质谱蛋白质复合物定量

作为生命活动的执行者，蛋白质通过相互作用形成复合物等形式行使其特定的生物学功能。近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员张丽华、研究员赵群等研制了一种基于糖苷键的质谱可碎裂型交联剂，显著地提高了交联信息的检索通量和鉴定准确度，同时具有良好的两亲性和生物兼容性，实现了活细胞内蛋白质复合物原位交联和规模化精准解析。相关成果发表在《德国应用化学》上。大连化物所供图　　细胞内的限域效应、拥挤效应和细胞器微环境等对于维持蛋白质复合物结构和功能至关重要。而化学交联技术，尤其是原位化学交联质谱技术具有规模化分析蛋白复合物原位构象和相互作用界面的优势，已成为活细胞内蛋白质复合物解析的重要技术。但是，目前活细胞原位交联面临着细胞扰动大、交联肽段谱图复杂程度高等问题。因此，如何实现活细胞低扰动下的原位快速交联是蛋白质原位构象和相互作用精准解析的先决条件。　　本工作中，团队基于糖分子的高生物兼容性和糖苷键的质谱可碎裂特征，将糖苷键引入到功能交联剂的骨架设计中，筛选并获得了高生物兼容性的海藻糖作为骨架分子，研制了质谱可碎裂型交联剂——海藻糖二琥珀酰亚胺酯。该交联剂较目前已报道的可透膜型化学交联剂，展示了更加优异的细胞活性维持能力，可在低扰动状态下实现细胞内蛋白质复合物的高效交联。　　在此基础上，低能量的糖苷键—高能量的肽键的质谱选择性碎裂模式，可以将“工字形”的交联肽段数据分析降幂为常规交联剂片段修饰的线性肽段数据检索，极大地降低了交联肽段谱图分析的复杂性，显著地提高了交联肽段的鉴定效率与准确度。

美国科学家主导的国际科研团队在最新一期《科学》杂志撰文指出，他们利用人工智能和进化分析，绘制出了真核生物的蛋白质之间相互作用的3D模型，首次确定了100多个可能的蛋白质复合物，并为700多个蛋白质复合物提供了结构模型，深入研究蛋白质相互作用有望催生新的药物。　　研究负责人之一、美国西南大学人类发育与发展中心助理教授丛前（音译）称，研究结果代表了结构生物学新时代的重大进步。　　丛前解释说，蛋白质通常成对或成组工作，形成复合物，以完成生物体存活所需的任务。虽然科学家已经对其中一些相互作用开展了深入研究，但许多仍是未解之谜。了解蛋白质之间所有的相互作用将揭示生物学的许多基本方面，并为新药研发提供参考。　　但半个世纪以来，鉴于许多蛋白质结构的不确定性，科学家们很难了解这些相互作用。2020年和2021年，深度思维公司和华盛顿大学戴维贝克实验室独立发布了两种人工智能技术“阿尔法折叠”和RoseTTAFold，它们使用不同的策略预测蛋白质结构。　　在最新研究中，丛前等人通过对许多酵母蛋白复合物建模，扩展了人工智能结构预测工具箱。为了找到可能相互作用的蛋白质，科学家们首先搜索相关真菌的基因组，寻找发生突变的基因，然后使用上述两种人工智能技术来确定这些蛋白质是否可以3D结构结合在一起。　　他们确定了1505种可能的蛋白质复合物，其中699个结构已被表征，验证了其方法的实用性；另外700个复合物目前获得的数据有限，剩下106个从未被研究过。为更好地理解这些很少被描述或未知的复合物，团队研究了类似的蛋白质，并根据新发现的蛋白质与此前已知蛋白质的相互作用，确定了新发现蛋白质的作用。

蛋白质作为生命活动的执行者,通过自身结构的动态改变,以及与其他蛋白质相互作用组装为蛋白质复合物,调控各种生物学过程。因此,如何实现蛋白质复合物的精准解析已成为当前生命科学的研究热点。化学交联结合质谱(CXMS)技术作为蛋白质复合物解析的新兴技术,利用化学交联剂将空间距离足够接近的蛋白质分子内或分子间的氨基酸残基以共价键连接起来,再利用液相色谱-质谱联用对交联肽段进行鉴定,实现蛋白质复合物的组成、界面和相互作用位点的解析。该技术具有分析通量高、灵敏度高、可提供蛋白质间相互作用的界面信息、普遍适用于不同种类和复杂程度的生物样品等优势,已成为X射线晶体衍射、低温冷冻电镜、免疫共沉淀等蛋白质复合物研究技术的重要补充。化学交联位点的鉴定覆盖度和准确度决定着该技术对于蛋白质复合物结构的解析能力。目前,为了实现蛋白质复合物的高覆盖度交联,研究人员发展了可用于共价交联赖氨酸(K)的氨基、谷氨酸(E)/天冬氨酸(N)的羧基、精氨酸(R)的胍基以及半胱氨酸(C)的巯基等多种活性基团的新型交联剂。进而,为了提高低丰度交联肽段的鉴定灵敏度,体积排阻色谱法、强阳离子交换色谱法,及亲和基团富集策略被提出用于交联肽段的高选择性富集,如可富集型化学可断裂交联剂——Leiker,与不具备富集功能的交联剂相比,通过亲和富集可以将交联位点鉴定数目提高4倍以上。胰蛋白酶镜像酶(LysargiNase)的酶切位点与胰蛋白酶互为镜像,可特异地切割赖氨酸和精氨酸的N端。由于LysargiNase的N端酶切特点,电荷主要分布在交联肽段的N端,在碰撞诱导裂解(CID)和高能诱导裂解(HCD)模式下产生以b离子为主的碎片离子,与胰蛋白酶酶切肽段以y离子为主的碎片离子互为镜像补充,为胰蛋白酶酶解肽段在质谱鉴定中b离子缺失严重的问题提供了很好的解决办法。由于具有较高的酶切特异性和酶活性,镜像酶已经成功地应用于蛋白质C末端蛋白质组鉴定、磷酸化蛋白质组研究、甲基化蛋白质组鉴定等方面,然而在CXMS中的应用仍未见报道。为进一步提高对蛋白质复合物结构及相互作用位点的解析能力,本文发展了LysargiNase与胰蛋白酶联合酶切的方法,基于镜像酶正交切割的互补特性,通过产生赖氨酸及精氨酸镜像分布的交联肽段,以增加特征碎片离子数量和肽段匹配连续性,从而提升交联肽段的谱图鉴定质量,达到提高交联位点的鉴定覆盖度和准确度的目的。通过分别对牛血清白蛋白及大肠杆菌全蛋白样品的交联位点鉴定结果的考察,评价该策略对单一蛋白样品和复杂细胞裂解液样品蛋白质复合物表征的应用潜力。蛋白质样品制备称取牛血清白蛋白粉末,以20 mmol/L 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(HEPES, pH 7.5)作为缓冲体系,配制0.1 mmol/L牛血清白蛋白溶液。大肠杆菌细胞(种属K12)在37 ℃下采用Luria-Bertani(LB)培养基培养24 h,然后于4 ℃以4000 g离心2 min,收集细胞沉淀。细胞沉淀采用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗3遍后,悬浮于细胞裂解液(含20 mmol/L HEPES和1%(v/v)蛋白酶抑制剂)中,冰浴超声破碎180 s(30%能量,10 s开,10 s关)。匀浆液于4 ℃以20000 g离心40 min,收集上清,采用BCA试剂盒测定所得蛋白质含量。稀释大肠杆菌蛋白裂解液至蛋白质含量为0.5 mg/mL。化学交联样品制备以20 mmol/L HEPES(pH 7.5)为溶剂配制浓度为20 mmol/L 的BS3交联剂母液 将交联剂母液加入牛血清白蛋白的缓冲溶液及大肠杆菌蛋白裂解液中,使交联剂的终浓度为1 mmol/L,在室温条件下反应15 min 通过添加终浓度为50 mmol/L的淬灭溶液NH4HCO3进行交联反应淬灭,并在室温下孵育15 min 在冰浴条件下,将交联样品逐渐滴入8倍体积的预冷丙酮中,于-20 ℃静置过夜 在4 ℃条件下,以16000 g转速离心,去除丙酮,然后将交联蛋白用预冷丙酮清洗2次,去除上清液后,于室温挥发掉残余的丙酮 以8 mol/L尿素溶液复溶蛋白质沉淀 将牛血清白蛋白交联样品以5 mmol/LTCEP作为还原剂,于25 ℃下反应1 h进行变性和还原 将大肠杆菌样品以5 mmol/LDTT作为还原剂,于25 ℃下反应1 h进行变性和还原,避免大肠杆菌蛋白在酸性条件下发生变性 添加终浓度为10 mmol/L的碘乙酰胺(IAA),在黑暗中,于室温下反应30 min 以50 mmol/LNH4HCO3稀释样品至尿素浓度为0.8 mol/L后,将样品均分为两份,一份以蛋白样品与蛋白酶的质量比呈50:1的比例加入胰蛋白酶,于37 ℃酶解过夜,另一份加入终浓度为20 mmol/L的CaCl2,以蛋白样品与蛋白酶的质量比呈20:1的比例加入LysargiNase,并在37 ℃温度下酶解过夜。液相色谱-质谱鉴定及数据搜索上述所有样品经过除盐,使用0.1%甲酸(FA)溶液复溶,用超微量分光光度计测定肽段浓度,进行反相高效色谱分离和质谱分析。牛血清白蛋白样品采用Easy-nano LC 1000系统偶联Q-Exactive质谱仪平台进行质谱分析。流动相A: 2%(v/v)乙腈水溶液(含0.1%(v/v)FA) 流动相B: 98%(v/v)乙腈水溶液(含0.1%(v/v)FA)。梯度洗脱程序:0~10 min, 2%B~7%B 10~60 min, 7%B~23%B 60~80 min, 23%B~40%B 80~82 min, 40%B~80%B 82~95 min, 80%B。Q-Exactive质谱仪采用数据依赖性模式,Full MS扫描在Orbitrap上实现,扫描范围为m/z 300~1800,分辨率为70000(m/z=200),自动增益控制(AGC)为3×106,最大注入时间(IT)为60 ms,母离子分离窗口为m/z 2。MS/MS扫描的分辨率为17500(m/z=200),碎裂模式为HCD,归一化碰撞能量(NCE)为35%, MS2从m/z 110开始采集,MS2的AGC为5×104, IT为60 ms,仅选择电荷值为3~7且强度高于1000的母离子进行碎裂,并将动态排除时间设置为20 s。每个样品分析3遍。大肠杆菌样品采用EASY-nano LC 1200系统偶联Orbitrap Fusion Lumos三合一质谱仪平台进行质谱分析。流动相A: 0.1%(v/v)甲酸水溶液 流动相B: 80%(v/v)乙腈水溶液(含0.1%(v/v)FA)。梯度洗脱程序:0~28 min, 5%B~16%B 28~58 min, 16%B~34%B 58~77 min, 34%B~48%B 77~78 min, 48%B~95%B 78~85 min, 95%B。Orbitrap Fusion Lumos三合一质谱仪采用数据依赖性模式,Full MS扫描在Orbitrap上实现,扫描范围为m/z 350~1500,分辨率为60000(m/z=200), AGC为4×105, IT为50 ms,母离子分离窗口为m/z 1.6。MS2扫描的分辨率为15000(m/z=200),碎裂模式为HCD, NCE为30%, MS2从m/z 110开始采集,MS2的AGC为5×104, IT为60 ms。仅选择电荷值为3~7且强度高于2×104的母离子进行碎裂,并将动态排除时间设置为20 s。每个样品分析3遍。质谱数据文件(*.raw)采用pLink 2软件(2.3.9)对交联信息进行检索和鉴定。使用从UniProt于2019年4月27日下载的牛血清白蛋白序列和大肠杆菌序列,搜索参数如下:酶切方式为胰蛋白酶(酶切位置:K/R的C端)、LysargiNase(酶切位置:K/R的N端) 漏切位点个数为3 一级扫描容忍(precursor tolerance)2.00×10-5 二级扫描容忍(fragment tolerance)2.00×10-5 每条肽段的质量范围为500~1000 Da 肽段长度的范围为5~100个氨基酸 固定修饰为半胱氨酸还原烷基化(carbamidomethyl [C]) 可变修饰为甲硫氨酸氧化(oxidation [M])、蛋白质N端乙酰化(acetyl [protein N-term]) 肽段谱图匹配错误发现率(FDR)≤5%。映射胰蛋白酶与LysargiNase酶解样品的交联位点在牛血清 白蛋白晶体结构(PDB: 3V03)的映射 LysargiNase与胰蛋白酶酶解样品的交联位点对及单一交联位点的互补性LysargiNase与胰蛋白酶酶解样品共同得到的交联位点鉴定打分比较b+/++与y+/++离子碎片分别在α/β-肽段的碎片覆盖度LysargiNase与胰蛋白酶酶解的交联肽段质谱图大肠杆菌样品中LysargiNase与胰蛋白酶酶切鉴定蛋白质复合物信息互补性带点击了解原文：https://www.chrom-china.com/article/2022/1000-8713/1000-8713-40-3-224.shtml

大家好，本周为大家分享一篇发表在Nat. Commun.上的文章：Structure and dynamics of endogenous cardiac troponin complex in human heart tissue captured by native nanoproteomics ，文章的通讯作者是威斯康星大学麦迪逊分校的葛瑛教授。　　蛋白质大多都是通过组装成蛋白复合物来执行特定的生物功能，因而表征内源性蛋白复合物的结构和动力学将有助于生命过程的理解。蛋白复合物在其组装、翻译后修饰(Post-translational modifications，PTMs)和非共价结合等方面是高度动态的，在native状态下通常以低丰度存在，这给研究其结构和动态性的传统结构生物学技术(如X-ray和NMR)带来了巨大的挑战。非变性Top-down质谱(nTDMS)结合了非变性质谱和Top-down蛋白组学的优势，目前已发展成蛋白复合物结构表征的有力工具，可以保留蛋白质亚基-配体间的非共价作用和PTMs等重要信息。然而，由于内源性蛋白复合物自身的低丰度特性，导致对其的分离纯化和检测非常困难，所以nTDMS目前仅限用于过表达的重组或高丰度蛋白质的表征。在本研究中，作者开发了一种非变性纳米蛋白质组学(Native nanoproteomics)技术平台，通过使用表面功能化的超顺磁性纳米颗粒(Nanoparticles，NPs)直接富集组织中的蛋白复合物，然后再利用高分辨质谱表征其结构和动态性。这里选用心肌肌钙蛋白(Cardiac troponin，cTn)异源三聚体复合物(~77 kDa)作为研究对象。cTn三聚体复合物是调节横纹肌肌动蛋白收缩的Ca2+离子调节蛋白，由TnC、cTnI和cTnT这3个亚基组成。其中，TnC是Ca2+结合亚基，cTnI是抑制肌动蛋白-肌球蛋白相互作用的亚基，而cTnT细丝锚定亚基。TnC与Ca2+的结合，以及cTnI 亚基的磷酸化，会共同引起细丝上的分子级联事件，诱导心肌收缩所必需的肌动蛋白-肌球蛋白交叉桥的形成。传统结构生物学技术不能有效捕获cTn复合物高度动态的构象变化，并且先前研究用的cTn复合物是由原核细胞表达的，缺乏PTMs的信息。因此，作者开发了native纳米蛋白组学的方法，以实现对人内源性cTn复合物结构和动力学的全面表征。作者首先使用肽功能化的超顺磁性氧化铁NPs富集了人心脏的内源性cTn复合物，同时优化了非变性蛋白提取缓冲液(高离子强度LiCl溶液，生理pH)。富集到的cTn复合物中的3种亚基的含量比例为1:1:1，真实反应了肌节cTn异源三聚体复合物的组成。作者也发现含有750 mM L-Arg，750 mM咪唑和50 mM L-Glu(pH 7.5)的溶液对蛋白复合物的洗脱效果最好，并且不会破坏亚基间的相互作用。该富集方法具有很好的重现性，proteoforms信息得到很好保留，且可以直接用于化学计量分析。总的实验流程如图1所示，洗脱后的cTn复合物经体积排阻色谱(Sze-exclusion chromatography，SEC)除盐和交换至醋酸铵溶液中，随后对cTn复合物进行多种nTDMS分析：1)在线SEC监测复合物 2)超高分辨傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)表征复合物的化学计量比和proteoforms 3)捕获离子淌度质谱(TIMS-MS)解析调控复合物构象变化中的非共价作用的结构动态性。　　图1. 用于表征人心脏中内源性cTn复合物的native纳米蛋白组学平台。　　为了全面表征内源性cTn复合物，作者使用FTICR-MS进行proteoforms测序和复合物表征。图2展示了native状态下检测丰度最高的cTn复合物的电荷态(19+)，其中包含了4种独特的proteoforms，这些复合物主要带有单磷酸化的cTnT、单磷酸化和双磷酸化的cTnI，以及结合了3个Ca2+的TnC。这些结果表明人cTn复合物在肌节中以结构多样化的分子组成存在，具有高度异质的共价和非共价修饰，可产生一系列不同的完整复合物。　　图2. FTICR-MS分析展示的cTn复合物状态。红色方框中是最高丰度电荷态(19+)的放大谱图，理论同位素分布(红色圆圈)可以与谱图很好叠加，说明结果具有高质量精度(质量偏差在2 ppm 以内)。　　作者接着对cTn复合物进行complex-up分析，以研究复合物的化学计量比及其组成。图3a~3b分别显示的是完整cTn三聚体复合物，以及经CAD碎裂后的蛋白亚基谱图。但这里没有检测到cTnI单体，可能是因为cTnI和TnC在native状态下的亲和力很强，且cTnI单体带的电荷不多，导致其在高m/z区域出峰，所以不易被检测到.随后，作者又对解离出的亚基进行complex-down分析。图3c展示了检测到的cTnT的多种proteoforms：未磷酸化的 cTnT、单磷酸化的cTnT(p cTnT)和 C 端 Lys 截断的磷酸化cTnT(pcTnT [aa 1-286])，CAD碎裂谱图也发现cTnT的C端较N端更易暴露在外界溶剂中。图3e则是cTn(I-C)二聚体的谱图，共检测到6种具有不同数量Ca2+结合和磷酸化的proteoforms。二级谱图可将cTnI的两个磷酸化位点准确定位在Ser22和Ser23，同时发现cTnI序列两端都较内部区域更易暴露于溶剂中。但还无法通过nTDMS准确推断Ca2+结合和磷酸化是如何影响cTn复合物的稳定性。作者在此也没有优化FTICR-MS在非常高m/z范围的离子检测，所以也会遗漏带少量电荷的cTn复合物信息。　　图3.nTDMS表征人心脏来源的cTn复合物。(a~b)完整cTn复合物和经CAD碎裂后的亚基谱图 (c~d)cTnT单体及其代表性的CAD碎裂谱图 (e~f)cTn(I-C)二聚体及其代表性的CAD碎裂谱图。　　人TnC蛋白含有3个钙结合EF-hand基序(结构域 II~IV)。结构域 II与Ca2+结合的亲和力较低，是触发心肌收缩的调控域。结构域 III 和 IV则与Ca2+具有强的亲和力，在心肌舒张和收缩时均始终保持与Ca2+充分结合，但结构域 II只有在收缩时才被Ca2+占据。这里观察到了TnC分别与0、1、2和3个Ca2+结合的情况，通过CAD碎裂也进一步定位了TnC与Ca2+结合的具体氨基酸序列(图4)。研究发现结构域 II的骨架最容易发生碎裂，而结构域 III的骨架最难碎裂。目前结构域 II~IV的序列在UniprotKb中分别对应65DEDGSGTVDFDE76、105DKNADGYIDLDE116和141DKNNDGRIDY152。这里分别将与1、2和3个Ca2+结合的TnC隔离出来进行CAD碎裂(m/z分别为2312、2316和2321)，可以更准确地将结构域 III、II和IV的序列分别定位到113DLD115、141DKNND145和73DFDE76(图4c)，表明非变性纳米蛋白组学方法在定位非共价金属结合方面具有高分辨能力。　　图4.nTDMS定位 TnC与Ca2+结合的结构域。(a)FTICR-MS隔离与不同数量Ca2+结合的TnC单体 (b~c)与两个Ca2+结合的TnC的CAD碎裂谱图，蓝色、红色和黄色方框分别对应结构域 II 、III和IV。　　Ca2+与TnC的结合会对cTn复合物的功能和构象有着很大影响。cTn复合物的核心区维持着构象的稳定，但当Ca2+与TnC发生结合时，其柔性区会经历广泛的构象变化，复合物结构会从“closed”状态转变成“opened”状态，这会促进肌动蛋白和肌球蛋白间的相互作用，最终导致心肌收缩。然而，传统结构生物学技术很难捕获cTn复合物与Ca2+结合时的构象变化。因此，作者使用离子淌度质谱来分析cTn复合物的构象变化。TnC亚基和与Ca2+结合的cTn(I-C)二聚体的淌度分离谱图如图5所示。与0~3个Ca2+结合的TnC的碰撞截面(Collision Cross-Section，CCS)值分别为1853、1849、1829和1844 Å2(图5a~5b)，TnC构象比IMPACT预测的更为紧凑，但cTn(I-C)二聚体的CCS值与预测的非常接近(图5c~5d)。作者推测TnC与两个Ca2+结合会形成更致密的构象，是因为在静息舒张时Ca2+与结构域 III 和 IV充分结合。当第三个 Ca2+与结构域II结合时，TnC转变为“opened”构象，使其N端与cTnI的C端相结合，进而引发心肌收缩(图5e)。cTn(I-C)二聚体与Ca2+结合时的构象变化也是如此(图5f)。　　图5.TnC单体(a~b)和与Ca2+结合的cTn(I-C)二聚体(c~d)的离子淌度分离谱图 (e~f)TnC和cTn(I-C)二聚体与Ca2+结合时的构象变化。　　最后，作者通过添加EGTA来剥离cTn复合物中的Ca2+，以进一步研究Ca2+在维持复合物结构稳定性上的作用。图6b~6c是没有EGTA孵育时的cTn复合物的TIMS-MS谱图。cTn复合物的CCS值与理论预测值非常符合。随着EGTA孵育浓度的增加(25、50和100mM)，Ca2+逐渐被螯合，cTn复合物的结构也越来越舒展，体现在平均电荷态逐渐增加，以及逐渐在较低m/z范围内出峰，这表明cTn复合物构象的稳定性丢失与EGTA浓度的增加相关(图6d~6f)。虽然100mM EGTA孵育也不敢保证Ca2+的完全剥离，并且cTnI的存在又会增强TnC与Ca2+的结合，但TIMS-MS为我们研究cTn复合物与Ca2+结合时的构象变化提供了一种切实可行的分析手段。　　图6.cTn复合物与EGTA孵育时的构象变化。(a)cTn复合物的构象随EGTA孵育浓度的增加发生改变 (b~c)cTn复合物的TIMS-MS谱图 (d~f)cTn复合物与不同浓度EGTA(25、50和100mM)孵育的谱图和CCS分析。　　总的来说，本研究开发了一种可用于内源性蛋白复合物富集和结构表征的非变性纳米蛋白组学方法，以获取其组装、proteoforms异质性和动态非共价结合等方面的生物信息。本文采用的功能化NPs可被灵活设计成选择性结合特定的靶蛋白，在富集和洗脱过程中可以很好保持其近似生理条件下的存在状态。更为重要的是，功能化NPs与nTDMS的整合可以作为一种强有力的结构生物学工具，可以作为传统技术的补充，用于内源性蛋白复合物的表征。　　撰稿：陈昌明 编辑：李惠琳文章引用：Structure and dynamics of endogenous cardiac troponin complex in human heart tissue captured by native nanoproteomics　　参考文献　　Chapman EA, Roberts DS, Tiambeng TN, et al. Structure and dynamics of endogenous cardiac troponin complex in human heart tissue captured by native nanoproteomics. Nat Commun. 2023 14(1):8400. Published 2023 Dec 18. doi:10.1038/s41467-023-43321-z

