4-巯基苯硼酸修饰二维二硫化钼纳米复合材料的制备及其用于N-糖肽特异性富集

蛋白质的N-糖基化修饰在多种生物过程中发挥着至关重要的作用，近年来的许多研究证实异常的蛋白质糖基化与多种疾病的发生发展密切相关，表明糖基化蛋白质具有较大的潜力成为新的生物标志物或者药物靶标。在样本的处理过程中，对N-糖基化肽段进行富集分离后再进行质谱分析已经成为糖蛋白质组学分析前的必要步骤。但是，由于复杂生物样本中N-糖基化肽段的丰度低和离子化效率差等问题，通过质谱鉴定N-糖肽仍然是一项艰巨的任务。研究通过将纳米金线（Au）、4-巯基苯硼酸（4-MPB）与超薄二维二硫化钼（2D-MoS₂）进行反应，成功制备了一种用于富集蛋白质N-糖基化肽段的新型功能纳米复合材料（MoS₂/Au/4-MPB）。二硫化钼纳米材料的层状结构可以为反应提供大量的可修饰位点，便于修饰纳米金线；功能基团4-巯基苯基硼酸对N-糖肽具有高度的选择性，可以对生物样品中N-糖基化肽段进行特异性富集。使用标准蛋白人免疫球蛋白G（IgG）和牛血清白蛋白（BSA）胰蛋白酶酶切产物对新型功能纳米材料的N-糖基化肽段的富集性能进行评估，其灵敏度达到5 fmol，选择性达到1：1000。将其用于生物样品中N-糖基化肽段的富集，从50 μg尿液外泌体蛋白胰蛋白酶酶切产物中共富集鉴定出768个N-糖肽，归属于377个蛋白质。这些结果表明该新型功能纳米复合材料对复杂生物样品中N-糖肽的选择富集有着巨大的应用潜力，为糖蛋白质组的研究提供了一种新方法。     

完整糖基化肽段的富集与质谱解析新技术研究进展

蛋白质糖基化是生物体内最重要的翻译后修饰之一,在蛋白质稳定性、细胞内和细胞间信号转导、激素活化或失活和免疫调节等生理过程和病理进程中发挥重要作用。而异常的蛋白质糖基化往往和多种疾病的发生发展密切相关,目前应用于临床检测的多种肿瘤生物标志物大多属于糖蛋白或者糖抗原。因此在组学层次系统分析蛋白质糖基化的变化对阐明生物体内糖基化修饰的调控机理和发现新型疾病标志物都非常重要。基于质谱的蛋白质组学技术为全面分析蛋白质及其修饰提供了有效的分析手段。在自下而上的蛋白质组学研究中,由于完整糖基化肽段同时存在性质各异的肽段骨架和糖链结构、糖肽的相对丰度和离子化效率较低以及糖基化修饰有高度异质性等特点,完整糖肽的分析比其他翻译后修饰更加困难。近年来,为了更全面、系统地分析蛋白质糖基化,研究人员发展了一些新技术,包括完整糖肽的富集技术、质谱的碎裂模式和数据采集模式、质谱数据的解析方法和定量策略等等,大力推进了该领域的研究水平,也为研究蛋白质糖基化相关的生物标志物提供了技术支持。该篇综述主要关注近年来基于质谱的糖蛋白质组学研究中的新进展,重点介绍针对完整N-和O-糖基化肽段的富集新技术和谱图解析新方法,并讨论其在肿瘤早期诊断方面的应用潜力。     

