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            4D組學新時代!更精確的磷酸化修飾組學


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            離子淌度分離概念的引入使得蛋白質組學進入了4D新時代。4D蛋白質組學是在3D分離即保留時間(retention time)、質荷比(m/z)、離子強度(intensity)這三個維度的基礎之上增加了第四個維度,離子淌度(mobility)的分離(圖1),進而大幅度的提高掃描速度和檢測靈敏度,帶來蛋白質組學在鑒定深度、檢測周期、定量準確性等性能的全面提升。

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            更精確的磷酸化修飾組學磷酸化是研究最廣泛的翻譯后修飾類型,在多種生命活動的調控包括生物的生長發育、信號轉導以及疾病進程等過程中發揮至關重要的功能。當下蛋白質組學研究正如火如荼地發展,隨著技術的不斷成熟,依賴于質譜的蛋白質磷酸化的檢測,極大地推動了磷酸化蛋白質組學的發展。然而對于傳統的質譜技術來說,磷酸化深度并精確的鑒定主要有兩大挑戰,1)生物樣品中不同的磷酸化肽段豐度會呈現出幾個數量級的差異,這需要更高的質譜掃描速度和靈敏度來鑒定到低豐度的磷酸化肽段;2)同一個肽段發生磷酸化位點的不同,會造成同分異構的磷酸化肽段,并且這些同分異構的磷酸化肽段大部分會在色譜上共洗脫,而傳統蛋白組學質譜平臺不能對這些共洗脫的同分異構肽段進行分離。現在得益于質譜技術的進步,采用布魯克推出的4D蛋白組學平臺timsTOF Pro,這兩大問題都得到極大的改善。timsTOF Pro采集用雙TIMS技術(捕集離子淌度技術)和PASEF技術(平行累積連續碎裂技術),在提供額外一個維度(淌度)分離的同時,帶來了掃描速度和靈敏度的大幅提升。已經有大量的數據顯示出了timsTOF Pro的極佳的靈敏度和蛋白覆蓋深度,最近的數據則在磷酸化肽段分析上顯示出了timsTOF Pro的強大(圖2)。timsTOF Pro在1.1秒的掃描循環內,可以采集到超過100張ms/ms譜圖(圖2A),在這樣高速采集下,50ug啟始材料做IMAC富集的樣品,90分鐘梯度單針進樣可以鑒定到17457個unique磷酸化修飾肽段,考察不同的色譜梯度對磷酸化修飾肽段覆蓋的深度的影響,結果顯示更短的色譜梯度(15min,30min, 60min)也能得到非常好的結果,15min色譜梯度單針進樣即可鑒定到7446個unique磷酸化修飾肽段。

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            對于磷酸化肽段的同分異構問題,通過圖3可以進行很好的解釋,圖3中的兩個同分異構體的磷酸化肽段,分子序列完全一樣,只是發生磷酸化的位置不同。這些同分異構的磷酸化肽段在一級譜圖上的質量完全相同,而在二級譜圖上也高度類似。面對這樣微小的差別,傳統的質譜鑒定和搜庫軟件通常難以做明確的區分,這就會導致出現錯誤定位(false localization)的問題。因此在處理PTM質譜數據時,需要對修飾位點進行FLR的控制。目前針對FLR的控制仍是一個挑戰,主要是通過多種評估軟件或算法來進行打分,但這些都是統計估算層面上的方法,并沒有在質譜鑒定水平上解決修飾位點準確定位的問題。

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            那么這種同分異構的現象是否普遍呢?最新的一項實驗測試顯示,對100ug HeLa細胞裂解液進行IMAC磷酸化修飾富集后,90min的單針檢測共鑒定到18500個unique 磷酸化修飾肽段,其中6315個磷酸化肽段被鑒定為同分異構,比例達到26%(圖4A)。進一步,研究者對這些同分異構的磷酸化修飾肽段在不同保留時間的分布比例進行分析,結果表明50%的同分異構體在15s的保留時間窗口被洗脫出來(圖4B)。以上的實驗結果表明,磷酸化修飾同分異構比例很高并且不能通過保留時間進行很好的區分,這也表明傳統方法難以準確識別磷酸化位點。

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            令人激動的是,新一代的4D蛋白質組學除了在蛋白鑒定上有著卓越的性能,新增的離子淌度分離還能解決同分異構的問題,使得PTMs的鑒定更加可靠。圖2中兩個磷酸化肽段的同分異構體,盡管洗脫時間和質荷比完全一樣,但是由于發生磷酸化的位置不同,所以在結構上會有差別,而4D蛋白質組學的離子淌度分離會根據碰撞截面(Collision Cross Section)大小的不同對同分異構進行區分并獲得可靠的磷酸化肽段的鑒定。

            在圖5最新的測試數據中我們可以看到,5號和6號是兩個共洗脫的同分異構磷酸化肽段,質荷比相同,色譜又不能分離,但是通過離子淌度可以很好的分離鑒定。同時,6號和7號肽段雖然質荷比一致,離子淌度值(1/k0)也比較接近,但可以通過保留時間進行區分。表中的7個磷酸化肽段,如果只依賴于質荷比和保留時間,只有能對其中2個進行精確定量,但如果再結合離子淌度信息,可對其中的5個進行精確定量分析。

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            綜上,4D蛋白質組學除了在蛋白質組分析方面展現出的極佳的靈敏度和覆蓋深度,還能夠帶來更精確的磷酸化修飾的鑒定和定量分析,大幅度提高翻譯后修飾位點定位和定量的可靠性,展現了4D蛋白質組學強大的功能和廣泛的應用前景。

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            布魯克持續推進蛋白組學研究技術的發展,將在HUPO 2019(9月15-17日,澳大利亞)上主要展示

            • timsTOF Pro在臨床研究上的應用

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            參考文獻:

            1. Heiner Koch, et al., The PASEFmethod on a TIMS-QTOF mass spectrometer for High Sensitivity Phosphoproteomics.ASMS 2018, TP 555

            2. Christopher M. Adams, et al., Identification and Quantitation of Phosphopeptide PositionalIsomers using Trapped Ion Mobility Spectrometry and PASEF. ASMS 2019, WP 662

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