大家好，本周为大家分享一篇李惠琳课题组最近发表在Mass Spectrometry Reviews上的综述，Native top‐down mass spectrometry for higher‐order structural characterization of proteins and complexes1。结构生物学的快速发展极大地促进了蛋白结构表征工具的开发。其中，基于质谱的分析方法凭借其快速、灵敏、高通量的优势从中脱颖而出。相比于原子水平的高分辨结构表征工具如X-射线晶体学、核磁共振（NMR）、冷冻电镜（Cryo-EM）等，基于质谱的分析方法能够有效地补充蛋白动力学结构变化的信息，并且不受蛋白纯度、分子量大小的限制。而相较于低分辨的蛋白表征工具如圆二色光谱、动态光散射等，基于质谱的分析方法能够提供更高的肽段或残基水平分辨率，获取额外的序列、翻译后修饰（post‐translational modifications, PTMs）、局部空间结构等信息。常见的结构质谱包括：氢氘交换质谱（hydrogen‐deuterium exchange MS, HDX-MS）、交联质谱（cross‐linking MS, CX-MS）、表面标记质谱（covalent labeling MS, CL-MS）等。已有相当多的文献对这些方法进行了详细的介绍2,3，在此不再赘述。而此篇综述将重点介绍非变性至上而下质谱（native top‐down MS, nTDMS）在蛋白及其复合物结构表征中的应用。在过去的十年，非变性质谱（native MS, nMS）特别是nTDMS发展迅速。nMS作为一个桥梁将蛋白质组学与结构生物学相连，其保留非共价相互作用的特性使其广泛用于蛋白复合物四级结构表征，如推断亚基组成、化学计量比、亚基排布等。然而，对于一些深层次的结构信息，如氨基酸序列、PTMs、配体结合位点、亚基结合界面等，仅靠单一的nMS是无法获取的。与之对应的，变性条件下的自上而下质谱（TDMS）能够在完整蛋白水平下直接获得序列以及PTMs信息，虽然有助于PTM的准确定位以及蛋白、蛋白异质体（Proteoform）的鉴别，但却丢失了涉及非共价相互作用的高级结构信息。受限于质谱仪器的发展，在早期，nMS与TDMS通常在两个独立的实验中进行，随着质量分析器以及多种活化/碎裂方式的开发，nMS与TDMS的能够有效的结合，充分发挥各自的优势，在实现多层次结构信息获取的同时，也在不断挑战更加复杂的生物体系，如核糖体、膜蛋白、内源蛋白混合物等。实验设计nTDMS已成为表征蛋白质和复合物的初级到高级结构的重要工具。随着蛋白质样品的大小和复杂性的增加，用于nTDMS的仪器不仅需要符合某些特定标准，还需要不断提高其性能以满足这些增加的需求。nTDMS分析中几个关键的步骤包括：样品前处理、ESI离子化、二级碎裂、质量检测以及数据处理。样品前处理为了维持蛋白的自然状态，通常需要在生理环境中进行nMS分析。然而，缓冲液中的非挥发性盐会产生大量盐簇并与蛋白离子形成非特异性加合物，从而抑制离子信号、降低检测的准确度和灵敏度。因此，样品前处理过程中最重要的环节就是除盐。然而适当的离子强度有助于维持蛋白的三维结构，所以通常的步骤是对蛋白进行缓冲液置换，将蛋白置换至醋酸铵或碳酸氢铵等挥发性盐溶液中。目前已开发了多种在线或离线的除盐方法，详细内容的可在综述原文中查看，此处不再赘述。除了使用非挥发性缓冲盐，减小ESI喷针孔径大小也可以提高系统耐盐能力。碎裂/活化方式二级碎裂方式是实现nMS到nTDMS的关键。常见的活化方式按照原理可分为三类：基于碰撞（CID, SID）、基于电子（ECD, ETD, EID等）以及基于光子（UVPD, IRMPD）的活化/碎裂方式。值得注意的是，CID与IRMPD都属于慢加热的活化方式，能量累积的非常慢，以至于在发生碎裂之前已经进行了能量重排，一些较弱的或者不稳定的键会优先发生断裂，最终导致非共价相互作用在活化的过程中被破坏。而SID、ExD与UVPD则属于快加热的活化方式，碎裂发生在能量重排之前，非共价相互作用得以在这一过程保留下来，碎片化程度受到非共价相互作用的限制，因此可被用于表征蛋白的空间结构。此外，将多种活化方式的结合或与离子淌度技术串联也是获取多层次结构信息的关键。质量检测与变性条件下的质谱分析相比，蛋白复合物在天然环境下通过电喷雾电离产生的电荷数相对较少，因此需要具有较大m/z 范围的质量分析仪（高达m/z = 20,000 Da甚至更高）。最初，nMS分析高度依赖基于飞行时间（time of fight, TOF）质量分析器，因为TOF具有理论上无限的m/z范围。近年来，高分辨质量分析器如轨道阱（Orbitrap）和傅里叶变换离子回旋共振（FTICR）为生物大分子的nTDMS分析带来了新的活力。在综述中，我们简要介绍了每种质量分析器的最新进展，并重点强调了FTICR和Orbitrap在nTDMS分析中的发展和应用。数据处理除了基本的硬件设施，配套的数据处理软件也十分重要。nTDMS数据处理流程通常包括以下4个步骤：同位素峰选取、去卷积、数据库搜索、验证和可视化。正文中，我们对每个步骤进行了简要描述，并重点介绍用于数据库搜索和异质体鉴别的软件。多层次结构信息的获取得益于多种活化/碎裂方式的开发，nTDMS分析可同时获得多层次的结构信息（图1）。主要有以下两种策略：第一种策略，完整蛋白复物（MS1）首先被CID或SID碎裂至亚基（MS2），亚基可进一步碎裂肽段（MS3），在MS1及MS2中可获蛋白复合物结合计量比、拓扑结构、蛋白异质性等信息，在MS3阶段则可获取蛋白序列、PTMs定位以及异质性来源等信息。第二种策略则是完整蛋白复合物（MS1）直接被UVPD或ExD碎裂成肽段（MS2），受益于UVPD以及ExD独特的碎裂方式，发生碎裂的区域主要位于蛋白复合物的表面可及区，而未发生碎裂的区域可能位于蛋白复合物的核心区域或参与亚基相互作用界面。不同的碎裂情况反映不同的空间结构，带有配体的肽段碎片可以用于配体结合位点的定位。综述中，我们详细阐述了如何利用nTDMS获得蛋白复合物的多层次结构信息以及如何将碎片信息与结构信息相关联。图1. nTDMS可提供的多维度结构信息复杂生物体系中的应用蛋白质的空间结构决定了其生物功能，而蛋白质-蛋白质/配体相互作用是大多数生物进程的基础。通过突变、翻译后修饰、或者与金属、小分子配体、蛋白质、DNA、RNA等分子发生共价或非共价的相互作用，蛋白质功能在活细胞中不断受到调节。随着MS仪器、方法的不断开发和数据处理软件的逐渐成熟，nTDMS已被广泛应用于各种生物系统，从小蛋白质、蛋白质-配体复合物到大分子组装体，如膜蛋白、蛋白酶体、核糖体、病毒衣壳，甚至是内源性蛋白混合物。它们中的许多都是极具挑战性的体系，即便是采用NMR、X-射线晶体学或Cryo-EM等生物物理方法分析也是非常困难的。因此，来自nTDMS的见解对于理解这些蛋白质和复合物至关重要。在这里，我们总结nTDMS在所有生物体系中的应用实例，旨在全面了解nTDMS在解决生物学问题方面的潜力。小蛋白的结构表征和区分最初，nTDMS主要用于50 kDa以下单体蛋白的结构表征，大部分的研究都是围绕蛋白质气相结构与溶液相结构对比展开的。根据nTDMS的碎裂情况，推断蛋白的气相空间结构，并与NRM获得的溶液结构进行对比。此外，如果在二级碎裂前增加离子预活化有助于蛋白分子的展开，以便研究蛋白气相展开路径以及获取蛋白质内部空间结构信息。得益于碎片离子对蛋白空间结构的高度敏感性，nTDMS还被用于区分不同蛋白亚型、蛋白突变体的结构差异。蛋白-小分子配体相互作用随后，nTDMS应用到了蛋白-配体复合物中，不同的配体类型适合不同的活化/碎裂方式，除了金属离子、RNA/DNA等以静电作用为主的蛋白配体能够在CID活化时存活，大部分复合物的碎裂都需要选择ECD或UVPD等方式。nTDMS可用于蛋白-配体结合计量比、亲和力、结合位点、作用机制、结构动力学/变构效应的研究。它是一种强大的结构表征工具，其在抑制剂筛选、酶催化监控、RNA-蛋白质互作机制的应用实例在正文中已有详细的介绍。蛋白-蛋白相互作用随着仪器设备的快速发展，nTDMS已应用到更大的体系如蛋白-蛋白复合物，通过组合不同的活化/碎片化技术，在一次实验中可以获得多层次的结构信息。nTDMS可以帮助区分不同的蛋白异质体，并在完整复合物、亚基、肽段三个水平上确定异质性的来源。蛋白的异质性与其生物学功能密切相关，通过调整蛋白的异质性可以实现蛋白功能的转变，具体的应用案例已在正文详细介绍。除此之外，nTDMS还可以用作蛋白-蛋白复合物结合界面、气相展开以及深层次结构探索。治疗性抗体和抗原-抗体复合物在过去的几十年中，治疗性抗体已成为最受欢迎的候选药物之一，它们的高特异性和低副作用促进了治疗性抗体的快速增长。在综述中，我们还详细地介绍了nTDMS在治疗性抗体和抗原-抗体复合物体系中的应用。nTDMS可用于抗体可变区的测序、具有不同药物计量比（DARs）的抗体耦联药物的结构表征、以及抗体-抗原复合物中互补决定区及抗原表位区的鉴别。膜蛋白无论是对于传统的结构表征工具如：X-射线晶体学、NMR还是nTDMS，膜蛋白的结构表征一直以来面临着诸多困难。膜蛋白具有低丰度以及低溶解性等特点，最常见的方法是利用与nMS兼容的膜模拟物如：去污剂胶束、纳米微盘等去溶解膜蛋白，在nTDMS分析时再将膜蛋白从胶束中释放出来，释放出的蛋白可在nTDMS中进一步碎裂获取结构信息。具体的实验流程和应用实例可在综述正文中查看。大分子组装体正文中，还介绍nTDMS在极具挑战性的大分子组装体如：核糖体、蛋白酶体、病毒衣壳中的应用实例，这些生物体系普遍存在的问题是分子量非常大（接近MDa），且具有较高的异质性。对这些大分子机器进行nTDMS分析要求仪器具有较高的质量范围以及分辨率。大分子机器的结构表征充分说明nTDMS方法无论在深度还是广度上都有极大的提升。Native top-down MS蛋白质组学值得注意的是，当质谱前端结合非变性分离技术，如native GELFrEE，尺寸排阻色谱，毛细管区带电泳，离子交换色谱等，nTDMS还可以在靶向模式或发现模式下用于复杂蛋白质组的高通量分析，如内源性蛋白混合物。nTDMS分析最大的优势在于它能区分不同的蛋白异质体，并对每种蛋白异质体进行结构表征，这是其他在肽段水平进行分析的结构质谱法如：HDX-MS, CL-MS所无法实现的。总结与展望总之，在这篇综述中我们重点介绍了nTDMS的最新进展和在不同生物体系中的应用，强调通过nMS与TDMS结合可以获得额外的多层次结构信息。新技术的出现以及仪器的进步使nTDMS能够应用于结构生物学中日益复杂的生物样本体系，包括蛋白质配体、多聚蛋白复合物、大分子组装体和内源性复合物。尽管这样，nTDMS分析仍面临着的挑战，包括但不限于前端的样品分离、离子化、去溶剂化、高质荷比分子传输、异质性样本的分析以及软件的开发。未来nTDMS将与其他的一些结构表征方法相结合以获取更加全面的结构信息。正文中对未来发展趋势进行了讨论并提到了其他一些令人兴奋的创新技术如：基于MALDI离子源的质谱成像技术用于蛋白原位分析、电荷检测质谱（CDMS）用于异质性样本分析，多重技术的结合将为蛋白质复合物的nTDMS研究开辟新的道路。我们希望这篇综述能让读者更好地理解nTDMS提供的独特结构信息，并推动该方法的广泛应用。撰稿：刘蕊洁编辑：李惠琳原文：Native top‐down mass spectrometry for higher‐order structural characterization of proteins and complexes. 参考文献1.Liu RJ, Xia SJ, Li HL. Native top‐down mass spectrometry for higher‐order structural characterization of proteins and complexes. Mass Spec Rev. 2022 e21793. https://doi.org/10.1002/mas.217932.Britt HM, Cragnolini T, Thalassinos K. Integration of mass spectrometry data for structural biology. Chem Rev. 2022 122(8):7952-7986. 3.Liu XR, Zhang MM, Gross ML. Mass spectrometry-based protein footprinting for higher-order structure analysis: fundamentals and applications. Chem Rev. 2020 120(10):4355-4454.

蛋白质复合物是高度动态的实体，在组装、翻译后修饰和非共价相互作用方面表现出巨大的多样性，使它们能够在各种生物过程中发挥关键作用。天然状态下蛋白质复合物的异质性、动态性和低丰度给使用传统结构生物学技术进行研究带来了挑战。基于此，美国威斯康星大学麦迪逊分校葛瑛教授团队近期开发了一种天然纳米蛋白质组学策略，用于直接从人体心脏组织中富集内源性心肌钙蛋白 (cTn) 复合物并随后进行天然自上而下质谱分析。在非变性条件下，使用肽功能化的超顺磁性纳米粒子对 cTn 复合物进行富集和纯化，以实现 cTn 复合物的同位素解析，揭示其复杂的结构和组装。此外，nTDMS 阐明了 cTn 复合物的化学计量和组成，定位 Ca2+ 结合域，定义 cTn-Ca2+ 结合动力学，并提供蛋白质形态的高分辨率图谱。这种天然纳米蛋白质组学策略为内源天然蛋白质复合物的结构表征开辟了范例。（论文链接：）这一研究为深入了解心脏组织中内源性蛋白质复合物的神秘世界提供了一种前所未有的工具和方法。这不仅有助于揭示心脏疾病的分子机制，还为未来开发相关治疗方法提供了重要的基础。这项创新的纳米蛋白质组学技术将为生物医学研究开辟新的可能性，为科学家们提供了更深层次的洞察力，以探索蛋白质相互作用的微妙之处。

大家好，本周为大家分享一篇最近发表在 Journal of the American Chemical Society上文章，Native Top-Down Mass Spectrometry with Collisionally Activated Dissociation Yields Higher-Order Structure Information for Protein Complexes1。该文章的通讯作者是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的Joseph A. Loo教授。非变性质谱(native MS，nMS)通常用于揭示蛋白及其复合物的分子量大小和化学结合计量比，但若要进一步阐明深层次的结构信息，则需要与串联质谱结合，即非变性自上而下质谱（nTDMS），通过对母离子进行二级甚至多级碎裂可获取额外的序列、翻译后修饰(PTMs)以及配体结合位点信息。此外，nTDMS能以构象敏感的方式断裂共价键，这样就可以从碎片模式推断出有关蛋白高级结构的信息。值得注意的是，使用的激活/解离方式会极大地影响得到的蛋白质高阶结构信息。电子捕获/转移解离(ECD、ETD或ExD)和紫外光解离(UVPD)等快加热的活化方式因其能够在保留蛋白整体结构的情况下先对共价键进行断裂而被广泛应用于nTDMS分析中。而慢加热的活化方式如碰撞活化解离(CAD)会在断键前进行能量重排，导致一些较弱的非共价相互作用先发生破坏，例如：亚基的释放和展开，因此对高阶结构表征没有帮助。而此次Joseph A. Loo课题组的研究结果显示使用基于orbitrap的高能C-trap解离(HCD)同样也可以从天然蛋白复合物的中直接获得序列信息，并且碎片模式可以提供有关其气相和溶液相高阶结构信息。此外，CAD还可以生成大量的内部碎片(即不包含N-/ C-端的片段)用于揭示蛋白质复合物的高阶结构。为了研究蛋白复合物HCD的碎裂化情况，作者比较了酵母来源的乙醇脱氢酶四聚体（ADH）在Complex-down MS (psedo-MS3)和nTDMS两种分析策略下的碎片模式。如图1所示，在Complex-down MS分析中，ADH经源内解离（ISD）释放出单个亚基，该亚基经HCD碎裂生成肽段b/y离子。而在nTDMS分析中，肽段离子则可以从复合物中直接获得。如图2（上）所示，在Complex-down MS分析中总共获得了24个b离子和18个y离子，能够实现11.8%的序列覆盖率。近乎相等数目的b、y离子表明Complex-down MS分析中释放的ADH亚基N-端和C-端均具有较高的表面可及性，即亚基发生去折叠。此外，碎片模式也揭示了N-端乙酰化、V58T突变体以及Zn2+结合位点等信息。相比之下，nTDMS分析则更反映ADH的高阶结构，如图2（下）所示，在nTDMS分析中主要检测到b离子，几乎没有亚基信号，说明b离子是直接由复合物中共价键断裂产生的。ADH的nTDMS分析共产生了60个N-端b离子和3个C-端y离子（17.6%序列覆盖率）。由HCD产生的大量N端碎片类似于ADH基于电子和光子解离技术产生的nTDMS产物。将这些片段映射到ADH的晶体结构上可以看出，N端区域比C端区域更容易暴露于溶剂，而C端区域主要形成复合物的亚基-亚基界面。ADH的碎片离子中来源亚基界面断裂的仅占8%，大部分碎裂都发生在溶剂可及的N-端。图1 Complex-down MS和nTDMS分析流程图1 Complex-down MS（上）和nTDMS（下）碎片模式比较ADH的nTDMS分析充分展现了CAD在蛋白复合物高阶结构表征上的潜力，为了进一步验证，作者还选择了其他的蛋白复合物进行实验，如醛缩酶同源四聚体、谷胱甘肽巯基转移酶A1二聚体、肌酸激酶二聚体等。这些蛋白复合物在n-CAD-TDMS分析中都产生了与结构对应的碎片离子，说明基于CAD的nTDMS分析是具有普适性。当然也会存在一些例外，膜蛋白水通道蛋白(AqpZ)同源四聚体在nTDMS分析过程中产生了高丰度的单体亚基、二聚体、三聚体信号，这应该归因于AqpZ四聚体亚基之间的弱疏水结合界面，导致亚基的释放发生在共价键断裂之前，因此产生的b/y离子无法反映蛋白复合物的空间结构。相较而言，以盐桥为主要稳定作用的蛋白复合物，如ADH、醛缩酶等则更容易在nTDMS分析中产生肽段碎片离子。此外，基于CAD的nTDMS分析中还发现了大量的内部碎片，ADH产生的大部分内部碎片来源于溶剂可及区。尽管内部碎片难以辨认，但可以大幅度提高序列覆盖率，提供更精细的结构信息。一个从小分子裂解衍生到大分子解离的假设是，在实验的时间尺度内，由碰撞引起的激活是完全随机化的，并以沿着最低能量途径引导碰撞诱导的解离。然而，这些假设没有考虑到熵的要求，缓慢重排可能是释放亚基所必须的，例如重新定位盐桥将一个亚基与其他亚基相连。在碰撞次数或每次碰撞能量不足以碰撞出能释放亚基的罕见构型的情况下，以释放出更小的多肽碎片(具有更少的约束) 代替重排可能具有更高的竞争性。总之，本文展示CAD在nTDMS分析中的应用，无需基于光子或电子的活化方式，CAD可直接从蛋白复合物中获得肽段离子，并且该碎裂离子能够反映蛋白复合物的空间结构。撰稿：刘蕊洁编辑：李惠琳原文：Native Top-Down Mass Spectrometry with Collisionally Activated Dissociation Yields Higher-Order Structure Information for Protein Complexes参考文献1. Lantz C, Wei B, Zhao B, et al. Native Top-Down Mass Spectrometry with Collisionally Activated Dissociation Yields Higher-Order Structure Information for Protein Complexes. J Am Chem Soc. 2022 144(48): 21826-21830.

p style="line-height: 1.5em text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-align: justify "日前，黄超兰课题组及合作者的最新成果，利用新型绝对定量质谱法解析T细胞受体(TCR)磷酸化修饰动态全过程，揭示了CD3ε 的新型信号转导及其在CAR-T细胞治疗中的应用。相关成果近日发表在《Cell》。/spanbr//pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 193px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/c9be87de-7748-4400-ab38-28fab92a68ad.jpg" title="黄超兰.png" alt="黄超兰.png" width="600" height="193" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify "strongspan style="text-align: justify "　　2020年7月29日，北京大学医学部精准医疗多组学研究中心黄超兰团队，中科院上海生化与细胞所许琛琦团队、美国加州大学圣地亚哥分校惠恩夫团队，联手在Cell上发表了题为“Multiple signaling roles of CD3ε and its application in CAR-T cell therapy”的论文，该研究通过开发基于质谱的绝对定量蛋白质组新方法，揭示了T细胞受体-共受体(TCR-CD3)复合物酪氨酸在不同抗原刺激下的动态磷酸化修饰全貌，解析了不同CD3链ITAM结构域磷酸化特征的奥秘，从中发现了其中一条亚基CD3ε的单磷酸化新功能，有望助力于设计全新的CAR-T疗法。/span/strong/pp style="text-align: justify "strongspan style="text-align: justify "/span/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 245px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/b6abe943-5c1a-4258-8d80-ee14ae449013.jpg" title="high light.png" alt="high light.png" width="600" height="245" border="0" vspace="0"//pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　TCR-CD3复合物在T细胞的发育、激活及对病原的免疫反应中起着决定性作用。这一重要作用来自于CD3链胞内端的免疫受体酪氨酸激活基序(Immunoreceptor tyrosine-based activation motif-ITAM)。而ITAM的多样性功能主要取决于其结构域的酪氨酸(Tyrosine)磷酸化，比如招募SYK激酶家族蛋白ZAP70进而激活下游的信号传导。另外，ITAM的功能也被广泛应用在对嵌合抗原受体(CAR)的研究中。其中CD3ζ亚链便常用于构建CAR-T细胞疗法抗肿瘤活性，但其他CD3链的功能和对于CAR的设计也还有很多未知。/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　strong深入探索 CD3 ITAM的酪氨酸动态磷酸化模式可为全面理解不同CD3链的功能提供核心信息。/strongTCR-CD3受体复合物有10个ITAM结构域分布着20个磷酸化位点，在时间分辨率下实现对全部磷酸化位点的同时定量分析在技术上极具挑战性。为了直观比较不同TCR刺激下的磷酸化模式，精确绘制出TCR所有酪氨酸磷酸化的动态过程，黄超兰团队开发了一种新颖的绝对定量方法Targeted-IP-Multiplex-Light-Absolute-Quantitative Mass Spectrometry(TIMLAQ-MS)。区别于目前报道的蛋白组绝对定量手段，不需要加入同位素重标的合成肽段，而是巧妙地利用串联质量标签(TMT)，设计将6个标准样品和4个分析样品混合起来作为内标。标准样品为不同浓度梯度的合成非重标磷酸化/非磷酸化CD3肽(A)和从未经抗原刺激的T细胞中通过IgG抗体免疫沉淀下来的背景蛋白(B)的混合物 用数据依赖采集(Data-dependent acquisition, DDA)结合平行反应监测(Parallel reaction monitoring, PRM)的方式获得抗原刺激下，TCR-CD3免疫沉淀(IP)复合物中不同酪氨酸位点的磷酸化/非磷酸化在不同时间点的定量结果。strongTIMLAQ 成功绕过了以前的定量方法中通常使用的同位素重标记肽，既节约了成本，又有效降低了方法的复杂性和数据采集误差，进一步提高了定量准确性，最终可完全实现在一次测量中对不同时间点全部ITAM磷酸化修饰的绝对定量，描绘TCR-CD3复合物的酪氨酸动态磷酸化修饰全貌。/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 492px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/17408230-fe19-4e90-a93b-06bbeea1254b.jpg" title="111.png" alt="111.png" width="600" height="492" border="0" vspace="0"//pp style="line-height: 1.5em text-align: center "基于TIMLAQ-MS法的CD3 ITAM磷酸化修饰鉴定/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　strong利用这一方法鉴定到在不同的TCR刺激条件下，CD3各亚基主要表现为双磷酸化修饰模式，而唯独CD3ε呈现出单磷酸化修饰模式。/strong前研究表明，双磷酸化的ITAM与激酶家族蛋白ZAP70有很强的结合而激活下游信号传导，而单磷酸化的ITAM则表现出很低的结合性。strong本文中这一特殊的新发现驱使作者进一步深入探索CD3ε在TCR通路中的新潜在功能。/strong结果显示，单磷酸化的CD3ε可通过专门募集抑制性Csk激酶减弱TCR信号传导，strong说明TCR中既有激活基元又有抑制基元，总体呈现为一种自制的信号传导机制。/strong作者团队进一步深入研究，发现一旦将CD3ε细胞质结构域整合到第二代CAR中，CD3ε的ITAM结构域可以通过募集Csk减少CAR-T细胞因子的产生，而CD3ε的BRS结构域则可以通过募集p85促进CAR-T细胞的持久性。总体而言，将CD3ε应用于CAR的设计可显著提高CAR-T细胞的抗肿瘤活性。/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　strong　从一个重要的基础生物学问题开始，为解决问题而开发一个新颖方法，得到新发现，再深入探索生物学功能，最后有望贡献在治疗方法上。黄超兰教授，许琛琦教授和惠恩夫教授作为本文的共同通讯作者，完美地演绎了不同交叉领域共同合作而产生的精彩结果。/strong/ppstrong/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 338px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/e5f4a9aa-d6b8-4604-a6a5-28e0177de6e9.jpg" title="222.png" alt="222.png" width="600" height="338" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify "span style="text-align: justify "　　黄超兰教授是北京大学医学部精准医疗多组学研究中心主任，北京大学医学部基础医学院长聘副教授，北京大学生命科学联合中心研究员，曼彻斯特大学荣誉教授。近年来，黄超兰教授带领团队积极开发基于质谱的蛋白质组学新方法，实验室拥有国际领先的仪器、技术和方法，致力于为生物学和临床研究中遇到的难题提供最有质量保证的全面蛋白质组和质谱技术手段。 仅从2015年至今，黄教授在高影响因子的杂志上就发表了近50篇文章 (目前已累计发表SCI论文80余篇)，不但自己开发最前沿的质谱技术(迄今为止，课题组研发的单细胞蛋白质组技术，在单一体细胞中鉴定的蛋白数量是全球领域最高水平)，更发挥了强大的合作力量，以她高超的质谱技术助力了众多科学家的科研发展。曾协助美国普林斯顿大学教授，美国科学院外籍院士颜宁课题组，利用质谱技术有效分析了ACAT1蛋白周围游离的脂质，为ACAT1作用底物的鉴定提供了最为直接有效的证据，相关工作发表在Nature上sup1/sup。最重量级的是协助中科院院士，西湖大学校长施一公教授利用高分辨交联质谱技术对剪接体复合物的成分和相互作用进行准确鉴定，促进了剪接体复合物在冷冻电镜上的超高分辨率结构鉴定，相关工作发表在两篇Science上sup2，3/sup。/span/pp style="text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em "strongspan style="text-align: justify "北京大学医学部精准医疗多组学研究中心/span/strongspan style="text-align: justify "，在“双一流”的支持下，正式成立于2018年6月，为北京大学医学部直属二级单位。黄超兰教授担任中心主任。中心主要基于临床医学热点和难点问题，通过临床医学，创新技术和基础学科的交叉，开展协同创新研究和研发，攻克医学重大难题。/spanspan style="text-indent: 2em "以重要的临床问题为根，利用前沿的高通量多组学技术（基因、转录、蛋白、翻译后修饰、代谢、微生物）和人工智能分析手段，结合临床信息，打造成规模化专业化的临床生物标志物（包括疾病预防，诊断，机制，疗效和药物靶点）开发、验证和标准化的创新平台。/span/pp style="text-align: justify "span style="text-align: justify "br//span/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　原文链接：a href="https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.018" target="_blank"https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.018/a/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "br//pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　参考文献：/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　span style="font-size: 14px "　sup1 /supQian et al., Nature, 2020 581(7808):333-338/span/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "span style="font-size: 14px "　　sup2/sup Yan et al., Science, 2015 349(6253):1182-1191/span/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "span style="font-size: 14px "　　sup3 /supWan et al., Science, 2016 351(6272):466-475/span/ppbr//p

