非变性质谱和紫外激光解离在蛋白质结构和相互作用分析中的应用

蛋白质结构及相互作用的动态变化与其生物学功能密切相关,对蛋白质结构及相互作用进行精准探测和分析面临着巨大挑战。非变性质谱(nMS)是一种能够在近生理条件下将蛋白质及其复合物通过电喷雾离子化引入气相离子并进行质谱分析的方法。通过直接测定溶液中蛋白质及其复合物的组成或整合多种质谱解离技术,nMS可获取蛋白质及其复合物的计量关系、组装形式、解离常数、构象变化、结合界面及作用位点等关键信息,以揭示蛋白质相互作用与生物学功能之间的关系。紫外激光解离(UVPD)技术,特别是采用了193 nm准分子激光的UVPD是近年来迅速发展起来的质谱解离技术,其可以高效解离非变性蛋白质骨架,并保留碎片离子中的氢键等非共价相互作用力,从而实现单氨基酸位点分辨的蛋白质动态结构和相互作用质谱解析。本综述主要介绍了nMS和UVPD技术在蛋白质动态结构和相互作用分析中的应用和最新进展,包括由位点突变及配体结合等引起的蛋白质动态结构和相互作用变化,最后对蛋白质nMS表征的未来发展方向做出了展望。

蛋白质糖基化修饰的非变性构象分辨质谱研究进展

糖基化是蛋白质最重要的翻译后修饰之一,能够调控蛋白质的电荷态、结构及分子间相互作用等,进而影响其功能。糖基化的高度异质性导致传统的结构解析方法很难对糖蛋白进行全面表征。随着分析技术的发展,质谱在糖蛋白结构解析中发挥了重要作用。蛋白质组学质谱技术可在多肽水平上对复杂、低丰度蛋白质糖基化修饰的化学组成与位点信息进行鉴定。非变性质谱技术(native mass spectrometry,nMS)则直接在完整蛋白水平上揭示聚糖异质性及其对蛋白高级结构和相互作用的调控效应。作为结构质谱的代表性技术,基于离子淌度的nMS受益于离子淌度仪的构象分辨能力和构象去折叠功能,能够在非变性质谱的基础上提供离子的三维动态结构信息,为异构体结构快速鉴定提供不可替代的解决方案。本文重点介绍了两种新兴离子淌度质谱技术,即非变性动态构象分辨质谱技术和糖型分辨结构质谱技术,并以3种常见蛋白体系为例,介绍其在糖蛋白构象研究领域的最新进展。

牛血清白蛋白与柚皮素复合物的非变性质谱研究

血清白蛋白是血液中最丰富的蛋白,研究其与药物的结合情况对了解药物在体内的运输和分布具有重要意义。本研究以柚皮素为模型药物,采用非变性质谱法研究牛血清白蛋白(BSA)与柚皮素的相互作用情况。结果表明,BSA与柚皮素形成了化学计量比为1∶1和1∶2的非共价复合物,二者亲和力较强(平衡解离常数K_(d1)=(7.82±0.03)μmol/L,K_(d2)=(9.63±0.02)μmol/L),结合速度快,5 min左右即可达到饱和。该方法具有操作简便、检测快速、样品消耗量小、无需标记等优点,可为其他药物与血清白蛋白的相互作用研究提供参考。

亚微米电喷雾喷针在非变性质谱分析中的研究进展

非变性质谱技术已成为表征蛋白质结构的重要工具之一。与传统的电喷雾喷针(Electrospray emitter,ESI emitter)相比,亚微米电喷雾喷针具有改变离子电荷态分布和降低盐离子加合等多种特性,可在生理环境下直接解析蛋白质的结构。该文综述了亚微米电喷雾喷针的特性及其在非变性质谱分析中的应用,并对其未来的发展趋势进行了展望。

