为了全面探索O-连接聚糖的多样性,采用了一种新的凝胶内还原性β-消除方法,结合完全甲基化和快速相分离技术,直接从SDS-PAGE分离的糖蛋白中释放O-连接聚糖,并适用于后续通过质谱进行的糖组学分析。
方法文章
为了全面探索O-连接聚糖的多样性,采用了一种新的凝胶内还原性β-消除方法,结合完全甲基化和快速相分离技术,直接从SDS-PAGE分离的糖蛋白中释放O-连接聚糖,并适用于后续通过质谱进行的糖组学分析。
通过SDS-PAGE分离蛋白质,随后对分离的蛋白条带进行凝胶内蛋白酶消化,已实现对生物样品的高分辨率蛋白质组学分析。类似的方法若用于深入分析经SDS-PAGE分离的糖蛋白所携带的糖链,则在使用质谱(MS)作为检测手段时,需特别考虑以最大化回收率和检测灵敏度。获得高质量数据的主要障碍之一是去除干扰质谱分析的凝胶来源污染物。本文所介绍的样品处理流程具有良好的稳健性和高效性,且无需在质谱分析前进行在线HPLC纯化。含有目标蛋白质的凝胶小块通过乙腈、水和乙酸乙酯洗涤,以去除包括聚合丙烯酰胺片段在内的污染物。O-连接糖链通过凝胶内还原性β-消除法从目标蛋白上释放,并通过高效、简便的纯化步骤进行回收。该流程的一个优势在于提高了对硫酸化糖链的检测与表征的灵敏度。这些操作可在质谱分析前通过快速相分离,有效分离硫酸化全甲基化糖链与非硫酸化(唾液酸化和中性)全甲基化糖链,从而增强对经SDS-PAGE分离的糖蛋白进行糖组学和硫酸化糖组学分析的能力。
糖基化是一种重要的蛋白质翻译后修饰,参与生物体生理功能、组织病理过程以及细胞识别1-3。尽管糖科学分析技术取得了重大进展,但对特定蛋白质上完整糖链多样性的表征仍是一项极具挑战性的任务,尤其是从原始生物来源中分离的蛋白质。然而,糖蛋白糖链的微不均一性常常会影响其与其他蛋白质的功能性相互作用。因此,对糖链多样性的表征对于理解细胞和组织糖基化的生理意义至关重要4,5。为了阐明糖蛋白糖基化在组织生理与病理生理中的作用,稳健、灵敏且全面的糖组学分析技术变得日益重要。在蛋白质组学分析中,通常通过LC-MS/MS对胰蛋白酶消化产生的肽段进行分析来实现蛋白质鉴定6。蛋白质消化可使用纯化后的蛋白质进行,也可对经SDS-PAGE分离的蛋白质进行胶内酶解,常用的蛋白酶包括胰蛋白酶7-9。通过SDS-PAGE对蛋白质混合物进行预富集,可提高蛋白质鉴定的深度与准确性。开发适用于糖蛋白糖基化分析的类似策略,正处于糖科学研究的前沿。
糖链的两大主要类别通过N-连接或O-连接方式附着于蛋白质骨架上。N-连接糖链连接在天冬酰胺(Asn)残基上,该残基是Asn-X-Ser/Thr/Cys序列基序(其中X为除脯氨酸外的任何氨基酸)的一部分,可通过肽-N-糖苷酶(PNGaseF或A)在溶液中、凝胶内或印迹上进行酶解释放10-12。O-连接糖链主要连接在丝氨酸(Ser)或苏氨酸(Thr)残基上。然而,目前仅发现一种能够从糖蛋白上释放O-连接糖链的酶,且该酶的糖链特异性极为有限,只能释放最简单的O-连接糖链。化学释放策略仍是全面释放糖蛋白上O-连接糖链的首选方法。还原性或非还原性β-消除法以及肼解法是已被充分表征的化学释放技术,目前也是从糖蛋白上释放O-连接糖链最常用的方法13,14。尽管还原性β-消除法已被用于从SDS-PAGE分离的糖蛋白中释放O-连接糖链,但以往的方法需要后续进行HPLC分离以完成分析15-17。
多维质谱(MSn)分析目前为表征从大多数生物来源中分离出的糖蛋白所释放的糖链提供了最丰富的结构信息。在对释放的糖链进行分析之前,对其进行全甲基化修饰可显著提升基于质谱的结构解析深度。全甲基化可增强离子化效率,并倾向于使多种不同结构的糖链在摩尔水平上产生相对均一的信号响应18,19。此外,全甲基化能以特征性质量明确标记末端和被取代的单糖基团,从而促进结构解析20-23。例如,酸性糖链通常难以通过质谱检测其非甲基化形式。尽管酸性糖链可在负离子模式下通过质谱检测,但无法在同一离子模式下同时检测酸性和中性糖链。糖链全甲基化的一个主要优势在于,糖链上所有单糖取代基中的游离羟基(OH)均会被甲基(OCH3 或 OMe)封闭,从而使唾液酸化糖链的电荷被中和,其检测灵敏度因此与中性(无唾液酸)糖链的甲基化形式相当。然而,硫酸化糖链(sulfoglycans)上的硫酸基团中的羟基对甲基化具有抗性,导致其保留阴离子电荷,从而抑制离子化并降低检测灵敏度。这种抑制效应目前阻碍了对高度复杂糖蛋白(如黏蛋白)进行系统的糖组学分析,因为这类蛋白携带大量硫酸化糖链24-26。