糖是组成生命体的四大类重要分子之一，糖蛋白质是由糖链与肽链中的特定氨基酸残基以糖苷键共价连接而成的蛋白质。糖蛋白质普遍存在于生物体内，在很多生命过程中起着重要作用，如蛋白质的折叠、细胞之间的相互识别、炎症反应等。同时，糖基化修饰在疾病中，特别是肿瘤的发生、发展和转移过程中也起到重要作用，许多疾病诊断标志物及治疗的靶标都是糖蛋白质。糖蛋白质组学和糖组学的研究具有重要的科学意义。以基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI-MS)和电喷雾质谱(ESI-MS)为代表的生物质谱技术，因具有快速、灵敏、可提供结构信息等优点，已成为糖蛋白质组和糖组分析的重要工具。　　由复旦大学杨芃原教授团队撰写的综述文章“质谱技术在糖蛋白质组学与糖组学方面的研究进展”发表于2016年第3期的《国家科学评论》。这篇综述论文系统介绍了近年来以质谱为核心的糖蛋白质组和糖组的研究策略和方法，以及该领域重要的生物和临床发现。重点讨论了国内糖蛋白质组学和糖组学研究团队在糖蛋白质和糖链的分离富集、糖链的衍生，糖链和糖蛋白质的质谱碎裂技术，糖链及糖蛋白质序列组成分析的软件技术等方面的进展，并分析了基于质谱技术的糖蛋白质组和糖组研究的关键问题，展望了该领域未来的发展趋势。　　杨芃原教授团队在基于质谱的糖蛋白质组学和糖组学方面展开了系统的研究。他们发展了一系列糖蛋白质/糖链富集和质谱定性的新方法，建立了基于复合纳米材料的富集新方法，基于新的共价反应的富集新策略，以及基于协同富集思路的富集新流程 建立了一系列糖蛋白质/糖链的质谱定量新方法，提出了酶促去糖链过程中的标记定量新方法和糖蛋白质组在蛋白质水平、糖基化程度水平及糖链水平的同时定量新方法等 开发了高通量糖蛋白质质谱检索的新算法等。这些工作提升了中国糖蛋白质组学和糖组学的研究水平，为糖蛋白质组学和糖组学研究提供了新的研究方法。

大家好，本周为大家分享一篇发表在Analytical Chemistry上的文章，Improved Label-Free Quantification of Intact Proteoforms Using Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry [1]，文章的通讯作者是美国俄克拉荷马大学的Luca Fornelli教授。完整proteoforms的非标记高通量定量方法的应用对象通常为从整个细胞或组织裂解物中提取的0 - 30 kDa质量范围内蛋白质。然而当前，即使通过高效液相色谱或毛细管电泳实现了proteoforms的高分辨率分离，可鉴定和定量的proteoforms的数量也不可避免地受到固有的样品复杂性的限制。近年来，随着质谱技术的发展，自上而下蛋白质组学质谱(top-down proteomics)研究中蛋白质的鉴定数量大大提升，生成了包含数万种proteoforms的数据集，但在proteoforms的量化能力方面并没有得到相应的性能提升。为克服这一问题，本文中作者通过应用场不对称离子迁移谱法(Field asymmetric ion mobility spectrometry, FAIMS)对大肠杆菌中的proteoforms进行了非标记定量。由此产生的改进允许在单次LC-MS实验中采用多个FAIMS补偿电压(Compensation voltages, C.V.)，而不会增加整个数据采集周期。与传统的非标记定量实验相比，FAIMS的应用在不影响定量准确性的情况下，大大增加了鉴定和定量的proteoforms数量。首先，作者优化了质谱stepped-C.V.数据采集方法对Orbitrap Eclipse性能的影响，并从中筛选出了最优条件(−40、−20、0 V组合)。所有最新的基于Orbitrap的质谱仪(包括Exploris platform和Orbitrap Ascend)都可以采用single time-domain transients(即单次微扫描)在top down FTMS实验中生成高质量的质谱图。作者认为这对于在单次LC - MS2运行期间应用多个C.V.值的采集策略特别有益。接下来，作者应用该方法对大肠杆菌中的蛋白质进行了检测，并与传统的LC - MS2 DDA采集方法进行了比较(图1)。如图所示，每个C.V.值下的总离子流图都不同，且这一额外的分离导致在LB(Luria broth)和M9(醋酸钠处理)样品中鉴定到的proteoforms的数量显著提升。　　图1. 样本制备方法和proteoforms鉴定结果总结虽然在LC-FAIMS和LC-only数据集中，大多数鉴定到的proteoforms质量都小于15 kDa，但其中约20%的质量大于18 kDa甚至高达33.3 kDa(图2)。对已鉴定的proteoforms列表的深入分析表明，达到鉴定低丰度proteoforms的关键参数之一是在串联质谱(MS2)中有足够的时间注入离子。　　图2. A. FAIMS和非FAIMS鉴定到的proteoforms的质量分布。B. 鉴定到的proteoforms与注射时间之间的关系。最后，作者采用ProSight PD v 4.2 (Proteineous, Inc)进行了基于MS1的非标定量，结果显示基于FAIMS的数据集在LB样品(蓝色)和M9样品中检测到的差异表达的proteoforms均有所增加(图3)。作者评估了两个数据集之间的差异(使用和不使用FAIMS采集数据)，以验证FAIMS的应用是否会对量化准确性产生不利影响，结果只有1个proteoform显示相互矛盾的丰度趋势。这种差异是由于该蛋白和一个共流出蛋白之间质谱峰几乎完全重叠造成的。它们具有非常接近的单同位素质量，这样高水平的信号干扰可以很容易地干扰基于MS1的量化。启用FAIMS可以使MS1谱图简化，因为两种proteoforms可以富集在两种不同的C.V. 值下。　　图3. 大肠杆菌proteoforms无标记定量结果分析。作者将LC - FAIMS - MS2数据集与通过BUP在类似样品上获得的非标定量结果进行比较，得出两个主要的结论:1. BUP仍然对蛋白质组提供了更深层次的定量表征 2. BUP提供了与单个基因相关的所有产物的整体丰度水平信息 而TDP方法表明，给定的UniProt accession可以由多个差异表达的proteoforms组成，可能具有不同的行为(即在给定条件下，一些被上调，另一些被下调)。这一额外的信息可能具有潜在的生物学意义，但在基于BUP的定量分析中可能会被遗漏。本文描述的基于FAIMS的定量数据采集方法与PEPPI(Passively eluting proteins from polyacrylamide gels as intact species)蛋白分离技术完全兼容，产生0 - 30 kDa的组分，并且可以方便地根据待分析蛋白的平均质量调整质谱参数(C.V.值)，未来在更大的蛋白质定量方面具有广阔的应用前景。　　撰稿：张颖　　编辑：李惠琳　　原文：Kline JT, Belford MW, Huang J, Greer JB, Bergen D, Fellers RT, Greer SM, Horn DM, Zabrouskov V, Huguet R, Boeser CL, Durbin KR, Fornelli L. Improved Label-Free Quantification of Intact Proteoforms Using Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry. Anal Chem. 2023 Jun 13 95(23):9090-9096.　　李惠琳课题组网址www.x-mol.com/groups/li_huilin　　参考文献　　1.Kline JT, Belford MW, Huang J, Greer JB, Bergen D, Fellers RT, Greer SM, Horn DM, Zabrouskov V, Huguet R, Boeser CL, Durbin KR, Fornelli L. Improved Label-Free Quantification of Intact Proteoforms Using Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry. Anal Chem. 2023 Jun 13 95(23):9090-9096.

随着生命科学研究的深入开展,科学界对解析复杂生物大分子结构以揭示生命现象的渴望日益增加。在各种结构生物学技术快速发展的背景下,结构质谱技术凭借其独特的优势,日益成为连接静态结构与动态功能、实现从分子到细胞的跨尺度研究的重要手段。在12月12-15日即将召开的“第十四届质谱网络会（iCMS 2023）”同期，特别新增了“结构质谱新方法”主题专场,来自全国的顶尖科学家团队将汇聚一堂,围绕氢/重氢交换质谱、化学交联质谱、原位质谱等前沿技术,报告他们在蛋白质结构生物学研究中的最新进展。本次主题会议的召开,恰逢结构质谱技术发展的重要机遇,必将推动该领域技术的重要突破及交叉创新,开启生命科学研究的新篇章。热忱欢迎质谱界的科技工作者报名参会交流、了解前沿动态、开拓合作视野。部分报告预告如下，点击报名  》》》会议主持人：中山大学 教授 李惠琳中山大学药学院教授，博士生导师。主要从事生物质谱新技术的开发及应用，侧重于（1）开发整合结构质谱技术（包括native top-down MS, HDX-MS, CX-MS等），用于药物作用分子机制及蛋白复合物结构研究；（2）Middle-down/top-down蛋白质组学新技术的开发及应用。共发表SCI收录论文40篇，其中第一作者或通讯作者15篇，主要发表在Nat. Chem.、Anal. Chem.等期刊；2014年获得American Society of Mass Spectrometry Postdoctoral Career Development Award；2019年入选“珠江人才计划”青年拔尖人才；主持国家自然科学基金项目3项。报告人：香港理工大学 教授 姚钟平报告题目：氢氘交换质谱揭示β-内酰胺酶与抑制剂相互作用的动态构象复旦大学学士及硕士,香港科技大学博士,香港理工大学应用生物及化学科技学系教授。长期从事质谱、分析化学、化学生物学、组学的交叉学科研究，主要发展和应用质谱技术解决化学、生物、食品安全、信息科学等领域的基础和应用问题，在Nature Communications, PNAS, JACS等期刊发表论文100多篇。现任香港研究资助局专家委员会委员、深圳市中药药学及分子药理学重点实验室副主任、中国化学会有机分析专业委员会委员、Frontiers in Chemistry副主编以及Analytica Chimica Acta, Rapid Communications in Mass Spectrometry,《中国质谱学报》,《分析测试学报》等期刊编委。会上,姚钟平教授将作主题为《氢氘交换质谱揭示β-内酰胺酶与抑制剂相互作用的动态构象》的报告。利用氢氘交换质谱（HDX-MS）并结合原态离子迁移质谱（Native IM-MS）以及分子动态(MD)模拟，发现不同亚型的A型β-内酰胺酶在几个主要的结构域存在显著的动态构象差异。进一步研究了A型β-内酰胺酶与抑制蛋白结合界面的动态结构变化，结果揭示了H10区域是一个可调节β-内酰胺酶抑制作用的别构部位。报告人：浙江大学 研究员 周默为报告题目：非变性质谱剖析异质性蛋白复合体结构和功能信息浙江大学首位“求是实验岗”研究员，分析化学专业，长期从事前沿生物质谱技术和仪器的开发工作。2008年本科毕业于武汉大学，2013年博士毕业于美国俄亥俄州立大学，之后两站博士后分别在美国FDA和西北太平洋国家实验室PNNL。2018年成为PNNL的研究员开展独立研究，培养多名博士后和学生。2023年加入浙江大学。截至目前共发表60余篇学术论文，代表作包括在Angewandte Chemie, Nature Communications, Analytical Chemistry等期刊的论文。现任自上而下蛋白组协会（Consortium for Top Down Proteomics）的青年委员会主席，曾担任美国质谱协会（ASMS）的出版委员会委员、短课程讲师、评审委员等学术任职，努力推动新分析测试技术的开发和跨学科领域的应用研究。本次会议中，周默为研究员将为介绍题为《非变性质谱剖析异质性蛋白复合体结构和功能信息》的报告。精准表征生物大分子的微观结构对各类生物工程、生物医药领域的研究至关重要。由于大部分质谱检测到的分子量范围有限，在分析之前生物大分子需要先被剪切为分子量更小的片段。但是剪切和碎片化的过程中会丢失一些关键的结构信息。前沿质谱技术提高了仪器的分子量上限，使非变性条件“自上而下”研究完整的生物大分子更加容易。我将以具体案例，阐述自上而下非变性质谱技术在异质性蛋白质复合体结构和功能解析中的贡献，以及与其他方法的互补性。报告人：北京大学 研究员 王冠博报告题目：生物样本中蛋白高级结构的质谱分析北京大学生物医学前沿创新中心研究员。北京大学学士，美国马萨诸塞大学博士，曾于荷兰乌特勒支大学暨荷兰蛋白组学中心从事博士后研究；曾任南京师范大学教授、博士生导师。主要从事免疫反应相关蛋白质的高级结构及相互作用研究，以生物质谱为核心工具，结合新型分析设备研发，应用于生物物理学、蛋白质药物分析等领域。长年与国际药企合作研发新型药物表征技术并应用于新药研发。获国际国内授权专利，出版《Mass Spectrometry in Biopharmaceutical Analysis》等专著、译著、合著多部。任中国生物化学与分子生物学会蛋白质组学专业分会委员、国际学术组织Consortium for Top-Down Proteomics青委会委员。本次会议中，王冠博研究员将围绕生物样本中蛋白高级结构的质谱分析主题分享报告。生物质谱已成为蛋白质多次结构表征的重要工具。为将蛋白结构质谱技术的应用拓展至生物样本乃至临床样本中，我们针对背景基质复杂、糖基化等修饰异质性高、超大分子量颗粒结构层次多样等问题，以非变性质谱等质谱手段为核心工具开发了一系列组合策略，提供生物样本乃至临床样本中的蛋白高级结构和相互作用关系信息。报告人：中国科学院大连化学物理研究所 研究员 王方军报告题目：高能紫外激光解离-串联质谱仪器研发和应用2011年于中科院大连化物所获博士学位，师从邹汉法研究员。研究工作致力于生物大分子质谱新仪器、新方法及其在生命健康领域的应用研究，搭建了世界首台50-150 nm可调波长极紫外激光超快解离-串联质谱；提出了位点光解离碎片产率和原位化学标记效率定量表征蛋白质结构变化的两种质谱分析新原理，实现亚微克蛋白质复合物序列和结构变化单氨基酸位点分辨表征；发展了蛋白质-纳米材料界面相互作用精细结构的质谱分析新方法等。在Nat. Protoc.，J. Am. Chem. Soc.，Cell Chem. Biol.，Chem. Sci.，Anal. Chem.等期刊发表论文130余篇，他引5000余次。本次会议中，王方军研究员将分享题为《高能紫外激光解离-串联质谱仪器研发和应用》的报告。高能/真空紫外激光解离是表征生物大分子序列和动态结构的前沿结构质谱表征技术，但相关仪器和理论都亟待发展。报告人将介绍近年来自主研发的皮秒脉冲极紫外激光解离装置和蛋白质原位光化学标记仪器的原理、主要参数、与商品化质谱对比、及在蛋白质瞬态结构表征、蛋白-蛋白识别和相互作用机制分析等方面的应用情况。报告人：中国科学院大连化学物理研究所 研究员 赵群报告题目：活细胞内蛋白质原位构象和相互作用规模化解析新方法研究中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。本科毕业于西北大学化学基地班。同年进入大连化学物理研究所攻读博士学位，师从张玉奎院士和张丽华研究员，2014年获得理学博士学位。毕业后留所工作至今，主要从事蛋白质组定性定量及相互作用分析新技术研究，共发表学术论文62篇，其中近五年以通讯/第一作者（含共同）在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed.，Anal. Chem.等SCI期刊发表论文23篇；已获20项发明专利授权。作为课题负责人承担国家重点研发计划，作为项目负责人承担国家自然科学基金面上基金等，2023年获国家自然科学基金优秀青年基金支持；2018年入选大连市科技之星，2020年入选中国科学院青年促进会会员，2023年获中国化学会菁青化学新锐奖；兼任《色谱》青年编委、中国化工学会理事、中国蛋白质组学会青年委员、中科院青促会沈阳分会委员等。本次会议中，赵群研究员将围绕题为《活细胞内蛋白质原位构象和相互作用规模化解析新方法研究》的报告。作为生命活动的执行者，蛋白质通过相互作用形成复合体等形式行使其特定的生物学功能。不同于细胞外的离体环境，细胞内的限域效应、拥挤效应和细胞器微环境等对于维持蛋白质复合体的结构和功能起着至关重要的作用。因此，实现细胞内蛋白质相互作用的精准解析对于深入研究其生物学功能，进而理解生命现象本质具有重要意义。近年来，化学交联质谱技术已逐渐成为蛋白质复合物解析的重要手段。它是利用化学交联剂将空间距离足够接近的蛋白质内/间的氨基酸以共价键连接起来，再利用质谱对交联肽段进行鉴定，进而实现蛋白质相互作用的组成、界面和位点的解析。现有化学交联技术主要用于解析体外表达纯化的或细胞裂解液中的蛋白质复合物，而在细胞内蛋白质复合物的原位构像解析方面仍处于起步阶段。 针对上述问题，我们团队发展了一系列新型高生物兼容性的可透膜多功能化学交联剂，实现了活细胞内蛋白质复合物构像的原位交联捕获；建立了多种高选择性的低丰度交联肽段的富集方法和高可信度的交联肽段鉴定方法，显著提高了原位交联信息的鉴定灵敏度、覆盖度和准确度；进而，通过靶向富集特定亚细胞器内的交联蛋白质复合物，实现了亚细胞器空间分辨的蛋白质相互作用精准解析；在上述基础上，利用基于化学交联距离约束的分子动力学技术获得了蛋白质复合物的动态系综构像，实现了活细胞微环境下蛋白质复合物组成、相互作用界面及作用位点的规模化精准解析，为规模化地揭示蛋白质复合物功能状态下的结构调控机制提供了重要的技术支撑。为了分享质谱技术及应用的最新进展，促进各相关单位的交流与合作， 仪器信息网与北美华人质谱学会（CASMS）将于2023年12月12-15日联合举办第十四届质谱网络会议（iCMS2023）  。以上仅是部分报告嘉宾的分享预告，更多精彩内容请参加会议页面：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/iCMS2023/ （点击下图去报名）》》》

