4.2 Enzymatisch-Chemische Verdaus von P-gp
4.2.1 In-Gel-Verdau von P-gp
4.2.1.2 Chymotrypsin-In-Gel-Verdau
4.2.1.1 Trypsin-In-Gel-Verdau von P-gp
Es wird deutlich, dass die die Bindungsstellen beinhaltenden transmembranären Bereiche durch die angewandte Analysemethode fast überhaupt nicht abgedeckt werden und auch in den übrigen Bereichen noch einige kleinere Lücken in der Aminosäuresequenz vorhanden sind. Die erreichte Sequenzabdeckung ist in den TMDs für die Identifizierung modifizierter Bereiche im Rahmen von Photoaffinitätsmarkierungs-Experimenten viel zu niedrig und sollte darum durch den Einsatz von Enzymen mit besserer Zugänglichkeit zu diesen hydrophoben Bereichen gesteigert werden. Hierfür wurde zunächst die Protease Chymotrypsin ausgewählt, welche eine Präferenz für hydrophobe aliphatische und aromatische Aminosäuren aufweist und C-terminal von Isoleucin, Leucin, Methionin, Phenylalanin, Tryptophan und Tyrosin Peptidbindungen spaltet.
4.2.1.2 Chymotrypsin-In-Gel-Verdau
Verhältnisse von 2 : 1 (Protokoll Dr. Metzger) bzw. 1,25 : 1 und 0,125 : 1 (Protokoll Dr.
Hess) gewählt. Durch Verringerung der Menge an Chymotrypsin von 1,25 µg auf 0,125 µg konnte auch in diesem Fall der Eigenverdau des Enzyms deutlich zurückgedrängt und zugunsten des Verdaus von P-gp verschoben werden. Demnach ist für den In-Gel-Verdau von P-gp eine Chymotrypsinmenge von 0,125 µg (Enzym : Protein Verhältnis = 1 : 8) ausreichend und eine Erhöhung der Enzymmenge führt nicht zu einer verbesserten Sequenzabdeckung von P-gp.
Ein Vergleich der mit den beiden unterschiedlichen Verdauprotokollen erzielten Ergebnisse zeigte, dass analog dem Trypsin-In-Gel-Verdau im Wesentlichen dieselben Peptide gebildet wurden und die beiden Protokolle somit im Hinblick auf die erreichte Sequenzabdeckung von P-gp äquivalent sind. Deshalb wurden die mit den beiden Verdauprotokollen erzielten Ergebnisse zusammengefasst und in der nachfolgenden Tabelle 4.2 dargestellt.
Tab. 4.2: Peptide aus dem In-Gel-Verdau von P-gp mit Chymotrypsin der Firma Sigma-Aldrich.
[M+H]
+Sequenz Position Topologie
1057,73 AKAGAVAEEVL 248-258 ICL 2
1151,64 ATTIAENIRY 481-490 NBD 1
1158,67 DTLVGERGAQL 521-531 ABC-Motiv NBD 1
1291,77 IIEKTPLIDSY 1011-1021 Linker/NBD 2
1412,92 NYPTRPDIPVLQ 1043-1054 A-loop NBD 2
1618,89 DPTEGMVSVDGQDIR 445-459 NBD 1
1619,80 STKEALDESIPPVSF 683-697 Linker NBD 1-TM7
1634,85 DPTEGMoxVSVDGQDIR 445-459 NBD 1
1699,18 LREIIGVVSQEPVLF 466-480 Q-loop NBD 1
1725,81 STEGLMoxPNTLEGNVTF 1022-1037 Linker/NBD 2
1891,04 LLDEATSALDTESEAVVQ 553-570 Walker B/D-loop NBD 1 2174,26 LLDEATSALDTESEAVVQVAL 553-573 Walker B/D-loop NBD 1 2261,31 LLDEATSALDTESEKVVQEAL 1198-1218 Walker B/D-loop NBD 2
2365,18 DPTEGMoxVSVDGQDIRTINVRF 445-465 NBD 1
2486,48 ILLLDEATSALDTESEKVVQEAL 1196-1218 Walker B/D-loop NBD 2 2693,40 QTAGNEVELENAADESKSEIDALEM 629-653 Linker NBD 1-TM7
2729,45 ANAGNLEDLMSNITNRSDINDTGFF 80-104 ECL 1
2745,44 ANAGNLEDLMoxSNITNRSDINDTGFF 80-104 ECL 1
4.2.1.2 Chymotrypsin-In-Gel-Verdau
Alle gezeigten Monoisotopischen Massen wurden in Analogie zum bereits beschriebenen Trypsin-In-Gel-Verdau (siehe Kapitel 4.2.1.1) berechnet. Durch Einbeziehung der Spaltungspräferenz von Chymotrypsin für die hydrophoben aliphatischen und aromatischen Aminosäuren Isoleucin, Leucin, Methionin, Phenylalanin, Tryptophan und Tyrosin konnte eine Prioritätenliste aller möglichen Aminosäuresequenzen erstellt werden. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei Chymotrypsin im Gegensatz zu Trypsin aber um eine eher unspezifische Protease handelt, wurde zur zweifelsfreien Identifizierung der korrekten Aminosäuresequenz von jedem Peptidsignal ein MS/MS-Spektrum aufgenommen und die Abfolge der einzelnen Aminosäuren des Peptids bestimmt.
