Summary
构象的灵活性在蛋白质功能的关键作用。在此，我们描述了使用耦合到氢 - 氘交换用于探测驱动功能在有序和无序的蛋白质的快速结构变化的时间分辨电喷雾电离质谱法。
Abstract
本质上无序蛋白（流离失所）长期以来一直到结构生物学家一个挑战，因为它们缺乏稳定的二级结构元件。氢氘在快速时间标度测量的交换（HDX）是唯一适合于检测简要地填充的结构和氢键网络，允许在天然合奏瞬态构象异构体的表征。 HDX的耦合质谱具有以下几个主要优点，包括高灵敏度，低样本消耗和蛋白质大小没有限制。这种技术在过去的几十年中极大地推进，包括监测毫秒时间尺度HDX标签时间的能力。此外，通过将工作流程HDX到微流体平台容纳的酸性蛋白酶微反应器，我们可以在肽水平本地化动态属性。在这项研究中，时间分辨电喷雾电离质谱（TRESI-MS）耦合到HDX WA小号用于提供残基结构中的tau蛋白的详细图像，以及取决于过度诱发构象变化。
Introduction
在过去的几十年中，显著的进步已经在设计用来测量蛋白质结构和动态1，2，3，4分析技术的发展做出了。虽然X射线晶体保持用于确定蛋白质结构原理工具，需要高浓度的蛋白质和广泛的优化是必需的，以产生衍射级晶体。蛋白质是难以结晶，如膜结合和本质无序蛋白已经经典研究了氢-氘交换（HDX）NMR 5。但是，在近数十年来，电喷雾电离质谱（ESI-MS）来HDX的耦合已经迅速得到普及6,7。
质谱提供了一个解决方案许多的通过X射线晶体学和NMR所造成的限制。特别地，MS是高度敏感的（nM至μM所需的浓度），而且事实上对蛋白质大小没有限制。另外，MS分析的高占空比允许用于研究蛋白质作为它们经历酶促周转，错误折叠，络合和其它生物相关的过程的可能性。这些过程通常发生在毫秒到秒的时间尺度，并且需要在分析前试剂的快速混合。
时间分辨电喷雾电离（TRESI）Wilson和Konermann在2003年获准反应发展到由ESI-MS伪实时监控。其设置方式并入的毛细管混合器具有连续可调的反应室体积8。该装置由两个同心毛细管，用密封的内毛细管并切成其侧面的凹口，以允许窄间毛细内的混合从凹口与内毛细管（通常2mm）的的端部Y空间。当施加到HDX实验，内毛细血管携带感兴趣的蛋白质，外毛细管携带标记D 2 O中的溶液，然后经历与蛋白质进入可调反应室允许HDX标记前之前直接转印混入ESI资源。
简言之，将HDX依赖于主链酰胺氢发生在溶液中与图9中 ，10个氘原子交换。交换是碱催化的在生理pH下，用酸催化成为在低于pH约260普遍。交换速率基于四个主要因素：pH，温度，溶剂可及性和分子内氢键。作为前两个因素在整个实验中，交换的速率，特别是在肽骨架的酰胺位置保持恒定，主要是dependen吨蛋白质结构11。紧密折叠在α螺旋和β片层广泛，稳定的氢键键合网络的区域将占用在氘大大缓慢的速率相比，循环和无序区（有时不是在所有）12。这允许全球蛋白质分析，其中在结构的扰动（ 例如 ，在聚合或底物结合）导致不同的氘摄取（ 图1）。
动力学毛细管混合器可掺入含有用于氘摄取的定位的蛋白水解室中的微流体平台。此蛋白水解室在低pH，以便有效地淬灭交换反应保持，并且需要固定的酸性蛋白酶中以消化蛋白质为集中式的肽（ 图2）。在毫秒到秒的时间尺度监测骨干交换对于特别重要的内难以构象变化表征为了表征环区，熔融球，和本质无序蛋白质（流离失所）13，14。可替代地，TRESI-HDX也可以被用于表征当前不具有通过X射线晶体学和NMR的方法来解决的原子结构的蛋白质，使用耦合到COREX算法（DX-COREX）方法15,16氘交换。此详细的协议将适用TRESI-HDX研究牛头，境内流离失所者，在这两个它的原始形式，以及它的致病性过度磷酸化状态。虽然原生头是最充分研究国内流离失所者之一，很少有人知道它的淀粉样蛋白生成对应部13。
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Protocol
注意：使用前请咨询所有相关材料安全数据表（MSDS）。由聚（甲基丙烯酸甲酯）的激光烧蚀（PMMA）中产生的烟雾是有毒的。可以肯定的是，激光雕刻机连接到工作通风系统。当构建微流体装置包括利用工程控制（通风柜，锐器容器）和个人防护设备（安全眼镜，面罩，手套，实验室外套，全长长裤，不露脚趾的鞋子），利用一切适当安全措施。这是最重要的是使用高效液相色谱法（HPLC）级试剂尽可能用ACS级或更高的一切存在分析过程中减少干扰的污染物。
1.微流体装置的制备
- 聚甲基丙烯酸甲酯微流控平台的构建
