基于不同提取方法的水稻叶片蛋白质组的二维液相色谱分离及高分辨质谱分析

建立了酚法提取-二维液相色谱分离-高分辨质谱分析水稻叶片蛋白质组的方法。水稻叶片蛋白质经过酚法提取,酶解肽段脱盐后用离线反相-反相二维液相色谱分离,然后用线性离子阱/静电场轨道阱组合式高分辨质谱分析,共鉴定到2712种蛋白质。比较了液相色谱分离系统（一维液相色谱与二维液相色谱）和水稻叶片蛋白质提取方法（酚法、十二烷基硫酸钠法（SDS法）和三氯乙酸/丙酮法（TCA/丙酮法））对鉴定蛋白质数量的影响,结果表明：在二维液相色谱条件下,酚法、SDS法和TCA/丙酮法鉴定到的蛋白质数目为2712、2415和1914,分别是一维液相色谱条件下鉴定到的蛋白质数目的2.7、2.5和1.9倍。二维液相色谱条件下,酚法鉴定到的蛋白质数目比SDS法和TCA/丙酮法分别多297和798。与SDS法和TCA/丙酮法相比,酚法不但鉴定到的蛋白质数量多,而且能够鉴定到一些极端蛋白质,如酸性、碱性及高等电点的蛋白质。此外,对二维液相色谱条件下3种蛋白质提取方法提取到的蛋白质进行生物学功能分类,发现3种方法鉴定到的蛋白质的功能存在互补性,但酚法鉴定到的蛋白质功能种类最多。该法为水稻蛋白质组学研究提供了技术支撑,同时也为其他作物的蛋白质组学研究技术提供重要的借鉴。     

色谱技术在蛋白质组学研究中的应用引言

蛋白质组是指一个有机体的基因组所表达的全部蛋白质。蛋白质组学是研究有机体蛋白质的组成及其变化规律的科学。蛋白质组成的高度复杂性和随时间、空间变化的特点,对蛋白质组的研究技术和方法提出了巨大挑战。色谱作为现代分离科学的核心技术之一,在蛋白质组研究中发挥了重要作用。我们可以通过对组织、细胞或体液中成千上万种蛋白质/多肽的色谱预分离,降低样本的复杂程度,提高蛋白质的鉴定率;我们可以通过亲和色谱对翻译后修饰的蛋白质/多肽进行特异性富集分离,去除非修饰的蛋白质/多肽,实现修饰蛋白的成功鉴定;我们还可以通过色谱 质谱联用技术,获得蛋白质/多肽在色谱分离中的保留时间或峰面积,实现蛋白质的规模化定量与鉴定等。 为了集中展示我国科学家在色谱技术及其在蛋白质组学研究中的应用方面所取得的成果,《色谱》杂志特此在2010年第2期编辑出版了“色谱技术在蛋白质组学研究中的应用”专栏。我们邀请了在该领域具有突出成绩或学术造诣的部分专家、学者撰写了相关的学术论文和综述。希望通过这些文章所介绍的工作,为进一步提高色谱技术在蛋白质组学研究中的应用水平,推动我国蛋白质组学的发展和取得创新性的研究成果作出贡献。     

高通量蛋白质组学分析研究进展

基于质谱的蛋白质组学技术已经日趋成熟,可以对细胞和组织中的成千上万种蛋白质进行全面的定性和定量分析,逐步实现“深度覆盖”。随着生物医学日益增长的大队列蛋白质组学分析需求,如何在保持较为理想的覆盖深度下实现短时间、快速的“高通量”蛋白质组学分析已成为当前亟需解决的关键问题之一。常规的蛋白质组学分析流程通常包括样品前处理、色谱分离、质谱检测和数据分析。该文从以上4个方面展开介绍近10年以来高通量蛋白质组学分析技术取得的一系列研究进展,主要包括:(1)基于高通量、自动化移液工作站的蛋白质组样品前处理方法;(2)基于微升流速液相色谱与质谱联用的高通量蛋白质组检测方法;(3)利用灵敏度高、扫描速度快的质谱仪实现短色谱梯度分离下蛋白质组深度覆盖的分析方法;(4)基于人工智能、深度神经网络、机器学习等的蛋白质组学大数据分析方法。此外,对高通量蛋白质组学面临的挑战及其发展进行展望。总而言之,预期在不久的将来高通量蛋白质组学技术将会逐步“落地转化”,成为大队列蛋白质组学分析的利器。     