Betrachtet man die in Tabelle 4.2 dargestellten Aminosäuresequenzen und deren Topologie innerhalb von P-gp wird ersichtlich, dass alle entstandenen Peptide Bestandteil der extra- und intrazellulären Loop- und Linker-Regionen oder der Nukleotid-Bindungsdomänen sind und die transmembranären Domänen leider überhaupt nicht abgedeckt wurden. Des weiteren wird deutlich, dass auch in den Loop-Bereichen, Linker-Regionen und Nukleotid-Bindungsdomänen noch viele Lücken aus nicht abgedeckten Aminosäuren vorhanden sind. Die erzielte Sequenzabdeckung von P-gp beträgt lediglich 216 von 1280 Aminosäuren = 17 % und liegt damit weit unter der mit Trypsin erreichten Sequenzabdeckung (47 %). Mit einem derartig schlechten Ergebnis war im Voraus nicht zu rechnen, da für das Enzym genügend Schnittstellen sowohl in den transmembranären Bereichen als auch in den Loop- und Linker-Regionen sowie in den NBDs vorhanden sind. Mögliche Ursachen für die niedrige Sequenzabdeckung können eine nicht vollständige Extraktion der Peptide aus der Gelmatrix, eine schlechte Zugänglichkeit für das Enzym durch starke Faltung des Proteins, eine unzureichende Inkubationszeit, eine zu geringe Aktivität des Enzyms, die Adsorption der entstandenen Peptide an die Wände der Gefäße für die Probenvorbereitung oder eine Kombination der genannten Faktoren sein. Viele der genannten Parameter, die als mögliche Gründe für die schlechte Sequenzabdeckung in Frage kommen, wurden bereits optimiert. So wurde durch mehrere sequenzielle Elutionsschritte versucht, die Extraktion der Peptide aus der Gelmatrix zu verbessern. Des weiteren wurde durch Variation des Enzym : Protein Verhältnisses und der Inkubationszeit probiert, eine höhere Anzahl von Peptiden zu generieren. Alle Optimierungsversuche eingeschlossen, konnte für die Sequenzabdeckung
4.2.1.2 Chymotrypsin-In-Gel-Verdau
jedoch lediglich ein maximaler Wert von 17 % erzielt werden, wobei transmembranäre Bereiche ganz ausgespart blieben. Aus diesem Grund wurde zur weiteren Verbesserung der Sequenzabdeckung ein zweites Sequencing Grade Chymotrypsin von der Firma Roche bezogen und für den In-Gel-Verdau von P-gp eingesetzt.
Der Verdau von P-gp mit dem neuen Chymotrypsin erfolgte entsprechend den Angaben in der Produktinformation bei einem Temperatur-Optimum von 25 °C . Auch hier wurde das Enzym : Protein Verhältnis variiert und die beiden Verdauprotokolle auf Äquivalenz bzw.
