磷酸化肽段分离富集方法研究进展

目前磷酸化肽段鉴定主要依赖于质谱技术,但磷酸化肽段的低丰度性以及来自非磷酸化肽段的干扰等因素,影响质谱的分析与鉴定。因此质谱分析前磷酸化肽段的富集,是深入研究磷酸化蛋白质组学的先决条件。该文介绍了磷酸化蛋白质组学中传统的以及新建立的一些磷酸化肽段分离富集方法的原理及优缺点,这些方法包括固相金属离子亲和色谱法(IMAC)、金属氧化亲和色谱法(MOAC)、强阳/阴离子交换色谱法(SCX/SAX)、亲水相互作用色谱法(HILIC)、静电排斥亲水相互作用色谱法(ERLIC)、化学衍生法、MALDI靶盘富集法以及多种富集方法相结合。     

季铵化磁性壳聚糖复合材料对磷酸化肽的富集研究

蛋白质磷酸化是最重要和最普遍的翻译后修饰之一,蛋白质磷酸化的测定对于全面了解生物过程中的磷酸化途径至关重要。质谱技术是分析蛋白质磷酸化的重要手段,但磷酸化肽固有的低丰度、低电离效率以及与非磷酸化肽共存等特性严重影响质谱对其进行直接分析。为解决此问题,需在质谱分析前对磷酸化肽进行选择性富集。本研究制备了一种基于季铵化磁性壳聚糖的复合材料用于磷酸化肽的富集。此磁性材料具有快速的磁响应性、良好的生物相容性、正电性以及廉价易得等优点。采用β-酪蛋白作为模型蛋白质,结果表明此材料对磷酸化肽具有良好的富集选择性。经过富集后,结合基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）检测手段,方法的检出限为0.4 fmol。本方法被成功用于脱脂牛奶中磷酸化肽的检测,表明其对复杂样品中磷酸化肽的富集和检测具有良好的应用潜力。     

基于强阳离子交换色谱分离的磷酸化肽段富集策略

为了在短时间内获得相对含量高的磷酸化肽段,以标准磷酸化蛋白质为模型对强阳离子交换色谱（SCX）分离磷酸化肽段体系的缓冲溶液和梯度设置进行了研究,并用酵母酶切肽段混合物考察了该路线在较复杂的样品中的应用。实验结果表明优化后的体系能够在30 min内分离出磷酸肽段,而且非磷酸化肽段的干扰很少,这样便相对提高了磷酸化肽段在质谱仪中的响应强度,重要的是该体系可以对复杂样品进行很好的分离。这说明SCX用于规模化磷酸化肽段富集的策略是可行的。本研究为磷酸化蛋白质组学规模化分析提供了实用技术。     

磷酸化肽富集新方法研究进展

对组成复杂的生物样品中的低丰度磷酸化肽进行预富集,能够消除高丰度非磷酸化肽等干扰组分,从而提高磷酸化肽在质谱分析中的灵敏度,获得更好的检出和鉴定结果.在磷酸化肽富集过程中,对磷酸化肽具有选择性亲和作用的富集材料是实现对磷酸化肽特异高效富集的关键,多种具有不同类型亲和作用的富集材料已在磷酸化肽富集研究中得到了应用;而在材料形貌、富集操作形式、磷酸化肽富集特异性等方面,研究者们也不断在现有磷酸化肽富集材料的基础上进行多样化的改进.本文分别从不同类型亲和作用的磷酸化肽富集材料以及磷酸化肽富集方法改进两方面,对近年来磷酸化肽富集方法的研究进展进行了评述.     