共价有机骨架功能材料及其在糖肽选择性富集中的应用

蛋白质糖基化是生物体中最重要的翻译后修饰手段之一,糖蛋白/糖肽的有效分离和富集成为目前糖蛋白组学研究的首要问题。对于复杂的生物样本,糖蛋白的数量较少,酶解后大量高丰度非糖基化修饰肽的存在,使得低丰度糖肽的检测更加困难。因此,需要一些手段来有效地富集糖肽以提高其检测丰度,发展高选择性的糖肽富集材料及方法就成为在分子水平上有效地监测糖蛋白或糖肽的重要途径。相对于传统的糖肽富集材料,共价有机骨架材料具有比表面积大和可修饰位点丰富的优点,在糖肽富集领域具有很大的应用潜力。该文制备了一种新型的共价有机骨架材料(O-T-D-COFs),利用1,3,5-三(4-氨苯基)苯和2,5-二甲氧基苯-1,4-二甲醛作为反应单体通过共聚缩合反应生成的席夫碱构成了材料的框架,对合成后的中间体材料进行氧化处理,从而提高材料的富集性能。利用扫描电镜、透射电镜、红外光谱和固体核磁等表征技术对材料的结构进行了表征,并将其应用于糖肽的选择性富集。分别对富集过程的上样条件、淋洗条件、洗脱条件进行了优化,结合质谱检测技术,从人血清免疫球蛋白G酶解液中观察到32个明显的糖肽信号峰。通过模拟复杂样本体系验证材料富集选择性,在人血清免疫球蛋白G和牛血清白蛋白的酶解液混合物摩尔比达到1∶50时,该材料仍然保持了良好的选择性。此外,还考察了材料的检测限、富集容量、回收率等富集性能,及在实际样品中的应用潜力。以人血清免疫球蛋白G为评价对象,O-T-D-COFs具有较低的检测限(2.5 fmol/μL)、较高的富集容量(120 mg/g),及较好的富集回收率(103.5%±6.6%、101.5%±10.4%)。在血清样品中富集到来自53个N-糖蛋白中的86个N-糖肽序列,并鉴定到了94个N-糖基化位点。这些结果都表明,该材料在糖肽富集领域有较好的应用前景。     

利用亲水富集策略分析人血浆中N-糖基化蛋白及N-糖类型

蛋白质的N-糖基化是最重要的翻译后修饰之一,许多已知的血浆肿瘤诊断标志物及治疗靶标都是N-糖基化蛋白。针对血浆的糖蛋白质组研究有利于发现新的蛋白标志物。然而,血浆蛋白质浓度分布的动态范围非常宽,且同一位点上的糖链存在微观不均一性,影响了血浆中糖蛋白的鉴定效率。本文利用亲水材料ZIC-HILIC制备亲水富集柱分别对人血浆中的N-糖链和N-糖肽进行富集,并结合碱性反相色谱进行肽段的预分离和高准确度质谱分析,最终在健康人的血浆中鉴定到了299个糖基化蛋白、637个糖基化位点,并识别出31种不同的糖型。在这些鉴定到的糖基化位点中,新发现有107个N-糖基化位点(占总位点数的16.8%)。本方法操作简单,可以有效富集N-糖肽和N-糖,为在血浆中寻找糖蛋白和糖链生物标志物提供了可靠的手段。     

N-磷酸化修饰蛋白质的富集和鉴定方法

蛋白质磷酸化修饰在细胞的信号转导、代谢、发育等生命过程中发挥着重要作用。除了研究较为透彻的发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸侧链羟基的O-磷酸化修饰之外,近年来,发生在组氨酸、精氨酸和赖氨酸侧链氨基的N-磷酸化修饰受到了越来越广泛的关注。然而,由于N-磷酸化修饰具有独特的P-N键结构,导致其化学稳定性差。尤其是在O-磷酸化肽段富集常用的酸性条件下,N-磷酸化极易丢失。因此,目前对N-磷酸化蛋白质的研究仍处于初始阶段。该文针对蛋白质N-磷酸化修饰的特点、富集和鉴定方法进行了综述,并对其发展前景进行了展望。     

新型核壳型亲水聚合物-硅胶杂化填料的合成及其在蛋白质N-糖链富集中的应用

蛋白质的N-糖基化修饰与多种重要的生理、病理进程密切相关,是多种重大疾病诊断标志物研究的热点。由于糖蛋白本身多是低丰度表达的蛋白质,且糖链结构具有高度微不均一性,这使得蛋白质糖基化修饰的分析具有一定的挑战。本研究利用表面引发-原子转移自由基聚合(SI-ATRP)法,以带有双键的氨基葡萄糖为单体(GMAG),成功制备了新型核壳型亲水聚合物-硅胶杂化填料(pGMAG-SiO₂)。由于在硅胶表面引入致密的亲水聚合物层,该填料不仅保持了硅胶良好的机械强度,而且显著提高了其亲水性,因此非常适合作为亲水填料用于蛋白质的N-糖链富集。以麦芽七糖和鸡卵清蛋白的N-糖链为研究对象,考察了该填料对N-糖链的富集效果,并将该杂化填料成功用于人血浆中糖蛋白N-糖链的富集检测,共鉴定了47种糖型。以上结果表明,pGMAG-SiO₂填料对N-糖链具有较高的亲和性,可以用于N-糖链的高覆盖率鉴定。     

