化学衍生化技术及其在质谱成像中的应用进展

近年来,随着质谱成像(mass spectrometry imaging, MSI)技术的不断发展与完善,众多基于MSI的分析策略已被广泛应用于生物内/外源分子原位、定性、定量可视化研究,其中又以基质辅助激光解析电离质谱成像(matrix assisted laser desorption/ionization MSI, MALDI-MSI)和DESI-MSI(desorption electrospray ionization MSI)最为常用.相较于传统分子影像方法, MSI技术具有高灵敏、高通量、无需标记等优点,但仍存在一些不足,尤其在低极性、难电离中性分子原位分析中短板明显.针对这一难题,化学衍生化技术的发展与应用已成为极其重要的手段之一.本文系统性地综述了多种化学衍生化技术,如酯化衍生化、酰化衍生化、加成衍生化、取代衍生化、氧化衍生化及其他衍生化技术,在MALDI-MSI及DESI-MSI分子表征中的应用进展.可以预见,化学衍生化技术的不断发展与完善将进一步拓展MSI技术在原位代谢组学、原位脂质组学、原位蛋白质组学、原位糖组学等领域的应用范围.     

糖-蛋白质相互作用

糖生物学被认为是生物化学领域“最后的前沿”。糖-蛋白质相互作用是信号传导、细胞粘附、病菌感染、受精、增殖、分化和免疫应答等很多细胞识别过程的基础,在生命科学中意义重大。本文综述了糖-蛋白质(尤其是凝集素)相互作用研究的电化学、压电传感、光谱学、纳米技术、微阵列技术和生物传感器等方法和器件及生物医学应用进展。     

化学生物学解析疾病中O-GlcNAc糖基化功能:研究工具与策略

O-连接β-N-乙酰葡糖胺(O-GlcNAc)糖基化是广泛存在于蛋白质丝/苏氨酸残基的翻译后修饰.这一动态、可逆单糖修饰以位点特异性方式影响底物蛋白的结构和生物学功能,参与调控几乎所有细胞生理过程和重大疾病的演进过程.随着研究深入,O-GlcNAc糖基化生物功能的系统解析需要更多特异、精准的研究工具和糖蛋白质组学研究策略.近年来,化学生物学领域开发了包括小分子糖探针、生物正交糖代谢标记物、化学酶法、特异性抗体和凝集素等多种O-GlcNAc糖基化分析工具和方法,以此为基础进一步发展了O-GlcNAc糖蛋白质组学研究策略.同时,借助高分辨质谱,大量蛋白质O-GlcNAc修饰位点得以鉴定,极大促进了位点特异性O-GlcNAc的生物功能研究.本文综述了近年来这一领域的研究进展,以期为更多化学工具的开发提供依据,为揭示O-GlcNAc糖基化在疾病演进中的功能提供新的研究思路和策略.     

作为信息分子的糖类

糖生物学是生物化学中最后一个重大的研究前沿。糖类研究的复杂性在于其结构的复杂多变, 但是近年来对糖类结构, 特别是糖复合物中的糖部分的测定取得了很大进展。糖结构的复杂性, 也使糖类成为携带着最大信息量的生物分子。作为信息分子的糖类在生物体内发挥多方面的生物作用: 决定了分子的抗原性和细胞的表型; 在很多生理和病理过程中起了关键的识别作用; 也可作为动态和时空调节的信号。     

N-糖组富集方法研究进展

糖基化是一种重要的蛋白质翻译后修饰,使蛋白质具有更多样的功能。N-糖基化作为蛋白质主要的糖基化类型之一,与许多生命活动密切相关,在疾病发生发展中起关键作用。因此,研究糖蛋白N-糖链具有重要意义。生物质谱技术是糖组学研究的重要工具之一,然而,由于糖链结构复杂、丰度低及质谱离子化效率低等原因,基于质谱的N-糖组学研究还面临着很大的挑战。采用生物质谱对N-糖链进行分析时,N-糖链的分离富集必不可少。本文简要介绍了基于质谱的N-糖链分析流程,重点综述了糖链分离富集方法,总结了不同方法的优缺点以及各种技术在生物医学研究中的应用。     

