамын анықтау
Кез келген реттілікті табуға тырысудан бұрын ақуыздың ретсіз аминқышқылдық құрамын білу жиі қажет, себебі бұл білім реттілеу процесіндегі қателерді анықтауға көмектеседі немесе күмәнді нәтижелерді ажыратуға мүмкіндік береді. Кейбір аминқышқылдардың жиілігін білу ақуызды ыдырату үшін қай протеазаны таңдау керектігін шешуге де пайдалы болуы мүмкін. Сондай-ақ, ақуыздарға кіріктірілген стандартты емес аминқышқылдардың (мысалы, норлейциннің) шамалы мөлшердегі қате кірігуін анықтауға болады. Аминқышқылдардың жиілігін анықтауға арналған, әдетте аминқышқылдық талдау деп аталатын әдіс мынадай: белгілі бір мөлшердегі ақуызды оның құрамына кіретін аминқышқылдарға дейін гидролиздеу. Содан кейін аминқышқылдарды бөліп, олардың мөлшерін анықтау керек.
Hydrolyse a known quantity of protein into its constituent amino acids. Separate and quantify the amino acids in some way.
Гидролиз
Гидролиз ақуыз үлгісін 6 М тұз қышқылында 100-110 °C температурада 24 сағат немесе одан ұзақ уақыт бойы қыздыру арқылы жасалады. Көптеген үлкен гидрофобтық топтары бар ақуыздарға ұзақ қыздыру қажет болуы мүмкін. Дегенмен, осы жағдайлар тым күшті болғандықтан, кейбір аминқышқылдары (серин, треонин, тирозин, триптофан, глутамин және цистеин) ыдырайды. Бұл мәселенің шешімі ретінде Biochemistry Online әртүрлі уақыт аралығында жеке үлгілерді қыздыруды, әрбір нәтижедегі ерітіндіні талдауды және гидролиз уақытын нөлге дейін экстраполяциялауды ұсынады. Расталл ыдырауды болдырмау немесе азайту үшін тиолдық реагенттерді, сондай-ақ триптофан мен тирозинді хлордың әсерінен қорғау үшін фенол және цистеинды алдын ала тотықтыру үшін түрлі реагенттерді ұсынады. Ол сонымен қатар амидтердің гидролизінің дәрежесін анықтау үшін бөлінген аммиак мөлшерін өлшеуді ұсынады.
Бөлу және өлшеу
Аминқышқылдары ион алмасу хроматографиясы арқылы бөлініп, оларды анықтауды жеңілдету үшін дериватизациялануы мүмкін. Көбінесе, аминқышқылдары дериватизацияланады, содан кейін кері фазалы ЖЖХ (HPLC) арқылы ажыратылады. Ион алмасу хроматографиясының мысалы ретінде NTRC сульфондалған полистиролды матрица ретінде пайдаланады, аминқышқылдарын қышқыл ерітіндісінде қосып, бағана арқылы үнемі арта түсетін pH буферін өткізеді. Аминқышқылдары pH олардың тиісті изоэлектрлік нүктелеріне жеткенде элюцияланады. Аминқышқылдары бөлінгеннен кейін, олардың мөлшері боялған туындыны құрайтын реагент қосылуы арқылы анықталады. Егер аминқышқылдарының мөлшері 10 нмольден жоғары болса, нингидрин қолданылуы мүмкін; ол пролинмен реакцияға түскенде сары түс береді, ал басқа аминқышқылдарымен – жарық қызыл түс береді. Аминқышқылының концентрациясы алынған ерітіндінің абсорбциясына пропорционалды. Өте аз мөлшерде, 10 пмольге дейін, ортофтальдегид (ОПА) немесе флуорескамин сияқты реагенттерді пайдаланып флуоресцентті туындылар құрастырылуы мүмкін. Бағанаға дейінгі дериватизация Эдман реагентін пайдаланып, УФ-сәулемен анықталатын туынды жасауға мүмкіндік береді. Жоғары сезімталдық флуоресцентті туынды жасайтын реагентті қолдану арқылы қол жеткізіледі. Дериватизацияланған аминқышқылдары кері фазалы хроматографияға ұшыратылады, әдетте C8 немесе C18 кремний бағанасы және оңтайландырылған элюция градиенті қолданылады. Элюцияланған аминқышқылдары УФ немесе флуоресценция детекторы арқылы анықталады, ал шыңдардың аудандары сынақтағы әр аминқышқылының мөлшерін анықтау үшін дериватизацияланған стандарттармен салыстырылады.
