Proteomické aplikace a experimenty v onkologickém výzkumu. Pavel Bouchal

Podobné dokumenty
Pražské analytické centrum inovací Projekt CZ / /0002 spolufinancovaný ESF a Státním rozpočtem ČR

Gel-based a Gel-free kvantifikace v proteomice

asné proteomiky Pavel Bouchal Laboratoř proteomiky Ústav biochemie PřF MU

Kvantitativní proteomická analýza. Martin Hubálek

Jaterní homogenát, preparativní nanáška 2 mg, barvení koloidní Coomassie Blue 1025 spotů. ph 4 ph 7

Určení molekulové hmotnosti: ESI a nanoesi

PROTEOMIKA 2015 SHOT-GUN LC, IEF

Separační metody používané v proteomice

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

MENÍ A INTERPRETACE SPEKTER BIOMOLEKUL. Miloslav Šanda

Dvoudimenzionální elektroforéza

Cysteinové adukty globinu jako potenciální biomarkery expozice styrenu

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Metody používané v MB. analýza proteinů, nukleových kyselin

Metody používané v MB. analýza proteinů, nukleových kyselin

Vývoj biomarkerů. Jindra Vrzalová, Ondrej Topolčan, Radka Fuchsová FN Plzeň, LF v Plzni UK

Kvantitativní proteomická analýza

Příprava vzorků pro proteomickou analýzu

Klinická a farmaceutická analýza. Petr Kozlík Katedra analytické chemie

HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE

VYUŽITÍ HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE V DIAGNOSTICE A VE VÝZKUMU AMYLOIDÓZY

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti URČOVÁNÍ PRIMÁRNÍ STRUKTURY BÍLKOVIN

Uplatnění proteomiky v molekulární klasifikaci meduloblastomu Lenka Hernychová

Metody používané v MB. analýza proteinů, nukleových kyselin

Hmotnostní spektrometrie. Historie MS. Schéma MS

Hmotnostní detekce v separačních metodách

Metabolismus bílkovin. Václav Pelouch

VÝBĚROVÁ ŘÍZENÍ CENTRUM REGIONU HANÁ PROJEKT EXCELENTNÍ VÝZKUM (OP VVV)

Možná uplatnění proteomiky směrem do klinické praxe

PROTEOMIKA 2017 SHOT-GUN METODY

HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE - kvalitativní i kvantitativní detekce v GC a LC - pyrolýzní hmotnostní spektrometrie - analýza polutantů v životním

Hmotnostní spektrometrie v klinické laboratoři

METODY STUDIA PROTEINŮ


PŘÍPRAVA PROTEINOVÉHO VZORKU PRO MS ANALÝZU. Hana Konečná

PROTEOMIKA 2018 SHOT-GUN METODY

HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE

INTERPRETACE HMOTNOSTNÍCH SPEKTER

Charakterizace proteinů hmotnostní spektrometrií

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti ELEKTROMIGRAČNÍ METODY

Tématické okruhy pro státní závěrečné zkoušky

Masarykova univerzita. Přírodovědecká fakulta Katedra biochemie. Nejnovější proteomické technologie

SYNTETICKÉ OLIGONUKLEOTIDY

Aplikace hmotnostní spektrometrie. Hmotnostní spektrometr měří pouze hmotnost, na nás je jak toho využijeme.

LABORATOŘ OBORU I ÚSTAV ORGANICKÉ TECHNOLOGIE (111) Použití GC-MS spektrometrie

Hmotnostní spektrometrie

Typizace amyloidóz pomocí laserové mikrodisekce a hmotnostní spektrometrie

LC/MS a CE/MS v proteomické analýze

IZOLACE, SEPARACE A DETEKCE PROTEINŮ I. Vlasta Němcová, Michael Jelínek, Jan Šrámek

No. 1- určete MW, vysvětlení izotopů

Bílkoviny - proteiny

Struktura proteinů. - testík na procvičení. Vladimíra Kvasnicová

Indentifikace molekul a kvantitativní analýza pomocí MS

Výzkumné centrum genomiky a proteomiky. Ústav experimentální medicíny AV ČR, v.v.i.