回顾质谱的百年发展史，得益于机械、电子和计算机行业的不断创新，质谱仪的性能也在不断提升。而真正推动质谱实现飞跃的是那些偶然的革命性创新，即具有颠覆性的技术创新——创造全新的分析规模和能力水平。蛋白质组学的大规模分析亦是革命性创新所推动实现的，John Yates III便是实现这项工作的关键科学家之一。John Yates：I was instantly hooked when I first saw a mass spectrometer. 迷恋 | 与质谱的初见作为MudPIT (Multi-dimensional Protein Identification Technology) 与SEQUEST的发明者，John Yates为蛋白质组学技术带来了突破性的进展，而他的每一份成就离不开对质谱的热爱。Yates也在某次采访中直言，在他第一眼看到质谱时，就被“迷倒了 (instantly hooked)”！MudPIT与SEQUEST的发明者——John Yates据Yates回忆，当时他还是个本科生，看到质谱仪是怎么运作的那个瞬间，他惊呼：“这好酷！”；而当看到实验室里满满当当的计算机时，他又被其强大的数据处理能力所震撼。因此，1980年获得缅因大学 (University of Maine) 动物学学士学位的Yates，选择继续在本校攻读化学专业的研究生课程。在学习过程中，为了深入探究质谱法与蛋白质组学研究的关联性，实干派Yates联系了弗吉尼亚大学(University of Virginia)的Don Hunt（弗吉尼亚大学的化学和病理学系教授）。不久后，他收到了一封手写的邀请函，并就此开展了他在弗吉尼亚大学的研究。与此同时，Yates已经看到了质谱的潜力，并希望将其应用于蛋白质组学研究中，但受限于“无法通过人工对数据进行快速解析”。因此，他带领团队在1994年开发了质谱数据的翻译器——软件工具SEQUEST。 John Yates发明SEQUEST算法释放质谱的魅力 | “翻译器”SEQUEST某种程度上而言，SEQUEST的开发是一种必然。1990年，美国能源部 (United States Department of Energy) 和美国国立卫生研究院 (National Institutes of Health, NIH) 向美国国会 (United States Congress) 提交了人类基因组测序的联合计划。自那时起，数据库开始充满了DNA序列信息，用于挖掘数据生物信息学的相关算法也大量涌现。1994年是数据依赖型采集 (data-dependent acquisition, DDA) 的诞生元年，开创性成果SEQUEST也在这一年诞生，万众瞩目。作为自下而上蛋白质组学（自下而上法：对蛋白质进行酶解处理后，得到多肽进行分析) 检索程序的开山鼻祖，SEQUEST的开创不仅奠定了蛋白质组学研究的核心基础，使更多生命科学领域中的研究人员意识并认同蛋白质组学的价值，更向全世界展示了质谱的魅力与潜力。简单来说，SEQUEST是通过利用人类基因组学的信息来解释质谱的信息（即肽和蛋白)。在研究细胞中的蛋白时，得益于这个方法，研究人员不需要对每个蛋白进行纯化，只需要对整体蛋白进行剪切，再通过质谱分析其中的每一种蛋白，便可获得全部蛋白的信息。SEQUEST分析方法可分为四步：（1）对质谱数据进行压缩；（2）通过比对蛋白质数据库 (database)与实验质谱数据在分子质量层面的信息，匹配 (compare)可能的多肽序列；（3）将从数据库中得到的序列的预测片段离子与质谱信息进行比较，从而产生最佳匹配序列表；这个序列被用于进行打分和统计学运算，进而（4）得到分析结果。SEQUEST分析步骤这套方法不仅采用了彼时最前沿的技术，如求互相关性的快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)，还融入了作者在对质谱数据深入理解后的大胆假设，如对数据进行的系统归一化处理和多项经验打分权重等。SEQUEST提高了质谱技术的有效性和准确性，可以使关键性的生物和临床问题得以解决。自其开发以来，世界各地的研究人员对细胞器中的大部分蛋白质进行研究，根据正常和疾病状态中蛋白质表达差异进行“画像”，从而揭示疾病发生发展的机理。此外，这项工作也促进了蛋白质组学的大规模应用（将在下文进行介绍），他本人将其应用于确定单细胞生物体和哺乳动物细胞中蛋白质复合物成分的大规模研究中。一系列的其他软件亦在SEQUEST的影响下被开发，促进了蛋白质组在分子和细胞生物学研究中的各种应用，包括肽/蛋白的定性定量分析、翻译后修饰的鉴定、蛋白质结构动态研究等等。新战场 | 蛋白质大规模鉴定1998年，Yates提出鸟枪法蛋白质组学 (Shotgun proteomics)，以推动蛋白质组的大规模鉴定分析。这个思路来源于人类基因组草图的制作方之一——塞莱拉基因组公司 (Celera Genomics)。他们采用了彼时非常先进的基因测序技术：鸟枪法 (Shotgun)。这种方法跳过将基因组拆分、克隆的过程，直接将其打成小片段进行随机测序，就像拼图一样：我们把一块完整的拼图买回家，彻底打乱后，再开启游戏之旅。2001年，基于鸟枪法蛋白质组学的想法，John Yates团队开发了MudPIT技术，并将其成果发表于 Nature Biotechnology，文章题目为Large-scale analysis of the yeast proteome by multidimensional protein identification technology。实现将鸟枪法应用于蛋白质组学是一件里程碑式的发展成就，其不仅颠覆了传统的蛋白质分析方法，还推动实现大规模分析。Yates带领团队开发MudPIT彼时应用最为广泛的蛋白质分析鉴定方法是二维聚丙烯酰胺凝胶电泳 (Two-dimensional gel electrophoresis, 2D-PAGE)，该技术是通过等电点(isoelectric point, pI) 和分子量 (molecular weight, MW) 两个维度，对蛋白质进行鉴定，拥有高分辨率的特点。然而，2D-PAGE存在着一些难以克服的缺陷：（1）虽然该技术可以提供蛋白质的相对分子质量、等电点、表达丰度的相对量等信息，但它无法完成一些更为“精细”的任务，如低丰度蛋白质点的检测，极酸性和极碱性区蛋白质及高分子质量区蛋白质的分离等；另一方面，（2）这项技术自动化程度低，重复性差且耗时长；除此以外，（3）鉴定量和通量一直是这项技术的瓶颈。反观MudPIT，这是一种非凝胶技术，可以实现复杂蛋白质和多肽混合物中某一成分的分离与鉴定工作。首先，肽段先在二维液相色谱中被分离，然后再进入多维毛细管液相色谱中分离、而后进行串联质谱分析以及最后的数据库检索工作。该技术可对样品量较少的蛋白质进行快速分析，适用于蛋白质组学中大规模蛋白质的分离鉴定研究。Yates的文章将MudPIT较之2D-PAGE技术的优势全盘展示。他们完成了彼时鉴定量最大的蛋白质鉴定研究：从酿酒酵母 (S. cerevisiae) 的蛋白质组中分离鉴定了1484个蛋白质；作为对比，当时最大的基于2D-PAGE的蛋白质组学研究，仅鉴定出了流感嗜血杆菌 (Haemophilus influenza) 蛋白质组的502个蛋白质。总体来看，MudPIT的灵敏度和动态监测范围都有了更大的进步，且应用范围更广、自动化程度高。因此，MudPIT也成为了二十世的最初的十年里，研究复杂生物样本中大规模蛋白质表达、定性和定量的强有力工具。制胜密码 | 创新与协作John Yates：I’ve become very intrigued with the concept of innovation.科研进展十分依赖于研究人员的高强度攻坚，及不断创新。他们需要不停地“刁难”自己、“刁难”别人，保持新方向、新想法的敏感度。Yates也一直非常希望更多的科学家可以在他的方法上继续创新。为了帮助各位科学家早日创新、淘汰自己的方法，Yates分享了自己的“创新书单”，希望大家一起从书中学习创新路径并得到启发，如Jon Gertner的 The Idea Factory（这是一部关于传奇科研机构——贝尔实验室的传记，其中共孕育了9位诺贝尔奖得主），以及Steven Johnson的 Where Good Ideas Come from（在这本书中，作者深入发明的创新自然史，对其进行跨越学科、领域的追踪，确定了创新的七种关键模式）。Yates也回忆道，在2003年与一家质谱制造商讨论合作时，他的第一个问题是“扫描速度可以更快吗？”也正是这个问题使得我们迎来了现在的升级版质谱仪。此外，当新设备准备落地时，Yates还会不断提出新的想法，与合作方商讨，寻找更优解。除创新以外，Yates还十分主张团队协作性，并先后培养出来70多位优秀的科学家。其中一位曾在Yates实验室进行博士后工作的研究员Michael Washburn（目前是美国堪萨斯大学医学中心肿瘤生物学教授）称，Yates使他深刻认识到建立一个多学科团队的必要性。因为质谱研究不是一场单机游戏，它极度需要跨学科的方法论，复合型人才的相互教导，才能解决研究瓶颈取得成果。因此，在当年与Yates一起开发出MudPIT后，Washburn在蛋白质组学研究领域继续开疆拓土，并以基于质谱来研究染色质重塑复合物而闻名。Michael Washburn成就、扎根 | 年轻的蛋白质组学SEQUEST 与 MudPIT 的开发，及其他杰出的科研成果奠定了Yates在蛋白质组学领域的泰斗地位，他也毫不意外地入选了 2011年 “2000-2010年全球顶尖一百位化学家”名单。John Yates入选2011年 “2000-2010年全球顶尖一百位化学家”名单此外，他于2019年获得ASMS质谱杰出贡献奖及 Khwarizmi 国际奖，以表彰他对蛋白质组学的贡献。蛋白质组学诞生（1997年）至今才二十余年。得益于全球科学家和HUPO的不懈努力，这个年轻的前沿学科已获得许多令人振奋、惊叹的里程碑式成果。未来，我们亦期待、欢迎有更多的年轻研究人员参与进来，一同以蛋白质组学为支点，揭示生命的奥秘，开创疾病治疗的新篇章。年轻科研力量的崛起是科技创新、发展的重要引擎。2015年，HUPO特设Early Career Researchers (ECRs）项目，以推动年轻科研人员对新知识、新思想和前沿科技创新的引领作用。具体而言，该项目的主旨为：（1）为ECR提供更多研究和交流平台，提高他们的科学知名度：HUPO设立稿件竞赛 (Manuscript Competition)，以便让杰出的年轻科学们展示自己最新工作成果；（2）为ECR策划职业发展相关活动，提高他们在学术界、工业界的竞争力：HUPO邀请来自不同科研、技术和商业领域的世界知名科学家，分享他们的科研经历与职业生涯；（3）提高蛋白质组学领域的公平性、多样性和包容性。参考资料1. Washburn, M. P., Wolters, D., & Yates, J. R. (2001). Large-scale analysis of the yeast proteome by multidimensional protein identification technology. Nature biotechnology, 19(3), 242-247.2. Proteomics goes global. Nature biotechnology, 24, 302–303 (2006). https://doi.org/10.1038/nbt0306-3023. Eng, K. J., McCormack, A. L., & Yates, J. R. (1994). An approach to correlate tandem mass spectral data of peptides with amino acid sequences in a protein database. Journal of the American Society Mass Spectrometry, 5(11), 976–989.4. Yates, J. R. (2013). The revolution and evolution of shotgun proteomics for large-scale proteome analysis. Journal of the American Chemical Society, 135(5), 1629-1640.5. Vivien, M. (2013). Digging deep into proteomes. Nature Method, 10(1), 3.6. MICHGAN STATE UNIVERSITY. (n.d). Dr. Michael Washburn. Retrieved from https://bmb.natsci.msu.edu/about/awards/john-a-boezi-memorial-alumnus-award/dr-michael-washburn/7. Scripps Research. (2019). Chemist John Yates receives 2019 ASMS John B. Fenn Award for innovations that advanced mass spectrometry. Retrieved from https://www.scripps.edu/news-and-events/press-room/2019/20190614-yates-amsmaward.html

2023年6月4日，ASMS会议中，赛默飞推出了基于全新质量分析器的Orbitrap Astral质谱仪，为生命科学质谱应用带来了未来的无限可能。蛋白质组学因其在理解生命科学中的重大意义及技术上对于质谱仪的高分辨率、高灵敏度、高质量精度以及定量准确性的全方位高要求，使得我们愈发得期待全新Orbitrap Astral质谱仪能够为蛋白质组学向更快、更深、更全面的发展提供帮助。而全新Orbitrap Astral质谱仪的表现如何呢？让我们用数据说话~在对于生命体的理解中，作为生命活动的最终执行者，蛋白质的重要性不言而喻；而蛋白的复杂性极高，在不同的物种、组织、细胞等层级中，它具有不同的时空表达特异性；在这些变化中，同样的蛋白可能会有不同的形态，而呈现中多种多样的功能；而这些变化可能发生在不同的细胞中，也可能发生在不同的细胞组分甚至是不同的蛋白复合物中。分析蛋白质的金标准技术是质谱技术，现代质谱技术应用于蛋白质组学的分析中，我们明确的有三个大的方向亟待改进：1. 检测通量，我们需要将检测的能力提升至上万个样品的大队列的水平；2. 更高的蛋白组覆盖度，我们期待在每次检测中都能够得到所分析样品更高的蛋白鉴定深度，从而鉴定与定量更多感兴趣的蛋白；3. 灵敏度，即在极低量的样品中如单细胞样品中即可获得最大蛋白组覆盖度的能力。赛默飞一直致力于多个质谱质量分析器的组合，期待它们能如同交响乐般的发出混合且和谐的声音，对于质谱仪而言，我们现在所使用的质谱仪无疑是非常强大的，以Orbitrap为例，它具有超高的分辨率、质量精度和动态范围，它一直支撑着我们走过了蛋白质组学的蓬勃发展的阶段，时代的脚步再一次来到了全新的Orbitrap Astral质谱仪，在这里，我们将在检测通量、蛋白组覆盖深度、灵敏度及精准定量等多个维度展示其超强悍的性能：图1：全新一代Orbitrap Astral质谱仪全面提升蛋白质组学分析能力首先，我们看检测通量的变化：现在我们的科学家们所拥有的的丰富的样品量与目前市面上的质谱所能提供的单日检测通量有着显著的矛盾，目前我们的质谱仪约能提供的单日最大检测通量约为48个样品，而Orbitrap Astral 创造历史的将这个值提升至每天180个样品，这使得蛋白质组学在分析中的限速步骤不再是质谱的通量；每天180个样品通量意味着我们的单个样品总梯度为8min，实际分离梯度为5.5min，超短的梯度能提供超过8000个protein group的鉴定深度！而如果使用略长的14.4min梯度，达到100SPD（单日检测样品量），可以得到单个样品9000个protein group的鉴定深度；而24min梯度60SPD，则可以得到单针超过10000个蛋白的鉴定；60min梯度就可以得到超过12000个蛋白的鉴定水平；超高的检测通量兼具鉴定深度，使得用户能更加游刃有余的根据其实验需求，在检测样品通量与样品鉴定深度之间寻求更好的平衡；更深的鉴定能力带来对于生物学功能的更深的认知，我们期待着全新一代Orbitrap Astral质谱仪带给我们更有趣的生物学发现！图2：全新一代Orbitrap Astral质谱仪兼具超高的检测通量与深度蛋白组覆盖能力（点击查看大图） TMT技术路线是定量蛋白质组学的重要方法之一，目前TMT的通量已经达到18-plex，而全新的Orbitrap Astral质谱仪，其结合了超高分辨率和动态范围的Orbitrap质量分析器与超高扫描速度及超高灵敏度的Astral质量分析器，分别执行一级与二级扫描，二级Astral质量分析器在m/z524时的分辨率约为8万分辨率（m/z130时分辨率约为5万），适用于分辨TMT的报告离子从而进行TMT定量。如果将TMT样品分为2个fraction，运行90min梯度，即可拿到8000个定量蛋白；按照TMT-18plex的通量，我们可以达到每天144个样品的检测通量；而如果我们使用4个fraction进行检测，则可以拿到超过10000定量蛋白。图3：全新一代Orbitrap Astral质谱仪为TMT定量检测注入全新动力（点击查看大图）其次，我们来关注蛋白组的覆盖度：更深的蛋白质组覆盖度一直是我们的追求，以目前的质谱技术，蛋白鉴定的最大深度在12000个蛋白附近，这个值与mRNA测序相当；其实我们如果想要使用质谱技术来实现目前的鉴定深度，要牵扯到很多步骤，一般需要进行离线分级后多针上机检测的操作，比如，我们可以首先运行一个77min的离线分离梯度，收集46个馏分，每个馏分33min梯度；消耗了34.5个小时，最终达到12000个蛋白的鉴定水平；人们用这种方法，这样的蛋白鉴定深度，得到了很多生物学信息，比如肿瘤细胞系的通路等，发现了很多关键蛋白；如果我们想把这样的技术路线用在真正的大规模研究上，它对机时的消耗过于巨大了，实验过程过于艰苦；而我们使用全新的Orbitrap Astral质谱仪，能够实现单针，60min色谱梯度的情况下，即可达到12000个蛋白的鉴定；那如果我们在Orbitrap Astral上也使用多次进样的方法，4.5小时我们就可以拿到超过15000个蛋白了，这也使得我们在历史上第一次无限接近于整个蛋白质组的鉴定深度。其一天内的鉴定通量达到了8个proteomes的水平，我们真正具备了处理大规模研究的能力。图4：全新一代Orbitrap Astral质谱仪为蛋白质组学带来前所未有的鉴定深度（点击查看大图） 在蛋白质组学中，除了常规的细胞裂解液样品，解决具有极大的动态范围的血液样品也是巨大的挑战。在180个SPD的通量下，未经高丰度去除的血浆样品可以达到600个蛋白的鉴定水平，若需要更深的覆盖度，经seer处理后的5个fraction长梯度可达到超过6000个蛋白鉴定深度。而使用30min梯度分析经富集的血浆样品（5个fraction单独进样），DIA方法更是能够重复定量样品里的4500多种蛋白。全新一代Orbitrap Astral质谱仪鉴定深度，使得我们的用户可以根据实验需要，在鉴定深度与通量之间寻求到平衡。图5：全新一代Orbitrap Astral质谱仪为血液样品研究带来新的可能（点击查看大图） 而后，我们来关注灵敏度：✦ ✦ ✦ ✦ 如今单细胞组学快速走进了人们的视野，要进行更深度、更高通量的单细胞蛋白质组学，对质谱的灵敏度提出了更高的要求。我们研究蛋白质组学，从来便是越深入越困难。而全新的Orbitrap Astral质谱仪，可以以极高的速率进行高动态范围的检测，同时兼具超高的灵敏度。在进行单细胞蛋白质组学的检测中，全新的Orbitrap Astral质谱使得我们可以以80个SPD的检测通量(18min梯度单针运行时间)的同时得到超过5000个蛋白的鉴定水平。这表明，使用全新的Orbitrap Astral质谱仪，我们可以在检测通量翻倍的同时，得到更高的蛋白鉴定能力，从而为单细胞蛋白质组学树立了新的标准。图6：全新一代Orbitrap Astral质谱仪为单细胞蛋白质组学树立新的标准（点击查看大图） 定量蛋白质组学不仅追求更高的鉴定能力，我们也同时迫切的需要更加精准的定量，从而为我们提供准确的差异蛋白信息，指导生物学研究。全新的Orbitrap Astral质谱仪具有在宽线性动态范围的基础上的精准的定量能力，如图7，在经过不同比例混样的样品比较中，Orbitrap Astral所产生的定量比值，均符合实际混样比例，提供了精准的定量比值。甚至即使是极低的拷贝数的蛋白(如200-3000个拷贝数)，Orbitrap Astral也能提供精准的定量值。图7：全新一代Orbitrap Astral质谱仪展现了精准的定量性能（点击查看大图）在拥有了强劲的性能后，我们还需要仪器能够更加稳健的运行：在仪器的鲁棒性测试中，进行了超过2200次进样，其间的QC数据均表现出优异的鉴定稳定性与重现性。图8：全新一代Orbitrap Astral质谱仪拥有优异的稳定性与重现性（点击查看大图）总 结赛默飞全新划时代的蛋白质组学工作流，为您的蛋白质组学研究提供无缝衔接的全面支持。新的时代，无比期待!图9：赛默飞全新划时代的蛋白质组学工作流 了解Astral高分辨质谱仪应用详情，请点击“血浆蛋白质组学的新标准”

蛋白质是生命的物质基础，通过与不同生物分子间的相互作用在生物体内执行着各项重要工作，其功能与结构直接相关。因此，解析蛋白质及其复合物高阶结构对于深入理解蛋白质功能、生理现象及药物研发具有重要意义。过去的60余年，随着X-射线晶体衍射(X-ray)、核磁共振(NMR)以及冷冻电镜(cryoEM)等技术的出现和不断发展，蛋白质结构解析取得了长足发展。然而，如何在分析蛋白质时使其保持近似自然生理环境的非变性状态，对其动态、异质性、相互作用等属性的研究是结构生物学领域的热点和难点。　　质谱技术的不断发展使其在蛋白质结构表征领域发挥了越来越重要的作用。非变性质谱(native MS)兴起于20世纪90年代，是一种可以分析蛋白高阶结构的生物质谱方法。与传统的破坏蛋白质立体结构和弱相互作用力的方法不同，非变性质谱采用质谱兼容的近生理pH值的溶液体系(主要为醋酸铵)和更温和的电离方式，使生物大分子在气相中能够最大程度地保持自然折叠状态、非共价相互作用和相关的生物学功能。因此，非变性质谱可以提供分子质量、寡聚态、构象(折叠vs 去折叠)、异质性、配体结合、靶蛋白-小分子亲和力以及复合物中蛋白亚基的相互作用网络关系等更具生物学意义的重要信息，为蛋白质“序列-结构-功能”关系提供分子基础，已成为结构生物学不可或缺的互补工具,在生物制药、蛋白一配体、蛋白一蛋白复合物结构分析等诸多领域具有广泛应用。　　近年来,蛋白质结构研究领域经历着剧烈的技术迭代。2021年人工智能(AI) AlphaFol2横空出世,将蛋白质3D结构预测的精度从60%提升到90%以上,在给传统结构解析技术带来冲击的同时,也为结构质谱的发展提供了契机。　　未来,非变性质谱技术的发展需要简化样品处理,提升仪器的灵敏度、分析通量和鲁棒性,实现内源性蛋白复合物样本的直接或原位分析,推动其在生物医药表征、蛋白多聚态等领域的更广泛应用。非变性质谱技术与离子消度(MS)、自上而下串联解离(top-down)、电荷检测质谱(CDMsS)等创新联用技术和方法的不断开发及完善,将极大地提升结构信息的广度、丰富度及精确度,补充生物物理学方法缺失的结构信息。同时,非变性质谱与cryoEM1、氢完交换质谱(HDX-MS)、交联质谱等技术联用将更加常态化,这些实验数据与AI结构预测算法的进一步整合将有效解决蛋白及蛋白复合物结构预测存在的精度问题,推动结构生物学发展,助力新药研发。　　此外,非变性质谱技术的应用发展将更加关注:1)蛋白复合物结构一功能关系的研究,通过与计算机模拟(MD)、HDX-Ms、cryoEM等技术联用,揭示标志物蛋白在人类疾病发展过程中的作用,推动靶向药物设计和精淮医疗 2)通过研究小分子与靶蛋白的相互作用获取二者结合的亲和力信息,加速靶向药物筛选 3)翻译后修饰(PTMS)、突变等因素导致的蛋白高度异质性及其对蛋白或亚基折叠动力学、构象及构象变化、结合计量比等造成的结构和功能影响 4)蛋白与其他生物分子(配体、DNAA/RNA、金属离子等)之间的相互作用。　　李惠琳，中山大学药学院教授，博士生导师。主要从事生物大分子质谱新技术的开发及应用，其研究主要侧重于1)开发整合结构质谱技术，并对蛋白质机器结构、功能和动态变化及靶向药物作用分子机制进行深入研究2)开发middle-down/top-down蛋白质组学技术，探索蛋白翻译后修饰在生命过程中的调控机制。承担国家自然科学基金项目3项，荣获美国质谱学会颁发的Postdoctoral Career Development Award (2014) ，入选珠江人才计划(青年拔尖人才，2019)，其研究成果发表在Nature Chemistry, Analytical Chemistry, J. Am.Soc.Mass Spectrom.等杂志。　　"非变性质谱技术研究与应用"专栏共收录7篇论文,既介绍了非变性质谱技术的样品制备、离子源、质量分析器、联用技术等基础内容,也涵括了样品提取、样品引入、离子化及电荷操控等方式,以及在蛋白结构及构象解析、蛋白・蛋白相互作用等领域的应用,代表了国内非变性质谱技术的发展现状。希望本专栏能成为《质谱学报》广大读者颇有价值的科技文献,同时也希望更多的学者加入到非变性质谱研究领域,推动我国结构质谱技术的创新发展。