近期关于纯化硫酸化糖链的报道采用带电荷的反相色谱法,在进行MALDI分析前对全甲基化糖链进行纯化和分离。该方法依赖于使用不同的流动相洗脱,以实现硫酸化与非硫酸化糖链的完全分离,但我们发现其严格性低于有机相分配法。因此,本文介绍了适用于硫酸化糖链检测与富集的新技术。这些技术可在糖链全甲基化反应结束时常规进行的水相与二氯甲烷(DCM)萃取后,实现硫酸化糖链在水相中的定量回收27。重要的是,该方法能够将全甲基化的硫酸化糖链与非硫酸化糖链混合物有效分离,同时富集带电物种,并简化MS2碎片图谱。本文还提供了一套改进的凝胶内O-连接糖链分析的综合方案。该优化方案可提高糖链回收率,增强通过对全甲基化糖链进行MSn分析所获得的结构信息,并提升对从生物来源中分离的重要糖蛋白进行硫酸化糖组学分析的灵敏度。
本方案旨在对通过 SDS-PAGE 分离的完整糖蛋白提取物或特定目标糖蛋白进行 O-连接聚糖分析,包含三个实验步骤:A)凝胶清洗;B)凝胶内还原性 β-消除;C)聚糖完全甲基化。目标是从具有重要生物学意义的原始样本中获取全面的 O-连接糖组学数据(图1)。通过染色法显示经 SDS-PAGE 分离的糖蛋白,切取目标条带并将其切成小块。对凝胶条带进行脱色处理,并用乙酸乙酯洗涤以去除凝胶污染物(图2A)。通过凝胶内还原性 β-消除反应释放聚糖(图2B),随后对释放的聚糖进行完全甲基化修饰。甲基化后采用水-有机溶剂萃取法,可将带负电荷的硫酸化聚糖与非硫酸化的中性聚糖完全分离(图2C)。将凝胶内还原性 β-消除与水-有机溶剂萃取相结合,能够实现对经 SDS-PAGE 分离的微量糖蛋白所释放的 O-连接聚糖及硫酸化聚糖的结构表征。整体实验策略概括于 图1,详细流程见 图2。此外,部分脱色并洗涤后的凝胶小块可用于后续标准 LC-MS/MS 蛋白质组学技术进行蛋白质鉴定。
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注意:实验室安全事项
遵循标准的实验室最佳实践,需注意以下事项。将所有有机溶剂存放在合适的场所。所有废弃材料应置于带有明确化学成分标签的化学废液容器中。由于本实验方案中使用的多种试剂可能具有致癌性或会产生易燃挥发性气体,因此所有试剂操作均应在通风良好的通风橱内进行。在使用有机溶剂时,应佩戴个人防护装备,如手套、实验服和护目用具。

图1. 凝胶内O-糖组学操作流程。(A)目标蛋白质通过SDS-PAGE分离,经适当染色方法(考马斯亮蓝或银染)检测后切取。将切下的凝胶条块切成小块,脱色,并用乙酸乙酯洗涤以去除可能干扰后续质谱分析的杂质。部分凝胶条块可保留用于凝胶内胰蛋白酶消化,并通过LC-MS/MS进行后续蛋白质组学表征。(B)通过凝胶内还原性β-消除反应从分离的糖蛋白中释放O-连接聚糖。关键步骤包括通过甲醇共沸去除盐分和硼酸盐。(C)经还原性β-消除释放的O-连接聚糖进行完全甲基化修饰,随后分配至水相和有机相中。硫酸化聚糖定量回收于上层(水相),而中性聚糖和唾液酸化聚糖则分配至下层(二氯甲烷相)。

图 2. 凝胶内糖组学详细流程图。图中逐一展示了 图 1 中的每个实验步骤:(A)凝胶脱色与乙酸乙酯提取,(B)直接在凝胶内进行还原性 β-消除以释放 O-连接聚糖,以及(C)全甲基化与相分离。请点击此处查看该图的放大版本。
1. 凝胶切胶及去除凝胶来源的污染物
2. 通过还原性 β-消除法在凝胶中释放 O-糖链
3. 阳离子交换色谱脱盐
4. 硼酸盐去除
5. C18 净化
6. 预甲基化用碱的制备
