方法文章

高通量，复用和有针对性的蛋白质组学分析脑脊液量化神经退行性生物标志物和载脂蛋白E亚型状态

DOI：

10.3791/54541

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2016年10月20日

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1Centre for Translational Omics, Genetics and Genomic Medicine Deptartment, Great Ormond Street Institute of Child Health, University College London, 2Dementia Research Centre, Institute of Neurology, University College London, 3Clinical Neurochemistry Laboratory, Institute of Neuroscience and Physiology, Department of Psychiatry and Neurochemistry, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, 4Neurology Unit, Department of Pathophysiology and Transplantation, University of Milan, 5Great Ormond Street Hospital for Children, University College London

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

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我们描述了一种高通量，多重，和有针对性的蛋白质组学脑脊液（CSF）试验与临床翻译潜在发展。该试验可定量潜在标记和危险因素的神经变性，如载脂蛋白E的变体（E2，E3和E4），并测量它们的等位基因的表达。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

许多神经退行性疾病仍缺乏有效的治疗方法 。识别和这些疾病分类可靠的生物标志物将在以后的新型疗法的发展具有重要意义。通常，潜在的新的生物标志物不让它进入临床，由于其发展和成本高的限制。然而，使用多反应监测液相色谱 - 串联目标蛋白质组/质谱法（MRM的LC-MS / MS），特别是使用三重四极杆质谱仪，是一种方法，可用于快速评估和验证为临床翻译成诊断实验室的生物标志物。传统上，这平台已经广泛地用于临床实验室的小分子的测定，但它是分析蛋白质的潜力，这使得它有吸引力的替代ELISA（酶联免疫吸附吸附法）为基础的方法。我们在这里描述蛋白质组学如何定向可用于测量痴呆复用标记物，其中包括已知的危险因素载脂蛋白E亚型4（个ApoE4）的检测和定量。

为了使该试验适用于翻译，它的设计是快速，简便，高特异性和成本效益。为了实现这一目标，在化验的发展每一步都必须为他们分析个人的蛋白质和组织进行优化。该方法描述了一个典型的工作流程，包括各种提示和技巧，制定有针对性的蛋白质组学MRM LC-MS / MS翻译。

该方法的发展，使用胰蛋白酶quantotypic肽，其校准的MS检测的定制合成版本优化，然后掺入CSF的，以确定在MS分析之前的色谱分离的内源性肽的正确鉴定。为了实现ABSOLU德定量，稳定的同位素标记的内标版本的肽的短的氨基酸序列的标签和含有胰蛋白酶切割位点，包括在测定中。

引言

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神经变性疾病如阿尔茨海默氏病，路易体痴呆和帕金森氏病，的生长影响成为许多国家1中的社会经济问题。有在可用于识别和在疾病的早期阶段进行分类的患者，并监测任何潜在的新的治疗方法的其他的生物标记物需要。这种方法的总体目标是建立一个通用的管道用于验证神经退行性疾病的潜在CSF标记的精简，经济和快捷的方式。基本原理是利用目标蛋白质组或肽MRM LC-MS / MS作为一种容易可修正方法从实验中发现多个评估潜在的蛋白生物标志物。这些可以在一个快速色谱分离（<10分钟），并评估被进一步复用。在这多重屏幕神经退化生物标志物，我们包括已知的老年痴呆症的危险因素载脂蛋白E4亚型（ApoE4的），所以我们CAN按，消除单独的基因分型测试2需要同时确定其状态和表现水平。 LC MS / MS被常规用作首选优于其它方法如ELISA或放射免疫测定（RIA）准确定量的小分子的方法。这种转变在使用质谱技术来分析蛋白质，已通过与基于免疫的技术有关的问题，主要推动。这些包括交特异性，批次变异，有限的货架寿命和成本高。因此，有针对性的蛋白质组学研究正在迅速成为越来越多的替代基于抗体的方法，如蛋白印迹，RIA和ELISA。然而，多路传输的许多标记到一个测定的能力，是该技术通过基于免疫方法3的主要优势。该技术适用于多种组织中，并已作为许多蛋白质组学研究，包括血浆4和尿5,6-验证策略。

在TEchnique可以应用到具有在使用三重四极杆质谱仪的访问和专业知识的任何实验室。多肽设计与越来越多地使用开源数据库的比较简单。定制多肽合成激烈的市场竞争，使他们更加低廉。重肽，然而，是昂贵的，因此，标记应在一个小的队列移动到较大规模之前进行评估。有越来越多的潜力，以在临床诊断设置中所使用的技术，与具有可以容易地适于运行靶向蛋白质组学测定三重四极杆的平台最大医院。该方法的一种这样的应用，使得它进入常规诊断设置，是其最近应用到新生儿血斑筛查镰状细胞贫血症7。

