本文介绍了一种从黏蛋白中释放 O-聚糖 的详细方案,以及后续的脱盐、完全甲基化修饰和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析方法。
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本文介绍了一种从黏蛋白中释放 O-聚糖 的详细方案,以及后续的脱盐、完全甲基化修饰和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析方法。
基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)是一种用于黏蛋白聚糖分析的强有力工具,具有高灵敏度和高通量的优点。本文提供了利用MALDI-TOF MS分析黏蛋白O-连接聚糖的详细实验方案,涵盖聚糖释放、脱盐、完全甲基化修饰、数据采集与分析等步骤。本研究表明,与使用多孔石墨化碳(PGC)的固相萃取相比,基于离子交换色谱的脱盐方法可显著提高较大聚糖的回收率,并获得更高质量的质谱图谱。此外,本研究提示,当前常用的甲基化反应时间可能不足,延长反应时间可能更有助于唾液酸化结构的有效修饰。我们还强调了碎片化数据以及对O-聚糖 生物合成途径的先验知识在准确鉴定聚糖组成与结构中的重要性和必要性,并讨论了MALDI-TOF在黏蛋白O-聚糖分析中所具有的内在优势与局限性。
黏蛋白是构成黏液大部分结构成分的大型糖蛋白。它们由称为杯状细胞的特化上皮细胞产生,并经历广泛的翻译后修饰 O-糖基化后在黏膜表面分泌。黏蛋白的糖基化发生在高尔基体中,由一组特化的糖基转移酶家族——多肽-N-N-乙酰半乳糖胺转移酶(ppGalNAc-T)通过将一个GalNAc残基连接到丝氨酸(Ser)或苏氨酸(Thr)上,启动该过程1然后,一系列糖基转移酶通过添加半乳糖(Gal)来延伸聚糖结构, N乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc),GalNAc N-N-乙酰神经氨酸(Neu5Ac)和岩藻糖(Fuc)残基,而其他碳水化合物修饰酶则可催化聚糖的硫酸化等反应1黏蛋白骨架上的糖链主要成簇地分布在富含丝氨酸(Ser)和苏氨酸(Thr)残基的蛋白质区域,因为这些残基侧链上的羟基可作为糖基化位点 O-糖基化位点。这种密集的糖基化使黏蛋白呈现出一种 "瓶刷" 并决定其物理特性,例如高吸水能力、凝胶形成能力以及高黏弹性2,3由于这些特性,黏蛋白可提供润滑作用,保护上皮免于脱水和物理损伤,并在上皮与其微环境之间形成物理屏障。4,5黏蛋白聚糖可作为共生或致病细菌的结合位点和碳源6,7,8黏液的结构与组成在通过以下方式保护上皮方面起着关键作用 使微生物保持在附近但远离上皮表面。黏蛋白聚糖还参与细胞间的通信与黏附9.
黏蛋白聚糖在维持黏膜稳态中发挥关键作用,异常的黏蛋白糖基化谱与屏障功能受损、菌群组成改变、肿瘤转移增加、炎症性肠病(IBD)及其他疾病相关10,11,12。因此,研究黏蛋白糖基化对于理解黏液和黏蛋白在人类健康中的作用具有重要意义,并可能为疾病的管理或治疗提供新策略。
基于质谱的技术是研究黏蛋白聚糖最常用的方法之一。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)是一种软电离技术,可用于分析聚糖和糖蛋白等大分子、非挥发性生物分子13。该方法具有高灵敏度和宽质量范围,能够检测和鉴定丰度低且种类多样的聚糖混合物。此外,串联质谱(MS/MS)实验获得的碎片图谱可提供有关聚糖组成和序列的宝贵结构信息13。
通常,通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)分析黏蛋白中的O-连接聚糖涉及一个多步骤的工作流程:首先使用还原性β-消除等化学方法将O-聚糖从蛋白质骨架上释放出来,然后进行脱盐以去除化学释放过程中产生的盐分,并进行衍生化处理以增强离子化效率和检测灵敏度。纯化并衍生化后的聚糖随后与合适的MALDI基质在MALDI靶板上共结晶,并采集质谱数据,从而获得完整聚糖离子的质量信息。随后通过MS/MS实验对聚糖进行碎裂,以获取其结构信息14。本文中,我们提供了一种详细的实验方案,用于聚糖的释放、脱盐、完全甲基化修饰及其在MALDI-TOF MS中的分析。