Überlegenheit untersucht. Es zeigte sich, dass wiederum keine wesentlichen Unterschiede bezüglich der resultierenden Peptide bestanden. Deshalb wurden die Ergebnisse beider Verdaustrategien in einer gemeinsamen Tabelle (Tab. 4.3) zusammengefasst. Die Berechnung der dargestellten Monoisotopischen Massen sowie ihre Zuordnung zu den entsprechenden Aminosäuresequenzen innerhalb von P-gp erfolgten hierbei wie zuvor beschrieben.
Im Vergleich zur vorhergehenden Tabelle 4.2 mit den Ergebnissen des In-Gel-Verdaus von P-gp mit Sequencing Grade Chymotrypsin der Firma Sigma-Aldrich fällt auf, dass von den gebildeten Peptiden bereits einige bekannt sind. Dies lässt auf eine gewisse Reproduzierbarkeit der erzielten Ergebnisse schließen. Erfreulich ist, dass unter den abgedeckten Regionen erstmalig auch einige transmembranäre Bereiche (TM1, TM6 und TM9) enthalten sind, was gegenüber dem Trypsin-In-Gel-Verdau und den vorherigen Chymotrypsin-In-Gel-Verdaus einer wesentlichen Verbesserung entspricht. Jedoch überwiegen noch immer die Loop- und Linker-Regionen sowie die NBD-Bereiche.
Insgesamt konnten 362 von 1280 Aminosäuren abgedeckt und die Sequenzabdeckung damit von 17 % auf 28 % gesteigert werden.
Festzuhalten ist, dass durch das Sequencing Grade Chymotrypsin von Roche im Vergleich zum Sequencing Grade Chymotrypsin von Sigma-Aldrich eine deutliche Verbesserung der Sequenzabdeckung von P-gp sowohl in den transmembranären Bereichen als auch in den Loop-, Linker- und NBD-Regionen erreicht werden konnte. Gegenüber dem In-Gel-Verdau mit Trypsin wurde trotz der insgesamt niedrigeren Sequenzabdeckung eine deutliche Erhöhung der transmembranären Sequenzabdeckung verzeichnet. Die insgesamt erzielte Sequenzabdeckung von 28 % ist jedoch für die erfolgreiche Detektion von Photoaffinitätsmarkierungen noch zu gering. Aus diesem Grund wurden in der Folge zur
4.2.1.2 Chymotrypsin-In-Gel-Verdau
weiteren Verbesserung der Sequenzabdeckung kombinierte In-Gel-Verdaus von P-gp mit den Enzymen Trypsin und Chymotrypsin durchgeführt und ihre Auswirkung auf die Sequenzabdeckung untersucht.
Tab. 4.3: Peptide aus dem In-Gel-Verdau von P-gp mit Chymotrypsin der Firma Roche. Farbkodierung: Aminosäuresequenzen im Bereich der transmembranären Domänen sind in pink dargestellt. Neue Peptidsequenzen sind in blau eingefärbt. Bereits bekannte Peptide sind in schwarz abgebildet.
[M+H]
+Sequenz Position Topologie
805,52 QLLERF 1081-1086 NBD 2
890,54 AFIESLPN
LTDDVSKI
1156-1163 175-182
NBD 2 ICL 1
932,56 LLDEATSAL
LLLDEATSA VSQEPILF
553-561/1198-1206 552-560/1197-1205
1116-1123
Walker B/D-loop NBD 1 und 2 Q-loop NBD 2
939,58 LAQKGIYF
GAKKKNFF
1261-1268 10-17