混合模式色谱材料Click TE-GSH高效富集多磷酸化肽

多磷酸蛋白对于生物体适应内外环境具有重要意义,而明确多磷酸蛋白的磷酸位点功能及其信号转导机制尤为关键. 复杂生物样品中多磷酸化肽的低丰度、低电离的特性,以及非磷酸化肽的抑制作用,决定了质谱分析前进行多磷酸化肽富集是非常必要的步骤. 本工作采用基于巯基-烯烃点击化学法合成的混合模式材料Click TE-GSH进行单磷酸化肽和多磷酸化肽的选择性富集. 我们建立了单磷酸化肽、双磷酸化肽和多磷酸化肽的顺序分段富集方法. 该优化方法能抗干扰,应用于脱脂牛奶时富集到11条多磷酸化肽. 与商品化固化金属亲和色谱(IMAC)材料相比,Click TE-GSH富集多磷酸化肽的选择性更好. 本工作所建立的富集方法为高效富集多磷酸化肽提供新方法和新技术.     

新型反相/强阴离子交换混合模式材料用于磷酸化肽富集

建立了新型反相/强阴离子交换混合模式材料(C18/SAX)的磷酸化肽富集方法.考察了流动相组成(乙腈浓度、甲酸浓度、缓冲盐浓度)对酪蛋白(α-Casein)酶解液中磷酸化肽分离选择性的影响.实验结果表明,磷酸化肽在C18/SAX上的保留行为受疏水和离子交换作用力的共同调控,单磷酸化肽先于多磷酸化肽从材料上洗脱出来.随着甲酸浓度增加,磷酸化肽的保留减弱;随着盐浓度增加,磷酸化肽保留变小.采用优化后的流动相,建立以20％ ACN/20 mmol/L NH4Ac作为上样溶液,20％ ACN/0.1％ FA和50％ ACN/100 mmol/L NH4Ac/2％ FA分别作为洗脱液分段洗脱单、多磷酸化肽的方法.以α-Casein和人血清白蛋白(HSA)酶解液的混合溶液(1∶20,n/n)作为模拟样品,实现了单、多磷酸化肽的同时富集和分段洗脱,分别检测到4条单磷酸化肽和14条多磷酸化肽的信号.将本方法用于牛奶中的磷酸化肽检测,共鉴定到4条单磷酸化肽和8条多磷酸化肽信号.结果表明,本富集方法选择性高,有良好的应用前景.     

Ti-SBA-15介孔材料用于磷酸化肽的高效富集

结合基质辅助激光解吸飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)检测技术,考察了Ti-SBA-15介孔材料对β-酪蛋白酶解产物中磷酸化肽的选择性富集性能。实验结果显示,含Ti和Si物质的量比为0.08的Ti-SBA-15介孔材料可选择性地对β-酪蛋白酶解产物中的磷酸化肽进行选择性富集;对于β-酪蛋白和牛血清白蛋白物质的量比为1:100的蛋白质酶解混合液,Ti-SBA-15仍能实现对其磷酸化肽的有效富集。上述结果表明,作为一种多孔、高比表面积的磷酸化多肽的选择性吸附材料,Ti-SBA-15有望在磷酸化蛋白质组的分析中得到广泛的应用。     

磷酸化蛋白质组学中的分离富集方法研究进展

蛋白质的磷酸化是一种可逆性的翻译后修饰,在细胞的增值、分化、信号转导以及转录与翻译调控、蛋白质复合体的形成、蛋白质降解等方面发挥着极为重要的作用.因此磷酸化蛋白的鉴定成为翻译后修饰研究的重要内容.但由于磷酸化蛋白的丰度较低, 难以用质谱直接检测.为了解决这个问题,改善质谱对磷酸肽的信号响应, 需要对磷酸化蛋白质或磷酸肽进行富集.本文系统地介绍了磷酸化蛋白组学研究中应用较为广泛和最新建立的各种分离富集方法的原理、特点、应用研究进展,包括抗体富集法、激酶特异富集法、亲和富集法、化学修饰法、多种色谱分离富集方法以及MALDI靶盘富集法.     

