Utilization of protein radical foootprinting for stuctural biology

Abstract

(In Czech) Mapování povrchu proteinů je jednou z metod strukturní biologie, které poskytují důležité informace o struktuře, dynamice, funkci a vazebných interakcích proteinů. V této práci jsme se k mapování povrchu proteinů rozhodli využít unikátní přístup, kterým je kombinace hmotnostní spektrometrie s rychlou fotochemickou oxidací proteinů (FPOP, z anglického Fast Photochemical Oxidation of Proteins), která k tomuto účelu využívá reaktivní radikály kyslíku. Konkrétně byla v této práci metoda FPOP využita ke studiu interakce proteinu s DNA a to přesněji komplexu DNA-vázající domény proteinu FOXO4 s oligonukleotidem DAF16. V první fázi projektu byl produkován a purifikován protein, jehož vazba na DNA byla ověřena nativní elektroforézou a nativní hmotnostní spektrometrií. Dále byly optimalizovány podmínky oxidace proteinu, a to jak v přítomnosti DNA, tak samostatně a modifikace proteinu byly analyzovány hmotnostní spektrometrií pomocí přístupů top-down a bottom-up. Přístupem bottom-up byla identifikována a kvantifikována modifikovaná residua, což odhalilo rozdíly v oxidaci jednotlivých aminokyselin v přítomnosti a nepřítomnosti DNA. Aby se předešlo možným artefaktům způsobených analýzou vícenásobně oxidovaného proteinu, byla kromě hmotnostně spektrometrické analýzy standardním přístupem bottom-up...

(In English) The reaction of highly reactive oxygen radicals with protein solvent-accessible residues can be utilized to map protein landscape. Fast photochemical oxidation of proteins (FPOP) is an MS- based technique, which utilizes highly reactive radical species to oxidize proteins and map protein surface or its interactions with their interaction partners. In this work, FPOP was employed to study protein-DNA interactions. First, a full-length of FOXO4-DBD was successfully expressed and purified. The ability of the protein to bind its DNA-response element was verified by electrophoretic and MS-based techniques, respectively. Optimal experimental conditions were achieved to oxidize the protein itself and in the presence of DNA, respectively. Oxidized samples were analyzed by bottom-up and top-down approach. In the bottom-up experiment, modification of individual residues was precisely located and quantified. Different extend of modification was observed for protein alone and in complex with DNA. To avoid experimental artifacts analyzing multiply oxidized protein, standard bottom up approach was replaced by a progressive top-down technology. Only a singly oxidized protein ion was isolated, and further fragmented by collision-induced dissociation (CID) and electron-capture dissociation (ECD),...