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。     

糖蛋白糖基化位点及糖型的多重质谱分析

以糖蛋白核糖核酸酶B(RNase B)为研究对象,采用基质辅助激光解吸电离-串联飞行时间质谱(MALDI-TOF/TOF-MS)、傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)的碰撞活化解离(CAD)和电子转移解离(ECD)多种质谱技术对RNase B的糖肽的完整信息进行解析.通过多种质谱相互验证,确定了RNase B的糖肽组分的氨基酸序列为SRNLTK、糖链结构为(HexNAc)2(Hex)5-(HexNAc)2(Hex)9及糖基化位点为第34位氨基酸残基.本方法为糖蛋白结构的全面解析提供了一种快速、有效、全面的研究思路.     

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。     

麦胚凝集素亲和色谱富集糖肽过程中的肽键裂解

蛋白质的糖基化是最重要的翻译后修饰之一,与蛋白质结构和功能的关系密切。凝集素亲和色谱是蛋白质糖基化研究中很常用的工具,不同的凝集素可以对不同的单糖或寡糖有特异的富集作用。麦胚凝集素（WGA）由于其特异作用的糖型广泛存在而成为使用最多的凝集素之一。在本研究中,发现将WGA用于糖肽亲和富集会导致部分肽段的降解,从而导致后续的肽段序列分析的失败。本文用4种标准蛋白质对这种现象进行了验证,结果表明肽段的降解可以发生在多个位点,其中较多地发生在酪氨酸、苯丙氨酸及亮氨酸的羧基端。这一结果提示：在糖蛋白质组研究中,如果应用WGA富集糖肽并采用质谱进行鉴定,则采用半酶切或非特异性酶切的检索策略更为合适。     

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。     

基于质谱的蛋白质O-糖基化分析

蛋白质的O-糖基化是一种重要的蛋白质翻译后修饰,它和N-糖基化一样是蛋白质糖基化修饰的主要形式。蛋白质的O-糖基化对蛋白质的结构功能有重要的影响,因此分析蛋白质的O-糖基化具有重要的生物学意义。蛋白质O-糖基化分析包含4个方面的内容:(1)鉴定O-糖基化蛋白质的种类;(2)鉴定糖基化位点;(3)鉴定糖链结构;(4)糖链的定量分析。由于缺少保守的O-糖基化氨基酸特征序列,缺乏通用的糖苷酶以及O-糖链结构的复杂性等原因,基于质谱的蛋白质O-糖基化的分析目前仍处于方法开发阶段。本文主要介绍基于质谱的O-糖基化蛋白质的分析方法学在近期取得的一些进展,包括以下4个方面:O-糖蛋白/多肽的富集、O-糖链的解离、O-糖链的结构分析及O-糖基化定量分析。     

人血清Alpha-1-酸性糖蛋白的糖基化分析

获取真实准确的蛋白质糖基化信息是全面了解糖基化修饰生物学功能的前提.针对简单蛋白质的糖基化分析通常采用反相高效液相色谱-串联质谱技术在肽的水平上对糖基化信息进行采集和解析.本文以人血清Alpha-1-酸性糖蛋白(AGP)酶解液为对象,发展了一套简单有效的蛋白质糖基化分析方法.本方法分为三个步骤,第一步是建立糖肽的理论m/z值表;第二步是获取糖蛋白酶解液的LC-MS谱图,并将每一个色谱峰中所包含糖肽的实际m/z值与理论m/z值进行人工匹配;第三步是对每个色谱峰的糖肽结构归属进行LC-MS/MS验证.采用本方法,我们从AGP酶解液中共鉴定出172条糖肽.与单独采用Survey模式的方法相比,本方法能够显著提高糖肽的覆盖率.     

基于质谱的蛋白质O-糖基化分析研究进展

蛋白质的O-糖基化是一种重要的蛋白质翻译后修饰,它和N-糖基化一样是蛋白质糖基化修饰的主要形式。蛋白质的O-糖基化对蛋白质的结构功能有重要的影响,因此分析蛋白质的O-糖基化具有重要的生物学意义。蛋白质O-糖基化分析包含4个方面的内容:(1)鉴定O-糖基化蛋白质的种类; (2)鉴定糖基化位点; (3)鉴定糖链结构; (4)糖链的定量分析。由于缺少保守的O-糖基化氨基酸特征序列,缺乏通用的糖苷酶以及O-糖链结构的复杂性等原因,基于质谱的蛋白质O-糖基化的分析目前仍处于方法开发阶段。本文主要介绍基于质谱的O-糖基化蛋白质的分析方法学在近期取得的一些进展,包括以下4个方面:O-糖蛋白/多肽的富集、O-糖链的解离、O-糖链的结构分析及O-糖基化定量分析。     