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方案

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注意:此处描述的总体协议的示意图在连接 古尔1中给出用于这种方法的开发所有样品是过剩的临床诊断的样品，并有从伦敦布卢姆斯伯伦理委员会的伦理批准。

figure-protocol-1
图1.示意图龙虎斗创建用于评估靶向CSF的MRM的LC-MS / MS测定。候选标记的肽的整体流程从蛋白质靶选中。通过使用定制合成肽，创建有针对性的LC-MS / MS复用方法。评价后，该测定可用于评估神经变性潜在标志物的功效。

1.肽选择与设计

注意:标准标记肽是它必须是唯一的（ 蛋白典型 （quantotypic）的定量丰盈。要确定是否肽是独一无二与否，UNIPROT网站上的'爆炸'的搜索工具（http://www.uniprot.org/blast/）都可以使用。

  1. 定义靶蛋白（标记）， 即列表，载脂蛋白E（ 见表2）。
    注意:如果标记已经从以前的蛋白质组学分析实验确定了8，然后选择给出了该数据集的最好回应肽。
  2. 如果此信息不可用，使用开源的网站， 如靶蛋白硅片胰酶消化，使用软件工具，如MS-文摘。
  3. 选择哪个是胰蛋白酶和不容易受到翻译后修饰的肽。
    注:此信息可在网站UNIPROT上www.uniprot.org进行检查。避免LC-MS样品制备过程中易发生化学修饰肽。
  4. 订购选择肽定制合成。
    注意:标记肽可以通过各种商业企业可以定制合成。对于ApoE基因被确定用来衡量总ApoE基因水平quantotypic肽是AATVGSLAGQPLQER。用于确定E2和E4变种蛋白典型肽序列是位置158（RLAVYQAGAR和CLAVYQAGAR）和位置112（LGADMEDVCGR和LGADMEDVR）的胰蛋白酶肽，分别。

2.标准肽的制备

注意:为了选择最佳的量化转换，需要优化的矩阵（CSF）的检测。优化复肽的最有效的方式是在已知浓度来创建肽的池。然后这些池可用于方法的开发和标准曲线。

  1. 重悬的合成肽（肽细节在表2中给出）至1mg / ml储备根据浓度生产商的说明。默认情况下，如果指令是不可用，在50:50（体积/体积）乙腈（ACN）重悬肽/ H 2 O
  2. 从原料浓度和每种肽的池1000皮摩尔成低结合的离心管制备该肽的1:10稀释液。干倒在一个速度真空浓缩器在-20°C的最终游泳池和商店。准备几个游泳池供日后使用。
  3. 分装100微升CSF进入低结合管。冻干脑脊液。
  4. 重悬在消化缓冲液（100mM的Tris盐酸，pH值7.8，6M尿素，2M硫脲，2％ASB14），得到10和11皮摩尔/微升的浓度汇集1000皮摩尔肽的等分试样。
  5. 穗汇集肽进入CSF的冻干100微升等分试样在0，1，2，5，10和15时的浓度。添加20ng的完整无关蛋白如酵母烯醇化酶作为内标，并控制为TR的消化效率ypsin。
  6. 加满消化缓冲液的20微升的最终量CSF等分。涡流。
  7. 添加二硫苏糖醇的1.5微升（30毫克在1ml的100mM的Tris盐酸，pH值7.8）和在室温下振摇1小时。
  8. 加入3微升碘乙酰胺（35毫克在1ml的100mM的Tris盐酸，pH值7.8）和在室温下振摇在黑暗中45分钟。
  9. 加入165微升的DDH 2 O的
  10. 添加0.1微克10微升/微升重新悬浮于50mM碳酸氢铵缓冲液，pH 7.8测序级改良的胰蛋白酶溶液。孵育在37℃CO / N的水浴并通过冷冻样品停止消化。储存在-20°C消化，直到准备分析。

3. MS肽检测的优化

  1. 复制并粘贴肽的序列被优化，到适当的软件， 如，天际线9。点击肽序列获得的信息预计前体离子的质量和产品的离子。
  2. 从稀释股权集中肽（参见2.1节），进一步为1纳克/毫升的浓度MS方法开发。
  3. 直接注入质谱仪中的肽在优化流动速率（通常为0.1 - 0.8毫升/分钟），并用0 - 5％碰撞能量。
  4. 获得MS谱以鉴定实验多电荷前体离子8。选择给出最强度（doubly-或三重充电前体离子被决定）的前体离子（M / Z）。
  5. Reinfuse肽和应用碰撞能量片段通过碰撞诱导解离（CID）的肽。优化锥体和碰撞能量，以获得最佳的碎片图案（碎片离子优选大于母体离子大的碎片离子单独或双电荷，和质量，宜）。
  6. 验证实验获得的过渡相匹配，在硅片中产生的过渡</ em>的（如在步骤3.1中所述）。保存使用每个母离子的至少2个最激烈的过渡中的MRM方法文件的转换列表。包括2个转换:1进行定量和1个在最终检测确认。
    注:某些MS厂家有一个功能（ 即 ，沃特世智能启动），用于自动MRM或SRM分析优化。如果可能的话，在50注入与组合的移动相肽 - 70％ACN的0.1％FA。