非变性质谱在非共价蛋白质复合物和结构生物学研究领域的应用

质谱(MS)是表征蛋白质和蛋白质翻译后修饰(PTM)的一种强大的技术手段,在现代生物学研究领域中发挥着越来越重要的作用。近年来,非变性质谱也已成功用于研究蛋白质非共价相互作用,在研究化学计量、结构功能和蛋白质组装动力学方面彰显出灵敏、快速、专一及信息量大等优势。这种在结构生物学前沿领域应用的技术工具发展于20世纪90年代初期,虽然其早期研究主要集中在利用质谱的质量测定来获得蛋白质复合物中的化学计量等信息,但随着质谱技术和方法的进一步发展,现在已能够用于揭示蛋白质结构、亚基间连接性和蛋白质动力学等生命科学问题。本文及后续文章中将对应用非变性质谱研究非共价蛋白质复合物的概况、最适宜的离子源和质量分析器、实验中可能遇到的问题及应对策略等进行综述与讨论,并辅以相关的应用实例进行较为详细的介绍。

基于纳米毛细管的非变性质谱分析

非变性质谱利用电喷雾电离质谱技术从非变性缓冲溶液中研究自然折叠状态下的蛋白质、核酸及其复合物,是大型蛋白质组装体、蛋白质-药物复合物、核酸-配体复合物的结构、组成及其相互作用解析的重要工具。生化缓冲溶液中的非挥发性盐能提供足够的离子强度和适宜的pH值,以维持蛋白质、核酸分子折叠和结合状态,但通常与电喷雾电离质谱不兼容。基于纳米毛细管的电喷雾电离具备强大的基质耐受能力,为直接从生理或近生理缓冲溶液中完成蛋白质及其复合物的高效离子化提供了可能,极大地促进了近年来非变性质谱的应用研究。本文综述了纳米毛细管的制备与表征方法及其尺寸和界面性质导致的电离行为特性,回顾了近10年来纳米毛细管在非变性质谱中的应用研究进展。

非变性质谱相关技术的研究进展

蛋白质与其他分子的相互作用几乎在所有的生命活动中起着核心调控作用,这些相互作用力和形成的蛋白质复合物是现代生命科学的研究重点。由于传统的生物物理技术对蛋白质复合物和相互作用的研究存在样品纯度要求高的限制,因此迫切需要新技术的出现,为结构生物学和相互作用组学的研究提供补充。质谱技术可以从原理上对混合样品进行检测,降低对样品纯度的要求,其中非变性质谱展现出强大的连接与互补作用。本文从样品制备、离子源、质量分析器、质谱联用技术等4方面介绍非变性质谱相关技术及近年来的研究进展,并总结分析未来面临的挑战以及发展方向。

糖基化修饰对新型冠状病毒刺突蛋白受体结合区(Spike RBD)与受体ACE2结合影响的非变性质谱研究

新型冠状病毒肺炎(新冠)疫情给人类生命安全和社会发展带来巨大威胁。新冠病毒表面的刺突(spike)蛋白受体结合区域(RBD)和宿主细胞膜表面的血管紧张素转化酶2(ACE2)结合是病毒入侵的关键步骤。表征RBD和ACE2结合时的结构基础和动态变化有利于理解病毒入侵的机制,为药物研发提供思路。结构质谱是蛋白质结构表征中广泛应用的方法,本工作通过非变性质谱(native MS)研究糖蛋白RBD和ACE2样品及其复合物。首先,优化了使用PNGase F切除RBD N-糖时的条件,对切糖后RBD蛋白的异质性进行分析,并进一步考察了切糖前后RBD与ACE2形成蛋白复合物的稳定性。结果表明,RBD N-糖的切除会导致其与ACE2形成的复合物稳定性降低。本工作可为RBD的N-糖基化作用分析提供参考,并为后续实验RBD是否需要切N-糖处理提供指导建议。