毛细管电泳-质谱联用技术及其在蛋白质组学中的应用

蛋白质组学研究在生物学、精准医学等方面发挥着重要的作用。然而研究面临的巨大挑战来自生物样品的复杂性,因此在质谱（MS）鉴定技术不断革新的同时,发展分离技术以降低样品复杂度尤为重要。毛细管电泳（CE）技术具有上样体积小、分离效率高、分离速度快等优势,其与质谱的联用在蛋白质组学研究中越来越受到关注。低流速鞘流液和无鞘流液接口的发展及商品化推动了CE-MS技术的发展。目前毛细管区带电泳（CZE）、毛细管等电聚焦（CIEF）、毛细管电色谱（CEC）等分离模式已与质谱联用,其中CZE-MS应用最广泛。目前被广泛采用的蛋白质组学研究策略主要是基于酶解肽段分离鉴定的"自下而上（bottom-up）"策略。首先,CE-MS技术对酶解肽段的检测灵敏度高达1 zmol,已成功应用于单细胞蛋白质组学;其次,毛细管电泳技术与反相液相色谱互补,为疏水性质相近的肽段（尤其是翻译后修饰肽段）的分离鉴定提供了新的途径。基于整体蛋白质分离鉴定的自上而下"top-down"策略可以直接获得更精准、更完整的蛋白质信息。CE技术在蛋白质大分子的分离方面具有分离效率高、回收率高的优势,其与质谱的联用提高了整体蛋白质的鉴定灵敏度和覆盖度。非变性质谱（native MS）是一种在近生理条件下从完整蛋白质复合物水平上进行分析的质谱技术。CE与非变性质谱联用已被尝试用于蛋白质复合体的分离鉴定。该文引用了与CE-MS和蛋白质组学应用相关的93篇文献,综述了以上介绍的CE-MS的研究进展以及在蛋白质组学分析中的应用优势,并总结和展望了其应用前景。     

梯度加压毛细管电色谱分离蛋白质

 以1.5 μm无孔硅胶颗粒(non-porous silica,NPS)为固定相,采用电压和压力联合驱动流动相,用反相梯度加压毛细管电色谱(p-CEC)在7.5 min内实现了核糖核酸酶A、细胞色素C、溶菌酶和肌红蛋白等4种蛋白质的快速、高效的分离。比较了梯度加压毛细管电色谱和微柱液相色谱(μ-HPLC)分离蛋白质的结果,同时考察了固定相、离子对试剂三氟醋酸(TFA)浓度和电压等条件对梯度加压毛细管电色谱分离蛋白质的影响。结果表明,梯度p-CEC可以通过调节电压精细调节带电溶质的保留,提高分离选择性,缩短分离时间,得到较高的柱效。该方法在蛋白质分离分析及蛋白质组学的研究中具有很大的应用潜力，为高效快速地分离蛋白质开辟了新的途径。     

疏水型色谱饼对人血清蛋白质组学样品的快速分离与制备

建立了疏水型色谱饼(10 mm×20 mm i.d.)与反相色谱(RPLC)离线二维色谱快速分离制备人血清蛋白质组学样品,并用基体辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)进行检测的方法。以4种标准蛋白质的稀溶液为模型进行分离富集,得到细胞色素c(Cyt-c)与肌红蛋白(Myo)的检出限均为1 pmol/μL,溶菌酶(Lys)和胰岛素（Ins）的检出限为0.1 pmol/μL。将此方法用于人血清蛋白质组学样品的分离与制备,随着血清处理量的增大,质谱可检出的组分数目与信号强度均增加,当血清处理量达到1.0 mL时,可检出低丰度蛋白质或多肽285个(相对分子质量均在15000以下)。研究中将1 μg Cyt-c加入到0.5 mL血清中,用上述方法在分离富集低丰度Cyt-c上取得了很好的效果。结果表明,采用疏水型色谱饼与反相色谱联用技术不仅可对血清样品中低丰度蛋白质进行有效的分离和富集,而且一次样品的处理量大,可显著提高低丰度蛋白质的分析、检测水平。     