- 获得标准PMMA嵌段（8.9 X 3.8×0.6厘米）和激光烧蚀的输入信道用于引入试剂，一个PROTEO裂解室，并且使用激光雕刻机17，18的输出信道。
注：蚀刻该蛋白水解室中的细长的椭圆形（30×5×0.05mm）的。输入和输出通道必须延伸到PMMA嵌段的端部和不大于75微米的宽度和深度，以便容纳一个30 GA毛细管。 - 切30 GA不锈钢金属毛细管导入的大约10cm每两片使用旋转工具带有一个1/64" 厚切断光盘，使用砂纸来平滑毛细管（这可以通过下的观察来促进的端部光显微镜）。
- 熔体使用烙铁毛细血管进入蚀刻的聚（甲基丙烯酸甲酯）嵌段。输入通道将被连接到自动注射泵，并且输出信道将被用于耦合到MS。
- 获得标准PMMA嵌段（8.9 X 3.8×0.6厘米）和激光烧蚀的输入信道用于引入试剂，一个PROTEO裂解室，并且使用激光雕刻机17，18的输出信道。
- 连续流动的时间分辨动力学调音台的建设
- 获得融合硅玻璃毛细管（ID：75微米，外径：150微米）的约40厘米，并把它插入到大约15厘米的28 GA不锈钢金属毛细管。根据所需的反应时间，使用较长的外金属毛细管或一个具有较大ID。
注：确定金属毛细管的“真”的内径是用于获得精确的反应时间是至关重要的。这可以通过将金属毛细管附接到HPLC来完成，流溶剂虽然毛细管，并记录该背压。甲背压内径计算可以被做，和所确定的金属毛细管的真实内径。这可以通过使用分子量计算器软件（for Windows版本6.49）来计算。 - 产生在内部玻璃毛细管的一端使用低功率激光雕刻机设置的2mm切口和密封内玻璃毛细管（ 图2）的这一端。可替代地，使用陶瓷玻璃毛细使缺口ÿ刀具或用细切割刀片旋转磨床。
- 阵容的内玻璃毛细管与金属毛细管的末端（这可以通过在光学显微镜下观察来促进）。
- 附加此动能混合器混合三通的一端（ 图2）。
- 附加一个熔凝石英玻璃毛细管（ID：75微米，外径：150微米）的大约40厘米到上混合三通动力学混合器的相对端。这被用于递送酸（5％乙酸，pH为2.4），以淬灭反应。
注意：反应物是使用自动输注泵通过聚四氟乙烯（PTFE）管供给到与气密注射器设备。
- 获得融合硅玻璃毛细管（ID：75微米，外径：150微米）的约40厘米，并把它插入到大约15厘米的28 GA不锈钢金属毛细管。根据所需的反应时间，使用较长的外金属毛细管或一个具有较大ID。
- 胃蛋白酶激活
- 从猪胃粘膜中称出20毫克的胃蛋白酶和在1mL偶联缓冲液（0.1M磷酸钠，0.15M NaCl，pH为6.0）的挂起。
- 称出50毫克N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）活化的琼脂糖珠，加入到再-Suspended蛋白酶和轻轻旋转过夜，在4℃。
- 降速在1,000×g离心2分钟，在室温下以收集树脂。
- 吸出未结合的蛋白酶。
- 孵育的琼脂糖在1mL阻断缓冲液（1M的Tris-HCl，pH值6.0）中，并在室温下轻轻转动1个小时。
- 降速在1,000×g离心2分钟，在室温下以收集树脂。
- 吸出封闭缓冲液。
- 孵育胃蛋白酶 - 琼脂糖用1 5毫升％乙酸，5分钟的pH为2.4。
- 降速在1,000×g离心2分钟以收集树脂。
- 吸出上清液。
- 重复步骤1.3.8 - 1.3.10总共三次清洗。
- 存储在1个毫升乙酸珠在4℃下长期使用。
- 设备装配
- 填充的使用无菌刮刀在5％乙酸活化胃蛋白酶 - 琼脂糖珠浆液中的蛋白质水解室中。
- 放置PMMA微platfor米的两个空白PMMA嵌段作为覆盖密封装置之间，衬有硅橡胶以产生液密密封。
- 使用金属夹板到压力密封装置。
注：在夹具以适合微流体平台被定制，并且由两个板测量10.1厘米X7.4厘米×1.2厘米。 - 以10μL/ min的速率流过5％乙酸，pH为2.4。以1微升/分钟的速率流50 mM乙酸铵缓冲液（pH 6.9），尽管该蛋白质线。
注意：这是极为重要的是，乙酸被连续地流过该装置在整个实验的全部。保证不存在任何泄漏和使得流体从所述输出通道，其将用作ESI源仅离开。 - 耦合装置的改性四极时间飞行（Q-TOF）质谱使用可调绝缘阶段，以达到最佳电条件光谱仪的前端。
注：旁路开关为了模拟商业ESI源的存在下被引入。 17
2.时间分辨电喷雾电离氢氘交换
- 胃蛋白酶的采集和蛋白质只有光谱
注：ESI-MS采集以正离子模式与4500的电压进行，以5000，60-V去簇电势，和250-V聚焦电势。谱获取在一定范围350-1,500的m / z为1个s的扫描速率-1。- 获得胃蛋白酶只是谱。一旦蛋白质添加任何出现在该光谱峰减去。