大家好，本周为大家分享一篇来自Angewandte Chemie - International Edition的文章：Infrared Multiphoton Dissociation Enables Top-Down Characterization of Membrane Protein Complexes and G ProteinCoupled Receptors[1]，文章的通讯作者是牛津大学化学系的Carol V. Robinson教授。　　非变性质谱(Native MS)是结构生物学中一个成熟的工具。在电喷雾电离过程中使用非变性缓冲液可以保存多组分蛋白质复合物之间的非共价相互作用，以及它们的配体、辅因子或其他结合蛋白。它可以用于探究蛋白质复合物的相互作用和功能，因为结合事件导致质量变化，可以在质谱仪中跟踪和剖析。然而，由于膜蛋白的疏水性，使得它们在传统的非变性质谱缓冲液中不溶且容易聚集，因此在非变性质谱中呈现出独特的挑战。目前采用的方法是将蛋白质复合物溶解到膜类似物中，例如：去垢剂、纳米脂质盘、两性聚合物等，再将这些膜类似物通过碰撞激活去除。其中去垢剂是应用的最广泛的一种。然而由于碰撞激活的能量在应用中受到限制，该方法并不能在质量分析前很好地去除去垢剂。此外，在非变性质谱条件下，键的断裂也受到非共价相互作用强度的影响(例如蛋白质-蛋白质、蛋白质-去垢剂剂以及去垢剂胶束内的相互作用)。　　基于光子的方法，如紫外光解离(UVPD)和红外多光子解离(IRMPD)已被证明有利于可溶性蛋白质及其复合物的Top-Down质谱分析。与此同时，基于光子的膜蛋白Top-Down模式的应用正在兴起。原理上，激光束路径中的离子被连续地驱动到振动激发态。因此，在基于光子的方法中，能量储蓄通常与前体离子的电荷状态和分子量无关。然而，电荷状态和分子量仍然会影响肽键解离需要的输入能量。先前报道的通过UVPD对79 kDa的五聚体的大电导机械敏感通道(MscL)Top-Down的断裂得到了令人印象深刻的54%的序列覆盖。然而，对于氨通道(AmtB)一个127 kDa的同源三聚体，通过碰撞激活和UVPD两种不同的方式破碎，仅实现了20%的序列覆盖率。事实上，相对较低的序列覆盖率是由于大分子量以及三聚体中增加的非共价相互作用影响的结果。尽管这些工具能够在非变性状态下实现Top-Down质谱分析，但其在膜蛋白表征中的应用仍不广泛。这就要求建立一种能使低电荷密度的高分子量蛋白质稳定地产生蛋白质序列离子的方法，而膜蛋白嵌入异质膜或膜类似物则使这一问题更加复杂。虽然IRMPD之前被用于从去垢剂中释放膜蛋白，但使用IRMPD对非变性的膜蛋白进行测序的研究相对较少。　　图1. (A)改进的Orbitrap Eclipse Tribrid的原理图，其中包括一个红外激光器直接进入四极线性离子阱(QLIT)的高压细胞。离子化的蛋白质胶束被转移到高压QLIT中，在那里整个离子群受到红外光子的照射，然后被转移到Orbitrap进行质量分析。通过调节激光输出功率(W)和照射时间(ms)，可以使膜蛋白从去垢剂胶束中完全解放出来。(B)三聚氨通道(AmtB)在3.0 W输出功率和200ms辐照时间下的非变性质谱。(C)在3.3 W输出功率和200ms辐照时间下AmtB的非变性质谱。　　因此，作者利用改进的Orbitrap Eclipse Tribrid质谱仪，与连续波远红外(IR) CO2激光器连接，使光束聚焦到双四极杆线性离子阱(QLIT)的高压池中(图1A)。红外激活可以有效地去除蛋白质复合物中的去垢剂胶束，随后通过IRMPD使得膜蛋白碎片化。在这种安排下，由纳米电喷雾电离产生的蛋白质复合物被转移到高压池中。在转移到Orbitrap进行检测或m/z分离和随后的碎片化之前，整个离子群将受到943cm-1红外光子的照射。利用红外的方法去除去垢剂胶束，红外激光有两个可调控参数:激光输出功率(高达60瓦)和照射时间(毫秒到秒)。因此，可以更好地控制从蛋白质胶束中释放膜蛋白，确保非变性复合物的保存，同时完全去除包裹复合物中的去垢剂。通过对激光输出功率和照射时间的优化，作者发现红外激活的参数是高度可调的，不同的激光功率和照射时间的组合也可以产生分辨率相当的谱图。其中例如在3.3 W下照射200 ms时，可以得到多个电荷态的三聚体峰(~6500 m/z)，也可以观察到三聚体与脂质结合的峰，而且对于图谱中的单体也能观察到与脂质结合的峰(图1C)。作者还对不同的去垢剂产生分辨率较高的图谱所需要红外参数进行了评估，从而评价了这几种去垢剂得到高分辨率图谱的难易程度(图2)。　　图2. 红外辐射去除膜蛋白离子中的去垢剂是高度可调的。增加激光输出功率对三种常用的MS兼容去垢剂(C8E4, G1和DDM) AmtB三聚体峰外观的影响。辐照时间固定为200 ms，激光输出功率分别为2.1、2.4、3.0和3.6 W。去垢剂在真空中按易去除的顺序显示，这是由完全释放膜蛋白复合物所需的激光输出功率决定的，从而在m/z光谱中产生良好分辨的电荷状态峰。为了探究IRMPD分离蛋白质和去垢剂胶束的机制，作者对三种不同的去垢剂：四聚乙二醇单辛醚(C8E4)、树突状低聚甘油(G1)和十二烷基-β-D-麦芽糖苷(DDM)的溶液相和气相红外光谱进行了表征，并利用密度泛函理论(DFT)计算得到了C8E4头部基团的红外谐波光谱，用来验证所得到的红外吸收光谱会受到振动耦合的影响，对于质子化的去垢剂离子，氢键和富氧去垢剂内的质子共享可以改变观察到的振动频率。结果表明C8E4胶束的溶液相吸收光谱包含一个与预期激光波数943cm-1重叠的显著带，这就解释了为何较低的激光能量可以将去垢剂胶束和蛋白质复合物分离。而在谐波光谱中在预期的激光波数处的确产生了峰，并推测该峰来自于O-H伸缩、C-C伸缩，C-H弯曲和C-O伸缩振动的耦合。而G1和DDM的最大吸收则偏离了943cm-1的预期波数，作者认为这是不同去垢剂氢键作用的结果。而蛋白质在真空中的红外吸收能力较弱，由此推测在IRMPD的过程中，去垢剂是主要的吸收对象。所以仅需要较低的能量就可以使蛋白质从复合物中剥离而不至于破坏蛋白质的非共价作用。完整的蛋白质离子还支持串联质谱的实验，为了得到蛋白质的序列信息，作者分离了m/z在6674处(电荷态为+19)的AmtB三聚体蛋白，并将其置于高激光输出功率(9 W)下照射5 ms，在m/z 1750~4000之间产生密集的多电荷态离子片段，并得到了26%的序列覆盖，这优于之前基于碰撞激活的方法(20%的序列覆盖率)。此外，在MS2的谱图中并没有观察到单体的峰，这说明共价键的断裂比蛋白质的展开和亚基的分离更快，这种效应也在之前的可溶性蛋白和膜蛋白研究中呈现。为了探究位点裂解的偏好，作者将片段离子丰度通过电荷态进行了归化一，发现了高频的断裂位点来自于经典的选择性断裂位点X|P和D|X，而剩余的断裂往往发生在A|G、F|G和V|G的位点，说明N端到甘氨酸有更高的断裂偏好。为了观察断裂的位置和蛋白质的二级结构之间的关系，作者沿着氨基酸序列构建了每个片段相对于原点位置的相对丰度图，多个电荷态的离子则通过归化一的方法进行求和。(图3)由此观察到了大多数的片段断裂出现在跨膜区域的α-螺旋处，其中8号α-螺旋的T|P和V|G，以及6号α-螺旋的L|G和F|G断裂产生了丰度最高的几个片段。此外，将这些片段的相对丰度映射到三聚体的结构上发现，片段来自于蛋白质的内部而非表面。分子动力学的研究表明了其中的机制，在高温下蛋白质的跨膜区域的α-螺旋保持了稳定的结构，而非跨膜区域的α-螺旋则失去了大部分的螺旋结构。先前的研究表明了α-螺旋外侧的质子化的氨基酸可以稳定α-螺旋的结构。由此，作者推测质子不光可以稳定蛋白质的螺旋结构，而且可以沿着蛋白质的骨架迁移来诱导电荷远程破碎。　　图3. 三聚体AmtB的IRMPD。(A)在m/z 6674处分离19+电荷态离子阱后，IRMPD后观察到的碎片离子MS2谱。多重带电碎片被高亮显示 来自相同地点的重复片段用虚线分组。为了清楚起见，许多指定的离子没有注释 (B)片段丰度相对于裂解原点(残基数)的条形图，其中丰度表示来自每个位点的片段归化一强度之和。条形图的颜色强度表示每个片段的加权平均电荷。将AmtB的拓扑域叠加在条形图上 α-螺旋跨膜区域用黄色方框表示，编号为1到11。跨膜区由质周环和细胞质环连接，用灰色线表示。(C)主干裂解位点覆盖在AmtB (PDB: 1U7G)的结构上。蓝色和红色阴影区域分别代表b型和y型离子。颜色强度对应于所分配片段的丰度。从气相分子动力学模拟中得到的高温(500 K)下的跨膜螺旋快照用虚线圈标出。为了验证这一个推测，作者又对另外两种GPCR蛋白：β -1-肾上腺素能受体(β1AR)和腺苷A2A受体(A2AR)用IRMPD进行了MS2图谱的测定，结果也观察到了片段离子相似的二级结构定位，在跨膜结构区域有着高丰度的片段，但是在二硫键相连的螺旋中并没有观察到丰富的离子片段。并再次利用分子动力学模拟研究了两种GPCR的结构对断裂的影响。在500 K下的最终结构中显示，两种GPCR中都保留了α-螺旋特征，并与观察到的裂解位点密切相关。此外，还对这两种蛋白进行了HCD和IRMPD的比较分析。对于β1AR, IRMPD产生的片段离子平均分子量为8866 Da，高于HCD产生的5843 Da。IRMPD产生的片段离子也保留了更高的平均电荷(4.7 + vs 3.6+ z)。最终，IRMPD的碎片化导致β1AR的序列覆盖率更高，为28%，而HCD为17%。在A2AR中也观察到类似的趋势，IRMPD的覆盖率为19%，而HCD为9%。　　总的来说，作者证明了可以在改进的Orbitrap Eclipse质谱仪的高压QLIT下，通过红外照射可以完全释放一系列去垢剂胶束中的膜蛋白。然后，通过增加激光输出功率，获得直接从膜蛋白及其复合物中释放的序列信息片段离子，证明红外光去除去垢剂是通用的和高度可控的，为保存和鉴定膜蛋白和配体之间脆弱的非共价相互作用构建了一个可靠的方法。而且还对片段离子的产生机制做了阐述，即质子可以通过沿蛋白质骨架迁移来稳定和诱导连续的肽键裂解。　　撰稿：李孟效　　编辑：李惠琳　　文章引用：Infrared Multiphoton Dissociation Enables Top-Down Characterization of Membrane Protein Complexes and G ProteinCoupled Receptors　　参考文献　　Lutomski, C.A., El-Baba, T.J., Hinkle, J.D., et al. Infrared multiphoton dissociation enables top-down characterization of membrane protein complexes and g protein-coupled receptors[J]. Angewandte Chemie-International Edition，2023.

大家好，本周为大家分享一篇发表在Analytical Chemistry上的文章，Microfluidic Platform for Time-Resolved Characterization of Protein Higher-Order Structures and Dynamics Using Top-Down Mass Spectrometry [1]，文章的通讯作者是北京大学生物医学前沿创新中心的王冠博教授和中国科学院深圳先进技术研究院的门涌帆副研究员。　　蛋白质的高阶结构和动力学特性对理解蛋白质的生物学功能和揭示其潜在机制至关重要。自顶向下质谱法(Top-down MS)在完整蛋白水平和肽段碎片水平都能获得结构信息。非变性Top-down MS可以分析蛋白质复合体的结构以及完成亚基鉴定和修饰分析。自顶向下氢/氘交换质谱(Top-down HDX MS)为构象或结合界面分析提供了高空间分辨率，并实现了构象特异性表征。微流控芯片可以为这些质谱工作流程的前端反应提供优越的平台。然而，目前大多数质谱微芯片装置是为Bottom-up或Top-down蛋白质组学设计的。本文中，作者提出了一种用于蛋白质高阶结构和动态Top-down MS分析的芯片设计策略。它适用于时间分辨的非变性质谱和HDX质谱，该设计旨在有效电离完整的蛋白质复合物，灵活控制多种反应物流动，并在较大的流速范围内精确控制反应时间在亚微升/分钟。本文通过对单克隆抗体、抗体-抗原复合物和共存蛋白构象等体系的分析来验证该装置的性能。　　TDK-MS(Top-down and kinetic MS)芯片的结构如图1A所示，该方法可以有效电离完整的蛋白质，包括单克隆抗体(mAb)和抗体-抗原复合物(图1 B, C)。　　图1. 完整蛋白质和蛋白质复合体在非变性条件下的高效电离　　虽然分析蛋白质组合化学计量学和监测构象变化需要保持蛋白质高阶结构和非共价相互作用的完整性，然而为了推导结构信息或在串联MS中展开蛋白质以提高碎裂效率，往往需要不同程度的变性来产生亚复合体，因此变性剂的浓度和变性的时间对变性程度至关重要。本文中，作者采用交错人字微结构(Herringbone microstructure, HM)(图2A, B)，并对其性能进行了评估(图2C−E)。如此高的混合效率为进一步微型化芯片混合模块提供了可能。在监测Mb的变性时，作者使用TDK-MS芯片和商用混合三通管平行混合holo-Mb溶液(5 μM)与乙腈(ACN)，并比较它们在混合比例变化时的响应(图2F)。TDK-MS芯片在非变性和变性条件之间切换的快速响应通过NIST mAb的变性得到了证明，在向NIST mAb溶液中添加甲酸后，响应时间小于5分钟(图2G)。　　图2. 高效混合和快速响应的流体控制　　微芯片的灵活通道设计允许引入独立控制的溶液。例如，尽管酸和有机溶剂都能诱导变性，但这两种变性剂同时存在时，对变性途径的影响是不同的。Mb和Hb是血红素蛋白，其中血红素基团分别非共价连接在1条多肽链和4条非共价组装链上，因此这是研究共存复合体解离动力学和亚基构象变化的理想模型。将5 μM holo蛋白溶液与ACN和FA按一定的混合比例依次混合，可以通过解离产物的出现和蛋白质离子电荷态分布的变化来表征复杂的解离和蛋白质的展开。在固定ACN浓度下，随着FA浓度从0.01增加到0.3% (v/v)，依次观察到的主要现象是血红素丢失、apo-Mb展开以及折叠的holo-Mb转化为展开的apo-Mb(图3A)。相比之下，在FA浓度恒定的情况下，当ACN从1增加到50%时，Mb主要表现为血红素损失，只有中等程度的apo-Mb展开，这可能是由于展开的部分迅速聚集(图3B)。　　图3. (A)增加FA浓度，固定ACN浓度和(B)增加ACN浓度，固定FA浓度时获得的Mb和Hb的质谱图。　　在HDX MS检测中，TDK-MS芯片提供了快速和有效的氘代及淬灭，精确控制HDX反应时间，并在2H-标记形式下高效电离完整蛋白质(图4)。　　图4. 2H标记完整的(A)Mb、(B)Hb α亚基和(C)Hb β亚基在不同反应时间下的HDX质谱图　　由于过大的流速不利于电离效率，并且有可能会增加堵塞或流动中断的风险，因此流速应保持在最佳范围内，这又限制了混合通道中HDX时间的可调节范围，从而影响了HDX动力学分析的灵活性。为了解决这一问题，作者设计了一个具有多个不同长度反应通道的混合模块，在不更换芯片的情况下，除了改变流速外，还可以通过通道切换在更大范围内调整反应时间。在原型芯片中，5个不同长度的通道可以在对蛋白质电离和流动稳定性都最优的流速下，产生从几秒到几分钟不等有效的HDX时间(图5)。　　图5. Top-Down HDX MS 分析　　本文中作者开发的策略将有利于生物大分子结构的精细分析，并有助于质谱微芯片的方法开发。

Thermo Scientific Exactive Plus EMR 和 Q Exactive Plus Orbitrap 系统在 HUPO上加入最新 Orbitrap Fusion Tribrid 和 TSQ Quantiva 以及 Endura 系统 YOKOHAMA,HUPO,Sept. 13, 2013&mdash &mdash 新核心&ldquo Tribrid&rdquo 三合一质谱和三重四极杆液相色谱质谱（LC-MS）平台以无与伦比的性能和易用性帮助用户革新工作效率。在这两款新质谱平台发布之后不到四个月，赛默飞又发布了两款为提高完整蛋白质分析能力和&ldquo quanfirmation&rdquo 而专门设计的系统。这项新技术已经于2013年9月14-18日在Pacifico Yokohama举行的第12届HUPO会议51号展台上进行展示。 本届HUPO大会上发布的新技术包括： Thermo Scientific Exactive Plus LC-MS 的扩展质量数范围（EMR）选配件蛋白质组学科学家现在有了一款强大的新工具可迎接高分辨准确质量数（HRAM）完整蛋白质分析的挑战，比如研究目标蛋白质的结构、拓扑学以及构造。这些包括：单克隆抗体纯度分析、抗体药物结合物、聚乙二醇修饰的蛋白质、低聚蛋白质药物、糖型和组装蛋白质。Thermo Scientific Exactive Plus LC-MS 的 EMR 选配件包括： &bull 扩展的 m/z 范围 350-20,000 &bull 高质量数离子的传输效率提高，获得更强信号 &bull 改进的HCD 压力和控制，优化实验条件更为容易 &bull 能够捕捉更长时间的时域信号，提高信噪比 &ldquo 具有EMR的Exactive Plus使得我们可以用最出色的灵敏度和质量分辨率表征天然的蛋白质复合物，&rdquo 加州旧金山大学教授Shenheng Guan说，&ldquo 我们希望这款仪器成为破解蛋白质装配和蛋白质复合物/药物相互作用的分子机理的一个重要工具。它将帮助传统蛋白质组学方法增加一个维度的信息量。&rdquo Thermo Scientific Q Exactive Plus LC-MS 2011年，自从Thermo Scientific Q Exactive 组合 LC-MS 首次面世，使质谱界第一次了解&ldquo quanfirmation&rdquo (采用一款仪器表征、定量并确认一个分子的能力) 。如今，赛默飞发布第二代台式组合HRAM仪器Thermo Scientific Q Exactive Plus LC-MS ，进一步提高其在不同应用领域的性能，比如bottom-up蛋白质组学、脂质组学和高置信度 DMPK 定性/定量筛查研究。 第二代的改进包括： &bull 高级四极杆技术（AQT）提高母离子选择和传输能力，使复杂基质中低丰度分析物的定量更准确。 &bull 精密的数据非依赖采集（DIA）和平行反应监测（PRM）用以实现更高置信度、更好重现性以及更高通量的定量分析结果。 &bull 先进的主动离子束传输组件(Advanced active beam guide (AABG) ) 用于降低噪音并延长维护周期。 &bull 选配的蛋白质模式用于更好地控制碰撞压力和相关参数，从而提高对完整蛋白质和蛋白质复合物的分析能力。 &bull 选配的增强分辨率模式致力于提高top-down蛋白质组学和脂类组学研究中的 ID 置信度。 &ldquo 今年，我们一直在加快质谱仪革新的步伐，&rdquo 赛默飞生命科学质谱的首席技术官员 Ian Jardine说，&ldquo 我们在六月首先发布了两款主要的新平台:创新的Orbitrap Fusion Tribrid LC-MS 可使用新方法进行发现研究，而新的三重四极杆系统可扩展性能边界，提高定量分析易用性。在HUPO大会上我们发布的新系统则是更好地证实了我们一直在不断努力，致力于帮助科学家们加速研发过程。&rdquo 此外，赛默飞在HUPO上展示的其他新技术包括： 首次亮相HUPO的Thermo Scientific Orbitrap Fusion Tribrid LC-MS系统 这款创新的三合一配置的系统使得用户能更快速识别大量低丰度蛋白质，鉴定速度超越目前所有在售仪器。其独特的构造能在Orbitrap和离子阱质量分析器中同时实现母离子选择、裂解和数据采集。相比已有仪器，它可以采集更高品质数据，扩展可能的实验范围。 它的特性包括： &bull 进行母离子选择的四极杆的选择窗口可达 0.4 amu，提供出色灵敏度和选择性； &bull 超高场Orbitrap提供高于450,000的分辨率，扫描速率高达15Hz，提供无与伦比的选择性和分析速度； &bull 离子传输多极杆之后的双压线性离子阱提供MSn HCD, CID 和 ETD裂解，快速灵敏的质量分析以及高达20 Hz的扫描速率。同步母离子选择提高了仪器的信噪比。 &ldquo Orbitrap Fusion是一款真正的高端仪器，&rdquo 哈佛医学院细胞生物学教授Dr. Steven Gygi 解释，&ldquo 在我的实验室，这款仪器快速整合到我们的定量工作流程中，可同时对10个样品进行定量分析。这款仪器带给我们全新的体验。Fusion不是Orbitrap家族的一款入门级系统，而是蛋白质组学领域未来的一个全新起点。&rdquo &ldquo 研究细胞信号网络的动态重排需要最新技术的质谱仪，&rdquo 丹麦技术大学的Rune Linding教授说，&ldquo Orbitrap Fusion系统帮助我们推动边界，分析全新途径的细胞决策过程，并进行基因组规模的研究，即有关在这些网络中这些动态变化如何影响细胞行为。&rdquo 亦是首次亮相HUPO的Thermo Scientific TSQ Quantiva 三重四极杆LC-MS系统 这款新一代平台以极其出色的灵敏度、工作效率、精度和易用性革新定量实验。TSQ Quantiva 系统能够达到阿克级灵敏度，这归功于新的主动离子管控（AIM）设计。这种技术效率极高，每秒可以执行500个 SRM实验，在20ms内完成正负极切换，且没有信号损失。 最新Thermo Scientific TSQ Endura 三重四极杆LC-MS 它具有多项与TSQ Quantiva 质谱仪相同的先进技术，在需要同时进行痕量水平定量的高负荷应用领域中，它的运行时间和抗污染性高于任何三重四极杆系统。最新Thermo Fisher Scientific Pierce 串联质量标签10-Plex 同位素质量标签标签套件和试剂 它可用于采用三重四极杆质谱仪进行多路蛋白质识别和定量分析。最新Thermo Scientific myECL Imager 一款强大且使用方便的化学发光和凝胶成像系统，通过直观的触屏界面和先进的集成软件进行灵敏的多模式图片采集和分析。 Thermo Scientific 是Thermo Fisher Scientific Inc. 的著名品牌之一。有关蛋白质分析的Thermo Scientific 工具的更多信息可访问 www.planetorbitrap.com. 关于赛默飞世尔科技赛默飞世尔科技（纽约证交所代码： TMO）是科学服务领域的世界领导者。我们的使命是帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。公司年销售额130亿美元，员工约39,000人。主要客户类型包括：医药和生物技术公司、医院和临床诊断实验室、大学、科研院所和政府机构，以及环境与过程控制行业。借助于Thermo Scientific、Fisher Scientific和Unity&trade Lab Services三个首要品牌，我们将创新技术、便捷采购方案和实验室运营管理的整体解决方案相结合，为客户、股东和员工创造价值。我们的产品和服务帮助客户解决在分析领域所遇到的复杂问题与挑战，促进医疗诊断发展、提高实验室生产力。欲了解更多信息，请浏览公司网站：www.thermofisher.com 关于赛默飞世尔科技中国赛默飞世尔科技进入中国发展已有30多年，在中国的总部设于上海，并在北京、广州、香港、台湾、成都、沈阳、西安、南京、武汉等地设立了分公司，员工人数超过2400名。我们的产品主要包括分析仪器、实验室设备、试剂、耗材和软件等，提供实验室综合解决方案，为各行各业的客户服务。为了满足中国市场的需求，现有5家工厂分别在上海、北京和苏州运营。我们在北京和上海共设立了5个应用开发中心，将世界级的前沿技术和产品带给国内客户，并提供应用开发与培训等多项服务；位于上海的中国创新中心结合国内市场的需求和国外先进技术，研发适合中国的技术和产品；我们拥有遍布全国的维修服务网点和特别成立的中国技术培训团队，在全国有超过400 名经过培训认证的、具有专业资格的工程师提供售后服务。我们致力于帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。欲了解更多信息，请登录网站：www.thermofisher.cn

