单体α-突触核蛋白的结构集合影响其生理功能和理化性质。本方案描述了如何在生理条件下,对这种内在无序蛋白的单体进行毫秒级氢/氘交换质谱分析及后续数据处理,以获得其构象信息。
单体α-突触核蛋白的结构集合影响其生理功能和理化性质。本方案描述了如何在生理条件下,对这种内在无序蛋白的单体进行毫秒级氢/氘交换质谱分析及后续数据处理,以获得其构象信息。
α-突触核蛋白(aSyn)是一种内在无序蛋白,其纤维状聚集体在路易小体和路易神经突中大量存在,而这些结构是帕金森病的典型病理特征。然而,该蛋白的许多生物学功能及其聚集过程在很大程度上均涉及其可溶性单体形式。要阐明aSyn生物学与病理生理学的分子机制,需要具有高分辨率的结构研究方法,并且对生物条件高度敏感。由于aSyn天然呈非折叠的亚稳态结构,使得单体形式的aSyn难以适用于多数结构生物学技术。本文介绍其中一种方法的应用:在毫秒时间尺度上对热力学稳定性较低且保护因子较弱的蛋白质(如aSyn)进行氢/氘交换质谱(HDX-MS)分析。在毫秒时间尺度下,HDX-MS数据包含了关于aSyn溶剂可及性和氢键结构的信息,而这些信息在较长标记时间下会丢失,最终可实现氨基酸水平的结构解析。因此,HDX-MS能够在高空间和时间分辨率下提供有关构象动力学与热力学、分子内及分子间相互作用,以及突变或环境条件改变对结构影响的信息。本文虽强调其广泛适用性,但重点演示了如何获取、分析和解读单体aSyn的毫秒级HDX-MS测量数据。
帕金森病(PD)是一种影响全球数百万人的神经退行性疾病1。该病的特征是在脑部黑质致密带区域形成称为路易小体和路易神经突的胞质包涵体。这些胞质包涵体被发现含有内在无序蛋白aSyn的聚集物2。在帕金森病及其他突触核蛋白病中,aSyn会从可溶性的无序状态转变为不溶性的高度有序致病状态。在天然状态下,单体形式的aSyn通过其N端与C端之间的长程静电相互作用以及C端与非淀粉样β组分(NAC)区域之间的疏水相互作用,形成多种稳定的构象3,4,5,6。任何对这些稳定相互作用的干扰,例如突变、翻译后修饰或局部环境的变化,都可能导致单体错误折叠,从而引发聚集过程7。
尽管目前已有大量关于aSyn的寡聚体和纤维形式的研究8,9,10,11,但对aSyn单体形式的研究仍至关重要,亟需更深入地理解哪些构象具有功能(及其作用机制),以及哪些构象易于发生聚集8,9,10,11。由于aSyn本质上是无序结构,分子量仅为14 kDa,且难以结晶,因此大多数结构生物学技术难以适用于aSyn单体的研究。然而,毫秒级氢氘交换质谱(millisecond HDX-MS)能够测量单体aSyn的构象动态,并已近期获得了一些其他方法难以甚至无法获取的重要结构信息12,13,14。毫秒级HDX-MS通过监测酰胺氢的同位素交换,反映特定蛋白区域在毫秒时间尺度上的溶剂可及性及氢键网络参与情况,从而灵敏地测量蛋白构象集合的平均状态。必须强调HDX-MS的“毫秒”特性,因为aSyn具有天然未折叠和亚稳态的特性,其氢交换动力学极为迅速,远低于传统HDX-MS系统的检测下限。例如,在细胞内条件下,aSyn分子的大部分在不到1秒的时间内已完成氢向氘的完全交换。目前已有多个实验室开发了快速混合装置;本研究中采用的是一种原型快速混合淬灭流动仪,可实现50 ms的死时间及1 ms的时间分辨率,用于执行HDX-MS15。尽管毫秒级HDX-MS近期在aSyn研究中展现出关键价值,但它在更广泛地研究内在无序蛋白/区域以及大量仅含弱稳定环区或结构域的蛋白方面也具有重要潜力。例如,肽类药物(如胰岛素;GLP-1/胰高血糖素;替泽帕肽)和肽融合蛋白(如HIV抑制剂FN3-L35-T1144)是重要的药物形式,其溶液相中的结构与稳定性信息对药物研发决策至关重要;然而,这些肽段部分通常仅具有弱稳定性,在秒级时间尺度的HDX-MS中难以检测16,17,18,19,20。新兴的在秒至分钟时间域内进行标记的HDX-MS方法已被用于解析DNA G-四链体的结构信息,但通过应用毫秒级HDX-MS,有望将该技术拓展至更多样化的寡核苷酸结构研究21。