4. LC-MRM方法开发

注意:由超性能耦合到三重四极质谱仪液相色谱（UPLC）系统分析合成肽的混合物。确保源是干净的。溶剂A是的DDH 2 0 0.1％FA;溶剂B是ACN用0.1％的FA。

  1. 使用配有填充用C-18相（直径1.6微米，90埃的孔，2.1毫米×50毫米长），并连接到同一相的预柱一UPLC色谱柱的LC-MS系统。
  2. 在冰上，离心机除霜CSF消化以16,000 g下10分钟，并转移60微升到300微升玻璃插入小瓶中并在-20存储靠背℃。
  3. 从注射标准曲线点使用10分钟1浓度最高- 40％ACN线性渐变（见渐变设置表1）
  4. 打开生成的色谱图和笔记保留时间和顶部的两个最激烈的（定量）每肽转换与在步骤3中创建的所有过渡。
  5. 基于该信息，更新定时信道的10分钟MRM方法（在步骤3.6中创建）来衡量肽（参见图2的例子）。维持灵敏度，保持与每峰大于8分每个信道和停留时间小于0.01秒，对于每种肽的至少一种过渡更大。
  6. 包括在MRM方法"溶剂延迟":一个是在年初到第一峰洗脱前10秒，另在该方法中，最后的峰值洗脱后20秒的结束。通过在MS方法文件方法事件中选择"溶剂延迟"做到这一点。
  7. 通过定时MRM方法运行标准曲线，并确保有与转换（步骤3.6生成的）无干扰的非特异性峰通过检查线性。
  8. 确定该肽是通过运行通过该方法非加标池控制和疾病脑脊液检测的。
  9. 删除低于检测从检测限的肽。

figure-protocol-2
肽转变图2.动态MRM MS方法的实施例。定时通道可以按既定的保留时间进行分组。使MRMS被纳入一个定时方式作为所选择的标记肽从层析柱洗脱出来，最小化TRA的数目在一段时间内nsitions，提高了检测的灵敏度。 请点击此处查看该图的放大版本。

5.加入内标准

注意:如前面10所描述的，稳定的同位素标记的内标可以包含在测定中。由于这些标准的费用，这是应先评估在基质中的肽。

  1. 确定用于检测CSF中的优化提供了理想的肽:选择，这是最经常的肽，具有最高的强度和无干扰峰。
  2. 相应的肽的设计，以包括重13 C 15 N氨基酸的标签，达相对于内源性肽的至少6通过增加肽的质量。此外，添加的4标记 - 重打气的6个附加氨基酸N-或C-末端潮来控制胰蛋白酶消化。
  3. 稀释消化缓冲液的稳定同位素标记的内部标准（见步骤2.4）。确定将在脑脊液通过在取决于开发期间先前观察到的丰度各级扣球被掺入稳定同位素标记的内标物的理想的量。旨在实现约为1:内源性肽1比稳定同位素标记的标准。
    注:稳定同位素标记的内标可通过各种商业公司进行合成。

脑脊液患者样品的6 LC-MRM测定

  1. 穗优化的稳定同位素标记的标准量为100微升脑脊液并冷冻干燥该混合物。
  2. 重悬CSF的20微升消化缓冲液和作为分2.7描述进行消化 - 2.10。
  3. 分析使用步骤4中开发的LC-MRM方法的样品。
  4. 对于定量分析，运行标准PEP潮汐在标准曲线的0 -15皮摩尔浓度。请参阅步骤2.5标准曲线的准备。

7.数据分析

注:定量数据是基于基线峰内部标准（重标记的肽）的强度比。对于SRM / MRM数据分析的详细信息，前面所述10。比率数据然后可以在标准曲线被用来确定绝对水平或由重标记的肽的加入浓度计算它们。

  1. 使用质谱仪制造商的标准软件10分析LC-MRM数据。或者，使用天际线软件分析定量MRM数据10。
  2. 检查通过检查内部标准的响应运行的灵敏度等的尖刺酵母烯醇化酶或在每次运行稳定的同位素标记的标准。确保变化（CV）的系数不大于25％。
  3. 手动查看数据标注，以确保准确性。每种肽和比率分析为合适的稳定同位素标记的内标， 即，如果有的话使用的肽的稳定同位素标记的版本。
  4. 以得到每100微升脑脊液皮摩尔的绝对值，通过分别在同一时间运行适当的标准曲线运行比率数据。
  5. 计算的变化（CV）的系数。的CV对于每种肽应低于25％和15％以下为高丰度的肽。
    注:每100微升CSF值绝对值皮摩尔可在随后的下游统计分析使用。

