标记反应

大家好，本周为大家分享一篇发表在Anal Chem.上的文章，Distinguishing Histidine Tautomers in Proteins Using Covalent Labeling-Mass Spectrometry [1]。该文章的通讯作者是来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的Richard W. Vachet教授。组氨酸是人体蛋白质结构中的重要组成氨基酸，研究发现，组氨酸具有Nδ-H和Nε-H两种互变异构体，通过两种互变异构体的转换，可以在蛋白质中介导质子转移。目前常使用2D NMR技术进行区分，但操作相对繁复。共价标记质谱是一种研究蛋白质结构的有力方法，具有操作简单，灵敏度高，结构分辨率高等优点。在本文中，作者尝试以焦碳酸二乙酯（DEPC）为标记试剂，采用共价标记质谱区分组氨酸互变异构体。组氨酸侧链的咪唑上具有两个氮原子，其中一个氮上的孤电子对参与芳香环π键的组成，而另一个氮原子仍保留孤对电子，更容易与DEPC等亲电子试剂反应。而组氨酸的两个互变异构体中都只有一个保留孤对电子的氮原子，且该氮原子位置不同，Nδ-H互变异构体中的Nε2与DEPC反应，而Nε-H互变异构体中的为Nδ1。因此以DEPC标记组氨酸以区分两个互变异构体的方法是可行的（图1）。图1. DEPC 结构及其与两种不同组氨酸互变异构体的反应 为了测试DEPC 标记区分两种互变异构体的能力，作者以几种含组氨酸的肽，在确保DEPC仅标记组氨酸条件下进行实验。以Fmoc-DGHGG-NH2为例子，该肽在N端包括一个Fmoc基团以确保仅标记组氨酸。采用等度洗脱来最大限度地利用LC分离两种异构体，并确保流动相组成不影响肽段电离效率，从而可以更好地量化每个互变异构体的比率。结果发现，在11.4和13.6分钟洗脱的峰具有相同的m/z值（图2）。根据串联MS数据，发现这两个峰代表着组氨酸上成功标记DEPC的单一物质（图3）。并且，这些同量异位离子的串联质谱不同，表明这两种物质为带有不同组氨酸互变异构体的物质。作者将先洗脱出的物质命名为修饰物质1，后洗脱出的为修饰物质2。根据MS/MS数据，两者的主要区别为修饰物质2具有更加丰富的羧基化a3离子（a3*）。图2. 未标记（蓝色迹线）和 DEPC 标记（红色迹线）肽 Fmoc-DGHGG-NH 2的提取离子色谱图。DEPC浓度比肽浓度高10倍，反应1分钟图3. 两种修饰的His异构体的串联质谱。(a)来自图2中的色谱图的修饰物质 1 的串联质谱。(b)来自图2中的色谱图的修饰物质2的串联质谱。标有星号 (*) 的产物离子包含羧基化产物此外，在重复实验中，作者发现物质2与物质1的丰度比为3.9± 0.2。而研究发现，在中性pH条件下，游离氨基酸Nε-H 互变异构体与 Nδ-H 互变异构体的比接近于4:1。因此，两物质的峰面积比表明物质1可能为 Nδ-H 互变异构体，而物质2可能为 Nε-H 互变异构体。结合以上发现，并考虑肽解离途径等因素，作者对两物质质谱图谱差异做出推测。当物质2为Nε-H互变异构体侧链时，DEPC 标记在Nδ1上，有利于肽通过bx-yz途径解离，随后通过bx-ax途径损失CO，因此物质2富含a3*离子。当物质1为Nδ-H 互变异构体时，DEPC 标记在Nε2上，肽通过组氨酸途径解离，并形成了稳定五元环，因此优先形成更稳定的b3*离子（图4）。以上发现进一步证明了Fmoc-DGHGG-NH2中物质1为 Nδ-H 互变异构体，物质2为 Nε-H 互变异构体。根据丰度比以及肽解离途径不同，作者在其他模型肽标记实验中也成功区分两互变异构体。由于组氨酸的pKa在一定程度上会影响互变异构体的比例，因此两互变异构体的丰度比可能会略有变化。总之，以上结果表明，DEPC共价标记质谱可以识别两个组氨酸互变异构体。图4. DEPC 标记的含组氨酸肽 CID 过程中两种异构体的肽片段化途径。左侧通路为物质1（Nδ-H互变异构体），右侧通路为物质2（Nε-H互变异构体）之后，作者还进一步研究了不同DEPC浓度对实验的影响。