C-Terminus N-Terminus
961,64 AAIRTVIAF
AIIHGAGLPL (TM1)
259-267 58-67
ICL 2 TM1
1016,62 VDGQDIRTI 453-461 NBD 1
1032,68 AAIIHGAGLPL (TM1) 57-67 TM1
1038,62 LTVFFSVLI (TM6) 332-340 TM6
1042,60 EAKRIGIKK
KEANIHAFI
283-291 1150-1158
EAA-Motiv ICL 2 NBD 2
1057,66 AKAGAVAEEVL 248-258 ICL 2
2267,32 GRENVTMDEIEKAVKEANAY 491-510 NBD 1
1699,09 LREIIGVVSQEPVLF 466-480 Q-loop NBD 1
1158,68 DTLVGERGAQL 521-531 ABC-Motiv NBD 1
1171,62 RSDINDTGFF 95-104 ECL 1
1178,64 FDDPKNTTGAL 804-814 ICL 3
1192,66 SVGQASPSIEAF (TM6) 344-355 TM6/Linker
1207,78 GGQKKELERY 268-277 ICL 2
1291,78 IIEKTPLIDSY 1011-1021 NBD 2
1319,78 STIQNADLIVVF 1235-1246 NBD 2
1347,76 DTESEKVVQEAL 1207-1218 D-loop NBD 2
1392,85 KIIDNKPSIDSY 367-378 Linker TM6-NBD 1
1470,91 ANDAAQVKGAIGSRL (TM9) 819-833 ICL 3/TM9
1547,95 AIARALVRNPKILL 540-553 Walker B NBD 1
1582,90 NYPTRPDIPVLQGL 1043-1056 A-loop NBD 2
1699,08 LREIIGVVSQEPVLF 466-480 Q-loop NBD 1
1891,02 LLDEATSALDTESEAVVQ 553-570 Walker B/D-loop NBD 1
1891,06 IVSQEPILFDCSIAENI 1115-1131 Q-loop NBD 2
2261,26 LLDEATSALDTESEKVVQEAL 1198-1218 Walker B/D-loop NBD 2
2349,28 DPTEGMVSVDGQDIRTINVRF 445-465 NBD 1
2693,41 QTAGNEVELENAADESKSEIDALEM 629-653 Linker NBD 1-TM7
4.2.1.2 Chymotrypsin-In-Gel-Verdau
In der Abbildung 4.5 ist die durch den In-Gel-Verdau von P-gp mit Chymotrypsin erzielte Sequenzabdeckung graphisch veranschaulicht. Sequenzbereiche, die im Rahmen des In-Gel-Verdaus mit Sequencing Grade Chymotrypsin der Firma Sigma-Aldrich zweifelsfrei identifiziert und zugeordnet werden konnten, sind in grün eingefärbt.
Aminosäuresequenzen, welche durch den In-Gel-Verdau mit Sequencing Grade Chymotrypsin der Firma Roche eindeutig identifiziert und zugeordnet werden konnten, sind in blau dargestellt. Überlappende Regionen, die mit beiden Chymotrypsinen abgedeckt werden konnten, sind in rot abgebildet.
1 MDLEGDRNGG AKKKNFFKLN NKSEKDKKEK KPTVSVFSMF RYSNWLDKLY
51 MVVGTLAAII HGAGLPLMML VFGEMTDIFA NAGNLEDLMS NITNRSDIND TM 1 101 TGFFMNLEED MTRYAYYYSG IGAGVLVAAY IQVSFWCLAA GRQIHKIRKQ TM 2 151 FFHAIMRQEI GWFDVHDVGE LNTRLTDDVS KINEGIGDKI GMFFQSMATF TM 3 201 FTGFIVGFTR GWKLTLVILA ISPVLGLSAA VWAKILSSFT DKELLAYAKA TM 3 + 4 251 GAVAEEVLAA IRTVIAFGGQ KKELERYNKN LEEAKRIGIK KAITANISIG TM 5 301 AAFLLIYASY ALAFWYGTTL VLSGEYSIGQ VLTVFFSVLI GAFSVGQASP TM 5 + 6 351 SIEAFANARG AAYEIFKIID NKPSIDSYSK SGHKPDNIKG NLEFRNVHFS
401 YPSRKEVKIL KGLNLKVQSG QTVALVGNSG CGKSTTVQLM QRLYDPTEGM 451 VSVDGQDIRT INVRFLREII GVVSQEPVLF ATTIAENIRY GRENVTMDEI 501 EKAVKEANAY DFIMKLPHKF DTLVGERGAQ LSGGQKQRIA IARALVRNPK 551 ILLLDEATSA LDTESEAVVQ VALDKARKGR TTIVIAHRLS TVRNADVIAG 601 FDDGVIVEKG NHDELMKEKG IYFKLVTMQT AGNEVELENA ADESKSEIDA 651 LEMSSNDSRS SLIRKRSTRR SVRGSQAQDR KLSTKEALDE SIPPVSFWRI