注意:工作流程的示意图参见图1。

图1:实验流程示意图。请点击此处查看此图的放大版本。
1. 糖链释放
2. 样品的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析
在以下结果中,使用猪胃黏蛋白(PGM)来优化脱盐和全甲基化步骤。为了比较两种常用的脱盐方法,在糖链释放后,样品通过阳离子交换(如上文方案所述)并用甲醇共蒸发除去硼酸盐,或采用多孔石墨化碳(PGC)固相萃取小柱进行脱盐。后者需要先用80%乙腈和100% H2O对小柱进行预处理,再用0.1%(v/v)三氟乙酸(TFA)洗涤,随后依次用2 mL含0.1% TFA的25%乙腈、2 mL含0.1% TFA的50%乙腈以及2 mL含0.1% TFA的80%乙腈洗脱糖链。
经完全甲基化处理后,对质荷比(m/z)500 至 m/z 2,500 范围内的谱图进行了分析。通过离子交换结合硼酸去除法脱盐的样品中鉴定出总共 33 种糖链结构,而通过 PGC 提取法脱盐的样品中鉴定出 32 种结构(图 2A)。其中一种糖链结构在 PGC 脱盐样品中未被检出(在 图 2A 中以星号标记)。该比较分析表明,与离子交换法相比,PGC 提取法对较大糖链的回收效率较低。这一点也体现在较大糖链的相对丰度上:PGC 提取后较大糖链占总糖链的 21%,而离子交换法则达到 31%。此外,与采用 PGC 固相萃取脱盐所得谱图相比,离子交换结合硼酸去除法脱盐所得谱图具有更高的信噪比(图 2B)。
为了优化完全甲基化反应时间,取同一完全甲基化反应的等分试样,在不同时间点(即5分钟、30分钟或90分钟)加入H2O终止反应。结果表明,在反应30分钟或90分钟的样品中,可在m/z 500至m/z 2,500范围内鉴定出33个糖链峰,且所得质谱图相似。相比之下,当反应时间为5分钟时,仅能鉴定出31个糖链峰(图3)。有趣的是,在较短反应时间内未能鉴定出的两个结构(在图3中以星号标记)正是两个唾液酸化结构,这表明在所测试的条件下,唾液酸的修饰在5分钟内效率较低。
采用碎片化分析对每个PGM糖链峰进行检测,以确认糖链组成并确定其结构。本文展示了两个示例(图4)。在图4A中,展示了质荷比(m/z)为983峰的碎片化谱图。该糖链的组成为HexNAc2Hex2。此组成存在两种可能的结构:Gal-(Gal-GlcNAc-Gal-)-GalNAc(糖链1)或Gal-GlcNAc-Gal-GalNAc(糖链2)。对该化合物进行碎片化分析后得到的质谱图中出现了多个峰,可分别归属于糖链的不同片段。其中,m/z 529处的峰为结构1的特征峰,m/z 708处的峰为结构2的特征峰,因此可以得出结论:糖链1和糖链2均存在于PGM糖链混合物中。
在图4B中,展示了质荷比(m/z)为2,026峰的碎片谱图。Glycoworkbench为该峰计算出两种可能的糖链组成:Hex3HexNAc1Neu5Ac3 和 Hex3HexNAc4dHex2。唾液酸化组成的质量偏差较大(分别为~160 ppm和178 ppm),提示第一种组成应为正确选项。然而,碎片谱图显示存在岩藻糖(Fuc),而非唾液酸(Neu5Ac);因此,第二种组成为正确结果。此处展示了四种假定的糖链结构,并根据每种假定糖链结构计算出的碎片对谱图进行了标注。在标注后的谱图中可见,仅存在糖链4和糖链6特有的特征峰,而未检测到糖链3和糖链5的特征峰。根据这些数据,可以得出结论:糖链4和糖链6存在。

图 2:根据脱盐和固相萃取方法对糖链峰的比较。 (A)通过阳离子交换色谱结合硼酸去除或PGC固相萃取脱盐后PGM糖链谱图的比较。(B)两种脱盐方法在各鉴定糖链峰的信噪比方面的比较。星号标记的糖链仅在经阳离子交换和硼酸去除脱盐的样品中被鉴定到。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:PGM糖链在甲基化反应5、30或90分钟后的糖链谱型比较。 星号标记的为仅在甲基化反应30或90分钟后才被鉴定出的唾液酸化糖链。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:PGM 糖链的裂解谱图示例。 (A)质荷比为 m/z 983 的糖链峰的裂解谱图。(B)质荷比为 m/z 2026 的糖链峰的裂解谱图。方框表示可能的糖链结构。碎片上方的数字表示其可能来源的糖链结构。请点击此处查看该图的放大版本。