电子捕获解离技术在生物质谱中的作用

电子捕获解离(ECD)是一种非各态历经的(non-ergodic)解离方式,可导致多肽中N-C_α键断裂,也能更优先断裂S-S键,在较高电子能量条件下还可以区分亮氨酸和异亮氨酸,并且在断裂过程中能完整保留蛋白质分子的修饰位点。因此,它与碰撞活化解离(CAD)等传统解离方式形成了较为理想的互补。ECD与CAD的联合使用可提供更广泛的多肽覆盖率序列信息,提高蛋白测序的效率与准确度。本文在介绍ECD基本原理、解离机理的基础上,简要地总结了ECD技术在生物质谱中的作用。     

基质辅助激光解吸电离质谱和电喷雾电离质谱在辣根过氧化物酶糖肽结构分析中的应用

糖链结构的质谱解析是今后糖蛋白分析中的重要研究内容,其中完整糖肽的分析,由于可以同时获得糖基化位点和对应糖链的结构信息,更具有重要意义和研究前景。本工作对质谱软电离技术在完整糖肽分析中的应用进行了研究,其中包括了基质辅助激光解吸电离(matrix-assisted laser desorption ionization, MALDI)和电喷雾电离(electrospray ionization, ESI)技术。通过平行使用两种串联质谱(tandem mass spectrometry, MS/MS)分析策略: MALDI-MS/MS和ESI-MS/MS对目标糖蛋白——辣根过氧化物酶进行分析,并讨论了其互补性。结果表明,MALDI和ESI技术各有优劣,结合串联质谱分析,可获得糖肽的糖链结构信息;两条路线互补使用,在揭示蛋白质糖基化修饰(位点和结构)的研究中十分必要。     

糖基化肽段库构建和高通量检索新方法

本研究组发展了全新的高通量糖基化肽段检索新方法, 并开发了检索软件GRIP. 新的检索方法突出了糖肽在CID碎裂时糖链发生连续丢失的特性, 同时充分运用了来自糖基化研究中已有的成熟技术所检测的位点及糖链信息, 高通量地自动解析完整糖肽的串级质谱. 我们检测了人血清样品中的糖肽, 在3次实验中一共鉴定得到4116张糖肽的串级谱图, 对应198个N-糖基化位点, 充分体现了糖基化的微观不均一性. 目前国际上关于血清糖肽谱图鉴定报道为62张谱图; 改进后的肼腙富集法鉴定到了36个N-糖基化位点; 本次鉴定结果的规模和质量均未见报道.     

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。     

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。     

糖蛋白/糖肽的分离富集方法*

蛋白质糖基化是一种重要的翻译后修饰,糖基化对蛋白质的结构和功能有着重要的影响。目前,作为蛋白质组学的一个组成部分,糖蛋白质组学是备受关注的研究热点。而从复杂的生物样品体系中富集糖蛋白/ 糖肽是蛋白质糖基化研究的重点和难点,本文就糖蛋白/糖肽分离富集方法的研究进展和应用作了简要概述。这些方法包括常用的凝集素亲和法、硼酸法、肼化学法和亲水作用法,还包括分子筛法、强阳离子交换法等新方法。     

β-伴大豆球蛋白的N-糖基化位点及其N-糖链的质谱分析

以β-伴大豆球蛋白(β-conglycinin)为研究对象,利用Trypsin和Pepsin酶对其进行水解,以Con A亲和层析柱富集纯化糖肽,并用糖苷酶PNGase F和Endo H分别酶解糖肽,再采用电喷雾质谱(ESI-MS)和串联质谱(MS/MS)对所得肽段的氨基酸序列及糖链的结构进行了分析,最后通过数据库检索对分析结果进行验证.结果表明,β-conglycinin具有5个N-糖基化位点,分别为α亚基的199和455位天冬酰胺(Asn),α'亚基的215和489位Asn及β亚基的326位Asn,且每个糖基化位点均被H5N2,H6N2,H7N2和H8N2这4种高甘露糖型N-糖链所修饰.本研究为各种糖蛋白的糖基化位点及其对应的糖链结构的鉴定分析提供了方法参考,并为深入理解大豆糖蛋白抗原表位的特异性及致敏机理提供了依据.     