8.载脂蛋白E亚型状态

注意:要确定的ApoE同种型状态，对应的肽的存在可以通过确定每个同种型的存在下进行。

  1. 考虑所述ApoE在100μl> 1000信号的脑脊液阈值底噪为阳性为该肽。参见图5为所需要的肽/缺席确定患者的同种型地位。通过计算各亚型的％，总计ApoE基因表达确定等位基因表达。

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结果

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使用上述的方法中，由来自54蛋白74肽的高通量10分钟多重测定的开发，对于神经变性疾病阿尔茨海默氏病和路易小体痴呆（LBD）8。 图3的标志物的测定显示出版多路复用色谱先前8从测定中显著肽标记。包括在测定及其数量的过渡肽在表2中给出。由这种方法所产生的数据提供了标准化的比率相关的稳定同位素标记的内标。这些值然后可通过标准曲线付诸确定绝对皮摩尔/100μl的CSF浓度。这些值然后可统计学分析临床样品中的变化。

如前所述8中 ，74 PE的定量包括在此CSF检测ptides透露，这些标记的25个老年痴呆症患者的脑脊液显著改变。为了说明该测定的效力，从先前的结果描述性痴呆标记亲食欲素和YKL几丁质酶3样蛋白（YKL-40）11,12给出在图4中该集成的ApoE测定标识的所...

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讨论

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如同所有的基于MS测定法，在该方法的关键步骤是内部标准的适当和准确的量的测定。如果使用绝对定量，则正确的量的标准曲线加标肽的也是关键的。

我们的测定法不需要CSF或使用任何类型的MS分析之前清理或脱盐步骤的析出 - 它是一个完全一锅反应方法。由于CSF的体积小和它的有限复杂性（相比于等离子体），已经发现，这些步骤可以从最终的协议被去除，从而简化了测定，使之更适合于翻译成诊断设置。预柱的主要分析柱和在MS方法的溶剂延迟的夹杂物，似乎足以维持该MS中灵敏度运行超过500个样本。作为所述检测UPLC runni纳克时间短，以明确地确定在脑脊液正确峰消化矩阵是重要的。

这只能通过使用加标合成的肽的和标准曲线来实现。如果存在匹配于正确色谱峰的肽的不确定性则可能运行通过多个过渡样本和与合成标准检查跃迁强度图案是有用的。所有的测定法含有至少2肽转变到确认该肽的身份。

该测定法已被开发用于在高达100微升脑脊液检测标记。痴呆的一些其它标记，可能需要CSF的较大体积。该测定的另一个限制是蛋...

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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这项工作是由国家健康研究所、大奥蒙德街医院生物医学研究中心和伦敦大学学院儿童健康研究所的伦敦大学学院生物质谱中心通过 GOSomics 研究计划资助和促进的，并得到了 Szeban Peto 基金会的善意捐赠。痴呆症研究中心是英国阿尔茨海默病研究中心的协调中心。作者感谢英国阿尔茨海默病研究中心、NIHR 皇后广场痴呆症生物医学研究单位、UCL/H 生物医学研究中心和 Leonard Wolfson 实验神经病学中心的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
乙腈 （ACN），LC-MS 级 FisherA955-1
甲酸，LC-MS 级，FisherA117-50
二硫苏糖醇 （DTT）Sigma D5545 - 5 g
盐酸，37% w/wVWR BDH3028 - 2.5 LG
碘乙酰胺  西格玛 I1149 - 5 g
氢氧化钠 （NaOH）FisherS318-500
胰蛋白酶，测序级，改良PromegaV5113
三氟乙酸 （TFA），LC-MS 级FisherA116-50
尿素SigmaU0631- 500 g
水，LC-MS ULTRA ChromasolvFluka14263
定制合成肽脱盐 1-4 mg金斯瑞定制
重标记氨基酸 [13C; 15N] 定制肽金斯瑞定制
ASB 14Merck Millipore182750 - 25 g
硫脲SigmaT7875 - 500 g
Tris 碱SigmaT6066
VanGuard PrecolumnWaters186007125
Cortecs UPLC C18 + 1.6 μM 2.1 x 50 mm 色谱柱Waters186007114
酵母烯醇酶 SigmaE6126
300 μl 透明螺口玻璃样品瓶Fisher scientific03-FISV
Y 裂口螺口盖 Fisher scientific9SCK-（B）-ST1X
冷冻干燥机Edwards Mudulyo Mudulyo system
集中器/高速真空Eppendof 集中器 plus 5301
Xevo -TQ-S 质谱仪Waters
Acquity UPLC 系统Waters
型 吸尘器

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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