PROTEINY. Biochemický ústav LF MU (H.P.)

Zpráva ze zahraniční odborné stáže

Hmotnostní spektrometrie

Analýza proteinů pomocí hmotnostní spektrometrie

Diagnostika bronchiálního. ho astmatu HPLC/MS analýzou. Kamila Syslová Ústav organické technologie

Hmotnostní analyzátory a detektory iont

Vizualizace DNA ETHIDIUM BROMID. fluorescenční barva interkalační činidlo. do gelu do pufru barvení po elfu SYBR GREEN

STANOVENÍ AMINOKYSELINOVÉHO SLOŽENÍ BÍLKOVIN. Postup stanovení aminokyselinového složení

NMR biomakromolekul RCSB PDB. Progr. NMR

Centrum aplikované genomiky, Ústav dědičných metabolických poruch, 1.LFUK

jako markeru oxidativního

Základy hmotnostní spektrometrie

Aminokyseliny příručka pro učitele. Obecné informace: Téma otevírá kapitolu Bílkoviny, která svým rozsahem překračuje rámec jedné vyučovací hodiny.

Analytická technika HPLC-MS/MS a možnosti jejího využití v hygieně

S P E K T R O M E T R I E 2. roník listopadu 2009

Odůvodnění veřejné zakázky

Proteiny Genová exprese Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

Metody práce s proteinovými komplexy

Hmotnostní spektrometrie - Mass Spectrometry (MS)

Název: Vypracovala: Datum: Zuzana Lacková

Chromatofokusace. separace proteinů na základě jejich pi vysoké rozlišení. není potřeba připravovat ph gradient zaostřovací efekt jednoduchost

Program 14. ročníku Školy hmotnostní spektrometrie

Možnosti využití elektromigračních technik při studiu vlastností mikroorganismů. Anna Kubesová

p- SRM, SWATH a HRM cílené proteomické přístupy na hmotnostním spektrometru TripleTOF a jejich aplikace v onkologickém výzkumu

HPLC/MS tělních tekutin nový rozměr v medicinální diagnostice

MOLEKULÁRNĚ BIOLOGICKÉ METODY V ENVIRONMENTÁLNÍ MIKROBIOLOGII. Martina Nováková, VŠCHT Praha

Izolace RNA. doc. RNDr. Jan Vondráček, PhD..

Předběžný program 15. ročníku Školy hmotnostní spektrometrie. pořádané Spektroskopickou společností Jana Marka Marci. Frymburk

Hybridizace nukleových kyselin

Sobota Neděle

Vysokoúčinná kapalinová chromatografie. Petr Kozlík Katedra analytické chemie

PROTEOMIKA Prezentace z přednášek na adrese:

Metabolismus aminokyselin. Vladimíra Kvasnicová

Přehled pracovišť pro trainee

Pondělí 10. září 2007

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Translace, techniky práce s DNA

Stručná historie hmotnostní spektrometrie. Analytická chemie II: Úvod do hmotnostní spektrometrie. Stručná historie hmotnostní spektrometrie.

Mikročipy v mikrobiologii


Rekombinantní protilátky, bakteriofágy, aptamery a peptidové scaffoldy pro analytické a terapeutické účely Luděk Eyer

Interakce proteinu p53 s genomovou DNA v kontextu chromatinu glioblastoma buněk

Identifikace proteinu (z gelu nebo z roztoku)

Transkript:

Proteomické aplikace a experimenty v onkologickém výzkumu Pavel Bouchal

Analýza genové exprese: mrna nebo protein? Protein: proteom (PROTEin complement expressed by a genome) informace o skutečných efektorech buněčných procesů (což není případ mrna) proteiny jsou oproti mrna chemicky velmi heterogenní různá hydrofobicita aminokyselin stanovení genové exprese na úrovni proteinu je technicky složitější mrna: transkriptom hladiny mrna neodpovídají plně hladinám proteinů (degradace mrnačas, splice varianty, posttranslační modifikace proteinů) stanovení genové exprese je snadnější ve srovnání s proteiny