701 MKLNLTEWPY FVVGVFCAII NGGLQPAFAI IFSKIIGVFT RIDDPETKRQ TM 7 751 NSNLFSLLFL ALGIISFITF FLQGFTFGKA GEILTKRLRY MVFRSMLRQD TM 8 801 VSWFDDPKNT TGALTTRLAN DAAQVKGAIG SRLAVITQNI ANLGTGIIIS TM 9 851 FIYGWQLTLL LLAIVPIIAI AGVVEMKMLS GQALKDKKEL EGSGKIATEA TM 9 + 10 901 IENFRTVVSL TQEQKFEHMY AQSLQVPYRN SLRKAHIFGI TFSFTQAMMY TM 11 951 FSYAGCFRFG AYLVAHKLMS FEDVLLVFSA VVFGAMAVGQ VSSFAPDYAK TM 11 + 12 1001 AKISAAHIIM IIEKTPLIDS YSTEGLMPNT LEGNVTFGEV VFNYPTRPDI
1051 PVLQGLSLEV KKGQTLALVG SSGCGKSTVV QLLERFYDPL AGKVLLDGKE 1101 IKRLNVQWLR AHLGIVSQEP ILFDCSIAEN IAYGDNSRVV SQEEIVRAAK 1151 EANIHAFIES LPNKYSTKVG DKGTQLSGGQ KQRIAIARAL VRQPHILLLD 1201 EATSALDTES EKVVQEALDK AREGRTCIVI AHRLSTIQNA DLIVVFQNGR 1251 VKEHGTHQQL LAQKGIYFSM VSVQAGTKRQ
Abb. 4.5: Graphische Darstellung der mittels Chymotrypsin-In-Gel-Verdau erzielten Sequenzabdeckung von P-gp. Sequenzbereiche, die durch den In-Gel-Verdau von P-gp mit Chymotrypsin der Firma Sigma-Aldrich zuverlässig abgedeckt wurden, sind in grün dargestellt.
Sequenzen, die im Rahmen des In-Gel-Verdaus von P-gp mit Chymotrypsin der Firma Roche eindeutig identifiziert werden konnten, sind in blau abgebildet. Überlappende Aminosäuren, welche durch beide In-Gel-Verdaus abgedeckt wurden, sind in rot eingefärbt. Die insgesamt erzielte Sequenzabdeckung beträgt 422 von 1280 Aminosäuren = 33 %.
4.2.1.2 Chymotrypsin-In-Gel-Verdau
Abb. 4.6.: Bildliche Darstellung der durch den Chymotrypsin-In-Gel-Verdau erzielten Sequenzabdeckung von P-gp. In türkis eingefärbt sind Sequenzabschnitte, die mittels Chymotrypsin-In-Gel-Verdau von P-gp abgedeckt werden konnten. In weiß dargestellt sind die nicht abgedeckten Bereiche von P-gp. Es wird deutlich, dass im Gegensatz zum Trypsin-In-Gel-Verdau auch kleine Teile der transmembranären Domänen (TM1, TM6 und TM9) mit abgedeckt wurden. Die insgesamt erzielte Sequenzabdeckung beträgt 33 %.
Die insgesamt erzielte Sequenzabdeckung von P-gp beträgt 422 von 1280 Aminosäuren = 33 %. Es wird deutlich, dass die die Bindungsstellen beinhaltenden transmembranären
4.2.1.2 Chymotrypsin-In-Gel-Verdau
Bereiche durch die angewandte Analysemethode bisher nur wenig abgedeckt wurden und auch in den übrigen Bereichen noch einige größere Lücken in der Aminosäuresequenz vorhanden sind. Die erreichte Sequenzabdeckung ist – insbesondere in den TMDs - für die Identifizierung modifizierter Bereiche im Rahmen von Photoaffinitätsmarkierungs-Experimenten noch zu niedrig. Zur Erhöhung der Sequenzabdeckung wurden deshalb im Folgenden Kombinations-Verdaus von P-gp In-Gel mit den beiden Enzymen Trypsin und Chymotrypsin in verschiedenen Konstellationen durchgeführt und ausgewertet.