N-терминал амин қышқылдарын талдау
Пептидтік тізбектің N-ұшын құрайтын аминқышқылын анықтау екі себеппен маңызды: жеке пептидтік фрагменттердің тізбектерін толық тізбекке реттеуге көмектесу үшін, және Эдманның бірінші айналымы көбінесе қоспалармен ластануы мүмкін болғандықтан, N-ұшты аминқышқылын дәл анықтау қиын. N-ұшты аминқышқылдарды талдаудың жалпы әдісі келесідей: Пептидті терминалды аминқышқылды таңдап белгілейтін реагентпен реакцияластырыңыз. Белокты гидролизден өткізіңіз. Аминқышқылды хроматография арқылы анықтап, стандарттармен салыстырыңыз. Терминалды аминқышқылдарды белгілеу үшін қолданылатын көптеген әртүрлі реагенттер бар. Олардың барлығы амин топтарымен реакцияға түседі, сондықтан лизин сияқты аминқышқылдардың тізбектеріндегі амин топтарына да байланыстырылады. Осы себепті хроматограммаларды дұрыс интерпретациялау үшін сақ болу қажет. Екі ең көп қолданылатын реагент – Сангер реагенті (1-фтор-2,4-динитробензол) және данзил хлориді сияқты данзил туындылары. Эдманның ыдырау реакциясы үшін қолданылатын реагент – фенилизотиоцианат та қолданылуы мүмкін. Аминқышқылдар құрамын анықтаудағыдай мәселелер осында да қолданылады, бірақ бояу қажет емес, өйткені реагенттер түсті туындыларды жасайды және тек сапалық талдау қажет. Сондықтан аминқышқылды хроматографиялық бағанадан элюциялаудың қажеті жоқ, оны стандартпен салыстыру жеткілікті. Ескеру керек тағы бір мәселе – барлық амин топтары белгілеу реагентімен реакцияға түскендіктен, иондық алмасу хроматографиясын қолдануға болмайды, оның орнына қабатты хроматография немесе жоғары қысымды сұйық хроматографиясын қолдану керек.
React the peptide with a reagent that will selectively label the terminal amino acid. Hydrolyse the protein. Determine the amino acid by chromatography and comparison with standards. There are many different reagents which can be used to label terminal amino acids. They all react with amine groups and will therefore also bind to amine groups in the side chains of amino acids such as lysine for this reason it is necessary to be careful in interpreting chromatograms to ensure that the right spot is chosen. Two of the more common reagents are Sanger's reagent (1 fluoro 2,4 dinitrobenzene) and dansyl derivatives such as dansyl chloride. Phenylisothiocyanate, the reagent for the Edman degradation, can also be used. The same questions apply here as in the determination of amino acid composition, with the exception that no stain is needed, as the reagents produce coloured derivatives and only qualitative analysis is required. So the amino acid does not have to be eluted from the chromatography column, just compared with a standard. Another consideration to take into account is that, since any amine groups will have reacted with the labelling reagent, ion exchange chromatography cannot be used, and thin layer chromatography or high pressure liquid chromatography should be used instead.
С-терминал амин қышқылдарын талдау
С терминалды аминқышқылдарды талдауға қолданылатын әдістердің саны N терминалды талдауға қолданылатын әдістердің санынан әлдеқайда кем. Ең көп қолданылатын әдіс – карбоксипептидазаларды ақуыз ерітіндісіне қосу, белгілі бір уақыт аралықта үлгілер алу және аминқышқылдар концентрациясының уақытқа қатысты графигін талдау арқылы терминалды аминқышқылды анықтау. Бұл әдіс полипептидтер және N-терминалы блокталып қойған ақуыздар үшін өте тиімді. С-терминалды тізбектеу ДНК тізбектерінен болжамдалған ақуыздардың бастапқы құрылымын растауға және белгілі кодон тізбектерінен алынған ген өнімдерінің посттрансляциялық өңделуін анықтауға зор көмек болар еді.