R H C COOH NH 2 PŘEHLED AMINOKYSELIN CH 3 H Gly Trp N CH 2 HS CH 2 Cys H 2 N CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 Lys CH 3 S CH 2 CH 2 H 2 N C NH CH 2 CH 2 CH 2 Ala CH 2 Met NH Arg H 3 C H 3 C CH Phe HOOC CH 2 Asp N NH CH 2 Val HO CH 2 HOOC CH 2 CH 2 His H 3 C H 3 C CH CH 2 Leu Tyr HO CH 2 Ser Glu H 2 N C CH 2 O Asn CH 2 CH 2 CH 2 CH NH Pro COOH H 3 C CH 2 H 3 C Ile CH H 3 C CH OH Thr H 2 N O C CH 2 Gln CH 2 HSe CH 2 SeCys

Analýza genové exprese: metody k dispozici mrna metody nejprve přepis mrna cdna (reverzní transkriptáza) qrt-pcr analýza exprese 1 genu PCR amplifikace více genů: čipové metody (expresní čipy-i pro celý genom): na principu hybridizace nebo se zahrnutím PCR (citlivější) Proteinové metody Separace proteinů (elektroforéza, chromatografie) nebo peptidů-před MS Identifikace proteinů: hmotnostní spektrometrie (MS), nebo imunochemie - protilátky Protilátky: proti konkrétnímu proteinu (variantě), velmi specifické (ale někdy crossreaktivita!), velmi citlivé MS: kvantifikace i několika tisíc proteinů v 1 analýze, méně citlivé

Proteinové metody: rozlišení a citlivost Rozlišení Citlivost

Dynamický rozsah koncentrací proteinů v proteomice Jednotlivé proteiny v celobuněčném vzorku se liší až o 12 řádů v rozsahu koncentrací Více koncentrované proteiny zákonitě překrývají ty méně koncentrované Málo koncentrované proteiny jsou pod limitem detekce Náznak řešení: Frakcionace biologických vzorků Odstranění nejkoncentrovanějších proteinů (např. albuminu a dalších z krevní plasmy) Použití imunochemie namísto MS (+/-) Kvantifikace exprese na úrovni transkriptu (+/-)

Proteomické workflow z jakých přístupů můžeme vybírat? Experimenty v onkologickém výzkumu Funkční studie Protein-proteinové interakce Strukturní charakterizace proteinů Vyhledávání biomarkerů Verifikace a validace biomarkerů jak sestavit svůj experiment a jaké přístupy zvolit? Statistická analýza a validace na dalších biologických úrovních nejdůležitější poznámky ke statistice databáze použitelné při interpretaci výsledků

I. Nejpoužívanější proteomické přístupy a jejich kombinace Dvourozměrná gelová elektroforéza (2-DE) Hmotnostní spektrometrie a její možnosti SELDI-TOF-MS SILAC-LC-MS itraq-(2d)lc-ms/ms Cílená proteomika (SRM) Protilátkové arrays (cell arrays, tissue arays)

Klasické proteomické workflow (2-DE-MS) 1. Rozměr 2-DE: isoelektrická fokusace IPG-IEF =proužky s imobilizovaným ph gradientem) dobrá reprodukovatelnost, napětí až 10000 V, současný standard, komerčně dostupné 2. Rozměr 2-DE: SDS-PAGE Ekvilibrace IPG proužků před SDS-PAGE: obalení ů proteinů SDS, redukce (DTT) a alkylace (jodacetamid) SDS-PAGE (malý i velký formát) 10 až 12 % (homogenní) M r 15000-100000 8-16% (porozitní gradient) M r 10000-150000 reprodukovatelnost! Barvení gelů Obrazová analýza Identifikace proteinů hmotnostní spektrometrií

2-D DIGE (diferenční 2-D elektroforéza)

2-D proteinová mapa pi Langen H. et al.: 2-DE map of human brain proteins. Electrophoresis 20, 907 (1999)

Hmotnostní spektrometrie MS spektrum Intenzita m/z Iontové zdroje: MALDI (matrix-assisted laser desorptionionization) ESI (electrospray ionization) Analyzátory: TOF (time-of-flight) Q3 (trojitý kvadrupól) IT (ion trap-iontová past) Orbitrap Kombinace analyzátorů - >hybridní systémy