多金属氧酸盐/壳聚糖磁性复合材料的制备及其用于磷酸化肽的富集

建立了一种基于多金属氧酸盐磁性材料富集磷酸化肽的方法。采用层层自组装技术制备多金属氧酸盐/壳聚糖磁性材料,结合基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）检测手段,用于磷酸化肽的富集。该磁性材料具有快速磁响应、亲水性、正电性等优点,对磷酸化肽具有高的富集选择性。实验用β-酪蛋白作为模型蛋白质,通过富集后,方法的检出限为0.02 fmol,说明合成的磁性材料对微量蛋白样品分析具有很高的应用潜力。     

功能化磁性纳米材料在磷酸化肽富集中的应用

蛋白质磷酸化是最重要和最普遍的翻译后修饰之一。基于质谱的技术已成为分析蛋白质磷酸化的重要手段。然而,磷酸化肽固有的低丰度和电离效率以及由非磷酸化肽共存引起的严重抑制使得直接质谱分析仍然是一个挑战。为解决此问题,需在质谱分析前对磷酸化蛋白质进行选择性富集。磁性纳米材料具有良好的磁响应性,可以在外界磁铁的帮助下实现与溶液的迅速分离。功能化磁性纳米材料作为一种新型的分析技术已在蛋白质组学研究中得到广泛的应用。该文就近年来对磁性纳米粒子进行各种功能化修饰以提高其特异性吸附能力的吸附材料在磷酸化肽的富集方面的应用予以综述,并展望了功能化磁性纳米材料在磷酸化肽富集领域的应用前景。     

基于亲和色谱的肺癌细胞磷酸化蛋白质组研究及其应用

磷酸化是蛋白质翻译后修饰的重要形式之一,其异常往往会导致细胞内信号通路的紊乱和疾病的发生。固定化金属离子亲和色谱(IMAC)是磷酸化肽段的高效富集技术,在磷酸化蛋白质组研究方面应用广泛。该研究以金属钛离子(Ti⁴⁺)螯合IMAC材料(Ti⁴⁺-IMAC)为载体,进行磷酸化肽段富集。比较了10 μm Ti⁴⁺-IMAC通过振荡法和固相萃取法(SPE)富集磷酸肽的效果,发现振荡法可以富集到更多的磷酸肽;对比了两种尺寸(10 μm和30 μm)Ti⁴⁺-IMAC在磷酸化肽段富集中的差异,发现小尺寸材料富集效果更佳。进一步采用优化的策略比较了不同转移能力肺癌细胞的磷酸化蛋白质组,免标记定量蛋白质组学结果表明,优化的Ti⁴⁺-IMAC方法可以从正常的肺成纤维细胞MRC5、低转移肺癌细胞95C和高转移肺癌细胞95D中分别鉴定到510、863和1108种磷酸化蛋白质,其中317种为3组所共有。该研究共鉴定到1268种磷酸化蛋白质上的7560个磷酸化位点,其中1130个为差异磷酸化位点,文献报道显示部分异常表达的激酶与癌症转移密切相关。通过生信对比分析发现,异常表达的磷酸化蛋白质主要与细胞侵袭、迁移和死亡等细胞迁移方面的功能有关。通过优化磷酸化肽富集策略,初步阐明了磷酸化蛋白质网络的异常与肺癌转移之间的相关性,该方法有望用于肺癌进展相关的磷酸化位点、磷酸化蛋白质及其信号通路研究。     

Highly specific enrichment of phosphopeptides by zirconium dioxide nanoparticles for phosphoproteome analysis

Large-scale characterization of phosphoproteins requires highly specific methods for the purification of phosphopeptides because of the low abundance of phosphoproteins and substoichiometry of phosphorylation. A phosphopeptide enrichment method using ZrO2 nanoparticles is presented. The high specificity of this approach was demonstrated by the isolation of phosphopeptides from the digests of model phosphoproteins. The strong affinity of ZrO2 nanoparticles to phosphopeptides enables the specific enrichment of phosphopeptides from a complex peptide mixture in which the abundance of phosphopeptides is two orders of magnitude lower than that of nonphosphopeptides. Superior selectivity of ZrO2 nanoparticles for the enrichment of phosphorylated peptides than that of conventional immobilized metal affinity chromatography was observed. Femtomole phosphopeptides from digestion products could be enriched by ZrO2 nanoparticles and can be well detected by MALDI mass spectrometric analysis. ZrO2 nanoparticles were further applied to selectively isolate phosphopeptides from the tryptic digestion of mouse liver lysate for phosphoproteome analysis by nanoliter LC MS/MS (nano-LC-MS/MS) and MS/MS/MS. A total of 248 defining phosphorylation sites and 140 phosphorylated peptides were identified by manual validation using a series of rigid criteria.     