氧化石墨烯固定化凝集素的制备及在糖蛋白/糖肽富集中的应用

生物体内蛋白质的糖基化修饰调控着细胞识别、细胞黏附和迁移以及免疫应答等多种生理过程,并与多种人类重大疾病的发生、发展密切相关。因此对蛋白质糖基化修饰的鉴定,不仅能够为生物学机理研究提供重要信息,对疾病诊断标志物和治疗靶标的发现也至关重要。然而在复杂生物体系中,大多数糖蛋白为低丰度蛋白质,其含量与现有质谱仪器的检测灵敏度之间存在较大差距,所以对含有不同糖型结构的糖蛋白进行全面/高效的富集,是实现高灵敏度糖蛋白鉴定的必由之路。凝集素富集作为一种有效的糖蛋白富集方法,已在糖蛋白质组学研究中得到了广泛的应用。针对现有凝集素功能化材料存在负载量偏低以及富集效率有限等问题,我们制备了两种以氧化石墨烯(GO)为载体的新型固定化凝集素,利用GO比表面积大,功能基团含量高,分散性、化学稳定性好等特点,实现了高负载量的凝集素固定(GO-ConA 2.073 mg/mg, RSD=1.0%; GO-WGA 1.908 mg/mg, RSD=0.14%)。同时考察了材料的可重复使用性与稳定性:每隔3天测一次同一GO-lectin材料对对应糖蛋白的富集效果,可以看出材料合成两周内富集效果都>200 μg/mg。将该GO-lectin成功应用于糖蛋白、糖肽的选择性富集,在糖蛋白质组学研究中体现出良好的应用潜力。     

碳纳米管的快速糖基化及用于糖-凝集素特异性识别作用的研究

将含糖基的简单两亲分子N-十八烷基麦芽糖酰胺(N-n-Octadecyl-D-maltonamide, NOMA)非共价修饰到单壁碳纳米管(SWNT)表面形成糖-碳纳米管复合体(NOMA-SWNT), 谱学和形态学结果表明, NOMA不仅能快速、高效地吸附到SWNT表面, 而且能有效地改善SWNT在水溶液中的分散性能. 以NOMA-SWNT管束为导通沟道构建了碳纳米管场效应管(CNTFET)器件, 检测了麦芽糖和伴刀豆凝集素蛋白(Con A)的特异性识别作用. 检测器件在每个修饰阶段的电学性能的变化证明了NOMA对SWNT的非共价糖基化修饰及用CNTFET来检测糖-凝集素特异性识别作用的可能性.     

微量样本中N-糖组分析技术的发展与应用

针对糖组学分析面临的初始样本量需求较高的技术挑战,该研究发展了一种微量样本N-糖链制备技术(GPAT),通过在移液枪头(Tip)中分别装填C_(18)和HILIC填料,实现了一站式原位蛋白消化、N-糖链释放和富集。与目前普遍采用的基于过滤辅助样品制备(FASP)技术的N-糖组分析策略相比,使用GPAT技术可以实现微量免疫球蛋白G(IgG)和人肝癌HepG2细胞提取蛋白的原位N-糖链的释放和富集,样本起始量减少90%,可以从10μg IgG和10μg的HepG2细胞蛋白中分别检测到20条和39条N-糖链。从6例健康人(3例男性,3例女性)尿液中提取的10μg尿蛋白中检测到49条N-糖链。该方法实现了微量复杂蛋白样本N-糖链简便、快速的定量分析策略,为进一步的糖组学方法推广应用奠定了基础。     

基因重组糖蛋白-人尿激酶原糖基化修饰的质谱测定

酶法结合生物质谱技术测定了基因重组糖蛋白-人尿激酶原(rhProUK)的N-糖含量、唾液酸含量分别为9％和5％。糖蛋白／肽先经Con A凝集素亲和富集,肽：N-糖苷酶F(PNGaseF)对N-糖基化位点进行特异性质量标记,然后利用Lc-MS/MS技术测定出N-糖基化位点在第302位天冬酰胺残基上。     

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ConA富集和LTQ-FT质谱鉴定的小鼠肝脏内质网N-糖蛋白质组研究

