离子淌度-质谱法是一种新兴的气相技术,可根据离子的碰撞截面和质量对其进行分离。该方法可提供蛋白质复合物整体拓扑结构和形状的三维信息。本文概述了仪器设置与优化、漂移时间校准以及数据分析的基本操作流程。
离子淌度-质谱法是一种新兴的气相技术,可根据离子的碰撞截面和质量对其进行分离。该方法可提供蛋白质复合物整体拓扑结构和形状的三维信息。本文概述了仪器设置与优化、漂移时间校准以及数据分析的基本操作流程。
离子淌度(IM)是一种测量离子在弱电场作用下通过加压漂移管所需时间的方法。离子穿过漂移区的速度取决于其尺寸:较大的离子会与背景惰性气体(通常为N2)发生更多次碰撞,因此在IM装置中的移动速度比具有较小横截面积的离子更慢。通常情况下,离子在浓密气相中迁移所需的时间可依据其碰撞截面(Ω)实现分离。
最近,离子淌度(IM)谱法与质谱法联用,推出了采用行波(T-wave)技术的Synapt离子淌度质谱仪(IM-MS)。将质谱与离子淌度相结合,可增加一个维度的样品分离与鉴定能力,从而获得三维谱图(质荷比、强度和漂移时间)。该分离技术可减少谱图重叠,实现对质量或质荷比非常相近但漂移时间不同的异质复合物的分辨。此外,漂移时间的测量提供了重要的结构信息,因为碰撞截面(Ω)与离子的整体形状和拓扑结构相关。通过使用具有已知截面的校准蛋白质生成的校准曲线,可计算实测漂移时间值与Ω之间的相关性1。
离子迁移-质谱(IM-MS)方法的优势在于其能够在微摩尔浓度及接近生理条件下,确定蛋白质组装体的亚基排列方式和整体构型1。近年来多项针对单个蛋白质2,3以及非共价蛋白质复合物4-9的离子迁移研究已成功证明,蛋白质的四级结构在气相中得以保持,并凸显了该方法在研究几何结构未知的蛋白质组装体方面的潜力。本文中,我们详细描述了使用Synapt(四极杆-离子迁移-飞行时间)HDMS仪器(Waters有限公司;目前唯一 commercially available 的IM-MS仪器)进行蛋白质复合物IMS-MS分析的流程10。我们介绍了基本的参数优化步骤、碰撞截面的校准方法,以及数据处理与解析方法。本方案的最后一步讨论了理论Ω值的计算方法。总体而言,本方案并不试图涵盖IM-MS表征蛋白质组装体的所有方面;其目标是向该领域的新研究人员介绍该方法的实践操作要点。
我们所描述的方案仅专注于蛋白质复合物的离子迁移率-质谱(IM-MS)分析。因此,我们建议不熟悉结构质谱领域的研究人员参考Kirshenbaum中所述的样品制备步骤、仪器校准以及质谱和串联质谱优化程序 等 2009 https://www.jove.com/index/details.stp?ID=1954。通常,该方案涉及复合物的低微摩尔浓度(1-20 μM) 于挥发性缓冲液(如醋酸铵,0.005 - 1 M,pH 6-8)中。鉴于 1-2 μl 每根纳米流毛细管消耗量,我们建议 10-20 μl 至少使用最小体积,以优化质谱条件。
第1部分:获取离子淌度-质谱谱图
| m/z | 驻留时间 (%) | 斜坡 (%) |