Co umožňuje hmotnostní spektrometrie Identifikace proteinů z gelu a roztoku: Štěpení trypsinem na peptidy MS spektrum peptide mass fingerprinting v MS módu peptidy ve hmotnostním spektrometru lze dále fragmentovat částečná sekvenace peptidů peptide mass fingerprinting v MS/MS módu (přesnější identifikace) identifikace proteinů na základě srovnání s databázemi Kvantifikace proteinů a peptidů: kvantifikace proteinů: SELDI-TOF MS, MALDI imaging kvantifikace peptidů v MS módu: SILAC, label-free kvantifikace (LFQ) kvantifikace peptidů v MS/MS módu: itraq, SRM

MS versus MS/MS

SELDI TOF MS Surface enhanced laser desorption-ionization timeof-flight mass spectrometry Příprava vzorku: podobně jako pro 2-DE Surface=povrch čipu, na nějž se proteiny vážou na základě chemické nebo biochemické interakce Cu 2+

SELDI TOF MS SELDI-TOF MS pracuje pouze v MS módu, detekuje celé intaktní proteiny SELDI TOF MS spektrum

Kvantifikace pomocí SELDI-TOF MS Princip: Srovnání ploch píků mezi spektry - např. vzorky různých pacientů Identifikace proteinů=problém! kombinací separačních přístupů a externího MS/MS zdlouhavá, často se nedaří. Je třeba mít štěstí

II. Proteomické workflow LC-MS Návrh experimentu Extrakce proteinů/příprava vzorku Štěpení proteinů na peptidy Frakcionace LC-MS/MS analýza Analýza dat: Identifikace a kvantifikace proteinů Statistická analýza dat

Extrakce proteinů/příprava vzorku pro LC-MS Mechanická homogenizace v lyzačních pufrech na různé bázi: Denaturant močovina 2-8 M SDS až 4% (CMC~0.5%) Rapigest výhody a nevýhody? Redukční činidlo dithiothreitol (DTT) tris(carboxyethyl)fosfin (TCEP)

Štěpení proteinů In-solution In-gel Filter aided sample preparation (FASP) Precipitace proteinů - optional Redukce S-S můstků Alkylace SH skupin (jodacetamid, MMTS) Trypsin (C-strana Lys, Arg pokud nenásleduje Pro) Lys-C (C-strana Lys i když následuje Pro)

Frakcionace Snížení komplexity u komplexních vzorků (buněčné a tkáňové lyzáty, séra) pro necílené analýzy => zvýšení pokrytí proteomu Frakcionace proteinů SDS-PAGE (SEC), pak in-gel digest Frakcionace peptidů SCX-strong cation exchange RP-reverzní fáze v alkalickém ph HILIC-hydrofilní chromatografie Orthogonalita separace vůči následné LC-MS/MS analýze (RP v kyselém ph)

Kvantifikace s použitím SILAC značení SILAC= Stable isotope labeling by amino acids in cell culture Značené AK k dispozici: Lys, Arg

Kvantifikace s použitím SILAC značení control treated

itraq (2D)LC-MS/MS itraq = Isobaric tags for relative and absolute quantitation Postup: Příprava vzorku (např. 0.1% SDS) až 8 kvantitativně srovnávaných vzorků v 1 analýze Redukce a alkylace Digesce trypsinem Značení (itraq značky: 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121) Smíchání 8 značených digestů Frakcionace peptidů (SCX, RPalk., IPG, HILIC, ) Kvantifikace a identifikace proteinů (LC-MS/MS nebo MALDI- MS/MS)

itraq (2D)LC-MS/MS

Schéma typického itraq 2DLC-MS/MS experimentu (zde 3-plex, nyní je možný až 8-plex) Sample 1 Sample 2 Sample 3 Reduce / Block Cysteines Reduce / Block Cysteines Reduce / Block Cysteines Trypsin Digestion Trypsin Digestion Trypsin Digestion itraq LABEL 115 itraq LABEL 117 itraq LABEL 116 Mix Off-line Sample Clean-up & Peptide Fractionation with SCX HPLC Column De-Salt & Filter SCX Fractions On-line RP-LC-MS-MS Analysis of SCX Fractions

