使用Native MS和HDX-MS探究高阶蛋白复合物结构

血红蛋白(Hb)是红细胞中的一种关键蛋白质，负责氧气的运输。它由α和β亚基组成，形成四聚体结构，通过氧合(relaxed)和脱氧(tense)状态之间的变构转变来实现氧气的运输。Hb作为一个重要的模型蛋白，广泛应用于蛋白质基础特性的研究以及包括质谱技术在内的分析化学方法的开发。研究中使用的Hb样品通常从化学公司购买(商业Hb)或从哺乳动物血液中新鲜提取(血液Hb)，尽管理论上商业Hb和血液Hb都应该反映血红蛋白的天然活性和三维构象，但先前的电喷雾离子化质谱(ESI-MS)分析显示，这两种Hb来源的性质存在差异，这可能与商业Hb在制备过程中的变性有关。迄今为止，商业Hb和血液Hb之间的结构差异仅使用Native ESI-MS进行过研究。考虑到Native MS不同纯化方法(缓冲液置换、脱盐)对样品的影响，本文尝试使用氢/氘交换质谱(HDX-MS)对血液Hb和商业Hb中的血红蛋白复合物进行比较研究。与Native ESI-MS相比，HDX-MS对不挥发性盐的耐受性要高得多，这主要是由于肽段的脱溶剂效率高于完整蛋白质。在本研究中，作者直接对商业Hb和血液Hb进行了HDX-MS分析，得到的HDX-MS结果与Native ESI-MS数据非常吻合，证实商业Hb已广泛变性形成二聚体物质。

对于Native ESI-MS，作者认为缓冲液置换方法对于检测结果具有一定的影响。图1和图2分别展示了血液Hb和商业Hb样品在经过不同次数的缓冲液置换后得到的Native ESI-MS谱图。由图1可见，血液Hb在经过1-5次缓冲液置换后，其质谱图谱从主峰为单体型信号逐渐转变为由二聚体和四聚体信号峰主导，表明缓冲液置换次数对样品结构的完整性有显著影响。图2表明商业Hb在0-4次缓冲液置换后，其质谱图谱从主峰为单体型信号逐渐转变为由二聚体信号主导，最终在四次置换后显示出二聚体为基峰，表明商业Hb在多次置换后更倾向于形成二聚体结构。

图1.缓冲液置换(A)1、(B) 2、(C) 4和(D)5次后获得的血液Hb的ESI质谱图。红色符号αh, βa、D、Q分别代表单体全α亚基、单体apo-β亚基、二聚体αhβh和四聚体(αhβh)2离子。标有星号(*)的信号对应电流噪声。

图2.缓冲液置换(A)0、(B) 1、(C) 2和(D)4次后获得的商业Hb的ESI质谱图。红色符号αh, βaox、D、D-h，(D-h)ox，Q代表单体全α亚基、氧化单体apo-β亚基、二聚体αhβh、二聚体αhβa、 氧化二聚体αhβaox和四聚体(αhβh)2离子。B和D的插图分别对应β的扩展峰βaox和(D-h)ox。单氧化、二氧化和三氧化物质表示为βaox/(D-h)ox+O, βaox/(D-h)ox+2O 和βaox/(D-h)ox+3O。标有星号(*)的信号对应电流噪声。

由于Native ESI-MS分析的可靠性在很大程度上依赖于样品处理方法，因此有必要开发一种互补方法来分析高阶蛋白质复合物的完整性。作者采用HDX-MS来查看是否可以获得血液Hb和商业Hb样品的一致结构信息。图3展示了血液Hb和商业Hb的HDX-MS速率曲线。这些曲线显示了不同时间点上肽段的氘化水平，揭示了两种样品在结构上的显著差异。血液Hb的肽段氘化水平普遍低于商业Hb，特别是在α亚基的33-46及130-141段和β亚基的33-41及130-146段，这表明新鲜血红蛋白在这些区域的溶剂可及性较低，结构更稳定。相反，商业Hb在这些区域显示出更高的氘化水平，暗示其结构可能已经发生了部分解离，增加了溶剂可及性。 

图3.血液Hb(绿色曲线)和商业Hb(红色曲线)酶切片段的HDX速率曲线。每个数据点报告三次试验的平均值，误差线表示三次试验的标准偏差。

为了将HDX结果与Hb的三维结构相关联，将t = 180 min时两个Hb样品之间的氘代水平差异映射到天然氧合血红蛋白晶体结构(PDB：1LFQ)中，如图4所示。在 t = 180 min时，商业 Hb 的氘水平分别α 130-141和β 130-146比血液Hb高18.9%和26.6%。更高的氘吸收量意味着在这两个区域中商业Hb的溶剂可及性更高。α 130-141和β 130-146分别属于α 1α 2(图4A)和β1β2(图4B)界面。这两个链段中溶剂可及性的增加可能是因为天然四聚体(αhβh)2解离成二聚体αhβh亚复合物，这将导致α1α2和β1β2界面相互作用的破坏。这一推论与Native ESI-MS分析结果一致，即商业Hb的质谱基峰是二聚体信号(图2D)，而血液Hb的质谱基峰是四聚体信号(图1D)，进一步验证了商业Hb样品在制备和存储过程中可能经历了结构变化。

图4.人氧合血红蛋白(PDB：1LFQ)的晶体结构，包括亚基(A)α1和α2，(B)β1和β2，(C)α1和β2，以及(D)α1和β1。根据t = 180 min时商业Hb和血液Hb之间氘代的百分比差异对结构进行着色。

总的来说，本文通过Native ESI-MS和HDX-MS来表征商业Hb和血液Hb之间的差异。发现血液Hb主要保持四聚体结构，而商业Hb则主要表现为二聚体，且在商业Hb中观察到更多的氧化形式。这些发现强调了在进行生物医学研究前验证蛋白质高阶结构完整性的重要性，并展示了两种质谱技术在分析蛋白质结构变化中的互补性。