Эдманның бұзылуы
Эдманның ыдырау реакциясы ақуыз тізбегін анықтау үшін өте маңызды, себебі ол ақуыздың реттелген аминқышқыл құрамын анықтауға мүмкіндік береді. Автоматтандырылған Эдман секвенсерлері қазір кеңінен қолданылады және шамамен 50 аминқышқылға дейінгі пептидтерді тізбектей алады. Эдман ыдырау арқылы ақуыз тізбегін анықтау реакциясының схемасы төменде келтірілген; кейбір қадамдар кейін толығырақ сипатталады. Ақуыздағы дисульфидтік байланыстарды 2-меркаптоэтанол сияқты тотықсыздандырушы затпен үзу керек. Байланыстардың қайта құрылуын болдырмау үшін йодүксус қышқылы сияқты қорғаушы топ қажет болуы мүмкін. Егер ақуыз кешенінде бірнеше тізбек болса, оларды бөліп тазалау қажет. Әр тізбектің аминқышқыл құрамын анықтаңыз. Әр тізбектің терминалды аминқышқылдарын анықтаңыз. Әр тізбекті 50 аминқышқылдан кіші фрагменттерге бөліңіз. Фрагменттерді бөліп тазалаңыз. Әр фрагменттің тізбегін анықтаңыз. Әртүрлі қию схемасын қолданып, процедураны қайталаңыз. Ақуыздың толық тізбегін құрастырыңыз.
Пептидті бөлшектерге өңдеу
50–70 аминқышқылынан ұзын пептидтерді Эдман ыдырауы арқылы сенімді түрде анықтау мүмкін емес. Сондықтан ұзын протеин тізбектерін кішірек фрагменттерге бөлу қажет, оларды жеке-жеке анықтауға болады. Бөлу трипсин немесе пепсин сияқты эндопептидазалармен немесе цианоген бромиді сияқты химиялық реагенттермен жүргізіледі. Әртүрлі ферменттер әртүрлі бөліну схемаларын береді, ал фрагменттердің арасындағы үлестірулер толық тізбекті құруға көмектеседі.
Реакция
Пептид, тізбектеледін, қатты бетке сіңіріледі. Көп қолданылатын субстрат – полибренмен қапталған шыны талшығы, катиондық полимер. Адсорбцияланған пептидке Эдман реагенті, фенилизотиоцианат (PITC) және 12% триметиламиннің әлсіз негізді буферлік ерітіндісі қосылады. Бұл N-терминалды аминқышқылының амин тобымен әрекеттеседі. Терминалды аминқышқылы құрғақ қышқыл қосу арқылы таңдап алынуы мүмкін. Содан кейін туынды изомерленіп, алмастырылған фенилтиогидантоинға айналады, оны жуу арқылы және хроматографиямен анықтауға болады, ал цикл қайталанады. Әр қадамның тиімділігі шамамен 98% құрайды, бұл шамамен 50 аминқышқылын сенімді анықтауға мүмкіндік береді.
Белокті секвенсер
Белок секвенизаторы – Эдман ыдырауын автоматты түрде жүзеге асыратын машина. Ақуыз немесе пептидтің үлгісі белок секвенизаторының реакциялық ыдысында бекітіледі және Эдман ыдырауы орындалады. Әрбір цикл ақуыздың немесе пептидтің N-терминалынан бір аминқышқылды бөліп шығарып, оны туындыға айналдырады, ал бөлінген аминқышқыл туындысы HPLC арқылы анықталады. Тізбектеу процесі барлық полипептидтің толық өлшенетін тізбегі анықталғанға дейін немесе алдын ала белгіленген циклдар санына дейін қайталап орындалады.
Массалық спектрометрия арқылы анықтау
Белоктарды анықтау – қызығушылық тудыратын белокқа (POI) оның аминқышқылының тізбегіне сүйене отырып атау беру процесі. Көбінесе, белокты анықтау үшін, оның гендерінің ДНҚ тізбектерінен есептелген белок тізбектерінің дерекқорымен салыстырып, белок тізбегінің бір бөлігін ғана тәжірибелік жолмен анықтау жеткілікті. Белокты одан әрі сипаттау POI-ның нақты N және C-терминалдарын растауды, тізбек нұсқаларын анықтауды және кез келген пост-трансляциялық модификацияларды анықтауды қамтиды.