- 以1微升/分钟，其中50 mM乙酸铵缓冲液先前被流动的速率引入50-100μMTAU /磷酸-τ蛋白（净化和如先前所描述13制备，19）。
- 获得的蛋白质谱只。
- 收购Ø˚F时间点
- 而100μM的TAU /磷酸-τ蛋白在1μL/ min的速度流动，在通过T形连接件的3微升/分钟的速率引入D 2 O中，并允许在动力学混合器进行反应。允许系统采集的频谱之前平衡至少10分钟。
发生在蛋白水解室中的交换之后，在标记反应通过乙酸pH为2.4的10微升/分钟的标记的蛋白质的流动和消化猝灭：注意。 - 为了提高标记时间，手动拉回内玻璃毛细管的位置，以获得混合的42毫秒倍至8秒。允许系统中的每个回拉之间，以平衡至少10分钟。
- 而100μM的TAU /磷酸-τ蛋白在1μL/ min的速度流动，在通过T形连接件的3微升/分钟的速率引入D 2 O中，并允许在动力学混合器进行反应。允许系统采集的频谱之前平衡至少10分钟。
3.数据和统计分析
- 识别肽和计算氘交换的百分比
- 进行质谱分析使用mMass软件，版本5.5.0 20
- 识别使用自ExPASy蛋白质组学FindPept服务器肽和所需的21当通过碰撞诱导解离（CID）确认。
注：在这里，氘吸收合并使用一个内部开发FORTRAN软件进行同位素分布分析22，23测量。 - 计算基于使用SPHERE网络工具22，24的一级序列的理论内在利率。
- 使用单指数非线性回归拟合数据，并使用图形和统计软件（ 例如 ，的SigmaPlot）正常化。
注意：所述的比率k INT / K OBS产生的保护因子（PF），该特定区域是在构象合奏内结构化程度的半定量测量。
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Representative Results
天然和磷酸-τ的消化谱是相似的，分别得到77.1和71.7％的序列覆盖。每种肽的氘摄取值是通过使用内部开发的软件FORTRAN与拟合产生的理论分布所观察到的同位素分布来确定。最佳拟合分布与相关联的氘摄取值一起示出（ 图3a）。摄取动力学曲线，然后产生了，而且通过单指数表达式来描述。在3个或更多的标记倍观察到的所有的肽动力学曲线（N = 3）进行了分析。这些单指数拟合到所观察到的摄取值产生交换速度常数k OBS对于每种肽。这相对于初级序列依赖性的“无规卷曲”固有速度常数k int值 。所计算出的PF（K INT / K </ em>的OBS）在1.52 s的映射到本地和tau蛋白（ 图4）的代表性结构。
正如预期的那样，在通常与二级结构元件确认天然tau蛋白表现出弱的内部氢键相关联的范围中没有观察到的PF。显著保护在N-和C-末端，中央结构域和聚集倾向（六肽I和II）的区域（ 图4）中观察到。后1.52秒，蛋白质的90％氘化，具有充分的交流发生在下2分钟。
天然蛋白质可以与改变的状态，在这种情况下，淀粉样蛋白过度磷酸化状态，我们观察整个蛋白质摄入氘普遍提高。有在N-和C-末端，并在H 2区域显著增加。在摄取普遍增加支持Current假设，即过度导致采用扩展结构的蛋白质。两个六肽，H2显示氘摄取增幅最大，从作为一个在天然状态下的最高度保护的地区之一，在过度磷酸化状态几乎没有任何保护。这表明，H2域的暴露是淀粉状蛋白的关键。在另一方面，一些表现出摄取减少的地区包括跨过L114至Q124和G326至S352的区域。后一区域对应于重复结构域的微管相关R3和R4的区域。新形成的残留的结构的这种拉伸与以前的研究表明tau蛋白具有用于微管结合25降低的亲和力一致。跨越L114至Q124的区域在天然状态被识别为具有螺旋结构的显著倾向，并且在摄取的减少可以归因于CEKO的发病率较高 ndary结构在超磷酸化状态。
图1.质谱分析之前进行HDX的蛋白质的示意性描绘。感兴趣的蛋白稀释到氧化氘（D 2 O）中的溶液中，从而允许不稳定主链的氢与氘随时间交换。高活力的地区将迅速交换，并且必须在毫秒到秒为单位的监控。含有较多的刚性二级结构等地区交流会更慢。交换反应是通过用酸（pH为2.4），其也展现允许与酸性蛋白酶（ 例如 ，胃蛋白酶）消化该蛋白质淬火终止。消化本地化跨越蛋白的不同区域的氘摄取水平。处理类别“>点击此处查看该图的放大版本。