去除血浆中高丰度蛋白质的二维液相色谱体系的建立

血浆中高丰度蛋白质的存在严重干扰低丰度蛋白质的检测,是困扰血浆蛋白质组学研究的技术瓶颈之一。针对这一热点问题,建立了一种二维液相色谱(强阴离子交换色谱-反相高效液相色谱)分离系统,对血浆中的高丰度蛋白质进行了色谱定位并进行去除。选择TSKgel SuperQ-5PW为第一维色谱分离柱,第二维色谱分离采用Jupiter C4柱,对第一维的馏分进行进一步的分离。通过梯度优化,血浆样品经过二维系统得到充分分离。第二维分离过程中从紫外信号强度高(215 nm,大于20 mAU)的峰中选择10个峰,利用液相色谱-串联质谱鉴定出32种高丰度蛋白质,包括人血清白蛋白、免疫球蛋白G等高丰度蛋白质。该体系为血浆中更多高丰度蛋白质的去除以及血浆蛋白质组学的更深入研究提供了重要思路。     

基于质谱的单细胞蛋白质组学分析方法及应用

细胞是生命体的最小组成单位,遗传及外部环境等因素使单细胞异质性广泛存在于众多生物体中。传统的生物学实验获得的结果多是大量细胞的平均测量值,因此在单细胞层面开展研究对于精确理解细胞的生长发育以及疾病的诊断与治疗至关重要。而作为重要的细胞和生命活动的执行者,蛋白质由于其不具备扩增特性,且种类繁多、丰度低、动态分布范围宽,与核酸等其他生物大分子相比,其单细胞组学研究相对滞后。而在所有的检测手段中,荧光检测以及电化学分析方法具有极高的灵敏度,但是囿于其研究通量有限,以及电化学活性依赖,很难成为普适性的单细胞蛋白质组学研究方法。质谱分析作为传统蛋白质组学中最为核心的研究技术,由于其高灵敏、高通量、结构信息丰富等特点,在单细胞蛋白质组学研究中独树一帜。该文综述了近年来基于质谱的单细胞蛋白质组学研究中的代表性方法,根据质谱分析前蛋白质分离方式的差异,将其分为基于毛细管电泳分离、液相色谱分离和无分离手段的直接检测3类方法,在介绍研究现状的同时对这些方法在细胞通量、蛋白质鉴定数目、灵敏度以及方法应用方面进行了总结与比较。最后,基于目前研究中面临的挑战以及发展趋势对基于质谱的单细胞蛋白质组学的研究前景进行了展望。     

反相高效液相色谱双梯度洗脱分离肽混合物及质谱分析

复杂肽段混合物的有效分离是高覆盖率地鉴定蛋白质混合物的前提。“鸟枪法”(Shotgun)蛋白质组学研究策略通常采用蛋白酶切、二维液相色谱-串联质谱分析肽段混合物从而鉴定蛋白质,其中高效率地分离肽段混合物是关键步骤之一。本文通过pH梯度结合有机溶剂梯度的反相高效液相色谱(RP-HPLC)进行一维液相色谱分离,按等时间间隔收集馏分并将一个梯度的前段的一个馏分与后段一个馏分混合,然后进行纳升级液相色谱-质谱联用(nanoRPLC-MS/MS)分析。将该方法应用于酵母蛋白质的分离和鉴定,实验结果为: 与常规的强阳离子色谱-反相液相色谱-质谱分离鉴定方法相比,采用pH梯度结合有机相梯度的RP-HPLC-RPLC-MS分离鉴定方法多鉴定到567个酵母蛋白质(簇,含有3035个唯一肽段);其中鉴定到肽段的pI分布范围为3.42～12.01,相对分子质量范围为587.67～3499.79;蛋白质的pI分布范围为3.82～12.19,相对分子质量范围为3446.55～432905。该结果表明这种方法在复杂体系蛋白质组分离鉴定中具有明显的优势,在蛋白质组学研究中有较好的应用前景。     

凝胶渗透色谱柱填料研究现状

凝胶渗透色谱法(GPC)是19世纪60年代开发的一种分离技术,作为一种液相分离色谱,其具有对流动相的要求不高、实验条件温和、重现性好、分析速度快、溶质回收率高等优点.这些优点使凝胶渗透色谱具有独特的分离效果,因此得到迅速发展并广泛用于石油化工、生物医药、食品卫生、环境监控等领域.该文对凝胶渗透色谱柱填料(如聚丙烯酰胺凝...     

