質譜技術已經成為了蛋白質組學研究的主力。這種技術方法能精確的檢測多肽,從而幫助研究人員識別并測序多肽分子,分析它們的特征,了解它們如何進行化學修飾的。
但大多數蛋白質并不是單獨行動的,一些關鍵的生物學過程,如DNA 復制、轉錄、翻譯、細胞分裂和能量生成都依賴于大型蛋白復合物的行為,這些蛋白復合物常常涉及幾十個亞基,十分復雜,傳統的質譜方法難以進行研究。
來自西北大學蛋白質組研究中心的設備主任Philip Compton表示,確實,蛋白復合物難以進行研究,許多類型的分析都用不上。大多數復合物都由非共價作用連接在一起,瞬間組合,或者定位在細胞膜上,因此為樣品準備增加了難度。而且雖然一些復合物相對來說富集,但是還是有一些數量很少,這也進一步阻礙了檢測和分析。
從質譜技術的角度來說,分析質量大約為500kDa的蛋白復合物,問題在于大小,“對于質譜技術,這么大的尺寸傳統技術很難分析,”Compton說。即使你能將它們弄進質譜儀中,也需要一種計算方法來分析存在的蛋白,此外正常的樣品準備過程也會令蛋白變性,破壞蛋白復合物。
為此研究人員不斷改進質譜技術,希望能通過技術改進來解決這個問題:
確定亞基組成
研究員:西北大學蛋白質組研究中心的設備主任Philip Compton
項目:高通量top-down 蛋白質組學
解決方案: 如果說蛋白復合物是洋蔥的話,那么Compton就采用了一種逐層剝離的進行研究。他與Thermo Fisher公司的研究人員合作,研發出了一種基于 Orbitrap 的質譜儀,完成后被稱之為MS3的系統。
Orbitrap 脫胎于由通用電氣公司的K. Kingdon于1923年發明的一個稱為Kingdon trap的離子捕集裝置。經過多年的發展,成為了一種全新的質量分析器。Thermo Fisher也基于此發展出了多種質譜儀,在各個領域發揮著重要的作用。
Compton進行的這種基于Orbitrap 的MS3研究主要就是分析樣品中所有復合物,每次大約分析10-15種——通過捕獲,放進一個惰性其它分子裝置中碾碎,彈碰一個亞基,然后進行稱重,測序,再然后就是復核。
由于這一設備還未完全構建成,因此Compton將這些稱為“偽-MS3”實驗。從本質上來說,這一設備就是分離了蛋白復合物,對碎片進行分析,并重復這一過程(Anal Chem, 85:11163-73, 2013),“我們將這個技術實驗拆分成兩步,但實際上都是做的同樣的事情,”Compton說。
Compton和他的團隊已經開始將這用于參與代謝的蛋白復合物研究中。比如乳酸脫氫酶 (LDH) ,一種由兩個M (muscle) 和 H (heart) 亞基組成的145 kDa蛋白復合物,它可以有五種構成:MMMM,MMMH,MMHH,MHHH和HHHH。
利用MS3系統,Compton說他可以分辨出不同的蛋白組成,以及亞基可能出現的翻譯后修飾,并確定每種修飾的豐度。目前他希望可以利用這種方法定量分析不同細胞和組織類型中LDH的差異。
設備裝置:Compton研究組采用的是Thermo Fisher的 Orbitrap-based Q Exactive HF mass spectrometer,這是一種組合型四極桿 Orbitrap 質譜儀,威力巨大。你也可以選擇其它相似的系統,如 Exactive Plus EMR Orbitrap system,不過由于EMR缺少Compton定制硬件的“高質分離能力”,因此應用范圍可能會受限。他表示,“如果你的復合物相對來說比較純,那么可以進行這樣類似的實驗。”
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