半胱氨酸基麦芽糖修饰亲水硅胶的制备及其对糖肽的富集

糖蛋白与糖肽在复杂生物体系中丰度一般较低,为了在糖蛋白质组学研究中深入和全面分析鉴定糖基化位点与糖链,通常需要进行富集前处理操作。该文设计并合成了一种半胱氨酸基麦芽糖修饰亲水硅胶分离介质(Cys-Mal@SiO_2),将其装填入固相萃取柱中制备新型亲水固相萃取柱。在以人免疫球蛋白G酶解液为样品进行富集鉴定时,Cys-Mal@SiO_2鉴定糖肽的质谱信号强度和信噪比比半胱氨酸修饰硅胶(Cys@SiO_2)、麦芽糖修饰硅胶(Mal@SiO_2)和商品化ZIC-HILIC更高。在复杂的鼠肝蛋白质提取物的糖蛋白质组学分析中,Cys-Mal@SiO_2共鉴定出1 551条糖肽,属于466个糖蛋白的906个N-糖基化位点,比Cys@SiO_2和Mal@SiO_2鉴定糖肽数、蛋白质数和N-糖基化位点数分别多211、67、127个和289、76、193个。将Cys-Mal@SiO_2成功应用于低丰度糖肽的选择性富集与鉴定,在糖蛋白质组学研究中体现出良好的应用潜力。     

用于N-糖肽/糖蛋白分离富集的新型材料

蛋白质糖基化在调节各种复杂的生物过程中,如分子识别、免疫应答和蛋白质折叠等起着至关重要的作用。由于糖肽/糖蛋白在复杂生物样品或临床样品中丰度较低,进行糖蛋白组学分析前往往需要进行目标蛋白的分离富集。研究开发具有高效糖蛋白分离富集能力的新型材料对糖蛋白/糖肽的研究具有重要意义。近年来报道了许多新型糖蛋白分离富集材料,如有机高分子材料、生物基材料、新型有机骨架材料和新型功能复合材料等。这些材料因其结构、生物相容性和理化性质等特点,从不同层面推动了糖蛋白分离富集技术的发展。本文就目前国内外有关糖肽/糖蛋白分离富集的新型材料进行了总结和讨论,并对其未来发展提出展望。     

基于纳米粒子的糖蛋白/糖肽分离富集方法

蛋白质糖基化是一种重要的蛋白质翻译后修饰方式,糖基化对蛋白质的结构和功能有着非常重要的影响。在血清或者组织提取液中,一些低浓度的糖蛋白/糖肽是具有高度临床灵敏性和特异性的生物标记物,这些生物分子可能对疾病发生机理探讨、疾病标记物发现及蛋白类新药开发提供重要信息。由于糖蛋白/糖肽的丰度低,从复杂的生物样品中高选择性富集糖蛋白/糖肽一直是糖蛋白组学的难点和重点。纳米结构的材料因其大比表面积、丰富的活性亲和位点和特殊结构,已经广泛应用于糖蛋白/糖肽的分离富集中。本文对基于金、SiO₂、TiO₂、Fe₃O₄、金刚石和聚合物纳米粒子为载体的糖蛋白/糖肽分离富集方法的研究进展作了简要概述,并且阐明了糖蛋白/糖肽分离富集方法所面临的挑战,最后,对其未来发展方向做了展望。     

用于N-连接完整糖肽鉴定的糖基化蛋白质组学数据处理方法最新研究亮点北大核心CSCD

蛋白质糖基化与疾病的发生发展密切相关,临床上使用的大多数肿瘤标志物是糖基化蛋白质。在组学层次上进行位点特异性糖型的分析对发现新型疾病标志物、提高基于蛋白质糖基化的精准医学研究水平等具有重要作用。色谱-质谱联用技术在糖蛋白的分离分析研究中得到了广泛的应用。基于液相色谱-串联质谱(liquid chromatography-tandem mass spectrometry,LC-MS/MS)的完整糖肽鉴定已成为研究蛋白质上位点特异性糖链修饰的主要手段,其主要优势在于分析过程中可以同时揭示蛋白位点与糖链修饰的信息,从而在组学层次实现规模化的蛋白糖基化分析。     