结果发现，在 DEPC 浓度范围超过一个数量级时，Fmoc-DGHGG-NH2的两种修饰形式的比率基本在4左右保持恒定，其他模型肽的比率略有不同（图5），但随着 DEPC 浓度的增加，给定肽的标记比率保持不变。在质谱可以确认互变异构体结构的肽中，Nε-H互变异构体总是丰度相对更高，洗脱相对较晚。此外，作者发现当组氨酸不是位于N末端残基时，Nε-H 互变异构体的an */bn *比率总是比Nδ -H 互变异构体的更高。但是，若组氨酸残基位于肽的N末端时，在质谱中观察不到b1和a1离子，将对结果造成影响。图 5. 在 DEPC 浓度增加时选择肽的两种修饰形式的标记比率。(a) Fmoc-DGHGG-NH2；(b) Ac-IQVYSRHPAENGK(Ac)；(c) Ac-VEADIAGHGQEVLIR；(d) Ac-LFTGHPETLEK(Ac)。MS/MS 用于通过测量an /bn离子的比率来确认每个互变异构体总而言之，作者成功使用DEPC共价标记质谱区分肽与蛋白质中的组氨酸互变异构体，利用丰度比与洗脱时间，以及CID期间的肽解离模式，区分两种互变异构体。利用该方法，作者团队已经确定了几种蛋白质组氨酸互变异构体比率，并且相对于2D NMR方法，该方法更简单、更快、更精确，有利于探索蛋白质中组氨酸残基周围的局部结构，提供高分辨率的结构信息。[1]Pan X, Kirsch ZJ, Vachet RW. Distinguishing Histidine Tautomers in Proteins Using Covalent Labeling-Mass Spectrometry. Anal Chem. 2022 Jan 18 94(2):1003-1010.

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FITC标记多糖——荧光探针下的多糖世界 荧光素异硫氰酸酯（Fluorescein Isothiocyanate, FITC）是一种绿色荧光染料，广泛应用于生物标记和成像技术。多糖作为重要的生物大分子，参与了众多生物过程和功能。将FITC标记在多糖上，使其在荧光显微镜或流式细胞仪等设备下进行可视化和定量分析，在生物医学研究中具有重要意义。本文将着重介绍几类常见的FITC标记多糖，并详细讨论其在实验技术和生物医学应用中的重要作用。 常见的FITC标记多糖 FITC标记透明质酸 透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）是一种天然存在于结缔组织、上皮组织和神经组织中的多糖。它在组织修复、细胞迁移、肿瘤生物学等方面具有重要作用。通过FITC标记透明质酸，可以实现对其在细胞和组织中的动态分布和代谢途径进行研究。 FITC标记葡聚糖 葡聚糖（Dextran）是一种由葡萄糖单元组成的多糖，常用于血浆扩容剂和药物载体。FITC标记葡聚糖主要用于研究其在生物体内的分布和清除过程，以及在药物输送系统中的作用。 FITC标记几丁质和壳聚糖 几丁质（Chitin）和壳聚糖（Chitosan）是由N-乙酰葡糖胺和葡糖胺组成的多糖，广泛存在于甲壳类动物的外骨骼中。FITC标记几丁质和壳聚糖用于研究其在生物降解、生物相容性以及作为药物递送载体中的应用。 FITC标记海藻酸钠 海藻酸钠（Sodium Alginate）是一种从褐藻中提取的阴离子多糖，常用于生物材料和药物递送系统。通过FITC标记海藻酸钠，可以研究其在生物材料中的作用和性能，如细胞包裹和释放机制。 实验技术 荧光显微镜成像 FITC标记多糖在荧光显微镜下具有优异的成像效果。通过共聚焦显微镜，可以获得多糖在细胞内外的三维分布图像，研究其在细胞迁移、组织修复和药物递送中的动态变化。1. 样品制备：将FITC标记的多糖加入细胞培养基中，与细胞共同孵育一段时间后，固定细胞并进行染色。2. 成像：使用共聚焦显微镜对样品进行成像，获取多糖在细胞中的分布图像。 