MS/MS spektrum peptidu s itraq reportérovými ionty

Cílená proteomika a selected reaction monitoring (SRM)

SRM a cílená proteomika SRM=multiple reaction monitoring (=MRM=multiple reaction monitoring) Metoda kvantifikace peptidů z vybraného proteinu na základě tzv. přechodů (transitions) Metoda vysoce selektivní, citlivá, používaná v analýze nízkomolekulárních látek Velký potenciál pro validaci výsledků z proteomických studií jako HMOTNOSTNĚ-SPEKTROMETRICKÝ WESTERN BLOT místo přípravy protilátky by mohl stačit návrh přechodu pomocí software Uvádí se postupně do praxe, vyžaduje vývoj metody na konkrétní proteiny

LC-MS/MS analýza (instrumentace v RECAMO) LC: RP v kyselém ph (formic acid (FA)) on-line spojena s MS MS/MS analýza: Orbitrap ELITE (Thermo) CID/HCD/ETD TripleTOF 5600+ (ABSCIEX) necílená i cílená kvantifikace, SWATH

Protilátkové arrays Cell array Tissue array (imunohistochemie)

Srovnání proteomických metod: Výhody a nevýhody (úkol pro studenty na přednášce k doplnění) 2-DE SELDI SILAC itraq-(2d)lc-ms/ms SRM + -

Proteomické workflow z jakých přístupů můžeme vybírat? Experimenty v onkologickém výzkumu Funkční studie Protein-proteinové interakce Strukturní charakterizace proteinů Vyhledávání biomarkerů Verifikace a validace biomarkerů jak sestavit svůj experiment a jaké přístupy zvolit? Statistická analýza a validace na dalších biologických úrovních nejdůležitější poznámky ke statistice databáze použitelné při interpretaci výsledků

III. Proteomické experimenty v onkologickém výzkumu Funkční studie Protein-proteinové interakce Struktura proteinů a proteinových komplexů Vyhledávání biomarkerů Verifikace a validace biomarkerů

Návrh experimentu Volba vhodného materiálu dáno typem experimentu buněčné linie, xenografty, tkáňové lyzáty, archivní FFPE materiál, mikrodisekované (LCM) buňky z něj, kostní dřeň, sekretované proteiny, krevní sérum/plasma Volba kvantifikačního postupu 2-DE/SELDI/SILAC/iTRAQ/LFQ/SRM Design experimentu Biologické replikáty Analytické replikáty Randomizace Blocking

A. Funkční studie Buněčné linie, případně in vivo modely Umlčení exprese genu v buněčné linii přirozeně produkující daný protein: sirna, TALEN (vs. kontrola) Mutantní forma proteinu (vs. wild type) Navození exprese genu v buněčné linii přirozeně neprodukující daný protein: (Stabilně) transfekovaná linie Funkční charakterizace na buněčné úrovni (např. rozdíly v invazivitě, migraci, proliferaci, expresi markerových proteinů signálních drah,.) Proteomika jako systémově biologický nástroj může pomoci odhalit globální molekulární odpověď na (ne)přítomnost sledovaného proteinu a tedy souvislost se změnami hladin dalších proteinů funkčních partnerů Sledujeme změny hladin všech detekovaných proteinů

Workflow: Funkční studie Návrh experimentu? Volba kvantifikačního přístupu? Extrakce proteinů/příprava vzorku Štěpení proteinů na peptidy Frakcionace? LC-MS/MS analýza Analýza dat: Identifikace a kvantifikace proteinů Statistická analýza dat?

B. Analýza protein-protein interakcí

Cross-linkery při identifikaci proteinprotein interakčních partnerů

Workflow: analýza protein-protein interakcí Návrh experimentu? Volba kvantifikačního přístupu? Extrakce proteinů/příprava vzorku Štěpení proteinů na peptidy Frakcionace? LC-MS/MS analýza Analýza dat: Identifikace a kvantifikace proteinů Statistická analýza dat?