HDX-MS 实验可在三个不同层面进行:(1)自下而上法(将标记的蛋白质进行蛋白酶解消化),(2)中等向下法(将标记的蛋白质进行蛋白酶解消化,所得肽段再通过软解离技术进一步碎裂),(3)自上而下法(通过软解离技术直接碎裂标记的蛋白质)22因此,亚分子水平的HDX-MS数据可将氢氘交换行为定位至蛋白质的特定区域,这使得此类实验必须具备足够的序列覆盖率。任何HDX-MS实验的结构分辨率均依赖于蛋白经酶解或软解离后所产生的蛋白酶切肽段或片段的数量。在上述三种实验类型中,每个肽段/片段上酰胺氢交换的变化均被映射回蛋白质的一级结构,以反映蛋白质局部区域的行为特征。尽管软解离可实现最高的结构分辨率,但此类实验的详细描述不在本研究的范围之内,本研究聚焦于aSyn单体构象的测定。采用常规方法即可获得优异的结果 "自下而上" 此处描述的工作流程。
本文提供了以下实验步骤:(1)aSyn 样品及氢氘交换质谱(HDX-MS)缓冲液的制备与处理方法;(2)自下而上(bottom-up)HDX-MS 实验中的肽段图谱分析方法;(3)在生理条件下(特别是毫秒时间尺度)使用自制仪器对单体 aSyn 进行 HDX-MS 数据采集(已有其他仪器可用于毫秒级标记);(4)HDX-MS 数据的处理与分析方法。本文以生理 pH(7.40)下两种溶液条件中的单体 aSyn 为例进行说明。尽管这些方法在 aSyn 研究中具有重要价值,但其适用于任何蛋白质,并不仅限于内在无序蛋白。
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1. aSyn 蛋白的表达与纯化
2. HDX 缓冲液的制备
注意:由于Tris具有较高的温度系数,需要根据HDX反应进行时的温度(本方案中为20 °C)对pH测量值进行校正。
3. 肽图谱分析流程
4. 毫秒级氢/氘交换研究
5. 数据处理
6. 数据分析
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由于α-突触核蛋白(aSyn)本身具有内在无序的特性,因此在生理pH条件下捕捉其复杂的结构变化十分困难。氢-氘交换质谱法(HDX-MS)通过监测蛋白质骨架酰胺氢的同位素交换,来研究蛋白质的构象动态及其相互作用,是少数能够在高空间和时间分辨率下获取此类信息的技术之一。本方案广泛适用于多种蛋白质和缓冲条件,文中通过在两种不同溶液条件下(即步骤2.1–2.2中定义的State A和State B8)测量aSyn的交换动力学,对此进行了示例说明。
首先,对aSyn进行了映射实验,并获得了肽段覆盖图谱,如图1所示。该图谱覆盖了蛋白质序列的100%,平均冗余度为3.79。100%的覆盖度表明蛋白质中的所有氨基酸均在蛋白质消化产物中被检测到,从而能够对aSyn的氢氘交换行为进行全面分析。冗余度值表示重叠肽段的数量。较高的冗余度值可在对重叠肽段数据进行减法展平后,提高最终图谱的结构分辨率32。
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本文描述了以下实验步骤:(1)对单体 aSyn 进行肽段图谱分析,以获得最高的序列覆盖率;(2)在生理条件下对单体 aSyn 获取毫秒级的 HDX-MS 数据;(3)对所得 HDX-MS 数据进行分析与解读。所提供的实验流程通常易于操作,每次标记实验(包含三个重复和八个时间点)通常仅需约 8 小时,而肽段图谱实验仅需约 2 小时。鉴于所使用的仪器完全自动化,完整数据集可在一天内完成采集。然而,在样品处理和缓冲液配制过程中,必须格外注意确保测量结果来源于处于目标状态下的弱稳定性蛋白(或蛋白区域)。重要的是,先前的研究表明,不同的储存条件(如冷冻和冻干)会导致 aSyn 单体形成不同的构象体,因此表征样品处理对 aSyn 单体构象集合的潜在影响至关重要10。事实上,HDX-MS 对此类构象扰动具有高度敏感性,其动态范围可从微秒级持续至至少数月。此外,若仅严格研究 aSyn 单体,则强烈建议进行过滤,以去除样品在储存或操作过程中可能形成的非目标寡聚体和纤维。同时,HDX-MS 所用缓冲液的 pH 或 pD 必须严格控制在目标值的 ±0.05 范围内,因为任何偏差都会显著影响氢氘交换的本征速率,从...