Novel liquid-chromatography columns for proteomics research

The enormous interest in proteomics research in recent years has inspired many developments in peptide chromatography. Different strategies have been developed to cope with the vast complexity of proteomics samples, trying to provide sufficient degree of separation to be able to exploit fully the potential of protein identification by mass spectrometry (MS). As reversed-phase liquid chromatography (RPLC) coupled to MS is still the method of choice for the analysis of protein digests, many efforts focus on the development of high-efficiency RP methods (e.g., monolithic columns and ultra-high-performance LC). This can also increase the speed and the sensitivity of the analysis of protein digests.As RPLC-MS alone is unlikely to provide sufficient resolution to unravel the composition of highly complex samples comprehensively, multidimensional methods will remain essential in proteome research. In this area, hydrophilic interaction chromatography (HILIC) seems to be a promising alternative to the traditional strong cation-exchange-based methods. Also, HILIC has found application in the analysis of post-translational modifications (e.g., phosphorylation and glycosylation).This review describes recent developments in LC methods for proteomics research, focusing on advances in column technology and the application of novel column materials. Illustrative examples show the possibilities of the new columns in proteomics research.     

尺寸排阻-反相液相色谱-质谱联用技术在大鼠肾脏翻译后修饰蛋白质鉴定中的应用

LC-MS联用技术在蛋白质组学研究中具有重要的作用,但是在复杂的生物体系中,由于样品的高度复杂性和其中蛋白质含量的巨大差异,执行全面且无倾向的蛋白质组分析是一项挑战。因此,在液相色谱分离中采用基于不同原理的色谱分离方法来降低蛋白质样本的复杂度,并对微量蛋白质进行富集,对后续采用质谱方法进行信息的采集和深入分析至关重要。在这里我们开发了一种基于尺寸排阻色谱(SEC)与反相液相色谱(RPLC)结合的新方法来进行复杂体系蛋白质的分离和鉴定,特别是对于微量蛋白质的分析。首先使用SEC对蛋白质进行分离和富集,并酶解成多肽,再通过RPLC-MS联用的方法对酶解后的多肽进行分离和鉴定。结果显示使用上述方法可以有效降低蛋白质样本的复杂度,并有效提高微量蛋白质的鉴定能力,可从大鼠肾脏鉴定出23621个肽段及1345个蛋白质,比常规的二维强阳离子交换-反相液相色谱法(2D SCX-RPLC)鉴定到的肽段及蛋白质分别多出69%及27%。此外,该方法对肾脏翻译后修饰(PTM)蛋白质的鉴定显示出更多的优势,翻译后修饰的多肽鉴定率显著增加,特别是磷酸化肽段的鉴定效率可达到靶向富集策略的水平。在此展示的SEC-RPLC-MS可以更好地了解蛋白质翻译后修饰对肾脏的影响,最终将有助于增加我们对正常的生理性肾功能以及病理过程机制的理解。     

基于超高效液相色谱-八端口转子阀的微升级预分级系统的建立

复杂生物系统蛋白质组的深度覆盖鉴定得益于近年来快速发展的高效色谱分离和串联质谱分析技术。二维高效液相色谱（2-D HPLC）是实现复杂肽混合物正交分离的有效手段，但其缺点是运行时间长，通常要求肽上样量在毫克级别，且收集时的组分体积大，后续合并流程复杂，而有望替代其的StageTip技术，则由于有限的色谱分离梯度，难以达到充分的正交分离。该文探索了超高效液相色谱（UPLC）和八端口转子阀联用，作为高效、便捷肽段预分离和收集系统的可行性。研究结果显示，将UPLC的高pH反相色谱分馏与在线LC-MS/MS相结合，可以实现高pH和低pH条件下基于肽段不同色谱保留行为的正交互补分离，在蛋白质鉴定方面表现出优越的性能。应用该方法对人肝癌细胞系HepG2进行3次技术重复试验，重复试验间具有非常高的定量重现性（决定系数R²>0.95）。与传统StageTip方法相比，肽段鉴定数提高了23.52%。该分级方法灵活、稳定，能够针对较少的样品开展蛋白质组深度覆盖分析。     

Ion-pair Reversed-phase×Low-pH Reversed-phase Two-dimensional Liquid Chromatography for In-depth Proteomic Profiling

High-resolution liquid chromatography separation is essential to in-depth proteomic profiling of complex biological samples. Herein, we established an ion-pair reversed-phase×reversed-phase two-dimensional liquid chromatography (IPRP×RP 2DLC) strategy for comprehensive proteomic analysis. Both RPLC separation dimensions were performed at low pH, with trifluoroacetic acid(TFA) and formic acid(FA) as mobile phase addictive, respectively. As the good separation resolution offered by ion-pairing effect of TFA, the fractionation efficiency was greatly improved with 74.0% peptides identified in just one fraction. Comparing with conventional high pH RP fractionation, the overall separation rate of IPRP was about 1.6 times that of high-pH RP, which increased the number of identified peptides by 21%. Further, 2169 proteins and 8540 peptides were confidently identified from crude serum sample by our IPRP×RP 2DLC strategy, exhibiting great potential in clinical proteomics in the future.     