基于3种非天然糖代谢标记的分泌蛋白质组分析性能对比

分泌蛋白质是调控细胞间信号转导的重要生物大分子。由于分泌蛋白的丰度相比于胞内蛋白以及培养基添加剂更低,因此分泌蛋白的高通量鉴定是目前蛋白质组学界研究的热点和难点。目前,基于生物质谱的分泌蛋白质组学分析一般均需要从无血清的条件培养基中获得分泌蛋白质,再对其进行富集和分析。该流程操作步骤繁琐,易造成分泌蛋白质的损失和降解。本工作采用基于生物正交化学生物学技术实现对分泌蛋白质的高选择性标记和高效富集。通过结合点击化学技术,综合评估了分泌蛋白质分析中用于代谢标记的不同糖类似物。采用3种最常用的商品化糖类似物,N-叠氮乙酰甘露糖胺(ManNAz)、N-叠氮乙酰半乳糖胺(GalNAz)和N-叠氮乙酰葡萄糖胺(GlcNAz)分别对HeLa细胞进行代谢标记,之后通过炔基生物素探针对条件培养基中的分泌蛋白进行富集,结合质谱分析来对比3种糖类似物对分泌蛋白的标记效率。最后通过无标定量蛋白质组学分析,系统评估了3种糖类似物用于分泌蛋白质组分析的性能。结果表明,基于ManNAz的分泌蛋白标记方法鉴定到了282个分泌蛋白、224个细胞质膜蛋白以及846个N-糖基化位点;对分泌蛋白的富集效率分别较GalNAz和GlcNAz提高了130%和67.2%;对细胞质膜蛋白的富集效率较GalNAz和GlcNAz分别提高了273.3%和148.7%,体现出了明显的优势。本研究的实验结果为分泌蛋白高选择性富集和系统分析提供了有益的对比分析和新技术策略。     

Metabonomics study of liver cancer based on ultra performance liquid chromatography coupled to mass spectrometry with HILIC and RPLC separations

In this study, urinary metabolites from liver cancer patients and healthy volunteers were studied by a metabonomic method based on ultra performance liquid chromatography coupled to mass spectrometry. Both hydrophilic interaction chromatography (HILIC) and reversed-phase liquid chromatography (RPLC) were used to separate the urinary metabolites. Principle component analysis (PCA) and partial least squares to latent structure-discriminant analysis (PLS-DA) models were built to separate the healthy volunteers from the liver cancer patients and to find compounds that are expressed in significantly different amounts between the two populations. 21 metabolite ions were considered as potential biomarkers according to the Variable importance in the Project (VIP) value and S-plot. Compared with RPLC, a more sensitive and stable response can be recorded in HILIC mode due to the high content of organic solvent used. Moreover, the liver cancer group and the healthy volunteers can be better separated based on the data from the HILIC separation, which indicates that HILIC is suitable for urinary metabonomic analysis. In HILIC mode, several polar compounds related to arginine and proline metabolism, alanine and aspartate metabolism, lysine degradation, nicotinate and nicotinamide metabolism were found to be significantly changed in the concentrations of the two different populations: healthy and cancer. In contrast, in RPLC mode, these changed compounds are related to fatty acids oxidation.     

Simple method for the determination of inorganic sulfate in human serum and urine using single-column ion chromatography

A single-column ion chromatographic assay with conductivity detection was developed to determine inorganic sulfate concentrations in human plasma and urine samples. Plasma samples were ultrafiltered to remove proteins. Plasma ultrafiltrate and urine samples were diluted prior to injection onto the anion-exchange column. The described method is simple, fast, sensitive and reproducible and was used to study the effect of subchronic administration of acetaminophen on the plasma concentrations and urinary excretion of inorganic sulfate in healthy volunteers.     