图2.实验装置用于TRESI-HDX-MS。动力学混合器的详细视图中示出在底部。混频器是由两个同心毛细管，一个外金属毛细管内的内部熔融石英玻璃毛细管。凹口从具有插入端的内毛细管的末端制成2mm时，允许蛋白质退出凹口和与进入的氘混合。这个动能混合器附连到混合三通管。在混合器的相对侧，一信道并具有5％乙酸（pH为2.4）被附接。以下反应淬火，氘化蛋白穿过以便产生消化性溃疡肽填充有胃蛋白酶 - 琼脂糖珠蛋白水解室中。远侧毛细管用作ESI源。ES / ftp_upload / 55464 / 55464fig2large.jpg”目标=‘_空白’>点击此处查看该图的放大版本。
图3.从原始数据以动力学图，用于从天然和超磷酸化蛋白选择的肽的典型工作流程。 （a）用于四种肽（列）的原始频谱被装配到预测同位素分布在三个不同的时间点（行），以确定氘摄取％。 （b）中观察到的％氘摄取的动力学图相对于时间对每种肽（实线）用于提取ķOBS。在3周或更多的标记时间，观察所有肽动力学图（N = 3），误差棒表示SE计算出的“无规卷曲”轮廓（虚线）以用于比较。从朱等人转载。 8许可。请点击此处查看该图的放大版本。
图4. HDX保护因子数据映射到（a）中的天然全长tau蛋白和（b）tau蛋白的代表性结构。使用FRODAN模拟使用VADAR后续细化产生tau蛋白的结构。的保护因子度被着色为彩虹方案如图图例（左）。从朱等人转载。 8许可。 请点击此处查看该图的放大版本。
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Discussion
虽然结构生物学方法如X射线晶体学和NMR是有利的，因为它们提供的蛋白质的非常详细的结构，这些图片通常是静态的。过渡形式和弱结构化结构域的表征通过继续这些常规方法进行研究时是难以捉摸的。因此，为了获得对这些类型的系统动态的见解是很重要的，在快速的时间尺度上工作。我们已经成功地应用于TRESI-HDX-MS获得关于本地化肽水平充分研究的IDP内发生的构象变化的详细见解。一到这种技术的主要限制是，胃蛋白酶是一种非特异性蛋白酶，对自己，很少会产生全序列覆盖。以帮助改善序列覆盖和特异性的方法之一是蛋白酶XIII型曲霉saitoi结合消化室26。
这是至关重要的消化室，以有效地淬灭交换反应和减少回交换11的量在实验的全部过程中保持在pH值为2.4。至关重要的是，任何蛋白水解步骤和随后的分析可以尽可能快地完成。以前的研究已经优化了消化腔的大小，以保持室温22回交换到可忽略的水平（≤5％）的水平建议流速。强烈建议室的尺寸不大于该协议内列出的尺寸大。高度结构化的蛋白质不会占用氘显著水平在毫秒到秒的时间刻度和将很难在由蛋白水解室允许的时间来消化。这种蛋白质不建议使用这种技术的研究。
虽然我们建议使用在t 50 mM乙酸铵缓冲液（pH 6.9）的他蛋白质样品，不是所有的蛋白质将与该浓度或pH值相容。要注意蛋白质的pI，并调整缓冲器相应地是至少1个pH单位以上或以下是重要的。这将确保所述蛋白具有所需的正确折叠所需的表面电荷和防止聚集。增加乙酸铵的浓度被推荐用于易聚集蛋白，以增加溶解性，然而浓度高于500mM的是要避免的。
TRESI-HDX-MS最好应用于大环区，熔融球，或瞬时二级结构元件22组成的系统。此外，有各种各样的经济优势，这种技术，因为它是简单和相对便宜的实施。最近，一直在医药工业中使用HDX-MS的药物发现和开发27激增。在过去的几十年在那儿一直是生物大分子的快速增长，最显着的单克隆抗体（mAb），被FDA批准。相比于小分子药物，蛋白质的高级结构及其构象动力学发挥药物疗效的决心很大的作用。 HDX-MS已经成功地被用作确认工具用于生产生物仿制药抗体28，以及抗体-抗原29，30，31，和蛋白-配体相互作用32的表征。在软件开发和实验自动化进展将加快分析时间，允许在不久的将来，这种技术的进一步扩大。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(methyl methacrylate) or PMMA | Professional Plastics | SACR.250CCP | 8.9 cm x 3.8 cm x 0.6 cm |
| Fused Silica Glass Capillary | Polymicro Technologies | 106815-0018 | ID: 75 µm, OD: 150 µm |
| Metal Capillaries | McMaster-Carr | 28 ga – 89875K97 30 ga - 89875K99 |
|
| Fluorinated Ethylene Propylene (FEP) Tubing | IDEX | 1477 1548 |