A novel method of high-purity extracellular vesicle enrichment from microliter-scale human serum for proteomic analysis

We have developed a rapid, low-cost, and simple separation strategy to separate extracellular vesicles (EVs) from a small amount of serum (i.e.,<100 μL) with minimal contamination by serum proteins and lipoprotein particles to meet the high purity requirement for EV proteome analysis. EVs were separated by a novel polyester capillary channel polymer (PET C-CP) fiber phase/hydrophobic interaction chromatography (HIC) method which is rapid and can process small size samples. The collected EV fractions were subjected to a post-column cleanup protocol using a centrifugal filter to perform buffer exchange and eliminate potential coeluting non-EV proteins while minimizing EV sample loss. Downstream characterization demonstrated that our current strategy can separate EVs with the anticipated exosome-like particle size distribution and high yield (∼1 × 10¹¹ EV particles per mL of serum) in approximately 15 min. Proteome profiling of the EVs reveals that a group of genuine EV components were identified that have significantly less high-abundance blood proteins and lipoprotein particle contamination in comparison to traditional separation methods. The use of this methodology appears to address the major challenges facing EV separation for proteomics analysis. In addition, the EV post-column cleanup protocol proposed in the current work has the potential to be combined with other separation methods, such as ultracentrifugation (UC), to further purify the separated EV samples.     

Pressurized planar electrochromatography

Theoretical backgrounds, development, examples of separations, constructional details and principle of action of devices of pressurized planar electrochromatography (PPEC) are presented. Development of the mode is described in respect of operating variables (composition of the mobile phase, pressure exerted on adsorbent layer, mobile phase flow velocity, temperature of separating system, etc.) influencing separation efficiency (kinetic performance, repeatability, separation time). Advantages of PPEC such as high kinetic performance, short separation time and different separation selectivities, especially relative to conventional thin-layer chromatography, are described. Examples of two-dimensional separations are demonstrated to show high separation potential of the mode when combined with conventional thin-layer chromatography (TLC). The PPEC mode is in infancy stage of development, so its challenges are presented as well.     

蛋白质组学中磷酸化肽的常用富集方法

磷酸化作用是最重要的蛋白质翻译后修饰方式之一,它是蛋白质组学的一个重要分支,在细胞识别、细胞信息传递、基因表达和新陈代谢等方面发挥着重要作用。采用适当方法对磷酸化肽进行分析有助于我们更好地了解生理病理机制。但是直接进行质谱分析时磷酸化肽的信号强度会受到无机盐以及大量非磷酸化肽的抑制,选择性差。为解决这一难题,在质谱分析前要对磷酸化肽进行选择性富集。本文回顾了几种常用的磷酸化肽富集方法,介绍了每种方法的发展状况和常用材料,其中包括固定金属离子亲和色谱法、金属氧化物富集法、强阴阳离子交换色谱法和MALDI靶板富集法。最后总结了各种富集方法的优缺点,对有效的磷酸化肽富集策略进行了前景展望。     

Intact protein separation by chromatographic and/or electrophoretic techniques for top-down proteomics

Mass spectrometry used in combination with a wide variety of separation methods is the principal methodology for proteomics. In bottom-up approach, proteins are cleaved with a specific proteolytic enzyme, followed by peptide separation and MS identification. In top-down approach intact proteins are introduced into the mass spectrometer. The ions generated by electrospray ionization are then subjected to gas-phase separation, fragmentation, fragment separation, and automated interpretation of mass spectrometric and chromatographic data yielding both the molecular weight of the intact protein and the protein fragmentation pattern. This approach requires high accuracy mass measurement analysers capable of separating the multi-charged isotopic cluster of proteins, such as hybrid ion trap-Fourier transform instruments (LTQ-FTICR, LTQ-Orbitrap). Front-end separation technologies tailored for proteins are of primary importance to implement top-down proteomics. This review intends to provide the state of art of protein chromatographic and electrophoretic separation methods suitable for MS coupling, and to illustrate both monodimensional and multidimensional approaches used for LC-MS top-down proteomics. In addition, some recent progresses in protein chromatography that may provide an alternative to those currently employed are also discussed.