新型表面活性劑降低信號干擾助力細胞膜蛋白質譜分析

　　我們知道，DNA和基因組提供了生命的藍圖。但根據基因組指令制造的蛋白質是生物體構成的基本要素，為生物體所有細胞提供分子構建模塊，同時也是治療的關鍵目標。

葛瑛副教授

　　構成人體的蛋白質有許多不同種類，并且它們已經被科學家們廣泛研究。但仍有一些蛋白，例如一些難溶于水的蛋白質無法輕易分析。對于存在于細胞膜中并且作為新藥靶標具有最大潛力的蛋白質尤其如此。在2019年4月15日，威斯康星大學麥迪遜分校的細胞和再生生物學和化學系副教授葛瑛(Ying Ge)領導的研究小組發表在《Nature Methods》雜志上的一項研究中表明，通過使用一種經紫外線照射迅速降解的合成型陰離子表面活性劑——4-己基苯磺酸鹽（Azo），將提取的目標蛋白質轉化為水溶液，可通過質譜分析技術對這類蛋白質進行有效分析。這種新方法有望提供豐富的生物學知識，尤為重要的是，它可能有助于鑒定相關蛋白修飾、并可幫助 提供新的疾病診斷和治療技術。

一種用于蛋白質樣品前處理并進行質譜分析化學表面活性劑或洗滌劑，在這張圖中，紫外線用于化學鍵斷裂

　　“生物體中大約三分之一的蛋白質組是膜蛋白，”在威斯康星大學醫學與公共衛生學院工作的葛瑛解釋說，“它們在許多生物過程中發揮著重要作用，約占細胞中已知‘可用藥’靶點的三分之二”。

　　此外，由于蛋白質衰老、疾病甚至治療等因素而發生變化，它們可以為疾病或病癥發展的過程提供線索，從而進一步深入了解分子水平上發生的變化。

　　目前，科學家開發了多種用于研究蛋白質的方法，例如質譜技術已經發展到研究人員可以準確測量蛋白質的分子量、揭示蛋白質序列及其修飾細節等，這些都有助于新型藥物的設計和探索。

　　但在傳統蛋白前處理過程中，科學家必須使用表面活性劑或洗滌劑將蛋白質從細胞或組織樣品中提取到水溶液中。然而，傳統的表面活性劑會干擾蛋白質的質譜分析，因為表面活性劑所產生的信號覆蓋了質譜儀中蛋白質的信號。為此，葛瑛的團隊尋找到一種能滿足三個關鍵標準的藥劑：1. 它必須是水溶性的，并且能迅速降解；2. 它是一種強表面活性劑；3. 它需要與整體蛋白質質譜分析兼容，不覆蓋蛋白質信號。

　　為了從細胞和組織中提取膜蛋白進行分析，葛瑛和她的同事，本文第一作者Kyle Brown，博士后研究員Tania Guardado和化學教授金松(Song Jin)，設計并篩選了大量化合物 并確定了一種 “可光裂解”的Azo合成型陰離子偶氮化合物表面活性劑——4-己基苯磺酸鹽。

光裂解的陰離子表面活性劑——Azo表征 (From Figure 1, Nature Methods)

　　葛瑛指出，Azo表面活性劑的功能與常規的表面活性劑（SDS）非常相似，只是在常規表面活性劑分子中加入了一種可以通過紫外線照射而斷裂的化學鍵。在進行質譜分析前，科學家們通過將這種化學鍵暴露于紫外光下，促使偶氮鍵斷裂，僅留下蛋白質分子，從而消除傳統表面活性劑造成的超靈敏分析干擾。

光裂解Azo用于‘自上而下’膜蛋白組學研究 (From Figure 2, Nature Methods)

　　“使用Azo能夠實現整體蛋白質有效的質譜分析，并這種物質的使用開辟了研究膜蛋白質的新機遇，這類蛋白以前是無法輕松研究的。” 葛瑛表示，“經Azo處理的“自上而下”蛋白質組學可使膜蛋白溶解，同時能經過全面表征翻譯后修飾，這顯著提升了整體蛋白質'自上而下'的質譜分析能力，它可以鳥瞰同一基因的多種蛋白質序列及其修飾細節。這些信息的獲得對于理解生物系統和破譯疾病機制以及確定關鍵診斷標志物和新的治療目標至關重要。”

　　這是第一次將這種具有光分裂化學鍵的工程化分子用于整個蛋白質分析。值得注意的是，Azo易于合成，可作為常規表面活性劑（SDS）的替代品，同時，Azo-PAGE可完全替代SDS-PAGE（聚丙烯酰氨凝膠電泳）。最后，葛瑛說到：“Azo是SDS具有可光裂解鍵的類似物，在這項持續6年的項目中，我們合成和篩選了多種含有可裂解化學鍵的SDS類似物，Azo是唯一具有這種可裂解化學鍵，同時兼容‘自上而下’整體蛋白質質譜分析的表面活性劑化合物。”

　　文章來源：Brown KA, Chen B, Guardado-Alvarez TM, Lin Z, Hwang L, Ayaz-Guner S, Jin S and Ge Y. A photocleavable surfactant for top-down proteomics. Nature Methods. 2019.

　　https://doi.org/10.1038/s41592-019-0391-1 

　　https://www.nature.com/articles/s41592-019-0391-1

　　據悉，《Nature Methods》隸屬于《Naure》旗下子刊，成立于2010年，主要發表基本生命科學研究技術的新方法并對生命科學中久經考驗的基礎研究技術進行重大改進等內容。根據SCI統計，《Nature Methods》2年影響因子為26.919，5年影響因子為41.934，位列生命科學領域期刊前排。

　　作為生命科學領域質譜類儀器供應商，布魯克研制的質譜廣泛用于各大高校、實驗室等科研單位。葛瑛教授所在實驗室也不例外，同樣配備了布魯克生產的maXis II ETD Q-TOF質譜與solariX 磁共振質譜。在本項研究中，葛瑛副教授團隊使用maXis II ETD Q-TOF質譜對心臟組織樣品進行分析，使用solariX 磁共振質譜對Azo樣品進行質譜兼容性比對。

使用solariX 磁共振質譜對Azo與常用表面活性劑的質譜兼容性進行比較