| 960 | 10 | 20 |
| 3200 | 30 | 40 |
| 10667 |
| 离子源 | 捕集区 | 离子淌度区 | 传输区 | |
| RF 偏移 | 450 | 380 | 380 | 380 |
| RF 增益 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| RF 限值 | 450 | 380 | 380 | 380 |
第二部分:筛选实验条件以确保天然结构的迁移率测量
为了获得高分辨的质谱峰,通常需要在质谱仪内对蛋白质复合物进行活化,以促进去除残留的水分子和缓冲液成分11。然而,若活化能量超过某一阈值,则可能引发部分去折叠,形成多个中间态12,这些状态不太可能对应于天然的溶液态结构(图 3A-C)。因此,迁移时间峰可能会发生偏移并展宽,反映出去折叠结构的异质性群体。
为了获得与溶液相结构一致的迁移时间数据,必须在离子淌度分离之前,精确控制用于加速离子的电压。此外,为了实现高质谱分辨率,建议优先提高传输电压(Transfer)而非捕获电压(Trap)。由于离子淌度装置位于传输区域和飞行时间分析器之前,因此活化过程在离子淌度测定之后发生,从而确保离子在淌度分离过程中不受影响,同时提高质谱的准确性。
为验证数据采集是在保持复合物天然结构的条件下进行的,建议在一系列实验和溶液条件下记录数据,而非仅依据单一优化的参数组:
第3部分:漂移时间值与横截面积之间的关联
与传统的离子淌度(IM)测量不同,在传统测量中测得的漂移时间值与碰撞截面积(Ω)呈线性关系,而在T波离子淌度(IMS)系统中,碰撞截面积是通过校准方法确定的。因此,测得的漂移时间与Ω之间并非得到绝对测量值,而是生成一个相对的指数相关关系1,13:
其中 tD 为测得的漂移时间,X 为可从校准曲线中提取的比例常数。校准过程通过测量已知 Ω 值(来自常规离子淌度实验测得)离子的漂移时间来完成。
(第1部分)。所有电压和压力值必须保持一致,以维持离子淌度分离条件。
,其中m/z为观测离子的质荷比,c为增强型占空比(EDC)延迟系数1。该值通常介于1.4至1.6之间,取决于具体仪器。EDC值可在系统|采集设置|采集配置选项卡中找到。
。可通过将数据拟合为线性关系提取参数X和A。斜率X代表指数比例因子,A为拟合确定的常数。
。r2的可接受值应大于0.95(图4B)。较低的相关系数可能由以下原因导致:
的关系图,并确定相关系数。预期值应高于0.95。

。第4部分:定义漂移时间值
所需软件:MassLynx 和 Driftscope(Waters)。
第5部分:代表性结果

图1. Synapt HDMS 仪器的示意图,显示了 IMS-MS 采集过程中的主要可调参数。用于 IM-MS 测量的实验参数根据其在仪器中的位置进行标注。离子束以红色表示,各区域的压力使用颜色编码表示。底部面板展示了沿仪器方向的电势梯度,以及定义捕获和传输碰撞能量和偏置电势的电势差。所有电势读数均以静态偏移电压为参考,该电压通常设置为 120 V。