为了研究聚糖,研究人员采用多种方法,从利用凝集素识别特定表位,到更复杂的液相色谱-串联质谱法(LC-MS)和核磁共振(NMR),以获得聚糖结构的详细表征。与其它方法相比,基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)的主要优势在于其高灵敏度和高通量特性13。然而,由于该方法无法分离同量异位化合物,具有相同质荷比(m/z)的不同聚糖结构在MS/MS中会产生混合的碎片谱图,难以解析13。如果需要确定黏蛋白聚糖的精确结构,应选择液相色谱-质谱法(LC-MS)作为首选方法。
本文介绍了一种利用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)分析黏蛋白聚糖的实验方案,涵盖了从聚糖释放、脱盐、完全甲基化到数据采集与分析等过程中的所有关键步骤。需要指出的是,每个步骤均可采用不同的方法进行,且各种方法均具有其相应的优势与局限性。
在本方案中,我们采用还原性β-消除法释放糖链。该反应在碱性条件下进行。如果黏蛋白样品已处于悬浮状态且此前未经纯化,则必须使用pH试纸检测其pH值;若呈酸性,需将其pH值调节至约8–9。该方法的一个局限性在于,释放糖链所需的碱性条件也会导致唾液酸上常见的O-乙酰基发生水解,从而造成其丢失,这一反应称为皂化反应。
尽管文献中已描述了多种释放聚糖的方法15,16,17,18,其中一些方法可保留不稳定的O-乙酰基团,但还原性β-消除法仍是该领域的金标准。该方法需要高浓度的盐,而盐类及其他抑制离子化的杂质必须在进行MALDI-TOF分析前去除19,因为它们会影响聚糖的电离效率和定量结果。在此,阳离子交换色谱结合甲醇蒸发去除硼酸盐被证明是去除黏蛋白释放聚糖中盐分的最有效方法。在此过程中,聚糖不与树脂结合而直接流过,钠离子则被树脂吸附。然而,离子交换柱的制备过程繁琐,使得该方法在处理大量样本的大规模实验中效率较低。在此类情况下,可优先选择PGC脱盐,因为该树脂也有96孔板形式可供使用。但如上所述,通过PGC提取进行脱盐可能导致洗脱效率低下,尤其是对较大的聚糖分子,因此在结果解读时应考虑这一因素。
尽管天然糖链也可通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)进行分析,但通常采用全甲基化处理,因为该反应可显著提高检测灵敏度,天然糖链的电离效率较低20。此外,全甲基化可使带负电荷的糖链(如硫酸化或唾液酸化糖链)在正离子模式下更易于检测,并能保护不稳定的糖链表位(如唾液酸或岩藻糖)20。通常情况下,全甲基化反应时间维持在5–10分钟14,21,也有文献报道反应时间可延长至40分钟22。本文结果表明,在所测试的条件下,唾液酸化糖链在5分钟全甲基化反应后未能被有效检测,需要更长的孵育时间。
除了反应时间外,另一个可能影响完全甲基化效率的因素是反应体系中的水分含量。水的存在可能导致聚糖发生甲基化不完全或部分甲基化,即并非所有羟基都被转化为甲基23。这一情况容易通过质谱图中是否出现质量差为14 Da(羟基与甲基之间的质量差)的峰簇来判断。若发现甲基化不完全,可通过重复完全甲基化反应并重新分析数据来解决该问题。
糖链分析的一个限制因素是质谱图的解析。尽管近年来已有进展,但这一过程在很大程度上仍依赖人工,且需要对糖链生物合成途径具备扎实的知识和深入理解,才能准确注释质谱图。Glycoworkbench 等工具24 可协助提供可能的注释、聚糖结构及组成,但由于聚糖混合物本身具有固有的异质性,研究人员仍需自行判断哪一种选择是正确的。以上述使用PGM的示例为例,GlycoWorkbench为质荷比(m/z)2,025.7620处的峰提供了两种可能的聚糖组成,根据其裂解谱图,我们得出结论:该峰对应的是岩藻糖基化结构,而非唾液酸化结构。然而,若缺乏裂解谱图信息(对于丰度较低的聚糖而言这种情况很常见),研究人员可依据已有知识进行注释,例如已知具有Hex3HexNAc1Neu5Ac3组成的聚糖存在于神经节苷脂中,而非黏蛋白中,因此在PGM的研究背景下不应考虑该选项。因此,所鉴定的聚糖结构或组成应与以往发表的文献进行交叉验证,并需符合相关生物学和生化原则 O-糖链生物合成。总体而言,该方案是一项宝贵的资源,尤其适用于从事相关研究的科研人员 刚进入糖生物学领域,且对黏膜界面相互作用研究感兴趣。