功能化磁性纳米材料在糖蛋白及糖肽富集中的研究进展

蛋白质糖基化作为最重要的翻译后修饰之一,在生物体诸如细胞信号转导、蛋白质翻译调控、免疫应答等诸多生命过程中发挥重要作用。此外,蛋白质的异常糖基化还与肿瘤等疾病的发生发展密切相关,这为以糖蛋白为目标的疾病生物标志物的发现提供了可能。尽管质谱已经成为糖蛋白质组学的重要分析工具,但糖肽的低丰度和低电离效率使得其直接质谱分析仍面临挑战。在糖蛋白质组学研究中,从复杂的生物样品中富集糖蛋白和糖肽是重要的环节。磁性固相萃取(MSPE)是一种操作简单、成本低和萃取效率高的样品预处理方法。在磁性固相萃取中,磁性吸附剂是影响萃取效果的关键,将功能化磁性纳米材料作为吸附剂进行糖蛋白质组学研究已经得到广泛应用。该文综述了糖分子、离子液体、凝集素、硼酸亲和配体、金属有机框架、共价有机骨架等功能化磁性纳米材料的制备及其在糖蛋白及糖肽富集中的应用。上述功能化磁性纳米材料具有高比表面积、大量作用位点等特点,其富集机理包括亲水相互作用色谱、凝集素亲和作用色谱、硼酸化学法和肼化学法等,主要应用于血清、血浆、细胞、组织、唾液等样品的糖蛋白和糖肽的富集。该文引用了近十年来发表的约90篇源于科学引文索引(SCI)与中文核心期刊的相关论文,并于文末对磁性纳米材料在糖蛋白和糖肽富集领域的发展趋势进行了展望。     

基于固相萃取的微量糖蛋白糖基化修饰表征技术的建立

结合自制亲水固相萃取富集柱和生物质谱鉴定技术,实现了糖基化蛋白质核糖核酸酶B的糖含量测定、糖基化位点确认、聚糖富集及结构表征,以及不同糖型相对丰度分析。结果表明:其糖含量8.47%,糖基化位点为34位的Asn,糖链主要为5种高甘露糖型结构(Man5-9GlcNAc2)。所建立的HILIC富集技术,有利于针对微量生物样本,如生物工程药物糖蛋白及重要功能糖蛋白,开展位点特异性糖链结构解析,为糖蛋白质的药效或功能研究提供线索。     

基于化学衍生和CID碎裂模式鉴定蛋白精氨酸-ADP-核糖基化的新方法

建立了一种新的基于碰撞诱导解离（CID）碎裂模式鉴定精氨酸-腺苷二磷酸（ADP）-核糖基化多肽的新方法. 首先,在碱性条件下将精氨酸-ADP-核糖基化血管紧张素-Ⅰ转变为鸟氨酸化血管紧张素-Ⅰ,或在磷酸二酯酶和碱性磷酸酶处理下水解为精氨酸核糖基化血管紧张素-Ⅰ,然后对上述2种衍生物进行基于CID碎裂模式的串联质谱分析. 结果表明,与未衍生的精氨酸-ADP-核糖基化血管紧张素-Ⅰ相比,在鸟氨酸化血管紧张素-Ⅰ和精氨酸核糖基化血管紧张素-Ⅰ的质谱图上发现大部分来自于肽骨架碎裂的离子峰,可提供足够的序列信息以确定精氨酸-ADP-核糖基化位点.     

翻译后修饰蛋白质组学分离方法的研究进展

蛋白质翻译后修饰（PTMs）是调节细胞内生理活动的重要途径。该文总结了近年来PTMs蛋白质组学相关的分离方法,包括反相（RP）色谱法、离子交换（IEX）色谱法、亲水相互作用色谱（HILIC）法、多孔石墨化碳（PGC）色谱法、毛细管电泳（CE）法及分子筛色谱（SEC）法等。这些新方法为磷酸化、乙酰化、糖基化等PTM肽段或蛋白质的鉴定提供了更高的分离度和灵敏度。此外,该文也介绍了蛋白质领域其他重要分离方法的研究进展,这些方法可能被进一步应用于PTMs蛋白质组学的研究中。     

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。