糖基化修饰是生物体内复杂和重要的蛋白质翻译后修饰方式之一.N-糖基化蛋白质在内质网中进行合成的过程中,所有的N-糖链都以甘露糖和葡萄糖结尾,而凝集素ConA对以甘露糖结尾的糖链有较高的亲和性,可以用来富集在内质网中合成的N-糖蛋白质.本文据此提出了一种基于内质网分离和凝集素ConA富集的复杂样品N-糖基化位点研究策略.通过使用高准确度的质谱线性离子阱-傅立叶变换回旋离子共振质谱对N-糖蛋白质进行鉴定,并对N-糖基化位点进行确定.我们采用模式生物C57BL/6J肝脏作为生物样本,在生物水平和质谱水平分别进行了3次重复,共鉴定了212个N-糖蛋白质的323个N-糖基化位点.在这些蛋白中,131个是Swissprot库中已确认的N-糖蛋白质.此方法富集的糖蛋白,糖型统一,有利于样品的分离和PNGaseF酶切作用,提高了鉴定的效率.对鉴定的212个N-糖蛋白质的定位和功能进行了分析,本文鉴定的N-糖蛋白质对现有的鼠肝N-糖蛋白质数据库进行了有效的补充.     

半刀豆球蛋白非标记电化学阻抗传感器

近年来,糖生物学在糖链结构、生物合成、生理功能以及疾病诊断等方面的研究备受关注.糖芯片是继基因芯片和蛋白质芯片之后兴起,正如继基因工程、蛋白质工程之后兴起的糖工程,继基因组学、蛋白质组学之后兴起的糖组学一样,功能糖芯片技术已成为第3代高通量、大规模生物芯片检测技术的核心.     

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。     

电子显微技术应用于生物纳米材料表征与测试的研究进展

该文简述了电子显微技术的发展历程,并介绍了现代电子显微镜的新功能。针对生物纳米材料理化性能与功能应用的特殊性,结合研究实例,重点阐述运用电子显微结构表征与原位分析测试技术指导构建新颖纳米结构、揭示材料与细胞/组织相互作用并发挥功能的机制。并在此基础上,展望了电子显微技术在生物纳米材料研究领域的发展方向(大尺寸图像拼接、三维重构、动态原位实时成像)。     

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。     

《生命分析化学》新书出版

该书邀集了国内从事分析与生命科学交叉前沿研究的众多科学工作者,精心编撰了从生物样品制备到分析方法发展以及相关应用的各个层面的基础分析技术和最新研究成果,方法内容涵盖了各种离线、在线、原位的实时或延时分析的关键理论基础、仪器构造原理、生命分析要素及操作技巧;分析的物质对象不仅包含了传统意义上的蛋白质、核酸、糖及糖缀合物、各种生物小分子,还有选择地介绍了多种新兴的复杂样品体系,如基因组学、蛋白质组学、代谢组学、糖组学等。此外,还介绍了若干新的概念性分析方法,如仿生分析、活体动物动态生化分析、纳米相关分析、…     

常压电离质谱在脂质精确结构解析中的研究进展

脂类化合物的结构和功能与细胞生理过程密切相关,脂质结构的精确解析对探索脂质的生物学功能起着至关重要的作用.常压电离质谱技术的出现为常压敞开环境条件下的原位、实时、直接、快速生物脂质分析和组学研究提供了重要的手段.随着常压电离质谱技术在脂质分析和脂质组学研究的不断深入,对脂质结构特别是碳碳双键(C=C)位置的精细解析就显...     

《生命分析化学》新书出版

该书邀集了国内从事分析与生命科学交叉前沿研究的众多科学工作者。精心编撰了从生物样品制备到分析方法发展以及相关应用的各个层面的基础分析技术和最新研究成果。方法内容涵盖了各种离线、在线、原位的实时或延时分析的关键理论基础、仪器构造原理、生命分析要素及操作技巧；分析的物质对象不仅包含了传统意义上的蛋白质、核酸、糖及糖缀合物、各种生物小分子，还有选择地介绍了多种新兴的复杂样品体系，如基因组学、蛋白质组学、代谢组学、糖组学等。此外，还介绍了若干新的概念性分析方法，如仿生分析、活体动物动态生化分析、纳米相关分析、生物大分子微区分析等。     

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