超高效液相色谱/飞行时间质谱法分析尿液中的代谢物用于区分人类性别的研究

尿中的代谢产物可以反映生命个体的生理状态。为了考察在非严格控制条件下(即对志愿者的饮食、生活方式以及样品采集时间等诸多条件不加以控制)基于尿中代谢物的指纹图谱对男女性别进行区分的可行性,采用超高效液相色谱/飞行时间质谱(UPLC/TOF-MS)联用技术分析了31个随机尿样,并用主成分分析法（PCA）和偏最小二乘法判别分析（PLS-DA）两种数据处理方法对数据进行处理,与PCA法比较,PLS-DA法能提高分类效果,并筛选出4种可能的与性别相关的生物标记物。研究结果表明,UPLC/MS联用技术通量高,数据量丰富;模式识别数据处理方法适合于从大量数据中提取信息,两者的结合有利于代谢组学的研究。     

Polarity‐based fractionation in proteomics: hydrophilic interaction vs reversed‐phase liquid chromatography

During recent decades, hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) ahs been introduced to fractionate or purify especially polar solutes such as peptides and proteins while reversed‐phase liquid chromatography (RPLC) is also a common strategy. RPLC is also a common dimension in multidimensional chromatography. In this study, the potential of HILIC vs RPLC chromatography was compared for proteome mapping of human peripheral blood mononuclear cell extract. In HILIC a silica‐based stationary phase and for RPLC a C₁₈ column were applied. Then separated proteins were eluted to an ion trap mass spectrometry system. Our results showed that the HILIC leads to more proteins being identified in comparison to RPLC. Among the total 181 identified proteins, 56 and 38 proteins were fractionated specifically by HILIC and RPLC, respectively. In order to demonstrate this, the physicochemical properties of identified proteins such as polarity and hydrophobicity were considered. This analysis indicated that polarity may play a major role in the HILIC separation of proteins vs RPLC. Using gene ontology enrichment analysis, it was also observed that differences in physicochemical properties conform to the cellular compartment and biological features. Finally, this study highlighted the potential of HILIC and the great orthogonality of RPLC in gel‐free proteomic studies. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于超高效液相色谱-高分辨质谱和渗透压校正样本浓度变异性的尿液代谢组学分析

尿液是代谢组学研究中主要关注的体液样本之一。尿液样本中的代谢物浓度受饮食、疾病等因素影响变异较大,这极大阻碍了高质量组学数据的获取和可靠生物标志物的鉴定。研究为克服尿液样本的浓度变异性,在原始数据采集前,根据样本渗透压的大小,针对性地调整进样量或者稀释样本,从而确保代谢组学分析样本的渗透压与进样量的乘积相当,再经超高效液相色谱-高分辨质谱技术(UPLC-HRMS)分析,采用总离子丰度或总有用峰面积(MSTUS)对数据集进行归一化处理。研究利用临床样本及其梯度稀释的溶液,对该方法与现有研究普遍使用的方法进行了比较,随后通过先天性肾积水患者及健康志愿者的尿液样本做了进一步的方法学验证。数据集经校正后,峰面积RSD<30%的提取峰数量增加,主成分分析结果较校正前有更高的组内聚集和组间分群效应,正交偏最小二乘判别分析的统计模型更不易过拟合。与肌酐比较,渗透压值与质谱信号间呈现了更好的线性关系。以上结果表明,数据采集前通过样本渗透压进行校正,能有效消除因样本本身代谢物浓度变化引起的组内差异,提高方法的重复性和统计模型的可靠度。以渗透压为基准的校正策略,比肌酐校正法适用范围更广,结果也更准确。研究可对后续各类来源的尿液代谢组学研究提供数据归一化的指导和参考。     

Metabonomic Study of Lung Cancer and the Effects of Radiotherapy on Lung Cancer Patients: Analysis of Highly Polar Metabolites by Ultraperformance HILIC Coupled with Q-TOF MS

In this study, plasma samples were collected from 28 health volunteers and 66 lung cancer patients. Ultraperformance HILIC/Q-TOF MS-based metabonomic techniques were employed to compare the highly polar metabolites (HPMs) in the plasma of patients with lung cancer and those in the plasma of healthy volunteers. High separation efficiency and good repeatability of the HILIC/Q-TOF MS method were observed. Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) of the data from both ESI+ and ESI? mode revealed good classifications between the health volunteer and the lung cancer patients. This result showed that the HPMs from lung cancer patients and healthy controls were significantly different. The correct classification rate of models in both ion modes reached 100%, indicating that the metabonomics method established in this study could predict the plasma samples with high accuracy. Besides, we found 19 ions that show a significant difference in levels between lung cancer patients and healthy controls. Finally, we conducted a primary study of the effect of radiotherapy on HPMs in lung cancer patients. Clear differences among the HPMs of patients in different radiotherapy periods and significant changes in levels of the 19 ions after radiotherapy were noted. This demonstrated that radiotherapy influences the metabolism system of patients.