C. Proteomika a strukturní charakterizace proteinů Top-down approach (=analýza intaktních proteinů bez štěpení proteázou, ETD fragmentace) (vs. bottom-up) H/D exchange protein-protein interakce v čase Posttranslační modifikace (PTM) fosforylace, glykosylace, acetylace hladina proteinu vs. změna PTM!

D. Proteomika při vyhledávání biomarkerů Značný klinický zájem Úspěšnost uplatnění v klinické praxi zatím malá celá řada důvodů Biomarkerová krize 2008-9 Poté posun v pokrytí proteomu díky masovějšímu uplatnění analyzátoru Orbitrap Nutno věnovat zásadní pozornost -správně položené klinické otázce -výběru vzorků -experimentálnímu designu -kvalitě klinických vzorků -statistické analýze -verifikaci proteomických dat

Jaký biologický materiál analyzovat? Modelové systémy - buněčné linie Tkáně Buňky mikodisekované z tkání (LCM laser captured microdissection) Kostní dřeň leukémie Plasma sérum? Vzorky od pacientů - etická pravidla!!

Workflow: Vyhledávání biomarkerů Návrh experimentu? Volba kvantifikačního přístupu? Extrakce proteinů/příprava vzorku? Štěpení proteinů na peptidy Frakcionace? LC-MS/MS analýza Analýza dat: Identifikace a kvantifikace proteinů Statistická analýza dat?

E. Verifikace a validace potenciálních biomarkerů Screeningové metody: 2-DE, SELDI-TOF MS, SILAC-LC-MS, itraq-(2d)lc-ms/ms, LFQ-MS Validační metody na proteinové úrovni: western bloting, SRM Validační metody na úrovni mrna (???): qrt-pcr, (expresní čipy) Validační metoda na proteinové úrovni tkáňové řezy: Imunohistochemie!!

Verifikace a validace potenciálních biomarkerů kvantitativní vs. funkční verifikace Imunohistochemie (IHC) negativní pozitivní IHC vs. cílená proteomika

Verifikace a validace potenciálních biomarkerů pomocí cílené proteomiky Návrh SRM metod -výběr detekovatelných proteotypických peptidů (na základě vlastních naměřených dat nebo knihovny spekter např. SRM atlas) -výběr vhodných produktových iontů -testování na základě kvantitativních parametrů

Workflow: Verifikace a validace potenciálních biomarkerů pomocí cílené proteomiky Návrh experimentu? Training + validation sample set Volba kvantifikačního přístupu? Extrakce proteinů/příprava vzorku Štěpení proteinů na peptidy Frakcionace? LC-MS/MS analýza? Analýza dat: Identifikace a kvantifikace proteinů? Statistická analýza dat? SRM lze využít rovněž v základním onkol. výzkumu pro kvantifikaci proteinů jako alternativa western-blotů či ELISY SRM se používá jako rutinní kvantifikační metoda malých molekul

SWATH koncept v onkologickém výzkumu -myšlenka: digitální fingerprinty, z nichž je možné extrahovat kvantitativní proteomická data -digitized biobanking

IV. Statistika Při srovnání exprese nutnost paralelní analýzy minimálně 3+3 replikátů (analytické vs. biologické replikáty) Normalizace dat Kvantitativně vs. statisticky významný rozdíl: >2x vs. p-hodnota (Student t-test, Mann-Whitney test); Korelační analýza nutno přizpůsobit design studie Korekce na mnohonásobné testování (FDR-korekce) při srovnávání více než 2 vzorků vhodná konzultace se statistikem často nutnost aplikace pokročilých statistických metod Analyzujeme-li vzorky pacientů, soubor musí být dostatečně reprezentativní a klinicky (patologicky) charakterizovaný spolupráce s patologem, s lékaři

Heatmapa korelační analýza A B C D E F G H I J K L

Další zdroje informací reviews v předních světových časopisech + Quantitative Proteomics by Mass Spectrometry. Methods in Molecular Biology series, No.359, Sechi, S. (Ed.). Humana Press 2007

Děkuji za pozornost