Протеолитикалық дигесттер
Белсенділерді анықтаудың жалпы схемасы сипатталған. POI әдетте SDS PAGE немесе хроматография арқылы оқшауланады. Оқшауланған POI цистеин қалдықтарын тұрақтандыру үшін химиялық түрлендірілуі мүмкін (мысалы, S амидометилациясы немесе S карбоксиметилациясы). POI пептидтерді алу үшін белгілі бір протеазамен қорытылады. Лизин немесе аргинин қалдықтарының C-терминалды жағында селективті түрде кесетін трипсин – ең көп қолданылатын протеаза. Оның артықшылықтары: i) ақуыздардағы Лиз және Арг қалдықтарының жиілігі, ii) ферменттің жоғары ерекшелігі, iii) ферменттің тұрақтылығы және iv) триптик пептидтердің массалық спектрометрияға қолайлылығы. Пептидтерді иондалатын қоспаларды жою үшін тұзсыздандырып, содан кейін MALDI TOF массалық спектрометриясына талдауға жіберуге болады. Пептидтердің массасын тікелей өлшеу ақуызды анықтау үшін жеткілікті ақпарат бере алады (пептидтік массалық ізге қараңыз), бірақ пептидтердің массалық спектрометрдегі одан әрі фрагментациясы көбінесе пептидтер туралы қосымша мәліметтер алу үшін қолданылады. Пептидтерді тұзсыздандырып, кері фазалы ЖСХБ (HPLC) арқылы бөліп, ESI көзі арқылы массалық спектрометрге енгізуге болады. LC ESI MS, MALDI MS-қа қарағанда ақуызды анықтау үшін көбірек ақпарат ұсынуы мүмкін, бірақ құралды пайдалану уақыты ұзақ. Массалық спектрометр түріне байланысты пептид иондарының фрагментациясы түрлі механизмдер арқылы жүруі мүмкін, мысалы, соқтығысумен шақырылған диссоциация (CID) немесе көзден кейінгі ыдырау (PSD). Әр жағдайда пептидтің фрагмент иондарының үлгісі оның тізбегі туралы ақпарат береді. Пептид иондарының және олардың фрагмент иондарының өлшенген массасын қамтитын мәліметтер, ақуыз тізбектерінің дерекқорының *in silico* протеолизі мен фрагментациясынан алынған есептелген массалық мәндермен салыстырылады. Егер ұпайлар талдау параметрлеріне негізделген шекті мәннен асып кетсе, сәйкестік табылады. Нақты ақуыз деректер базасында ұсынылмаған жағдайда да, қатеге төзімді сәйкестендіру гомологты ақуыздарға ұқсастығына негізделген ақуызды болжамды анықтауға мүмкіндік береді. Бұл талдауды жүзеге асыру үшін әртүрлі бағдарламалық пакеттер қол жетімді. Бағдарламалық қамтамасыз ету пакеттері әдетте әрбір анықталған ақуыздың идентификаторын (кіру коды), оның сәйкестік ұпайын көрсететін есеп дайындайды және бірнеше ақуыз анықталғанда сәйкестіктің салыстырмалы күшін өлшеу үшін көрсеткіш ұсынады. Тізбек қаптамасын көрсету үшін анықталған ақуыз тізбегіндегі сәйкес пептидтердің диаграммасы жиі қолданылады (пептидтер ретінде анықталған ақуыздың %). Егер POI сәйкес ақуызға қарағанда едәуір кішірек болса, диаграмма POI анықталған ақуыздың N- немесе C-терминалды фрагменті екенін көрсетеді.
De novo реттілік
Пептидтің фрагментация үлгісі оның тізбегін de novo тізбектеу арқылы тікелей анықтауға мүмкіндік береді. Бұл тізбекті ақуыз тізбектерінің дерекқорларымен салыстыруға немесе пост-трансляциялық немесе химиялық өзгерістерді зерттеуге қолдануға болады. Бұл, жоғарыда аталғандай, ақуызды анықтауға қосымша куәліктер беруі мүмкін.
N және C-терминалдар
Белоктарды анықтау кезінде сәйкес келген пептидтер, сәйкес белок үшін болжанған N немесе C терминалдарын міндетті түрде қамтымайды. Бұл себебі N немесе C терминалды пептидтерді MS (масс-спектрометрия) арқылы анықтау қиын болуы мүмкін (мысалы, тым қысқа немесе тым ұзын болғандықтан), пост-трансляциялық модификацияға ұшырағандықтан (мысалы, N-терминалды ацетилдену) немесе болжамнан шын мәнінде өзгеше болуы мүмкін. Пост-трансляциялық модификацияларды немесе уысқан терминалдарды деректерді жан-жақты қарастыру арқылы анықтауға болады (яғни, de novo секвенциялау). Сондай-ақ, ерекшеленетін спецификалық протеазаны қолданып, қайтадан қорыту да тиімді болуы мүмкін.