Isolation of phosphopeptides using zirconium-chlorophosphonazo chelate-modified silica nanoparticles

Due to the low abundance of phosphoproteins and substoichiometry of phosphorylation, the elucidation of protein phosphorylation requires highly specific materials for isolation of phosphopeptides from biological samples prior to mass spectrometric analysis. In this study, chlorophosphonazo type derivatives of chromotropic acid including p-hydroxychlorophosphonazo (HCPA) and chlorophosphonazo I (CPA I), traditionally used in the photometric determination of transition metal ions, have been employed as chelating ligands in the preparation of novel affinity materials for phosphopeptide enrichment. The chromogenic reagents of HCPA and CPA I were chemically modified on the surface of silica nanoparticles, and the functionalized materials were charged with zirconium ions through the strong complexation between chelating ligands and Zr(4+). The obtained zirconium-chlorophosphonazo chelate-modified silica nanoparticles (Zr-HCPA-SNPs and Zr-CPA I-SNPs) were applied to the selective enrichment of phosphopeptides, followed by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) analysis. The purification procedures were optimized using α-casein digest at first, and then the performance of these two affinity materials for efficient and specific enrichment of phosphopeptides was evaluated with the tryptic digests of standard proteins (α-casein, β-casein, ovalbumin and bovine serum albumin). It is found that Zr-HCPA-SNPs are superior to Zr-CPA I-SNPs in phosphopeptide enrichment. Using Zr-HCPA-SNPs to trap phosphopeptides in α-casein digest, the detection limit was close to 50fmol based on MALDI-TOF MS analysis. Finally, Zr-HCPA-SNPs were used to directly isolate phosphopeptides from diluted human serum of healthy, diabetes and hypertension persons, respectively. Our results show that the constitution and level of phosphopeptides are remarkably different among the three groups, which indicate the powerful potentials of Zr-HCPA-SNPs in disease diagnosis and biomarker screening.     

基于TMT10-plex等量标记结合SMOAC富集磷酸肽的定量磷酸化蛋白质组性能评价

探索并建立了一种快速、 简便且高通量定量磷酸化蛋白质组的策略, 即采用连续互补的磷酸化富集方法SMOAC(Sequential enrichment of metal oxide affinity chromatography)结合TMT(Tandem mass tag)标记技术定量磷酸化蛋白质组学. 以3例经紫草素处理的及3例正常的人肝癌 HepG2 细胞为实验材料, 经Trypsin酶解后的肽段用TMT10-plex试剂进行等量标记, 标记肽段先经TiO₂富集, 收集包含磷酸化肽段的洗脱液, 接着用次氮基三醋酸铁(Fe-NTA)对TiO₂的流穿液和清洗液进行二次富集, 再次收集包含磷酸化肽段的洗脱液. 整个实验流程做2组, 对其中一组的2次洗脱液分别分析, 另一组的2次洗脱液合并分析. 在SMOAC的2次洗脱液合并分析中鉴定到4263个磷酸化蛋白上超过13000条磷酸化肽, 富集特异性>97%, 其中被定量的磷酸化蛋白为3848个, 占总鉴定量的90%以上. 研究结果表明, SMOAC 能够有效提高磷酸化肽段的鉴定效率, 且能与TMT等量标记试剂结合, 实现对少量蛋白样品的磷酸化蛋白定量分析.     