p style="text-indent:28px"span style="font-family:宋体"近日，美国威斯康辛大学麦迪逊分校葛瑛团队借助布鲁克/spanspanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"电喷雾行时间串联质谱在自顶而下的蛋白质组学研究中取得了重大突破。相关研究成果发表在著名期刊“/spanspannature methods/spanspan style="font-family:宋体"”（/spanspanIF=26.919/spanspan style="font-family:宋体"）上，文章题目“/spanspanA photocleavable surfactant for top-down proteomics/spanspan style="font-family:宋体"”。/span/pp style="text-indent:28px"span style="font-family:宋体"翻译后修饰的蛋白质在许多关键细胞中发挥着重要作用，因此对蛋白质组进行全面的分析，对于解释分子作为一个系统如何相互作用，以及了解细胞系统在健康和疾病中的功能至关重要。而基于/spanspantop-down/spanspan style="font-family:宋体"质谱技术的蛋白质组分析是表征完整蛋白质组的新兴手段，它可以提供一个系统的、全局的、无偏差的、定量的蛋白质评估，包括相互作用，修饰，位置和功能方面的信息。/span/pp style="text-indent:28px"spantop-down/spanspan style="font-family:宋体"质谱技术是将反相液相色谱（/spanspanRPLC)/spanspan style="font-family:宋体"直接与/spanspanMS/spanspan style="font-family:宋体"偶联来进行操作的，可以对来自于全细胞或组织裂解液的复杂混合物中的完整蛋白进行快速、灵敏的分析。然而，由于蛋白质组的高度复杂性和动态性，蛋白质组学依然面临着巨大的挑战。其中之一便是蛋白质溶解的问题，为了有效的从细胞或组织中提取蛋白质，提取缓冲液中通常含有表面活性剂。但是传统的表面活性剂与质谱不相容，它们的存在极大的抑制蛋白质的质谱信号，因此在质谱分析前要先除去表面活性剂。/span/pp style="text-indent:28px"span style="font-family:宋体"葛瑛团队针对这一难题，创造性的合成了可光降解的表面活性剂/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"。并对其进行了一系列的质谱分析，来验证其作为表面活性剂在蛋白质组学中的优异性能。/span/pp style="text-align:center" span style="font-family:宋体"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/b918dc99-5c9a-4371-b153-1b8548915f5d.jpg" title="1_meitu_1.jpg" alt="1_meitu_1.jpg" width="579" height="102" style="width: 579px height: 102px "//span/pp style="margin-top:8px margin-right:0 margin-bottom:8px margin-left:0 text-align:center"strongspan style="font-family:宋体"图/spanspan1 Azo/span/strongstrongspan style="font-family:宋体"作用机理/span/strong/pp style="text-indent:28px"span style="font-family:宋体"首先在保证对蛋白质增溶的前提下，借助布鲁克/spanspanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"电喷雾质谱分析小分子蛋白质/spanspanubi/spanspan style="font-family:宋体"与/spanspan0.1%/spanspan style="font-family:宋体"表面活性剂的相容性质。结果表明，在所有被评估的表面活性剂中，/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"是唯一一种既能有效溶解蛋白质，又能与完整蛋白质的/spanspantop-down/spanspan style="font-family:宋体"质谱分析相容的表面活性剂。/span/pp style="margin-top:8px margin-right:0 margin-bottom:8px margin-left:0 text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/7c38388f-f60e-4eea-ba33-92d4e4c80f54.jpg" title="8.jpg" alt="8.jpg" width="385" height="346" style="width: 385px height: 346px "//pp style="text-align: center "strongspan style="font-family:宋体"图/spanspan2 Azo/spanspan style="font-family:宋体"与常用表面活性剂的质谱相容性评价/span/strong/pp style="margin: 8px 0px text-align: center "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/7da2baff-7569-4bd5-b574-f4bca40cfad0.jpg" title="9.jpg" alt="9.jpg" width="385" height="281" style="width: 385px height: 281px " border="0" vspace="0"//pp style="margin: 8px 0px text-align: center "strongspan style="font-family:宋体"图/spanspan3 /spanspan style="font-family:宋体"表面活性剂对心肌组织裂解液/spanspanLC-MS/spanspan style="font-family:宋体"分析的影响比较/span/strong/pp style="text-indent:28px"span style="font-family:宋体"对/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"在在线反相液相色谱和质谱联用（/spanspanspanRPLC-MS/span/spanspanspanspan style="font-family:宋体"）中自顶向下蛋白质组学中的应用/span/span/spanspan style="font-family:宋体"进行评估，对比没有表面活性剂蛋白浓度和质谱信，使用/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"时号均明显升高（/spanspanb/spanspan style="font-family:宋体"）。在单一的/spanspanRPLC-MS/spanspan style="font-family:宋体"运行中，在/spanspanAzo/spanspanspan style="font-family:宋体"存在的蛋白质缓冲液中/span/spanspan style="font-family:宋体"观察到/spanspan663/spanspan style="font-family:宋体"个独特的蛋白形式，而在无/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"存在的蛋白质缓冲液中只观察到了/spanspan6/spanspan style="font-family:宋体"个（/spanspanc/spanspan style="font-family:宋体"，/spanspand/spanspan style="font-family:宋体"）。此外，从三种液相色谱/spanspan-/spanspan style="font-family:宋体"质谱联用的准确质量测量上，共检测到/spanspan2836/spanspan style="font-family:宋体"种蛋白质形式（/spanspane/spanspan style="font-family:宋体"，/spanspanf/spanspan style="font-family:宋体"）。/span/pp style="text-align:center"span style="font-family:宋体"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/3892f310-54a7-42e0-a5fc-3281847cecf7.jpg" title="10.jpg" alt="10.jpg" width="385" height="335" style="width: 385px height: 335px " border="0" vspace="0"//span/pp style="margin: 8px 0px text-align: center "span /spanstrongspan style="font-family: 宋体 "图/span4 RPLC-MSspan style="font-family: 宋体 "）/spanAzospan style="font-family: 宋体 "在自顶向下蛋白质组学中应用/span/strong/pp style="margin-top:8px margin-right:0 margin-bottom:8px margin-left:0"span style="font-family:宋体"此外，/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"还能大大提高检测的深度，并显示出许多在对照样品中检测不到的蛋白质。/span/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/d4e74520-0d11-49b0-aec3-4c991dc3f8f5.jpg" title="11.jpg" alt="11.jpg" width="385" height="320" border="0" vspace="0" style="width: 385px height: 320px "//pp style="margin: 8px 0px text-align: center "strongspan style="font-family:宋体"图/spanspan5 Azo/spanspan style="font-family:宋体"队翻译后修饰蛋白质的质谱分析/span/strong/pp style="text-indent:28px"span style="font-family:宋体"葛瑛团队还进一步证明/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"能有效提取心肌组织及胚胎肾细胞的膜蛋白，并能够进行自上而下的蛋白质组学质谱分析。通过借助布鲁克用/spanspanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"电喷雾质谱对表面活性剂/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"的质谱分析，验证了/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"与/spanspanMS/spanspan style="font-family:宋体"具有良好的相容性，能有效的增加蛋白质的溶解度，可用于高通量自顶向下的蛋白质组学。同时，/spanspanAzo/spanspan style="font-family:宋体"还是唯一一种能够有效溶解蛋白质，包括膜蛋白，而不阻碍下游自上而下的质谱分析的强表面活性剂。/span/pp style="margin-top:8px margin-right:0 margin-bottom:8px margin-left:0 text-indent:28px"strongspan style="font-family:宋体"产品介绍/spanspan--/spanspan style="font-family:宋体"/span/strongspan style="font-family:宋体"布鲁克/spanspanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"电喷雾飞行时间串联质谱/span/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/a9e5b405-9ff8-414d-8d4e-de35249fa535.jpg" title="0.jpg" alt="0.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="text-indent: 28px "span style="font-family: 宋体 text-indent: 28px "布鲁克/spanmaXis II/spanspan style="text-indent: 28px font-family: 宋体 "电喷雾飞行时间串联质谱/span/strong/pp style="text-indent:28px"span style="font-family:宋体"布鲁克/spanspanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"电喷雾飞行时间串联质谱在广泛的应用领域展现出良好的性能和解决最具挑战性分析难题的能力，/spanspanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"能同时提供全方位的性能指标。另外，/spanspanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"提供电子转移解析/spanspan(ETD)/spanspan style="font-family:宋体"功能，能够分析包括单克隆抗体亚基在内的整体大蛋白序列分析。可选功能“/spanspanHighMass/spanspan style="font-family:宋体"”有利于表征大分子和天然状态的蛋白质复合物如抗体药物偶联物。/span/pp style="text-indent:28px"spanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"配备上最新的/spanspanTOF/spanspan style="font-family:宋体"创新技术，使其在整合解决方案、灵敏度、光谱精确度和动态的范围方面处于领跑位置。来自于/spanspanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"的高质量数据，有准确的质量和真实的同位素模型/spanspan(TIP)/spanspan style="font-family:宋体"，结合/spanspanBruker/spanspan style="font-family:宋体"公司的计算公式发现工具，/spanspanSmartFormula/spanspan style="font-family:宋体"™ 和/spanspanSmartFormula 3D/spanspan style="font-family:宋体"™ ，确保提供最大程度的准确分子式。/span/pp style="margin-top:8px margin-right:0 margin-bottom:8px margin-left:0 text-indent:28px"spanmaXis II/spanspan style="font-family:宋体"最佳适用范围包括抗体表征/spanspan(/spanspan style="font-family:宋体"完整蛋白与亚基/spanspan)/spanspan style="font-family:宋体"、分析整蛋白和蛋白质组、蛋白复合物、小分子鉴定与定量，采用/spanspanHigh Mass/spanspan style="font-family:宋体"可选功能，可以获取天然态质谱图，同时有电子转移解析/spanspan(ETD)/spanspan style="font-family:宋体"功能/spanspan(/spanspan style="font-family:宋体"可选/spanspan)/spanspan style="font-family:宋体"。/span/ppbr//p

阐明小分子（包括内源性代谢物和外源性化合物）如何发挥调控作用的关键问题之一是小分子的靶标发现和验证，即蛋白质-小分子相互作用研究。蛋白质与小分子的相互作用模式既有较稳定的共价结合，也有瞬时的弱相互作用。如何灵敏、高效地捕获并解析多种类型的蛋白质-小分子相互作用是分析难点。目前，蛋白质-小分子相互作用的分析策略大致可分为两类：一是靶向相互作用研究，以蛋白质（或小分子）为中心，发现并验证与之相互作用的小分子（或蛋白质）；二是非靶向相互作用研究，全面识别多种蛋白质-小分子的相互作用轮廓。应用的具有分析技术包括：表面等离子体共振技术（surface plasmon resonance，SPR）、氢氘交换质谱分析技术（hydrogen deuterium exchange mass spectrometry，HDX MS）、限制性蛋白水解-质谱分析技术（limited proteolysis-mass spectrometry，LiP-MS）、蛋白质热迁移分析技术（cellular thermal shift assay，CESTA）和药物亲和反应靶标稳定性分析技术（Drug affinity responsive target stability，DARTS）等。本期介绍限制性蛋白水解-质谱分析技术（LiP-MS）的原理、技术流程和其在蛋白质-小分子相互作用研究中的应用。1. 原理LiP-MS技术最初由瑞士苏黎世联邦理工学院的Paola Picotti课题组建立 [1] ：利用小分子结合蛋白后相较于原蛋白产生蛋白质空间构象和位阻的变化，经蛋白酶切后形成差异肽段，液质联用分析识别和鉴定差异肽段，基于差异肽段推测蛋白质与小分子的相互作用位点。2. 技术流程在非变性条件下提取蛋白，以保留蛋白活性和空间结构。先使用低浓度（1:100, w/w）蛋白酶K在较低温度（25℃）下短时间内（5 min）对蛋白-小分子复合物进行有限的蛋白酶切。蛋白与小分子结合后，相互作用位点存在空间位阻，从而避免被蛋白酶K切割，由此产生差异肽段。随后进行蛋白变性和胰酶酶切，蛋白质组分析识别和鉴定差异肽段，基于差异肽段所处位置预测蛋白质与小分子的相互作用位点（图1）。图1 限制性蛋白水解-质谱分析（LiP-MS）技术流程 [2]3. 试验试剂和分析仪器3.1 蛋白抽提：可依据实际目的和细胞类型选择不同的细胞/组织裂解液，如RIPA、N-PER、M-PER等，进行细胞/组织蛋白抽提，获得的细胞/组织全蛋白提取物可直接与目标小分子共孵育。3.2 蛋白酶切：关键的蛋白酶切试剂，例如蛋白酶K、胰酶等均有市售。3.3 分析仪器：目前多种类型的液相色谱-高分辨质谱联用仪均可用于蛋白质组学分析，已应用于LiP-MS的高分辨质谱仪包括，布鲁克、赛默飞、沃特世和SCIEX等品牌的飞行时间质谱、轨道阱质谱和傅里叶变换离子回旋共振质谱等。4. 应用实例研究人员基于LiP-MS技术在大肠杆菌中探索多种内源性代谢物和蛋白的相互作用模式 [1]，先采用凝胶过滤法除去大肠杆菌全蛋白提取物中的内源性代谢物，获得大肠杆菌全蛋白；随后将大肠杆菌蛋白与20个中心碳代谢相关的关键内源性代谢物（三磷酸腺苷、二磷酸腺苷、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、磷酸烯醇式丙酮酸、6-磷酸葡萄糖、果糖-1,6-二磷酸、丙酮酸、谷氨酰胺、甲硫氨酸等，见图2A）分别共孵育。基于LiP-MS流程发现，上述20个内源性代谢物可与大肠杆菌中1678个蛋白发生潜在相互作用，其中1447个相互作用是首次发现的（图2B）。作者将所发现的相互作用与在线数据库BRENDA对比（主要涉及酶的功能和代谢通路等信息），证明LiP-MS技术能够准确地识别已报道的蛋白-内源性代谢物相互作用，假阳性率低于6 %。图2 20个与中心碳代谢相关的关键内源性代谢物（图A）及其在大肠杆菌中发生相互作用的蛋白数量（图B）[1]参考文献：[1] Piazza, I., Kochanowski, K., Cappelletti, V., Fuhrer, T., Noor, E., Sauer, U., Picotti, P. A map of protein-metabolite interactions reveals principles of chemical communication. Cell, 2018, 172(1-2), 358-372.[2] Pepelnjak M, Souza N D, Picotti P. Detecting Protein–Small Molecule Interactions Using Limited Proteolysis–Mass Spectrometry (LiP-MS). Trends in Biochemical Sciences, 2020, 45(10), 919-920.

大家好，本周为大家分享一篇发表在Anal Chem上的文章，Native Ambient Mass Spectrometry Enables Analysis of Intact Endogenous Protein Assemblies up to 145 kDa Directly from Tissue [1]。该文章的通讯作者是来自英国伯明翰大学的Helen J. Cooper教授。非变性原位质谱（native ambient mass spectrometry, NAMS）是一种新型的自上而下质谱分析方法。它结合非变性质谱和原位质谱的优势，可直接在蛋白质及其复合物的生理环境中进行对其进行无标记表征。NAMS可提供蛋白质结构、空间及瞬时相互作用的信息，具有直接从组织中分析内源性蛋白质组装体的巨大潜力。但是，目前，NAMS仅成功应用于直接检测低分子量 (20kDa) 或高丰度的蛋白，如血红蛋白四聚体或RidA 同源三聚体。目前应用于组织中蛋白质NAMS分析的技术有液体萃取表面分析（LESA）与纳喷雾解析电喷雾电离 (nano-DESI) [2]。LESA需要对组织底物进行自动微液节点采样，然后进行纳喷雾电离（nanoESI）进行MS分析。nano-DESI则通过探针与流动相形成流动溶剂桥，与样品直接接触，之后进行质谱分析成像。在本研究中，作者采用NAMS对大鼠脑、肾、肝组织切片中的蛋白质组装体进行全面分析。主要通过调整质谱仪中的离子光学和气体压力以改善m/z传输与纳喷雾性能，来实现对较大蛋白质组装体的分析。结果鉴定出八种蛋白质组装体，证明了NAMS的可及分子量高达145kDa，并通过nano-DESI质谱成像在大脑和肾脏中绘制了高达94kDa的蛋白质组装体的空间分布。在脑组织中，作者通过nano-DESI NAMS绘制了大鼠大脑切片中分子量为37.0–66.4kDa的完整蛋白质复合物的空间分布以及对应的质谱图（图1a,b）。实验成功鉴定并成像出大鼠脑组织中三种蛋白质组装体，包括同源三聚体细胞因子巨噬细胞迁移抑制因子 (MIF, 37.0kDa)、同源二聚体磷酸甘油酸变位酶1 (PGAM1, 57.6kDa)和苹果酸脱氢酶2 (MDH2, 66.4kDa)。结果发现，MIF在整个脑组织区域是均匀分布（图1c）。作者通过nano-DESI-HCD MS2分析产生的单体 (5+、4+) 和二聚体 (5+) 亚基和序列离子的谱图，识别出MIF（图1d）。作者还利用nano-DESI-HCD MS2成功识别出PGAM1，并发现PGAM1在大脑皮层区域中显示出高丰度，而在中脑和胼胝体中的丰度较低（图1e，f）。相比之下，MDH2在脑组织中的空间分布基本均匀（图1g，h）。检测到的结果与蛋白在大鼠脑中的实际分布相符合，可信度较高。图 1. 离子图像和 HCD MS2光谱表明大鼠脑中蛋白质复合物的亚基解离。(a) H&E染色的连续组织切片的光学图像。标签：Ce,小脑；C，大脑皮层；CC，胼胝体；F，穹窿；V，侧脑室区；Mb，中脑；Me，髓质和脑桥；H，海马；Th，丘脑；Ht，下丘脑；BG，基底神经节；OR，嗅觉区域。(b) Nano-DESI 全扫描质谱，代表光学图像中标记为“(b)”的像素。（c，d）巨噬细胞抑制因子同源三聚体显示均匀分布。（e，f）PGAM1同型二聚体分布。（g，h）MDH2同型二聚体分布。此外，作者在大鼠肾脏中鉴定了四种同源二聚体蛋白组件（61.2-94.2kDa），包括ω-酰胺酶 (61.2kDa)、MDH2 (66.4kDa)、苹果酸脱氢酶1 (MDH1, 72.8kDa) 和α-烯醇化酶 (94.2kDa)，并将其成像（图2）。其中观察到的α-烯醇化酶为金属结合形式，每个亚基上结合了2个Mg 2+离子。图 2. (a)大鼠肾脏的H&E染色连续切片显示皮质(C)和髓质(M)组织。(b)在MSI期间获得的大鼠肾皮质组织中单个nano-DESI 像素的示例全扫描质谱。(c, d)α-烯醇化酶同型二聚体。(e, f)苹果酸脱氢酶1。(g, h) MDH2同型二聚体。(i, j) ω-酰胺酶。研究还从大鼠肝组织中鉴定出同型三聚体鸟氨酸转氨甲酰酶（OTC，108.8kDa）和同型四聚体乳酸脱氢酶A（LDHA，145.4kDa）（图3）。其中，在全扫描模式下，nano-DESI可以检测到145.4kDa的LDHA的较弱信号。通过nano-DESI-PTCR MS2的进一步确认，检测到的物质确实为LDHA。图3. (a) 直接来自大鼠肝组织的完整OTC同源三聚体的nano-DESI-PTCR MS 2。(b) 完整OTC同源三聚体的nano-DESI-HCD MS 2显示亚基质量为36.2kDa。(c)完整LDHA同源四聚体 (145.4kDa)的nanoESI-PTCR MS2。(d)完整LDHA 同源四聚体的nanoESI-HCD MS2。在此研究中，作者成功利用NAMS质谱分析方法，直接从组织中检测并鉴定出内源性蛋白质组装体，分子范围为37.0-145.4kDa，包括二聚体、三聚体以及四聚体。其中检测到的上限（145.4kDa）超出LESA MS报道的质量上限的两倍，比nano-DESI 报道过的质量上限高出100kDa。通过调整离子光学和高m /z的气体压力，或者后续仪器和方法的开发，NAMS有可能进一步突破145.4kDa的上限，检测到分子量更大的蛋白组装体。[1]Hale OJ, Hughes JW, Sisley EK, Cooper HJ. Native Ambient Mass Spectrometry Enables Analysis of Intact Endogenous Protein Assemblies up to 145 kDa Directly from Tissue. Anal Chem. 2022 Apr 12 94(14):5608-5614.[2]Hale OJ, Cooper HJ. Native Mass Spectrometry Imaging and In Situ Top-Down Identification of Intact Proteins Directly from Tissue. J Am Soc Mass Spectrom. 2020 Dec 2 31(12):2531-2537.

本期专家访谈Ben C Collins教授给我们讲述DIA方法的开发和应用，以及对蛋白质组学领域未来发展的看法。　　Ben C Collins　　英国贝尔法斯特女王大学生物科学学院教授　　主要从事定量蛋白质组学研究，研究方向主要集中在三个方面：数据非依赖采集的质谱方法(DIA)开发和应用；蛋白质相互作用网络和蛋白质复合物分析中的方法开发和应用；在宿主-病原体生物学、先天免疫、癌症生物学和药物发现中的应用。　　DIA的优势是什么，还有哪些问题亟待解决?　　在早期阶段，DIA获得认可面临的挑战之一是软件工作流程的复杂性。幸运的是，随着时间的推移，这一挑战已基本得到解决，DIA 数据分析也变得更加容易。数据采集过程本身变得更加简单，现在的方法也可以得到令人印象深刻的结果。特别是随着仪器的进步和新的分析采集方法的出现，许多基本问题已经得到解决。目前的重点应该是展示DIA的实际应用和优势，这包括进行广泛的基准测试和成功的示例展示。虽然持续的技术发展很有价值，但最紧迫的任务是有效利用现有技术。因此，应高度重视DIA技术的推广应用。DIA 最显著的优势是其已证明的有效性，它已被证明是一种可靠且稳健的蛋白质组学研究方法。在我目前的工作中，我对DIA在规模化蛋白质相互作用研究和化学蛋白质组学中的应用特别感兴趣，并启动了与参与药物发现的制药公司的合作。过去，这些公司在蛋白质组学方面投入了大量资金，但技术还不够先进，无法满足他们的需求。然而，我们现在正处于 DIA 可以为药物发现提供有价值线索的阶段。我们与这些行业合作很有前景，因为可以帮助他们识别有用的化合物、进行筛选并做出明智的决策。这是 DIA 如何为药物发现和其他领域的实际应用做出贡献的一个很好例子。　　您如何看待蛋白质组学领域学术界与工业界的关系?　　在考察蛋白质组学领域学术界和工业界的关系时，有必要分别考虑供应商和制药公司。从供应商看，我必须说学术研究人员和供应商之间的合作非常成功，双方都需要彼此的专业知识。我们一直与各种供应商合作，开发方法和应用的学术研究人员与开发仪器的供应商之间的协同作用是显而易见的。但与医药行业的关系却有些不同。近年来，药物发现领域发生了转变，开始认识到蛋白质组学可以为其工作带来价值。这种认识的转变在为制药公司提供服务的合同研究组织 (CRO) 数量不断增加中得到体现。这些 CRO 正在扩大并展示其对制药行业的作用。此外，有一种趋势是基于蛋白质组学技术建立药物研发公司。此类公司从风投获得大量资金的例子有很多。这些公司认为，他们独特的蛋白质组学技术可以显著帮助确定化合物的优先级、进行化合物筛选以及推进药物开发的各个阶段。这一趋势表明蛋白质组学技术在行业中变得越来越有价值。然而，在促进学术机构和制药公司之间的关系方面还有改进的空间。例如制药专业人士较少参与会议上的演讲报告。我们这样的组织提供了弥合鸿沟的机会，召开化学工程、蛋白质组学和药物发现领域的研讨会和活动等举措有助于提高知名度，加强学术界和制药界之间的联系。这种积极主动的方法可以进一步推动蛋白质组学技术与药物发现过程的整合。　　应该如何看待 AlphaFold 和 ChatGPT 等人工智能工具?蛋白质组学和人工智能如何共同激发更大的进步?　　从根本上讲，人工智能已经在质谱数据处理、信号预测、物理化学性质预测和分类任务等任务中展示了其实用性，这些应用已经显示出巨大的前景，并且已经为蛋白质组学领域做出了贡献。这种趋势可能会持续并扩大，进一步增强我们的数据分析和解释能力。然而，当涉及到揭示生物学机制等更复杂的问题时，人工智能的应用仍然是一个悬而未决的问题。例如，AlphaFold 在预测蛋白质结构方面的成功是一项重大成就，但将人工智能模型应用于深入理解生物学机制是一项更具挑战性的工作。一个关键挑战在于人工智能模型的“可理解性”。无论是在生物学还是在一般的人工智能应用中，了解人工智能系统如何得出结论和预测都是至关重要的。“可理解的智能”一词强调了这种需求。能够解释人工智能生成的见解背后的推理非常重要，尤其是在涉及复杂的生物系统时。从本质上讲，人工智能在蛋白质组学和生物学中具有多个层面的适用性。它已经在数据驱动的任务中证明了自己的价值，并且可能进一步扩展到预测药物敏感性或进行生物学预测等领域。然而，从人工智能模型中获得机械理解和真正的生物学见解是一项更具挑战性的工作。它需要解决与模型透明度和可解释性相关的问题。随着我们的前进，科学界应该将人工智能视为一种强大的工具，并共同努力，利用其潜力获得更深入的生物学见解。尽管还有一些挑战需要克服，但人工智能有能力在未来几十年内推动蛋白质组学和生物学的重大进步。　　您认为全球蛋白质组学研究人员应该如何合作实现“π-HuB”计划的目标?　　“π-HuB”计划无疑是一项具有全球影响力的开创性举措，科学界也渴望共同努力，为该项目做出积极的贡献。目前，该项目还处在讨论制定具体的合作机制和形式阶段。为了推进这种合作，科学家必须与政策制定者和政府联络沟通以获得必要的支持和资源。“π-HuB”计划国际合作将通过持续的讨论和规划继续完善。从本质上讲，虽然具体的合作结构尚未完全确定，但中国和国际科学界的共同承诺，使实现“π-HuB” 计划宏伟目标变得更有希望。　　您对蛋白质组学领域未来5-10年的发展有何预测?　　预测科学的未来总是充满挑战，但我可以对未来 5-10 年蛋白质组学领域的潜在发展提供一些见解。令人感兴趣的领域之一是基于质谱的方法和非质谱方法之间的平衡。我们正在见证基于亲和力的方法、纳米孔测序和单分子方法等技术的进步。关于哪种方法进展更快并有可能主导该领域的争论仍在继续。然而，重要的是不要教条地选择自己喜欢的方法，而是让数据来决定。在未来 5-7 年中，质谱分析可能会继续占据主导地位，但除此之外，其他方法也可能会占据主导地位，每项新技术都应根据其优点和缺点进行评估。另一个有进步空间的领域是研究蛋白质复合物和翻译后修饰的无偏性方法。目前，这方面的大规模检测方法还比较有限，需要进行创新。此外，蛋白质组学还有更广泛应用的潜力，特别是在药物发现和开发方面。在这方面，蛋白质组学可以成为宝贵的资源，并且其应用还有显著增长的空间。制药行业越来越认识到蛋白质组学在决策过程中的效用。在临床应用方面，蛋白质组学在发现工作方面具有巨大的潜力。然而，关于是否在临床环境中使用质谱或选择其他平台的争论仍将继续。这两种方法都应该探索，并根据实用性和有效性选择最合适的一种，常规且简单的技术可能更适合临床检测。值得注意的是，长期以来人们一直希望将高分辨率质谱技术整合到临床环境中。虽然这一目标过去设定为 10 年，但事实证明实现这一目标具有挑战性。供应商和研究人员一直在努力实现这一目标，但在临床实践中广泛采用的时间表仍不确定。总之，蛋白质组学领域是动态且不断发展的。未来 5-10 年，技术、应用领域和方法可能会取得进步, 灵活性、数据驱动的决策和创新对于塑造蛋白质组学研究的未来至关重要。