Аудармадан кейінгі өзгерістер
МС деректерін белгілі протеин тізбегіне сүйенген болжамдармен егжей-тегжейлі салыстыру пост-трансляциялық модификацияларды анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін, бірақ деректерді алуға бағытталған тәсілдер де қолданылуы мүмкін. Мысалы, фосфопептидтерді арнайы тоғыту, протеиндегі фосфорилеу орындарын анықтауға көмектеседі. Массалық спектрометрде пептидтерді фрагментациялаудың ETD немесе ECD сияқты баламалы әдістері толықтыратын тізбек ақпаратын ұсынуы мүмкін.
Бүкіл массаны анықтау
Белоктың жалпы массасы – оның аминқышқыл қалдықтарының массаларының қосындысы, бір су молекуласының массасымен бірге, және посттрансляциялық модификациялар ескеріле отырып түзетіледі. Белоктар, олардан алынған пептидтерге қарағанда, нашар ионданады, бірақ ерітіндідегі белокты ESI MS талдауына жаратып, оның массасын 1:20 000 немесе одан да жоғары дәлдікпен өлшеуге болады. Бұл көбінесе белоктың терминальдік бөліктерін растауға (яғни, өлшенген массасы оның аминқышқыл тізбегінен күтілген мәнмен сәйкес келеді) және көптеген посттрансляциялық модификациялардың болуын немесе болмауын анықтауға жеткілікті.
Шектеулер
Протеолиз әрқашан қызығушылық тудыратын белоктың (POI) толық тізбесін қамтитын, оңай талданатын пептидтер жиынтығын бермейді. Массалық спектрометрде пептидтердің фрагментациясы көбінесе әрбір пептидтік байланыстағы шайқалуға сәйкес келетін иондарды шығармайды. Сондықтан, әрбір пептид үшін шешілген тізбек толық болуы міндетті емес. Стандартты фрагментациялау әдістері лейцин мен изолейцин қалдықтарын ажырата алмайды, себебі олар изомерлер. Эдманның ыдырау әдісі ақуыздың N-терминалынан басталатындықтан, егер N-терминалы химиялық түрде модификацияланған болса (мысалы, ацетилдену немесе пироглутамин қышқылының түзілуі арқылы) тиімді болмайды. Эдманның ыдырау әдісі дисульфидтік көпірлердің орналасуын анықтау үшін көбінесе қолданылмайды. Сонымен қатар, анықталатын нәтижелер алу үшін 1 пикомоль немесе одан да көп пептид мөлшері қажет, бұл оны массалық спектрометриядан гөрі аз сезімтал етеді.
ДНҚ/РНҚ тізбектерінен болжау
Биологияда ақуыздар мессенджер РНК (мРНК) трансляциясы арқылы өндіріледі, ал ақуыз тізбегі мРНК-дағы кодондар тізбегінен туындайды. мРНК өзі гендердің транскрипциясы арқылы түзіледі және одан әрі модификациялануы мүмкін. Бұл процестер компьютерлік алгоритмдерді пайдаланып ДНК тізбектерінен ақуыз тізбектерін болжауды автоматтандыру үшін жеткілікті деңгейде түсіндірілген, мысалы, геномдық ДНК тізбектеу жобаларынан және UniProt сияқты ақуыз тізбектерінің ірі дерекқорларын құруға мүмкіндік берді. Болжамды ақуыз тізбектері массалық спектрометрия арқылы ақуызды сәйкестендіру үшін маңызды ресурс болып табылады. Тарихи тұрғыдан алғанда, Эдман ыдырауы арқылы анықталған қысқа ақуыз тізбектері (10-нан 15-ке дейін қалдықтар) тиісті геннің немесе комплементарлы ДНК-ның молекулалық клондарын бөліп алу үшін зондтар немесе праймерлер ретінде қолданылатын ДНК тізбектеріне кері аударылды. Клондалған ДНК тізбегі анықталып, оның көмегімен ақуыздың толық аминқышқылдық тізбегі анықталды.
Биоинформатика құралдары
Биоинформатикалық құралдар масса спектрлерін түсіндіруге көмектеседі (de novo пептидті тізбектеуді қараңыз), белок тізбектерін салыстыруға немесе талдауға (тізбек талдауды қараңыз) немесе пептидтік немесе белок тізбектерін қолданып дерекқорларды іздеуге (BLAST қараңыз).
Криптографияға қолдану
Ақуыз тізбегін анықтаудың қиындығы жақында k рет іске қосылатын, содан кейін өзін-өзі жоятын бағдарламаларды – k уақыттық бағдарламаларды құру негізі ретінде ұсынылды. Мұндай бағдарламаны таза бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы жасау мүмкін емес, себебі барлық бағдарламалық қамтамасыз ету кез келген санымен көбейтілуге бейім.