图2. Gβυ蛋白的离子淌度到达时间分布。
A. 高T波速度导致漂移时间分布谱变窄。该图展示了到达时间分布的 16+(红色)、15+(绿色)、14+(蓝色)和13+(品红色)电荷态,以及G的总漂移时间谱(黑色)βυ 蛋白
B. 具有平滑高斯峰形的优化漂移时间谱。颜色标签与图中相同。 A.
C. “卷积”效应,即离子穿过迁移率淌度池所需的时间长于新的离子包注入仪器的时间间隔时发生的现象。结果导致延长的漂移时间峰出现在谱图的起始位置。通过提高T波高度、降低T波速度以及降低离子迁移谱(IMS)压力,可消除此效应。
D. 当传输T波速度与推动器频率部分同步时,会引发人工“涟漪”现象。通过调节推动器频率或传输T波速度,可消除此效应。

图3. 离子活化及部分变性条件对血红蛋白IM-MS谱图的影响。 四聚体血红蛋白复合物在10 mM乙酸铵水溶液(pH=7.6)(A,C)以及添加0.1%乙酸(B)条件下的漂移时间对m/z关系图。数据采集时的捕获碰撞能量电压为13 V(A,B)和35 V(C)。尽管在三个图中,顶部投影的质量谱图相似,均显示以m/z 4,000为中心的四聚体质荷比电荷系列,但侧边投影的漂移时间分布不同(总漂移时间分布为黑色,16+电荷态分布为红色)。B中部分变性样品以及C中气相活化离子的漂移时间延长,表明分子发生一定程度的去折叠。该现象说明,即使测得的质量对应完整的复合物,其溶液中的结构仍可能已被破坏。因此,实验条件需严格控制。

图 4. 通过生成校准曲线,可将漂移时间测量值与碰撞截面积相关联。
A. 测得的马细胞色素 C (圆形)、马心肌红蛋白(三角形)和牛泛素(方形)多种电荷态的漂移时间值,与经离子电荷态和约化质量校正后的文献 Ω 值进行对照作图。拟合结果得到一个线性函数:ln(ΩC) = Xln(tD') + A。图中显示了在 350 m/s 的 T 波速度和 11 V 的静态波高度下获得数据的指数因子 (X)、拟合常数 (A) 及相关系数。B. 10 次连续校准实验所得相关系数分布的直方图。
| 蛋白质样品 / 技术参数 | GluFibrino- 肽 单体 1.6 kDa | 肌红蛋白 单体 17 kDa | 血红蛋白 四聚体 67 kDa | 转铁蛋白 单体 80 kDa | GroEL 14聚体 801 kDa |
| 背压,mBar | 4.4 | 5.0 | 5.1 | 5.1 | 6.5 |
| 捕集压力,mBar | 1.6x10-2 | 2.4x10-2 | 2.4x10-2 | 2.6x10-2 | 2.8x10-2 |
| 离子迁移谱压力,mBar | 4.4x10-1 | 4.4x10-1 | 4.4x10-1 | 4.4x10-1 | 4.2x10-1 |
| 采样锥电压,V | 46 | 80 | 80 | 80 | 118 |
| 提取锥电压,V | 1.7 | 1 | 1 | 1 | 3 |
| 偏置电压,V | 20 | 20 | 25 | 25 | 50 |
| 捕集碰撞能量,V | 20 | 15 | 15 | 15 | 80 |
| 转移碰撞能量,V | 5 | 12 | 12 | 12 | 15 |
表1. 用于分析大分子的实验条件。
| 标准蛋白 | 分子质量 (m) | 电荷数 (z) | m/z | 碰撞截面积 (in 2) |
| 细胞色素 C | 12213 | 10 | 1222.3 | 2226 |
| 11 | 1111.3 | 2303 | ||
| 12 | 1018.8 | 2335 | ||
| 13 | 940.5 | 2391 | ||
| 14 | 873.4 | 2473 | ||
| 15 | 815.2 | 2579 | ||
| 16 | 764.3 | 2679 | ||
| 17 | 719.4 | 2723 | ||
| 18 | 679.5 | 2766 | ||
| 肌红蛋白 | 16952 | 11 | 1542.1 | 2942 |
| 12 | 1413.7 | 3044 | ||
| 13 | 1305.0 | 3136 | ||
| 14 | 1211.9 | 3143 | ||
| 15 | 1131.1 | 3230 | ||
| 16 | 1060.5 | 3313 | ||
| 17 | 998.2 | 3384 | ||
| 18 | 942.8 | 3489 | ||