质谱仪因其准确的定性和定量能力，在科学仪器领域占据的地位越来越重要，被公认是近年来发展最快的分析技术之一。据仪器信息网统计，目前国际排名前十的仪器厂商中有五家在从事质谱仪的生产 自2006年起，到目前为止已有超过40家国产企业开始涉足商业化质谱仪的生产。　　2023年伊始，让我们来看看顶级分析化学家、质谱大咖都看好哪些质谱技术和热点研究方向。(点击了解：2023年质谱行业风向标)　　前两篇中，著名质谱学家Graham Cooks教授谈到蛋白质质谱技术与离子淌度质谱技术具有巨大的发展潜力，并看好液滴化学反应领域的科学研究发展(点击了解) 美国印第安纳大学化学系特聘教授 David Clemmer 讨论了电荷检测质谱、电喷雾电离以及分析科学在解决环境问题中必须发挥的作用等(点击了解)。本文中，蛋白组学牛人——瑞士苏黎世联邦理工学院Ruedi Aebersold谈到蛋白质组学研究的进展并对其前景进行展望，此外他也提到技术发展面临经济环境不稳定和学术研究文化的限制。　　Ruedi Aebersold 是瑞士苏黎世联邦理工学院分子系统生物学名誉教授和生物学系主任，Aebersold的工作为研究蛋白质的结构和功能提供了基础，为许多生物学研究奠定了基础，为药物开发和治疗疾病提供了重要的研究方向。作为蛋白质组学领域的先驱之一，他以开发一系列方法而闻名，这些方法已在分析蛋白质化学和蛋白质组学中得到广泛应用，例如用于定量质谱分析的一类称为同位素代码标记 (ICAT)技术 ，这一蛋白组定量技术自从1999年在Nature上发表以来，已在世界范围内得到广泛应用。Aebersold多次被评为全球分析科学界最具影响力的科学家，曾获得 HUPO(人类蛋白质组组织)含金量最高的成就奖。　　Q：十年来分析科学领域最重要的发展有哪些?　　一个总的趋势是性能的不断提高，更快、更精确、更高分辨率技术的发展，同时技术的发展也朝向多样化。例如，光学技术已率先用于对核酸进行测序并揭示它们在细胞核中的组织方式。 另一个变革性领域是显微镜——尤其是冷冻电镜，用于结构生物学和细胞断层扫描测量以及非常薄的切片组织。　　在核酸领域，单细胞测序、RNA 表达和单细胞 DNA 分析等方面取得了重大进展。蛋白质组学领域也取得了令人振奋的进展 我们开始了解以前无法从批量分析中辨别出来的物质，例如我们的单个细胞是如何组成的。大多数关于蛋白质组的分析论文都集中在样品中存在哪些蛋白质以及浓度是多少。最近，我们开始测量蛋白质组的其他方面，例如，通过自上而下 Topdown MS的方法，了解蛋白质结构、蛋白质如何相互作用以及它们如何改变形状。在分析技术的推动下，这些激动人心的发展为我们研究生物学问题和解决生物学难题提供了有力的支持。　　Q: 在过去的 10 年中，有没有您认为特别具有创新性的商业产品?　　最先进的电子显微镜的功能令人难以置信。在质谱分析中，不同定位的产品都有渐进式改进，相当于性能显着提高。 十年前，我们很乐意在细胞裂解物等复杂样品中检测到 3,000 种蛋白质。 现在，我们可以从十分之一的输入材料中检测到 8,000 种蛋白质。 获得更好的定性和定量结果的数据独立采集 (DIA) 技术发布也已有 10 年了。 吸收速度非常快，如果您有大量样本，现在是首选方法。　　过去十年，电子显微镜(例如FEI和Thermo开发的)的技术已经达到了令人难以置信的水平。在质谱领域，每个方面都有逐渐改进，总体而言，性能显著提高。十年前，我们曾经很高兴地从一个复杂样品(如细胞溶解物)中检测到3000种蛋白质。现在，我们可以从样本量的1/10中检测到8000种蛋白质。自更好的定性和定量结果的数据独立采集(DIA)技术发布以来，已经有10年了，如果您有大量的样品，它现在是首选方法。　　Q：过去十年科学领域的进步速度是否让您感到惊讶?　　技术进步的速度并没有让我感到惊讶，但应用发展的速度却让我感到惊讶。大约 20 年前，从发布一项技术到看到它被社区实际使用需要 5到10年的时间。 现在，新技术的普及要快得多。DIA SWATH 技术很快被采用，大约两年内便拥有了很多用户。冷冻电镜分析也很快被应用。一些核酸技术也是如此，对于单细胞 RNA 测序，翻译也很快。　　过去十年进展的速度没有让我惊讶，但是实施的速度让我惊讶。大约20年前，从发布技术　　Q：您认为是什么推动了蛋白翻译速度的提高?　　我认为，这些新技术非常出色，它们满足科学社区的实际需求。如果你只为一个特定领域开发一项技术，那么它的应用可能不会很广泛。如果技术极其复杂，比如在活细胞中测量分子距离(这涉及对细胞进行工程化，并使光敏剂和光发生剂保持在接近的距离)，那么它的应用可能会很慢，因为技术上的障碍很大。相比之下，如果你知道如何使用蛋白质质谱仪，从DDA采集技术提高到DIA采集技术是相对简单的。　　Q: 在过去的时间里，业界有没有学到什么教训?　　总是有一些起起落落的情况，有些看起来非常有前途，但最终却失败了。我认为这个领域的最难的一课是表面增强激光解吸/离子化质谱的出现。二十年前，分析科学被认为世界是一种强大的生物标志物检测技术。该机器使用简单，已在许多医院中应用，以便临床实验室可以大量运行血浆样本并在体液中找到生物标志物。不幸的是，它并没有得到广泛普及应用　　这使蛋白质组学领域倒退了几年，直到更新更加稳健的方法出现。因此，蛋白质组学在开发可计算机算法方面非常出色，这些算法基于统计工具，能够定性和定量分子。而代谢组学，尚未达到这一水平。　　Q:聊聊你的实验室和你的研究，过去十年你最大的亮点是什么?　　过去十年，我从生物化学家转型为研究员，始终把技术工作，特别是在蛋白质组学领域，视为解决重要生物学问题的途径。经过多次处理技术问题，我们现在拥有强大、可靠的蛋白质组学技术，可以回到生物学，用这些新技术确定细胞和组织的生物化学状态。我们可以开始询问关于不同状态的细胞的问题，例如，在不同复合物中的蛋白质组织的差异。我在ETH的继任者Paola Picotti开发了有限水解-联用质谱技术，该技术可以测量蛋白质的结构如何随细胞状态的变化而变化。这项技术基于蛋白质的功能取决于特定结构的基本原则，现在可以在一次分析中同时对数百种蛋白质进行测试。　　Q: 你认为质谱技术领域未来有哪些值得期待的发展?　　我预计质谱技术将继续发展和变得更强大。有人试图将核酸测序的原理应用于蛋白质，在这种情况下，数十亿个蛋白质被沉积在一个流式细胞中，然后可以探测它们在特定位置的存在情况。这将使蛋白质分析达到单分子检测的水平。这些方法还有很长的路要走，但这非常令人兴奋。　　我还希望新技术能够更广泛地探测蛋白质的功能相关属性。蛋白质组学和一定程度上的代谢组学都受到了实际因素的阻碍。例如，这些技术被认为很复杂，很大程度上是因为它们使用复杂的仪器，很容易出故障。我预计仪器、计算工具和技术将变得更加健壮和广泛使用，这应该提高了可访问性。使用技术的人越多，就有越多人有创造性的想法和产生有趣的结果，因此我期待着用户群体的扩大和随之而来的变化。　　Q: 哪些新技术能够帮我们回答更有趣的研究问题?　　我认为，增加的吞吐量和鲁棒性将允许我们收集大量的数据，并使用人工智能技术来学习新的生物学。例如，生物学和医学的一个基本问题是：基因组的变化如何影响(疾病)表型?对于几乎所有的疾病，基因组变异与表型表现之间的关系非常复杂。通过我们现在拥有的新技术，我们可以开始生成数据集，以了解特定的基因组变化如何影响细胞生化和病人的疾病轨迹。这不能在一次实验中完成 我们需要大量的数据和计算工具。我希望，在未来10年内，这个领域将得到进展。　　Q: 您对这个领域的发展有哪些担忧?　　我对经济环境有所担忧。一年前，当资金充足时，投资者积极寻找新技术，有大量的资本可以将有趣的想法从大学研究中解脱出来。现在，我认识的同事们有很多令人兴奋的新技术，但却很难找到资金。初创公司需要资金来建设、维护和推广新的创新，我担心这条供应链将受到影响。很多应该进入市场的惊人技术可能不会出现。　　另一个限制是学术研究文化。通常，资助机构将大量的研究资金投入到他们认为具有转化性的领域。他们希望疾病得到治愈，药物得到改善，但这需要时间，分析科学是这些进展的基础。对基本技术进展的投资减少将对整个链条造成不利影响。

p style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(31, 73, 125) "蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象的直接体现者，对蛋白质结构和功能的研究将直接阐明生命在生理或病理条件下的变化机制。蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。因此，蛋白质组学研究不仅是探索生命奥秘的必须工作，也能为人类健康事业带来巨大的利益。/span/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(31, 73, 125) "蛋白质组学研究需用到二维电泳和质谱技术等多种关键技术，此外，随着蛋白质组学研究的发展，高通量和高精度的蛋白质相互作用检测、蛋白质芯片的发展等更多新技术也逐步发展起来。/span/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(31, 73, 125) "为帮助从事相关研究的用户梳理蛋白质组学研究技术及方法，仪器信息网特别策划了a href="https://www.instrument.com.cn/zt/dbzxyj" target="_blank"span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(192, 0, 0) "strongspan style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai font-size: 18px "“蛋白质组学新技术、新方法”/span/strong/span/a专题，并邀请赛默飞技术专家唐家澍分享了他的观点。/span/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "span style="color: rgb(192, 0, 0) "strong蛋白组学体现出三大应用倾向 /strong/span/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "蛋白质组学的研究对象非常广泛，从细胞系到模式动物乃至人群样品，都是典型的蛋白质组学研究对象。蛋白质组学可以为生物学和医学研究提供表达差异的变化，信号级联的传递以及蛋白质相互作用的时序以及空间调控等种种信息。/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "近些年，蛋白质组学体现了几个重要的应用倾向，strong一是作为常规手段越来越多的运用到生物学功能研究中，二是针对人群队列样本的多组学整合研究从而在大数据的指导下由相关性推导出新的诊断或是治疗靶点, 三是更加精细化的着眼于单细胞的研究，从而在肿瘤异质性以及抗体筛选等前沿领域发挥作用。/strong/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong蛋白质和核酸以及小分子的最大不同在于以下几点: /strong/span/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "（1）蛋白质含量动态范围大，且蛋白质不能像DNA一样进行扩增 /pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "（2）蛋白质存在广泛的翻译后修饰和选择性剪切；/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "（3）蛋白质之间存在非常复杂的相互作用网络来执行生理功能。/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong因此可见目前蛋白质组学面临的主要挑战在于: /strong/span/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "（1）足够的分析速度以应对越来越大规模的队列研究 /pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "（2）足够的分析深度以实现对全蛋白质组乃至修饰组的更深度覆盖 /pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "（3）定量分析的质量以提供更加准确的表达差异的信息。 /pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "所以，strong当定量准确、深度分析和更高通量得以同时实现，那么无疑就是占领了蛋白质组学研究的制高点。/strong/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "span style="color: rgb(192, 0, 0) "strong从质谱采集到数据分析 赛默飞方案覆盖蛋白质组学分析全流程/strong/span/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "ThermoFisher作为蛋白质组学的研究的领先企业，可为蛋白质组学研究提供丰富的解决方案。在定量蛋白质组学领域，ThermoFisher提供了丰富的工作模式，包括基于体外化学标记的TMT技术，用于大队列研究的DIA模式以及兼具灵敏度和高通量的SureQuant靶向定量流程以应对不同的应用场景。/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "在更新兴的结构生物学领域，ThermoFisher提供了更为丰富的武器，例如化学交联质谱技术用于研究蛋白质相互作用和为蛋白质结构解析提供辅证，氢氘交换质谱用于研究蛋白质二维构象，非变性质谱用于研究蛋白质及复合物的高维结构，更有UHMR质谱使得直接分析MDa级分子量的完整病毒颗粒成为可能。/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/SH100244/C242497.htm" target="_blank"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 332px height: 340px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/52b82a64-fb40-43f2-89b4-ebcd2fa541d7.jpg" title="图片1.png" alt="图片1.png" width="332" height="340"//a/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 0em text-align: center "a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/SH100244/C242497.htm" target="_blank"赛默飞EASY-nLC 1200纳升级UHPLC/a/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "为了使客户能够更加系统和深入的理解复杂的蛋白质组学，ThermoFisher也提供了业内最为专业和全面的培训服务体系。从样品前处理，质谱采集，数据分析到生物信息学和实验室质控流程建立，ThermoFisher一直致力于帮助客户顺利的克服研究过程所遇到的技术问题。/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "Orbitrap质谱+TMT技术 实现深度和高通量研究/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "ThermoFisher的Oribitrap系列质谱一直是蛋白质组学研究的金标准。其具有的高分辨，高灵敏度和高可靠性使得绝大多数发表于CNS等顶刊的蛋白质组学研究工作都不约而同的选择该系列仪器。Orbitrap系列质谱仪将蛋白质的定性和定量实现了完美的统一。2019年ASMS上发布的全新平台的Orbitrap Exploris 480更是将仪器的性能推向了一个全新的高度。span style="text-align: center text-indent: 0em " /span/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/sh100244/C333158.htm" target="_blank"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 316px height: 316px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/cd501f99-31ee-43df-8c20-d4cfae91ec73.jpg" title="图片2.png" alt="图片2.png" width="316" height="316" border="0" vspace="0"//a/pp style="margin: 10px 0px padding: 0px text-align: center background: rgb(255, 255, 255) text-indent: 2em line-height: 1.5em "a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/sh100244/C333158.htm" target="_blank"赛默飞Orbitrap Exploris 480 高分辨质谱仪/a/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "回到我们上面所提到的定量准确，分析深度和通量的问题上，Orbitrap质谱结合多标TMT技术一直被广泛应用于定量蛋白质组学研究中。/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "TMT标记试剂采用了巧妙的化学结构使得其可以在一针采集中同时分析多达11个样本。而TMT技术带来的不仅仅是分析通量的提高，将11个样本标记后同时分析实际上是提供了一个封闭的定量环境，以完全消除在前处理过程和质谱分析时可能产生的定量误差。传统基于非标记定量的策略则在定量准确性方面存在先天的劣势。除此之外，在TMT标记实验中为了得到更深的蛋白质组覆盖以及对修饰组的研究，研究者们通常还可以结合肽段分级或是修饰肽段富集等策略，以满足丰富多样的研究需求。/pp style="text-indent: 2em margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "在2020年ThermoFisher发布了TMTpro 16通道标记技术, 将TMT标记技术推向了新的高度，该技术已于今年3月份在Nature methods上发表。该技术刚发布便在实际的科研工作中体现了无与伦比的价值。中国西湖大学的科学家利用Orbitrap结合TMT标记技术，并结合代谢组学的数据，发现了COVID-19的病人血清中的潜在靶点，有望为预测轻症患者向重症发展提供导向。相信在往后的科研工作，尤其是基于大队列的精准医学研究中，Orbitrap结合TMTpro标记技术将会极大程度的助力广大科研人员取得更多等显著的成果。/p

大家好，本周为大家分享一篇最近发表在Analytical Chemistry上文章，High-Throughput, Quantitative Analysis of Peptide-Exchanged MHCI Complexes by Native Mass Spectrometry1。该文章的通讯作者是美国基因泰克公司的Wendy Sandoval研究员。　　癌症疫苗是通过利用肿瘤细胞相关抗原，来唤醒人体针对癌症的免疫系统。常见的策略是通过对病人的肿瘤细胞样本进行基因测序来寻找特征性抗原肽，该抗原肽会与I类主要组织相容复合体(MHCI)相结合并呈递至CD8+细胞表面，通过与CD8+细胞表面受体相结合从而诱导免疫反应。为了实现整个过程，研究人员通常会结合基因测序和计算机预测结果设计多个候选抗原肽，每个候选肽都需要通过实验测试来确认它与MHCI分子的结合能力以及相关免疫原性。此外，考虑到编码MHCI的基因具有多态性，候选抗原肽还需要与不同等位基因编码的MHCI分子进行测试。因此，本文开发了一种高通量方法，利用非变形质谱快速筛选候选抗原肽并表征形成的肽-MHCI复合物(pMHCI)。　　pMHCI复合物中抗原肽的体外载入一直以来都是难点，因为MHCI复合物(包括HLA和β2M亚基)本身并不稳定，需要长度为8~10的多肽链载入到MHCI的凹槽以保持完整。本文则通过利用紫外光裂解肽-MHCI复合物(UV-MHCI)的肽交换实现抗原肽的载入，具体步骤如图1A所示，通过紫外光照，UV-MHCI中的高亲和肽被切割转为低亲和肽段，该低亲和力肽段极易发生肽交换，通过监测新的pMHCI复合物的形成实现对候选肽的评估。目前常用的检测pMHCI形成的工具包括ELISA、TR-FRET以及2D-LC-MS。然而这些方法仅能提供有限的信息关于肽交换、pMHCI分子质量，对形成的pMHCI复合物无法进一步的表征。事实上，pMHCI复合物对后续诱导免疫反应至关重要。　　图1. 癌症疫苗的免疫监测的示意图：A) 筛选流程，B检测方法。　　为了确认非变性质谱(nMS)能否用于pMHCI复合物表征以及肽交换率的检测，作者对UV-MHCI以及6个标准肽段进行了考察(图2)。未经UV照射的UV-MHCI MS谱图(图2A)可以观察完整的UV-MHCI复合物以及丢掉紫外光裂解肽的MHCI。MHCI复合物被认为是气相解离产生的，因为没有活性肽的稳定作用，MHCI很难存在于溶液相中，溶液中没有MHCI，“空壳”的MHCI只有可能是质谱中UV-MHCI的气相裂解产生的。图2B证实了这一观点，经紫外光照射后，紫外光裂解肽由高亲和力转为低亲和力，从MHCI上脱落，MHCI解离成HLA和β2M亚基，谱图中能观察到HLA和β2M亚基信号。确认了MHCI是由peptide-bound population产生的信号，作者开始用该方法去定量标准肽的肽交换率。如图2C为UV-MHCI与标准肽孵育并过夜UV照射得到的谱图，仅观察到完整的pMHCI以及“空壳”MHCI的信号，说明实现了100%的完全肽交换。如图2D，肽交换率随孵育时间改变，2小时孵育时间足以实现最大肽交换。　　图2. nMS表征UV光照A)前B)后的UV-MHCI复合物，C)nMS测定UV-MHCI与标准肽的肽交换率，D)标准肽肽交换率随时间的变换情况。　　为了提高分析通量，减少样本消耗，作者在nMS基础上开发了SEC-nMS和CZE-nMS系统。作者用SEC-nMS系统测定了50个候选肽的交换率，说明该系统能够进行中或大规模的数据采集。相比较SEC-nMS而言，CZE-nMS系统具有更高的灵敏度和通量，样品体积消耗从微升减少至纳升，分析时间也缩短为2 min(图3A)。检测信号与进样量呈线性关系，注射体积为3 nL时，最低检测限为6 ng(图3BCD)。作者测定了67个候选肽跨越4种等位基因编码的MHCI分子的肽交换率(图3E)。此外，通过将UV-MHCI复合物同时与四种以上的候选肽进行孵育可在单个实验中同时检测它们的相对肽交换率以及与MHCI结合的亲和力(图3F)。作者还提出Vc50这个概念，即导致50%的pMHCI复合物发生解离的碰撞电压，可作为评估pMHCI复合物稳定性的重要参数。　　图3. 使用CZE-MS系统高通量分析pMHCI复合物　　除了检测pMHCI复合物的形成，测定肽交换率，nMS还可以对形成的复合物进行进一步的结构表征。如图4所示，native top-down的分析策略可获得多层次的结构信息。本文使用的Orbitrap Eclipse “Tribrid” 质谱，图4A为完整pMHCI的MS1谱图，图4B为施加源内电压(SID)促使蛋白解离为亚基，图4C是将14+ pMHC单独分离出，为后续HCD活化做准备。图4D为pMHCI复合物经HCD解离后的MS2谱图。图4E和图4F则分别为对肽段以及HLA亚基进行top-down测序的结果。这些多层次的结构信息能够帮助区分HLA亚型、阐明候选肽的序列，包括一些PTMs、二硫键信息。这些结构细节可能会影响候选肽与MHCI分子间的亲和力甚至是后续T细胞受体的识别。　　图4. Native top-down分析策略获得pMHCI复合物的多层结构信息　　总之，本文将非变性质谱(nMS)与分子排阻(SEC)或毛细管电泳(CZE)分离技术相结合用于高通量筛选pMHCI复合物中的候选肽。该方法能够直观确认pMHCI的完整性，Vc50可作为评估复合物气相稳定性的重要指标，通过native top-down分析策略可获得多层次的结构信息。以上所有确保了后续临床T-细胞实验的正常进行。　　撰稿：刘蕊洁　　编辑：李惠琳　　原文：High-Throughput, Quantitative Analysis of Peptide-Exchanged MHCI Complexes by Native Mass Spectrometry　　参考文献　　1. Schachner LF, Phung W, Han G, et al. High-Throughput, Quantitative Analysis of Peptide-Exchanged MHCI Complexes by Native Mass Spectrometry. Anal Chem. 2022 10.1021/acs.analchem.2c02423. doi:10.1021/acs.analchem.2c02423

