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蛋白质翻译后修饰(PTMs)在调控蛋白质结构及其功能和下游生物学过程方面起着重要作用。由于多种PTMs带来的组合多样性,人类蛋白质组的复杂性呈指数级增加。蛋白质与其基因组预测的经典序列不同的各种变体被称为蛋白质异构体(proteoforms),而许多蛋白质异构体来源于PTMs1。近年来,研究健康与疾病状态下蛋白质异构体的多样性已成为备受关注的研究领域2,3。
通过基于质谱(MS)的蛋白质组学方法的发展,对蛋白质异构体特别是翻译后修饰(PTMs)进行深入研究已变得更加便捷。利用质谱技术,分析物被离子化、碎裂,并根据其质荷比进行鉴定 m/z 的片段。由于与非修饰形式的蛋白质相比,翻译后修饰(PTMs)的相对丰度较低,因此通常需要采用富集方法。尽管对完整蛋白质及其翻译后修饰进行分析(称为自上而下分析)已变得越来越常规,但通过酶解蛋白质并对其组分肽段进行分析的自下而上分析法仍是目前应用最广泛的翻译后修饰研究途径。在众多翻译后修饰中,研究最为广泛且最常见的两种 体内是糖基化和磷酸化4这两种翻译后修饰在细胞信号传导和识别中起着关键作用,因此在疾病研究中是需要重点表征的重要修饰。
不同翻译后修饰(PTM)的化学性质通常为在分析前对蛋白质和肽水平上的这些修饰进行富集提供了途径。由于每个单糖上富含羟基,糖基化是一种亲水性PTM。该特性可用于亲水相互作用色谱法(HILIC)中富集糖肽,从而将亲水性更强的糖肽与疏水性的未修饰肽分离5。磷酸化会添加磷酸基团,该基团在非酸性pH条件下带负电荷。由于这种电荷特性,可利用多种金属阳离子(包括钛)吸引并结合磷酸化肽,而未磷酸化的肽则被洗脱除去,此即固定化金属离子亲和色谱法(IMAC)的原理。有关糖基化和磷酸化及其他富集策略的进一步讨论,可参见近期的综述文章6,7。
起始肽段材料通常需要较大量的投入(0.5 mg 或更多),这是由于肽段上翻译后修饰(PTMs)的化学计量比较低。在某些难以获得足够样本量的情况下,例如肿瘤组织核心活检或脑脊液分析,采用简便高效的实验流程以获取最大化的生物分子信息显得尤为重要。我们实验室及其他研究团队近期开发的策略表明,可利用相同的翻译后修饰富集流程,实现糖基化与磷酸化的同步平行分析。8,9,10,11,12尽管这两种PTM的化学性质可能不同,但由于采用了创新的分离技术和材料,这些PTM仍可分步进行分析。例如,静电排斥-亲水相互作用色谱(ERLIC)结合了分析物与流动相之间的亲水相互作用以及分析物与固定相材料之间的电荷-电荷相互作用,实现多维分离。13,14,15,16在酸性 pH 条件下,磷酸化肽段与固定相之间的吸引力可增强其保留能力,从而实现与非修饰肽段的有效分离。采用将 Ti(IV) 固载于亲水性微球上的材料,可用于基于 HILIC 和 IMAC 的洗脱方式,分离磷酸肽以及中性、酸性和甘露糖-6-磷酸化糖肽。17,18该策略被称为双功能Ti(IV)-IMAC。采用这些策略在单一工作流程中富集多种PTM,可更便捷地分析潜在的PTM串扰相互作用。此外,与并行进行的传统富集方法相比,该方法所需的总样品量和时间更少(即, HILIC 和 IMAC 分别在不同的样品等分试样上进行。
为了展示用于同时分析蛋白质糖基化和磷酸化的双功能 Ti(IV)-IMAC 策略,我们已将其应用于死后人类胰腺组织的分析。胰腺既产生消化酶,也产生包括胰岛素和胰高血糖素在内的调节激素。在胰腺疾病中,胰腺功能会受到损害。在糖尿病中,血糖调节受到影响,导致血液中葡萄糖水平升高。在胰腺炎中,器官的自体消化会引起炎症3。翻译后修饰谱(PTM)的变化,包括糖基化和磷酸化,可能会随之发生,这在其他疾病中也常常如此。
本文描述了一种基于双功能Ti(IV)-IMAC策略的旋转尖端式同步富集方法,用于富集源自胰腺组织蛋白提取物的N-糖肽和磷酸化肽。该方案包括蛋白质提取与消化、富集、质谱数据采集及数据处理,流程如图所示。 图1本研究的代表性数据可获取 通过 ProteomeXchange 联盟,标识符 PXD033065

图1:人胰腺组织中N-糖肽与磷酸化肽同时分析的工作流程。 组织首先经冷冻粉碎处理成细粉,随后使用去垢剂十二烷基硫酸钠(SDS)进行蛋白质提取。提取的蛋白质再经酶解消化。所得肽段在使用双功能Ti(IV)-IMAC富集前进行分装。原始数据通过纳米级反相液相色谱-质谱联用技术(nRPLC-MS)采集,并利用数据库搜索软件进行分析。请点击此处查看该图的放大版本。
本方案旨在使翻译后修饰(PTM)分析更易于开展,并能够在同一工作流程中广泛分析多种翻译后修饰。该方案可应用于其他复杂的生物基质,包括细胞和生物流体。