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作者声明无竞争利益。
NS 由大学理事会钻石禧年奖学金资助。JJP 受英国研究与创新署未来领袖奖学金支持 [资助编号:MR/T02223X/1]。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 × 100 mm ACQUITY BEH 1.7 μm C18 色谱柱 | Waters Corporation | 186002346 | 分析柱 |
| 乙腈 HPLC 级 >99.9% HiPerSolv | VWR | 20060.420 | 用于液相色谱流动相 |
| CaCl2 | Sigma Aldrich | C5670 | 用于氢氘交换缓冲液的盐 |
| Chronos | Axel Semrau(购自 Waters Corporation) | 667006090 | 调度软件,可自动实现多次氢氘交换-质谱(HDX-MS)样品进样。其他厂商也提供替代软件,例如 HDXDirector 或 LEAP Shell |
| 氯化氘 | Goss Scientific(Cambridge Isotope Laboratories) | DLM-2-50 | 用于氢氘交换标记缓冲液 |
| 重水(99.9% D2O) | Goss Scientific(Cambridge Isotope Laboratories) | DLM-4 | 氘代水 |
| DynamX 3.0 | Waters Corporation | 176016027 | 同位素归属与氘掺入量计算 |
| Enzymate BEH 胃蛋白酶柱 | Waters Corporation | 186007233 | 胃蛋白酶消化柱 |
| 甲酸,99.0% LC/MS 级 | Fisher Scientific | 10596814 | 用于液相色谱流动相 |
| 盐酸胍 | Sigma Aldrich | RDD001-500G | 变性剂/促溶剂 |
| HDfleX | 埃克塞特大学 | N/A | https://ore.exeter.ac.uk/repository/handle/10871/127982 |
| KCl | Sigma Aldrich | P3911 | 用于氢氘交换缓冲液的盐 |
| LEAP HDX-2 CTC PAL 取样机器人 | Waters Corporation | 725000637 | 自动进样机器人 |
| 亮氨酸脑啡肽 | Waters Corporation | 186006013 | 用于质谱锁喷校准 |
| MassLynx | Waters Corporation | 667004007 | 控制进样方法和质谱仪的软件 |
| 最大回收小瓶 | Waters Corporation | 600000670CV | 每包100个,含瓶盖——用于 LEAP HDX-2 中的淬灭板 |
| MgCl2 | Sigma Aldrich | M8266 | 用于氢氘交换缓冲液的盐 |
| Millipore 0.22 µm 注射器滤器 | Millipore | N9CA7069B | 注射器滤器 |
| ms2min | Applied Photophysics Ltd | N/A | 快速混合淬灭-流动毫秒级氢氘交换仪器 |
| NaCl | Sigma Aldrich | S9888 | 用于氢氘交换缓冲液的盐 |
| Peltier 温度控制器 | LEAP Technologies Inc. | HP115-COOL/D | Peltier 控制器,用于精确设定 LEAP 机器人中各腔室的温度 |
| ProteinLynx Global Server 3.0 | Waters Corporation | 715001030 | 肽段鉴定软件。其他厂商也提供替代软件。 |
| 试剂瓶盖 | Waters Corporation | 186004632 | 每包100个 |
| LEAP HDX-2 用试剂瓶 | Waters Corporation | 186001420 | 每包100个,不含瓶盖——用于 LEAP HDX-2 中的缓冲液 |
| 氘氧化钠(99.5% 溶于 D2O) | Goss Scientific(Cambridge Isotope Laboratories) | DLM-57 | 用于氢氘交换标记缓冲液 |
| 离心过滤管(3 kDa 截留分子量) | Amicon(Merck Sigma Aldrich) | UFC5003 | 微量离心管,用于蛋白质浓缩。有助于缓冲液置换和氢氘交换-质谱实验中的精确上样 |
| Synapt G2-Si 质谱仪 | Waters Corporation | 176850035 | 质谱仪 |
| 完全回收小瓶 | Waters Corporation | 600000671CV | 每包100个,含瓶盖——用于 LEAP HDX-2 中的标记板 |
| Tris-HCl | Sigma Aldrich | T3253-250G | 缓冲液 |
| Trizma 碱 | Sigma Aldrich | T60040-B2005 | 缓冲液 |
| 尿素 | Sigma Aldrich | U5378-1KG | 变性剂/促溶剂 |
| VanGuard 2.1 x 5 mm ACQUITY BEH C18 色谱柱 | Waters Corporation | 186004623 | 捕获脱盐柱 |
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