流式细胞术分析 流式细胞术是用于定量分析FITC标记多糖在细胞表面结合和摄取情况的重要技术。通过检测细胞内外的荧光强度，可以研究多糖与细胞表面受体的相互作用及其在细胞内的代谢过程。1. 细胞处理：将FITC标记的多糖加入细胞悬液中，与细胞孵育适当时间后，用缓冲液洗涤去除未结合的多糖。2. 检测分析：使用流式细胞仪检测细胞的荧光强度，分析多糖在细胞中的结合和摄取情况。 生物材料表征 FITC标记多糖在生物材料中的应用广泛，通过荧光标记技术可以直观地观察多糖在材料中的分布和降解情况。1. 材料制备：将FITC标记的多糖掺入生物材料中，制备成所需形态（如水凝胶、薄膜）。2. 表征分析：使用荧光显微镜或荧光光谱仪检测材料中的荧光分布，研究多糖在材料中的分布和降解特性。 生物医学应用 细胞成像与跟踪 FITC标记透明质酸、葡聚糖等多糖在细胞成像中应用广泛。通过荧光显微镜，可以实时跟踪多糖在细胞内外的分布，研究其在细胞迁移、组织修复和肿瘤生物学中的作用。1. 细胞迁移：FITC标记透明质酸可以用于研究其在细胞迁移过程中的作用，揭示其在创伤愈合和癌细胞转移中的机制。2. 组织修复：通过标记透明质酸，可以研究其在组织修复中的分布和作用，优化治疗策略。 药物递送系统 FITC标记海藻酸钠、壳聚糖等多糖在药物递送系统中的应用，为提高药物的靶向性和疗效提供了新的思路。通过荧光追踪技术，可以监测药物在体内的分布和释放情况，优化药物递送系统。1. 药物释放监测：FITC标记海藻酸钠微球可以用于研究其作为抗癌药物载体的效果，追踪药物在肿瘤组织中的释放和分布。2. 靶向递送：FITC标记壳聚糖纳米粒子可以用于研究其在靶向递送中的性能，提高药物的治疗效果和减少副作用。 疾病诊断与治疗 FITC标记多糖在疾病诊断和治疗中具有重要应用。通过荧光标记技术，可以开发新的生物标志物用于疾病的早期诊断和疗效监测。1. 早期诊断：FITC标记透明质酸可以用于检测血清中透明质酸水平的变化，作为肝纤维化的早期诊断标志物。2. 疗效监测：通过标记多糖，可以实时监测治疗过程中生物分子的动态变化，评估治疗效果。 生物相容性与免疫研究 FITC标记几丁质和壳聚糖在生物相容性和免疫研究中应用广泛。通过荧光标记技术，可以直观地观察多糖与细胞或组织的相互作用，评估其生物安全性和免疫调节作用。1. 生物相容性：FITC标记壳聚糖可以用于研究其在生物医用植入材料中的生物相容性，优化其制备工艺和应用效果。2. 免疫调节：FITC标记细菌多糖可以用于研究其在免疫细胞中的摄取和处理机制，揭示其在感染和免疫调节中的作用。 技术挑战与解决方案 尽管FITC标记多糖在生物医学研究中具有广泛的应用前景，但在实际操作中仍存在一些技术挑战。1. 标记效率：多糖分子结构复杂，标记位点有限，可能导致标记效率较低。通过优化反应条件，如调整pH值、反应温度和时间，可以提高标记效率。2. 标记均一性：多糖分子大小和结构的异质性可能导致标记的不均一性。为克服这一问题，可以通过改进多糖的纯化和预处理方法，获得更加均一的多糖样品。3. 标记稳定性：FITC标记的多糖在储存和使用过程中，可能会发生荧光淬灭或脱落。为提高标记稳定性，可以优化标记反应条件，并在储存和使用过程中注意避光、防潮，低温保存。 未来发展方向 随着生物医学技术的发展，FITC标记多糖的应用前景将更加广阔。1. 多功能标记：通过结合多种荧光染料，可以实现多功能标记，研究多种生物分子的相互作用和调控机制。2. 智能药物递送：开发基于FITC标记多糖的智能药物递送系统，实现药物的可控释放和靶向治疗，提高治疗效果。3. 高通量筛选：通过高通量筛选技术，开发新型FITC标记多糖，应用于生物医学研究和临床诊断。 结论 FITC标记多糖在生物实验和生物医学研究中具有重要应用。通过荧光标记技术，可以实现多糖在细胞和体内的可视化和定量分析，促进了多糖在细胞迁移、组织修复、药物递送、疾病诊断和治疗等方面的研究。尽管在技术应用中仍面临一些挑战，但通过不断优化和改进，FITC标记多糖将在未来生物医学领域发挥更加重要的作用。 阿拉丁：https://www.aladdin-e.com