| 19 | 893.2 | 3570 | ||
| 20 | 848.6 | 3682 | ||
| 21 | 808.2 | 3792 | ||
| 22 | 771.6 | 3815 | ||
| 泛素 | 8565 | 8 | 1071.6 | 1442 |
| 8 | 1071.6 | 1622 | ||
| 9 | 952.7 | 1649 | ||
| 10 | 857.5 | 1732 | ||
| 11 | 779.6 | 1802 | ||
表2. 校准蛋白质及其通过传统离子迁移谱测量确定的碰撞截面值14。
| 设备 | 公司 | 目录编号 |
| Synapt HDMS-32K RF generator | Waters Ltd. | |
| P-97 Flaming-Brown 微量移液器拉制仪 | Sutter Instruments | P-97 |
| 溅射镀膜仪 | Electron Microscopy Sciences | EMS550 |
| 双目显微镜 | Nikon | |
| 试剂 | 公司 | 目录编号 |
| 乙酸铵 | Sigma-Aldrich | Sigma, A2706 |
| CsI 99.999% | Sigma-Aldrich | Aldrich, 203033 |
| 甲醇 | Sigma-Aldrich | Fluka, 34966 |
| 乙酸 | Fisher Scientific | AC12404 |
| 马心肌红蛋白(来源于马心) | Sigma-Aldrich | M1882 |
| 马细胞色素 c(来源于马心) | Sigma-Aldrich | C-2506 |
| 牛泛素(来源于红细胞) | Sigma-Aldrich | U6253 |
| 血红蛋白 | Sigma-Aldrich | H2625 |
| 气体 | 备注 | |
| 氮气,纯度 99.999% | 8 立方米气瓶 | |
| 氩气,纯度 99.999% | 8.8 立方米气瓶 | |
表3. 试剂与设备。
本文所述方案可用于确定三维结构未知的蛋白质或蛋白质复合物的碰撞截面,旨在提供有关其整体形状、亚基排列和拓扑结构的信息。为此,在获得碰撞截面数值后,需将其转化为结构细节。该过程需要额外的实验工作以及计算分析,下文将对此进行简要讨论。
首先,建议分析具有已知结构的蛋白质或蛋白质复合物。这些测量可为方法提供有用的质量控制,并通过比较理论值与实测的 Ω 值,评估采集参数的准确性。理论横截面积可根据晶体结构坐标,使用 MOBCAL15,16 软件进行计算。MOBCAL 是一款基于 FORTRAN 的开源软件,允许用户根据需要编辑代码。运行此类计算时,需修改程序,以增加每个输入结构所执行的迭代计算次数,并使其能够接受包含大量原子的坐标文件1。
最近提出了一种利用离子迁移-质谱(IM-MS)策略来确定多组分复合物中亚基拓扑排列的方法4,6。该方法通过监测蛋白质复合物解离为较小组分的途径来实现。这种解离是通过精确调控溶液相条件实现的,从而产生一系列反映复合物“构建模块”的亚复合物。对完整复合物及其解离产物的碰撞截面(Ω值)进行同步测量,可获得结构约束参数,进而用于计算蛋白质复合物的拓扑模型。该方法的基本假设是所生成的亚复合物保持了类似天然的构象;事实上,最近的研究已证实,解离产物在溶液相和气相中均维持了其溶液结构,未发生显著的构象重排4,6。
将四级结构指派给气相蛋白质复合物离子的最后一步,是将碰撞截面值拟合到计算机生成的模型中。采用建模方法旨在探索亚基的不同可能拓扑排列,并计算其in silico的Ω值,再与实验值进行比较。目前仅使用少数几种计算方法,例如将亚基直径进行近似的球型粗粒化方法1,8。总体而言,该领域仍处于早期发展阶段,尚需进一步发展,以使该方法具有普适性,并适用于多种类型的复合物。
未声明任何利益冲突。
作者感谢Sharon课题组成员对本文的审阅以及为手稿撰写所做的贡献。我们感谢Morasha项目和Bikura项目、以色列科学基金会(资助编号:1823/07 和 378/08)、约瑟夫·科恩生物膜研究闵纳瓦中心、Chais家族新科学家研究员项目、亚伯拉罕与索尼娅·罗克林基金会、沃尔夫森家族慈善信托基金、海伦与米尔顿·A·基姆尔曼生物分子结构与组装中心、什洛莫与萨宾·贝兹温斯基遗产基金、Meil de Botton Aynsley以及英国Karen Siem提供的支持。