注意:为了实现稳定的完全甲基化,需新鲜配制 NaOH 悬浊液。用于完全甲基化反应的所有玻璃器皿应彻底清洗。
7. 释放糖链的完全甲基化
8. 水相中硫酸化O-聚糖的C18纯化
9. O-糖链的全甲基化质谱分析
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凝胶内还原性β-消除前乙酸乙酯处理的影响
通过凝胶内还原性β-消除法从牛黏蛋白中释放的O-连接聚糖样品的甲基化衍生物的代表性质谱图如图3所示。使用乙酸乙酯洗涤凝胶碎片可有效去除十二烷基硫酸钠(SDS)和聚丙烯酰胺类污染物,这些杂质会干扰后续的质谱分析27。

图 3. 在凝胶内还原性 β-消除反应前,用乙酸乙酯洗涤聚丙烯酰胺凝胶小块可增强释放聚糖的检测灵敏度。(A)未用乙酸乙酯洗涤时,通过凝胶内 β-消除法从牛颌下腺...
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将凝胶内还原性β-消除反应与水-有机相萃取相结合,可显著提高从小量黏蛋白型糖蛋白中分离得到的硫酸化及非硫酸化O-连接糖链进行结构表征时所获取数据的灵敏度和深度,这些糖蛋白通过SDS-PAGE与其他蛋白质分离。本研究中所提出技术方法的关键改进在于:(a)通过简单的洗涤步骤即可有效去除凝胶来源的污染物;(b)在快速的水-二氯甲烷(DCM)相分离后,可实现硫酸化糖链完全甲基化产物在水相中的定量回收。本文所述工作流程显著提升了对生物样品中生理表达水平糖蛋白所释放的硫酸化与非硫酸化糖链进行检测的灵敏度。
尽管此处所述方法在严格遵循标准分析实践时具有良好的稳健性和高度可重复性,但仍需简要提及一些可能的污染来源。确保所有玻璃器皿极为洁净,且无灰尘和洗涤剂残留,这一点至关重要。当在质谱(MS)图谱中观察到污染物峰时,应彻底清洗所有玻璃器皿,并在最终干燥前用甲醇(MeOH)冲洗。另一污染来源是使用橡胶衬垫的螺旋盖,而非聚四氟乙烯(PTFE)衬垫盖。由于橡胶衬垫缺乏对有机化学品的耐受性,会导致样品被干扰性的聚合物化合物污染。尽管本方案专门设计用于在离子阱质谱仪上通过纳升电喷雾电离质谱(NSI-MS)进...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
本研究工作得到了美国国立心肺血液研究所/国立卫生研究院(NHLBI/NIH)基金项目P01HL107151的资助。作者还衷心感谢美国国立普通医学科学研究所/国立卫生研究院(NIGMS/NIH)基金项目P41GM103490所提供的仪器设备支持与使用权限。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 水,去离子水 | Sigma-Aldrich | 270733-4L | CHROMASOLV,用于高效液相色谱 |
| 冰醋酸 | Fisher | A38-500 | 经认证的ACS级,≥99.7% w/w |
| 甲醇 | Sigma-Aldrich | 34860-4L-R | CHROMASOLV,用于高效液相色谱,≥99.9% |
| 碳酸氢铵 | Fluka | 09830-500G | BioUltra,≥99.5% (T),步骤1 |
| 乙腈 | Sigma-Aldrich | 34998-4L | CHROMASOLV Plus,用于高效液相色谱,≥99.9%,步骤1 |
| 乙酸乙酯 | Fluka | 34972-1L-R | LC-MS CHROMASOLV,步骤1 |
| 硼氢化钠 | Aldrich | 213462-25G | ReagentPlus,99%,步骤2 |
| 碘甲烷 | Sigma-Aldrich | 289566-100G | ReagentPlus,99.5%, 步骤6。 使用前于4 °C保存。 使用前置于室温下平衡。 |
| 氢氧化钠溶液,50% w/w | Fisher | SS254-1 | 经认证,步骤6 |