应用非变性质谱-行波式离子淌度谱表征完整糖蛋白复合物的稳定性及小规模结构差异

在完整复合物层面表征糖蛋白复合物的高级结构和动态学,对于研究蛋白质功能具有重要意义。行波式离子淌度与非变性质谱结合不仅可提供额外的正交分离维度,还可通过测定碰撞截面积(CCS)获取分析物的几何特征信息,助力结构表征。本工作针对糖蛋白复合物稳定性及小规模结构差异的表征需求,选取由不同物种表达的亲和素作为糖蛋白模式复合物,探究离子淌度在非变性质谱分析中可提供的结构信息。结果表明,离子淌度可在完整复合物水平上分离蛋白型亚群分布,能够反映高阶复合物的几何特征,以及蛋白在气相解离条件、电荷调控条件和经电荷调控的气相解离条件下的构象变化程度,可应用于糖蛋白复合物体系的稳定性评价。

应用基于非变性质谱及串联质谱的碎片互补法分析完整IgA2抗体及其尺寸变异体

在完整蛋白及其复合物层面表征糖蛋白可提供修饰程度、变异体分布、结合计量关系等方面的重要结构信息。大量天然蛋白质及蛋白质药物都以糖蛋白形式存在,随着糖基化程度的增大,蛋白体系的异质性增强,糖链与肽链理化性质的差异使得常规表征手段容易损失准确性。使用质谱测定会因蛋白型质量分布展宽造成信号重叠,以及不同糖型离子化响应差异造成不同价态蛋白型质量分布差异而损失准确度,甚至无法实现分子质量测定。为解决这一问题,开发了基于有限价态还原的非变性质谱方法,但这些方法有的存在还原效率有限,有的需使用仅个别型号商品化仪器才具备的基于电子/质子转移的气相反应功能,应用范围受到限制。本工作针对含有非共价亚基的完整IgA2单克隆抗体及其尺寸变异体复合物体系,使用基于非变性质谱及串联质谱的碎片互补方法,以及碰撞诱导解离(CID)或高能碰撞解离(HCD)反应,综合利用有限价态还原效应和解离反应的质量守恒约束条件,实现高异质性糖蛋白复合物的测定。通过与针对全体蛋白型系综还原方法及蛋白型亚群有限还原方法的平行比较和交叉验证,评价各种方法的性能。结果表明,在解离产物特异性高且分子质量均一的情况下,碎片互补法可充分保证价态及分子质量测定的准确性。这一策略可为高异质性糖蛋白体系在完整层面的分析提供普适化方案。

非变性结构质谱在蛋白提取、离子源开发与构象解析方面的研究进展

非变性条件下的蛋白质研究可以提供更准确的高级结构信息,为“序列-结构-功能”关系解析提供更接近生理条件的分子基础。非变性质谱(native MS)是在非变性条件下对目标蛋白质进行质谱分析的技术。近年来,非变性质谱在蛋白构象、蛋白质非共价相互作用以及蛋白质组装复合物等高阶结构解析中发挥着不可替代的作用,并逐渐成为结构生物学研究的重要支撑方法之一。本文总结了非变性结构质谱在蛋白提取、离子源开发与构象解析方面的发展现状,并提出了非变性结构质谱领域现阶段的技术瓶颈与潜在的解决策略,主要包含原位分析能力和结构分辨率的提升这两方面。

生物质谱技术在腺相关病毒(AAV)载体制剂质量控制中的应用

腺相关病毒(adeno-associated virus,AAV)是一种基因治疗中常用的病毒载体。由于其安全性较高且能够靶向多种细胞,在临床前和临床研究中得到了较多的应用。不过在设计和生产的过程中,AAV载体有着诸多会影响其安全性和疗效的关键质量属性。生物质谱技术的发展和应用为生物大分子的研究提供了一个便捷的平台,尤其是在蛋白质序列、结构和相互作用方面。对于AAV载体而言,质谱技术可以实现衣壳蛋白比率、翻译后修饰、血清型、空衣壳比率的测定或表征,从而协助对AAV载体的质量控制。与现有方法相比,质谱技术具有样品需求量少、分析快速灵敏、适用于完整AAV载体的分析和质量分辨率高的优点,并且可以区分空衣壳、满衣壳和部分包封的衣壳。未来,通过将更加高效的蛋白质分离技术与质谱技术联用、开发新的信息处理软件平台和新的质谱检测方法,质谱技术有望在AAV载体的设计和生产中发挥更加重要的作用。