作者声明不存在利益冲突。
作者衷心感谢生物技术和生物科学研究理事会(Biotechnology and Biological Sciences Research Council,BBSRC)的支持;本研究由BBSRC研究所战略项目“食品微生物组与健康”(项目编号:BB/X011054/1)及其子项目BBS/E/F/000PR13632(主题3:阐明植物性食物如何影响宿主反应)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 150 毫米玻璃巴斯德吸管 | Fisher Scientific | 15202699 | 耗材 文中参考名称(如适用):glass pipette |
| 5 毫升离心管 | Eppendorf | 30122305 | 耗材 |
| 96 孔 HLB 萃取板 | Fisher Scientific | 16553290 | 耗材 |
| 乙酸 | Sigma-Aldrich | A6283 | 试剂 |
| 乙腈 | Fisher Scientific | 15624520 | 试剂 |
| 无水 DMSO | Sigma-Aldrich | 5.89569 | 试剂 |
| 无水甲醇 | Sigma-Aldrich | 5.89596 | 试剂 |
| Autoflex 质谱仪 | Bruker | 设备 | |
| DOWEX 50w x8 树脂,H+ 型,200-400 目 | Sigma-Aldrich | 44519 | 试剂 文中参考名称(如适用):cation exchange resin |
| 干式恒温加热器 | Grant | QBD2 | 设备 |
| 用于加热块的蒸发/浓缩装置 | Cole-Palmer | WZ-36610-99 | 设备 |
| flexAnalysis | Bruker | 软件,专有 | |
| flexControl | Bruker | 软件,专有 | |
| Genevac EZ-2 | Biopharma | EZ-2 | 设备 文中参考名称(如适用):centrifugal evaporator |
| 带匹配 PTFE 盖的玻璃小瓶(4 毫升) | Wheaton | DKW224582-144EA | 耗材 |
| 带匹配 PTFE 盖的玻璃小瓶(8 毫升) | Fisher Scientific | 11587413 | 耗材 |
| 玻璃棉 | Supelco | 1.04086 | 耗材 |
| Glycoworkbench | NA | 软件;可从 https://glycoworkbench.software.informer.com/ 下载 | |
| HLB 固相萃取小柱 | Supelco | 57493-U | 耗材,可作为 96 孔 HLB 萃取板的替代品 |
| 碘甲烷 | Sigma-Aldrich | 289566 | 试剂 |
| MALDI 样品靶板 | Bruker | 设备 | |
| ModulyoD 冷冻干燥机 | Thermo Fisher | ModulyoD-230 | 设备 文中参考名称(如适用):freeze dryer |
| NaBH4 | Sigma-Aldrich | 452882 | 试剂 |
| NaOH 颗粒 | Sigma-Aldrich | 567530 | 试剂 |
| 50% NaOH 溶液 | Sigma-Aldrich | 415413 | 试剂 |
| 正压-96 处理仪 | Waters | 186006961 | 设备 |
| super DHB | Sigma-Aldrich | 50862 | 试剂 |
| 三氟乙酸 | Sigma-Aldrich | T6508 | 试剂 |
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