ID: 0.007”, OD: 1/16” ID: 0.020”, OD: 1/16” |
| Standard Polymer Tubing Cutter | IDEX | A-327 | for 1/16” and 1/8” OD tubing |
| Micro Static Mixing Tee | IDEX | M-540 | for 1/16” OD tubing |
| or | |||
| Stainless Steel Tee, 0.25 mm Bore | Valco Instruments Co., Inc. (VICI) | ZT1C | for 1/16” OD tubing |
| PEEK Tee for 1/16” OD Tubing | IDEX | P-727 | |
| 10-32 Female to Female Luer | IDEX | P-659 | |
| 10-32 PEEK Double-Winged Nut | IDEX | F-300 | |
| Ferrule for 1/16” OD Tubing | IDEX | F-142 | |
| 100 Series Rotary Tool | Dremel | F013010001 | |
| Cut-Off Discs | Jobmate | 1/64” thickness | |
| Stereomaster Digital Zoom Microscope | Fisher Scientific | 12-563-411 | |
| Soldering Iron | Mastercraft | 58-6301-2 | |
| VersaLaser | Universal Laser | ||
| Syringes | Hamilton | 81220 | 500 µL capacity |
| Syringe Pumps | Harvard Apparatus | 70-4501 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagents | |||
| NHS-Activated Agarose | Fisher Scientific | 26196 | |
| Pepsin from Porcine Gastric Mucosa | Sigma-Aldrich | P6887-250MG | |
| Deuterium Oxide | Sigma-Aldrich | 151882-10X0.6ML | |
| Acetic Acid | Sigma-Aldrich | 695092-100ML | |
| HPLC Grade Water | Fisher Scientific | W5-4 | |
| Ammonium Acetate | Sigma-Aldrich | A7330-500G | |
| Sodium Phosphate | Fisher Scientific | S369-500 | |
| Sodium Chloride | Fisher Scientific | S671-3 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Software/Online Tools | |||
| CorelDraw X3 | Corel | ||
| Molecular Weight Calculator | Version 6.49 | Open Source MS Tool | |
| mMass | Version 5.5.0 | Open Source MS Tool | |
| ExPASy FindPept | Swiss Institute of Bioinformatics | ||
| SigmaPlot | Systat Software | Version 11.0 | |
| PyMOL | Schrödinger | Version 1.5.0.4 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Instruments | |||
| QStar Elite Hybrid Q-TOF Mass Spectrometer | AB SCIEX |
References
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