Highly efficient enrichment of phosphopeptides by magnetic nanoparticles coated with zirconium phosphonate for phosphoproteome analysis

The location of phosphorylation plays a vital role for the elucidation of biological processes. The challenge of low stoichiometry of phosphoproteins and signal suppression of phosphopeptides by nonphosphopeptides in mass spectrometry (MS) analysis makes the selective enrichment of phosphopeptides prior to MS analysis necessary. Besides the immobilized metal affinity chromatography (IMAC) method, some affinity methods based on nanoparticles displayed a higher enrichment efficiency for phosphopeptides such as Fe(3)O(4)/TiO2 and Fe(3)O(4)/ZrO(2) nanoparticles. To further improve the selectivity and compatibility of the affinity methods, a novel strategy based on magnetic nanoparticles coated with zirconium phosphonate for the enrichment of phosphopeptides has been developed in this study. Under optimized experimental conditions, 1 x 10(-9) M phosphopeptides in 50 microL tryptic digest of beta-casein could be enriched and identified successfully. Reliable results were also obtained for 1 x 10(-8) M phosphopeptides in 50 microL tryptic digest of beta-casein in the presence of nonphosphopeptides from a tryptic digest of bovine serum albumin (BSA) over 20 times in concentration. The performance of nanoparticles for use in a real sample was further demonstrated by employing the strong cation-exchange chromatography (SCX) fraction of a tryptic digest of a protein extract from Chang liver cells as a model sample. Experimental results show that the nanoparticles can be easily and effectively used for enrichment of phosphopeptides in low concentration. Most importantly, our approach is more compatible with commonly used SCX strategies than Fe(3+)-IMAC. The proposed method thus has great potential for future studies of large-scale phosphoproteomes.     

智能响应材料在磷酸化肽和糖肽富集中的应用

蛋白质的磷酸化和糖基化作为研究最广泛的两种翻译后修饰(PTMs),在疾病的早期无创诊断、预后和治疗评估中表现出越来越大的潜力。蛋白质的异常磷酸化和糖基化经常被用于临床蛋白质组学研究和疾病相关生物标志物的发现。目前已有多种材料被开发用于磷酸化肽和糖肽的富集研究,其中,智能响应材料由于具有独特的响应特性,已被陆续报道用于磷酸化肽和糖肽的富集。智能响应材料可对外界刺激做出响应,发生结构和性质上的变化,将光、电、热、机械等信号转化为生物化学信号。响应分子是决定智能响应材料响应特性的先决条件,它们在不同刺激条件下(如温度、pH、光、机械应力、电磁场等)的可逆异构化将导致材料的宏观物理和化学性质的动态变化。与传统材料相比,智能响应材料可以可逆地“打开”和“关闭”,具有更好的可调控性。由于引起智能材料响应的刺激信号对其性能具有重要的影响,综述根据施加的刺激种类对智能响应材料进行分类,具体分为外源性响应材料和内源性响应材料,且分别总结了外源性响应材料、内源性响应材料以及内外源共同响应材料在磷酸化肽和糖肽富集方面的工作。此外,综述对智能响应材料在磷酸化肽和糖肽富集方面的发展前景进行了展望,并且提出了智能响应材料在其他蛋白质翻译后修饰方面的应用中存在的挑战。     

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。     

基于强阳离子交换色谱与等电聚焦的磷酸化蛋白质组学分离策略比较

比较分析了强阳离子交换(SCX)与等电聚焦(IPG-IEF)技术在磷酸化蛋白质组学中的应用。采用3种标准磷酸化蛋白对SCX与IPG-IEF两种技术对磷酸化肽段富集的有效性进行考察。以HepG2细胞为复杂样本,考察SCX与IPG-IEF在实际样本中的应用情况。对SCX与IPG-IEF技术在18O标记的磷酸化蛋白质组定量研究中的应用情况进行考察。蛋白鉴定采用高准确度、高灵敏度、高分辨率的LTQ-FTICR-MS/MS质谱仪。实验表明:SCX和IPG-IEF在大规模磷酸化肽段分离过程中均有效;在复杂样本中,SCX技术的分离效果优于IPG-IEF;IPG-IEF的重复性好于SCX;在磷酸化蛋白质组定量分析结果表明,IPG-IEF技术的稳定性优于SCX。本研究为根据不同实验目的而选择适当的磷酸化蛋白质组预分离技术提供了有用信息。