超电荷试剂在蛋白质紫外激光解离质谱表征中的应用研究

本文采用193 nm紫外激光解离质谱(UVPD-MS)研究非变性电喷雾条件下,超电荷试剂环丁砜对蛋白质序列、结构表征的影响。UVPD可在5 ns内对保持高级结构和非共价相互作用的不同价态碳酸酐酶进行快速激发解离,解离序列覆盖率达79.8%,具有较高的解离结构选择性。超电荷试剂环丁砜的引入可显著增加非变性电喷雾产生的碳酸酐酶离子的电荷数目,UVPD解离序列覆盖率提升至87.2%,实现对难解离区域的位点覆盖和序列、结构表征。加入环丁砜后,碳酸酐酶仍能保持高级结构谱学特征及与锌离子的非共价结合,锌离子结合区域等大部分结构区域的UVPD位点解离效率未见显著变化。但是,电荷数目的增加存在引起蛋白质局部结构变化的风险。

基于纳升电喷雾-轨道阱超高分辨质谱对完整单克隆抗体药物进行分子量测定及糖型鉴定的条件探究

整体分子量测定和糖型鉴定是抗体药物研发及生产中不可或缺的表征内容,而在完整蛋白层面进行测定可获得最为直接的测定结果。实现此类测定有赖于可提供较高分辨能力及质量精度的仪器;测定中涉及的相对复杂的参数设置可能受多种条件的干扰而产生误导性结果。该研究考察了利用纳升电喷雾离子源-轨道阱质谱仪以非变性质谱方式测定完整单克隆抗体药时,仪器分辨率、源内裂解、碰撞诱导碎裂、溶液组成等条件对单克隆抗体药物分子量及糖型测定结果的影响,以期为此类质谱分析提供有益的借鉴。

非变性质谱在天然产物研究中的应用

天然产物来源丰富、结构多样,是新药研发的重要源泉。从复杂的天然产物基质中高效筛选出有生物活性的成分是天然产物研究的重要方向之一。传统的研究方法从提取分离开始,然后进行结构鉴定和活性评价,耗时长、工作量大且带有很大的随机性,因此亟需发展高效的生物活性成分发现方法。非变性质谱(native MS)是一种基于靶标和配体相互作用的研究方法,能够根据两者之间的亲和力快速发现复杂基质中潜在的活性成分,具有特异、高效、简便的特点。本文简单介绍了非变性质谱的基本原理和影响因素,并综述了该方法近年来在天然产物研究领域中的应用,讨论了该方法的优势与局限性,以期为相关领域的研究者提供借鉴和参考。

溶液中蛋白质寡聚态的表征分析

分析溶液中蛋白质的寡聚态,是研究其结构和功能的必要前提和基础.目前常用的生化实验方法有非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳、体积排阻色谱、光散射法和分析超速离心法等,基本属于定性或半定量分析,精准性不足.此外,液体核磁共振和非变性质谱方法也可以对蛋白质的寡聚态进行表征分析.为了综合分析和比较不同方法的异同,我们应用体积排阻色谱、液体核磁共振和非变性质谱,对研究条件下以单体和二聚体存在为主的蛋白质TGIF1-HD和SP_0782进行了寡聚态的分析.结果表明,体积排阻色谱和液体核磁共振可以估算蛋白质的分子量及不同寡聚态的相对比例,液体核磁共振还可以提供蛋白质折叠及是否存在不同构象等信息,而非变性质谱在定量分析方面独具优势.