| 无水二甲基亚砜 | Sigma-Aldrich | 276855-1L | 无水,≥99.9%,步骤6 |
| 无水甲醇 | Sigma-Aldrich | 322415-100ML | 无水,99.8%,步骤6 |
| 二氯甲烷 | Sigma-Aldrich | 34856-4L | CHROMASOL®,用于高效液相色谱,≥99.8%,含戊烯作为稳定剂,步骤7 |
| Dowex 50WX8 氢型 100-200 目 | Sigma-Aldrich | 217506-500G | 步骤3 |
| AG 50W-X8 树脂 | Bio-Rad | 142-1441 | 步骤3 |
| BAKERBOND spe 1 ml x 100 mg 固相萃取柱,聚丙烯,十八烷基(C18)反相 | JT Baker | JT-7020-01 | 步骤5和8 |
| 7.5% Mini-PROTEAN TGX 预制胶 | Bio-Rad | 步骤1 | |
| Bio-Safe 考马斯亮蓝染色液 | Bio-Rad | 161-0786 | G-250,步骤1 |
| 用于质谱分析的银染试剂盒 | Pierce | 24600 | 步骤1 |
| 寡糖试剂盒(麦芽三糖,Dp3: R474140) | Supelco | 47265 | |
| 寡糖试剂盒(麦芽四糖,Dp4: R474135) | Supelco | 47265 | |
| 一次性巴斯德吸管,玻璃,短头 | VWR | 14673-010 | 使用前清洗 |
| PYREX 13 x 100 mm 一次性圆底螺纹培养管 | Corning | 99447-13 | 使用前清洗 |
| PYREX 16 x 125 mm 一次性圆底螺纹培养管 | Corning | 99447-16 | 使用前清洗 |
| 带聚四氟乙烯覆面橡胶衬垫的酚醛盖帽/密封盖 | Kimble | 45066C-13 | 使用前清洗 |
| 带聚四氟乙烯覆面橡胶衬垫的酚醛盖帽/密封盖 | Kimble | 45066C-15 | 使用前清洗 |
| Hamilton 高效液相色谱注射器 | HAMILTON | 81265 | 容积 500 μl,针头规格 22 G |
| Hamilton 高效液相色谱注射器 | HAMILTON | 81165 | 容积 250 μl,针头规格 22 G |
| Hamilton 高效液相色谱注射器 | HAMILTON | 81065 | 容积 100 μl,针头规格 22s G |
| Hamilton 高效液相色谱注射器 | HAMILTON | 80965 | 容积 50 μl,针头规格 22s G |
| Hamilton 校准注射器 | HAMILTON | 80300 | 容积 10 μl,针头规格 26s G |
| 玻璃培养皿 100 mm x 15 mm | GSC INTERNATIONAL INC | 1500-4 | 使用前清洗,步骤1 |
| Bard-Parker 外科刀片 | Fisher | 371310 | 步骤1 |
| Reacti-Therm 加热/搅拌模块 | Pierce | 18870 | 步骤1、4和7 |
| 加热块 | Fisher | 125D | 步骤2 |
| Pyrex 玻璃纤维棉,硼硅酸盐,孔径 8 μm | Aldrich | CLS3950 | 步骤3 |
| 熔融石英切割器,管路切割器 | alltech | 3194 | 步骤3 |
| 多管涡旋振荡器 | VWR | 444-7063 | 步骤6 |
| 冻干机 25EL Freezemobile | Virtis | 25EL | |
| 离心机 | VWR | Clinical 50 | |
| LTQ Orbitrap Discovery | Thermo Fisher Scientific |
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