p style="text-indent: 2em "6月18日，仪器信息网主办的“蛋白质组学研究技术与方法进展”主题网络研讨会成功召开，会议为期半天，共吸引近700人报名参会。会议现场，网友纷纷积极提问，与在线专家形成良好的互动氛围。br//pp style="text-indent: 2em "为方便更多从事蛋白质组学研究的科研人员学习相关技术，现特将会议内容剪辑整理，点击strong报告题目/strong或strong报告图片/strong即可进入视频页面。/pp style="text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112929.html" target="_blank"img style="width: 550px height: 413px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/13b79024-5ab6-46a9-ba61-aa729fa12726.jpg" title="1.jpg" width="550" height="413" border="0" vspace="0" alt="1.jpg"//a/pp style="text-align: center "报告嘉宾：邓海腾(清华大学 )/pp style="text-align: center "报告题目：《a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112929.html" target="_blank"功能蛋白质组学技术的进展和挑战》/a/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "随着质谱技术的发展，高通量地检测细胞、体液和组织中的蛋白表达谱已经成为常规分析，蛋白质组学的研究重心开始从揭示蛋白的表达水平转移到蛋白的生物学功能研究上。在本次讲座中，我将和大家一起探讨常用的功能蛋白质组学方法和在分子生物学研究中的应用，以及功能蛋白质组学分析面临的挑战。/pp style="text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112930.html" target="_blank"img style="width: 550px height: 413px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/e6517efa-7c9c-4df5-8b90-784a1ff0e53d.jpg" title="2.jpg" width="550" height="413" border="0" vspace="0" alt="2.jpg"//a/pp style="text-align: center "报告嘉宾：申华莉(复旦大学 ) /pp style="text-align: center "报告题目：a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112930.html" target="_blank"《拟靶向质谱定量技术用于大规模生物标志物筛选》/a/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "血液包含了人体各器官实时的生理病理状态信息，是最理想的检测目标样本。目前的血清标志物研究方法通量小、效率低，导致血清标志物发现少，向临床转化效率低。我们利用MRM技术的特点实现血清中标志物的高灵敏、高精确定量，并通过时间窗口的设置大幅度提高MRM检测的通量。这一策略可以实现高灵敏、高通量的血清标志物筛选。/pp style="text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112932.html" target="_blank"img style="width: 550px height: 413px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/3ecece59-eff5-4527-b974-047f2710ee1a.jpg" title="3.jpg" width="550" height="413" border="0" vspace="0" alt="3.jpg"//a/pp style="text-align: center "报告嘉宾：田瑞军(南方科技大学 )/pp style="text-align: center "报告题目：a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112932.html" target="_blank"《基于生物质谱技术的动态蛋白质复合物分析及生物医学应用》/a/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "蛋白质复合物是介导细胞微环境信号转导网络的关键分子机制，一般都经历一个由细胞间、细胞膜、细胞质到细胞核的“链条式”激活和动态组装的过程。目前针对细胞信号转导的蛋白质组学研究大多集中于对蛋白质表达量及其翻译后修饰的分析，仅能阐述通路节点的变化，无法诠释信号蛋白的动态组装和信号传递过程。本团队致力于开发基于生物质谱技术的蛋白质组学新方法和新技术，并专注于其在动态蛋白质复合物及肿瘤微环境信号转导研究方面的应用。最近，我们设计合成出一种具有酪氨酸磷酸化识别蛋白结构域SH2、光交联基团和富集基团的化学生物三功能亲和探针，实现了对疏水性动态受体膜蛋白复合物及相关药物靶点蛋白的高效富集和质谱精准鉴定；发展了样品前处理新技术SISPROT，实现了微纳克级别亲和富集样品前处理的集成化和通量化操作，并实现了受体膜蛋白相关复合物分钟级别动态变化规律的高准确度定量表征；发展了通用的受体膜蛋白复合物多维度协同富集和蛋白质组学分析方法，并成功地用于胰腺癌肿瘤微环境受体膜蛋白复合物的规模化发现。上述研究发现并验证了胰腺癌的新药靶点和疾病标志物白血病抑制因子LIF，并促成了首个针对胰腺癌的anti-LIF抗体药物的美国一期临床试验。/pp style="text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112935.html" target="_blank"img style="width: 550px height: 413px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/79709921-762a-47fe-b158-b7195b607ca9.jpg" title="4.jpg" width="550" height="413" border="0" vspace="0" alt="4.jpg"//a/pp style="text-align: center "报告嘉宾：陆豪杰(复旦大学 ) /pp style="text-align: center "报告题目：a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112935.html" target="_blank"《定量蛋白质翻译后修饰组学》/a/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "对蛋白质翻译后修饰的定量分析可以帮助我们了解和调控生命过程。蛋白质翻译后修饰使蛋白功能多样以满足复杂的生命过程，同时使得蛋白质的结构复杂。基于生物质谱的组学技术，极大推动翻译后修饰的规模化定量分析。我们发展了一系列方法用于蛋白质后修饰组的定量研究，包括蛋白质的糖基化、泛素化、棕榈酰化、4-羟基壬烯醛（HNE）修饰以及蛋白质的N/C末端。/pp style="text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112933.html" target="_blank"img style="width: 550px height: 413px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/b27ac34d-5153-4f1c-9d16-8a679f98d718.jpg" title="6.jpg" width="550" height="413" border="0" vspace="0" alt="6.jpg"//a/pp style="text-align: center "报告嘉宾：隋欣煜(安捷伦)/pp style="text-align: center "报告题目：a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112933.html" target="_blank"《安捷伦蛋白组学样品前处理自动化解决方案》/a/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "AssayMAP Bravo生物样品前处理工作站，由96通道的注射器式移液头、微量色谱小柱、功能全面的工作站台面和为生物制药专家量身定制的操作软件组成，利用自动化操作来减少人为实验操作带来的误差，提升实验结果的稳定性，减少污染的可能性，同时利用自动化精准的时间控制和操作，来优化实验流程，提高实验室运行效率，同时适应未来趋势，节省时间和体力让实验人员从事更加有深度的分析和探索职能。/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "●AssayMAP Bravo仪器功能介绍；/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "●AssayMAP Bravo实验的稳定结果；/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "●AssayMAP Bravo在蛋白组学前处理的应用和文献解读；/pp style="text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112931.html" target="_blank"img style="width: 550px height: 413px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/9d190992-caea-4b22-afb1-1f04a98f1095.jpg" title="5.jpg" width="550" height="413" border="0" vspace="0" alt="5.jpg"//a/pp style="text-align: center "报告嘉宾：陈宁(布鲁克· 道尔顿)/pp style="text-align: center "报告题目：a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112931.html" target="_blank"《布鲁克4D-Proteomics™ 研究方案及dia-PASEF@、prm-PASEF@最新技术进展》/a/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "随着分析技术的不断发展，高分辨率质谱已成为蛋白质组学研究的核心仪器。由于生物样本的高复杂性和宽动态范围，蛋白质组学的深度研究仍面临极大挑战。捕集型离子淌度的引入，带领着传统蛋白质组学进入了4D新时代，带来了鉴定深度、定量准确性、扫描速度、仪器稳定性等性能的全面提升。本次报告将主要介绍4D-ProteomicsTM研究方案，以及dia-PASEF® 、prm-PASEF® 技术进展。/pp style="text-align: center margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112934.html" target="_blank"img style="width: 550px height: 413px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/074d05d3-7121-4343-adc9-0205390abdb5.jpg" title="7.jpg" width="550" height="413" border="0" vspace="0" alt="7.jpg"//a/pp style="text-align: center "报告嘉宾：周岳(赛默飞 )/pp style="text-align: center "报告题目：a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112934.html" target="_blank"《突破蛋白质组学分析的极限——赛默飞蛋白质组学技术最新进展》/a/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em "赛默飞近几年在蛋白质组学领域开发了多种新技术来突破蛋白质组分析的极限。FAIMS Pro离子淌度可以接在Orbitrap质谱的前端选择特定的离子进入质谱，提高了蛋白质组学的覆盖度和定量准确性，同时也提高了质谱的稳定性。Orbitrap Eclipse独有的实时检索算法（RTS）使TMT定量的覆盖度和准确度可以兼得，加上TMT 16plex标记试剂的推出，使得TMT定量具有更高的通量。靶标定量一直是蛋白质组学的最后一环也是最关键的一环，基于Orbitrap质谱的独有SureQuant定量方法可以在很短的梯度内绝对定量500多个蛋白，同时不需要太多方法优化，该方法可以很快地在实验室间进行方法转移。/pp style="margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em "点击链接，观看全部“蛋白质组学研究技术与方法进展”网络会议视频： a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/Video/Video/Collection/10572" target="_blank"https://www.instrument.com.cn/webinar/Video/Video/Collection/10572/a/p

仪器信息网讯 随着人类基因组计划的实施和推进，生命科学研究进入了后基因组时代，蛋白质组学随之成为重大热点研究领域之一。在应用研究上，蛋白质组学已成为发现新型生物标志物、新药物靶标的重要途径，已成为生物医药产业及其相关产业发展的新生长点，此外，蛋白质组学通过研究疾病不同阶段相关蛋白质变化、对疾病诊断和治疗领域具有应用价值和指导意义。而蛋白质组的研究实质上是在细胞水平上对蛋白质进行大规模的平行分离和分析，往往要同时处理成千上万种蛋白质。因此，发展高通量、高灵敏度、高准确性的研究技术平台对于蛋白质组学研究至关重要。质谱技术是目前蛋白质组研究中发展最快，也最具潜力的技术。　　为帮助从事相关研究的用户学习蛋白质组学研究技术及方法，仪器信息网将于2021年3月18日举办“蛋白质组学技术与应用进展”主题网络研讨会，会议将邀请多位业内专家做精彩报告，为广大用户搭建一个即时、高效的交流和学习的平台。报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/PROTEOMIC2021/　　会议日程:　　报告嘉宾一览：北京蛋白质组研究中心主任/研究员 秦钧　　秦钧博士，男，1965年2月出生。国家特聘专家，北京市特聘专家。秦钧教授是世界上少数几位将质谱仪设计、蛋白质组学方法开发、生物信息学、生物学及临床应用纳入同一个研究项目的学者之一。在蛋白质复合体研究方面，建立了国际领先的蛋白质复合体纯化和鉴定方法 在蛋白质网络研究方面，建立了世界上最大的内源性人蛋白质复合体数据集 在DNA损伤修复开展了大量卓有成效的研究工作 成功建立了国际上最高效的蛋白质组扫描平台 利用转录因子可与其特异性DNA序列结合的特点，设计研发catTFRE用来富集细胞/组织中内源性转录因子和转录调控复合物 主持开发建设了国际上第一个一站式蛋白质组学数据分析云平台 绘制了首个弥漫型胃癌的蛋白质组地形图，并将弥漫型胃癌分为与生存预后和化疗敏感性密切相关的三个分子亚型 绘制了首个解剖区域分辨率的健康人胃黏膜蛋白质组参考图谱，并建立了胃粘膜在生理条件下的蛋白质组的定量参考范围。以责任作者身份在Cell、Nature Biotechnology、Nature Communications、Molecular Cell、Genes & Developments和PNAS等期刊发表系列文章。西湖大学特聘研究员 郭天南　　2006年毕业于华中科技大学同济医学院临床医学七年制，同时获得武汉大学生物科学双学位。2012年获得新加坡南洋理工大学博士学位。2012-2017年在瑞士苏黎世联邦理工大学Ruedi Aebersold教授实验室从事博士后研究。2017年初在澳大利亚悉尼大学儿童医学研究所ProCan任Scientific Director，肿瘤蛋白质组Group Leader，悉尼大学医学院兼聘高级讲师。2017年8月加入西湖高等研究院任特聘研究员。长期从事蛋白质组学相关研究，并将其应用于大量的临床样本(包括甲状腺癌、前列腺癌等)，结合人工智能探索生物标志物。中山大学教授 李惠琳　　中山大学药学院教授，博士生导师。主要从事生物质谱新技术的开发及应用，侧重于(1)开发整合结构质谱技术(包括native top-down MS, HDX-MS, CX-MS等)，用于药物作用分子机制及蛋白复合物结构研究 (2)Middle-down/top-down蛋白质组学新技术的开发及应用。共发表SCI收录论文40篇，其中第一作者或通讯作者15篇，主要发表在Nat. Chem.、Anal. Chem.等期刊 2014年获得American Society of Mass Spectrometry Postdoctoral Career Development Award 2019年入选“珠江人才计划”青年拔尖人才 主持国家自然科学基金项目3项。南方科技大学终身教授 田瑞军　　南方科技大学终身教授，加拿大渥太华大学及深圳市人民医院兼职教授，中国蛋白质组组织CNHUPO常务理事、中国化学会色谱专业委员会理事、中国质谱学会理事和中国分子系统生物学学会理事，科技部“国家重点研发计划”子课题负责人。2008年在中国科学院大连化学物理研究所获得分析化学博士学位，师从邹汉法研究员，并获得中国科学院院长优秀奖和中国科学院优秀毕业生奖励。在加拿大先后师从Daniel Figeys教授和Tony Pawson院士完成博士后研究，并获得加拿大国立卫生研究院(CIHR)博士后基金资助。2014年起受聘南方科技大学化学系，致力于蛋白质组学的方法学和技术研究，并强调其在细胞信号转导和肿瘤微环境等生物医学研究方向的应用。已在国际主流学术期刊上发表论文70余篇，其中以通讯作者在Nature、PNAS、Anal. Chem.等上发表文章近30篇。曾荣获由国际蛋白质结构分析和蛋白质组学协会(IAPSAP)颁发的2012 Young Investigator Award、深圳市鹏城学者特聘教授和广东杰出青年基金等。曾担任第五届中加系统生物学研讨会等国内外会议共同主席。目前担任色谱杂志青年编委和Frontiers in Endocrinology编委。

俗话说：文无第一，如果非要整出个蛋白质质谱与蛋白质组学领域世界第一牛人，显然并不是一件容易的事，也注定是一件有争议的事。作为一个半路出家的准业内人，我就本着无知者无畏的革命精神，说一下我自己心目中的第一牛人：Ruedi Aebersold。　　考虑到科学网的大多数网友对蛋白质组学并不了解，先简单科普一下，根据百度百科的定义：“蛋白质组学(Proteomics)一词，源于蛋白质(protein)与 基因组学(genomics)两个词的组合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。” 1995年(也有1994，1996年之说)Marc Wikins首次提出蛋白质组(Proteome)的概念1，1997年, Peter James(就职于有欧洲MIT之称的瑞士联邦工学院(ETH))又在此基础上率先提出蛋白质组学的概念2。基因组学和蛋白质组学的概念又进一步催生了N多的各种各样的组学(omics)，两者的诞生的发展，也使系统生物学成为可能，本文的主人公Ruedi Aebersold与Leroy Hood一起于2000年在美国西雅图创办了系统生物学研究所(ISB),该所的建立不但标志着系统生物学作为一门独立的学科的诞生(此句话貌似不靠谱，参见文后14楼的评论)，也带动了包括蛋白质组学在内的多种组学的发展，当然各种组学的发展也同时促进了系统生物学的发展。尽管日本也于2000年在东京建立了系统生物学研究所，但是同为第一个吃螃蟹的，东京的这个所，无论是学术水平还是世界影响都无法和西雅图的那个系统生物学领域的麦加相提并论。闲话少叙，我之所以认为Ruedi Aebersold是蛋白质质谱与蛋白质组学领域世界第一牛人，是基于如下原因：　　Ruedi Aebersold对蛋白质组学的最大贡献可谓是同位素代码标记技术(ICAT)，现在这一蛋白组定量技术自从1999年在Nature上发表以来，该技术已世界广泛应用，该论文迄今(截至2013年1月11日)已被引用了近3000次。Web of Science的检索结果显示，蛋白组学领域迄今已经至少有超过10万篇论文发表，按照被引用次数排名，该论文位居第三位。有意思的是，被引用次数排第四位的是Ruedi Aebersold和另外一位牛人Mathias Mann(下面会介绍)于2003年发表在Nature上的有关蛋白质质谱与蛋白质组学的综述论文，迄今也已被引用近2800次。而引用次数排第一和第二的两篇论文的通讯作者并算不上是蛋白质质谱与蛋白质组学领域的，蛋白质组学仅仅是他们使用的工具，他们的影响也在这个领域之外。蛋白质组学领域，最重要的专业协会应该算是HUPO (国际人类蛋白质组组织), 最重要的专业会议也当属HUPO世界大会，Ruedi Aebersold曾获HUPO含金量最高的成就奖，他本人也经常是HUPO世界大会的分会主席或大会特邀报告人。当然Aebersold还获得了包括美国质谱协会(ASMS)大奖在内的许多专业大奖。可能有人会列出另外的自己心中的第一牛人(如上述的Mathias Mann)，但Ruedi Aebersold无疑至少是领域内公认的前几位的世界级牛人。另外，顺便说一下德国马普所的Mathias Mann(其在丹麦首都也有实验室)，Mann和Aebersold可谓是蛋白质组学领域的双子星座，都是该领域的顶级牛人，Mann发表的论文有多篇都在蛋白质组学领域被引用次数前10位，不少被引用次数都上千次。上述的Mann和Aebersold两人能在Nature发表综述论文也说明了他们的江湖地位。Aebersold和Mann所发表的论文总被引次数分别超过了5万和3万次，这个数字在世界所有领域都是惊人的。另外，Mathias Mann在蛋白质组学最大的贡献可以说是发明了蛋白质组体内标记技术SILAC3,这种技术与Ruedi Aebersold发明的ICAT已及另外一种标记iTRAQ是公认的应用最为广泛的蛋白质组学定量标记技术。　　今年年近花甲的Ruedi Aebersold是世界蛋白质组学的开拓者之一，现在在上述的ETH的工作，和最早提出蛋白质组学Peter James在同一个大学。作为土生土长的瑞士人，Ruedi Aebersold是在2004年底、2005年初才开始在ETH全职工作的，可谓是瑞士的大海龟。Ruedi Aebersold此前在西雅图的ISB和华盛顿大学工作，作为ISB的元老和共同创办人，Ruedi Aebersold现在还是ISB的兼职教授，发表论文时也还署ISB地址。Mann和Aebersold都是欧洲人，现在又都致力于将蛋白质质谱与蛋白质组学应用到临床，尽管蛋白质组学已有十多年发展历史，现在最大的一个瓶颈可以说在基本无法应用到临床，现有的技术，对于临床应用而言，时间和经济成本都太高(无法高通量、检测成本太贵)。这一块硬骨头显然不是一般人能够啃得动的，需要从临床样品制备、质谱技术到数据分析都要有突破甚至革命性的创新，我很期待，也相信Mann和Aebersold有能力最终使蛋白质组学(尤其是基于此的生物标志物鉴定技术)应用到临床。　　我国在蛋白质质谱与蛋白质组学领域在世界上最出名的无疑非贺福初莫属，贺福初的名字在国内搞蛋白质组学应该都知道他的名字，他的头衔很多(如将军、院士)，我就不一一列举了，新年伊始他又多了一个牛头衔：万人计划中的科技领军人才。贺的工作和学术水平，我不熟悉，不敢评头论足。他的文章被引用次数最高的是发表在Cancer Research一篇论文，迄今已有126次，但并非是蛋白质组学领域。在蛋白质组学领域，他的被引次数(含自引)最高的论文是2007年发表在蛋白质组学顶级期刊MCP的文章4，迄今已有105次引用。蛋白质质谱领域，我国在世界上最出名的学者估计要数复旦大学的杨芃原了，他的被引用次数最高的一篇论文，是2005年发表在化学顶级期刊德国应用化学的文章5，迄今已被引用70次，杨芃原为该论文的共同通讯作者。我国在蛋白质组学目前被引用次数最高的是南开大学王磊(澳大利亚海归、长江学者)2007年发表在美国科学院院刊(PNAS)的论文6，迄今被引次数已经超过500次。　　蛋白质质谱仪主要生产商Thermo Fisher(即原来的Finnegan), 最近新出了本挂历，这本特别的挂历上列了13位在蛋白质质谱与蛋白质组学领域的牛人，上述的Ruedi Aebersold和Mathias Mann都在之列，其余11位简单介绍、列表如下。姓 名工作单位主要贡献Richard D. Smith美国太平洋西北国家实验室1990年首次用三重四级杆质谱Top-down（自上而下）分析完整蛋白John Yates III美国Scripps研究所SEQUEST MS/MS数据库搜索程序Joshua Coon美国威斯康星大学麦迪逊分校发明了电子转移解离技术(ETD)Neil Kelleher美国西北大学Top-down蛋白质组学Kathryn Lilley英国剑桥大学蛋白质组学定量技术Pierre Thibault加拿大蒙特利尔大学应用生物质谱和蛋白质组学到细胞生物学Michael MacCoss美国华盛顿大学（西雅图）稳定同位素标记技术Albert Heck荷兰Utrecht大学基于质谱的结构生物学Catherine Costello美国波士顿大学HUPO前任主席，质谱技术发展及应用Alexander Makarov德国Thermo Fisher Scientific 生物质谱全球研发总监领导研发Orbitrap质谱仪Donald Hunt美国弗吉尼亚大学FT-MS and ETD　　简单的说，上述13位世界级牛人都来自欧美，没有一位来自亚洲，也没有一位华人。我不知道以Ruedi Aebersold代表的上述牛人是如何炼成的，但可以肯定的是：他们不是欧美版的“百人”计划，也不是“千人”计划，更不是“万人”计划而“计划”出来的。网上的公开信息表明：Ruedi Aebersold除了在国际专业协会和期刊有学术兼职外，没有任何行政职务，就是一普通教授，但是这不妨碍他成为蛋白质质谱与蛋白质组学领域世界第一牛人。

贾伟、陈熙沃特世科技（上海）有限公司实验中心氢氘交换质谱法是一种研究蛋白质空间构象的质谱技术。它在蛋白质结构及动态变化研究、蛋白质相互作用位点发现、蛋白表位及活性位点鉴定方面有着广泛的应用。随着氢氘交换质谱技术的不断发展，它正在成为结构生物学家及生物药物研发的重要手段。 氢氘交换质谱（HDX MS，hydrogen deuterium exchange mass spectrometry）是一种研究蛋白质空间构象的质谱技术。其原理是将蛋白浸入重水溶液中，蛋白的氢原子将于重水的氘原子发生交换，而且蛋白质表面与重水密切接触的氢比位于蛋白质内部的或参与氢键形成的氢的交换速率快，进而通过质谱检测确定蛋白质不同序列片段的氢氘交换速率，从而得出蛋白质空间结构信息[1]。这个过程就像将握着的拳头浸入水中，然后提出水面并张开手掌。这时，湿润的手背表明它在&ldquo 拳头&rdquo 的结构中处于外表面，而较为干燥的手心表明它是&ldquo 拳头&rdquo 的内部。除样品制备外，氢氘交换质谱法的主要过程包括：交换反应、终止反应、将蛋白快速酶切为多肽、液相分离、质谱检测、数据解析。其中交换步骤需要在多个反应时长下进行，如0s、10s、1min、10min、60min等，以绘制交换率曲线，得到准确全面的信息。氢氘交换质谱技术在蛋白质结构及其动态变化研究[1]、蛋白质相互作用位点发现[2]、蛋白表位及活性位点鉴定方面有着广泛的应用[3]。 与经典的蛋白质结构研究方法相比，如X射线晶体衍射（X-Ray Crystallography）和核磁共振（NMR. Nuclear Magnetic Resonance）等方法，氢氘交换质谱不能够提供精确的蛋白空间结构，它直接提供的主要信息包括哪些氨基酸序列位于蛋白质空间结构的表面位置（包括动态变化中的）、可能的活性位点和蛋白-蛋白相互作用位点等。但是氢氘交换质谱技术有着其他经典方法不具备的优点：首先，可以进行蛋白质结构动态变化的研究是氢氘交换质谱的一个突出优点，包括变化中的活性位点及表位；其次，氢氘交换质谱在蛋白复合体构象的研究中也具有独到的优势；此外，氢氘交换质谱还具有对样品需求量小、纯度要求相对较低、研究对象为溶液环境下的蛋白质的天然构象而非晶体中构象等优势[1,4,5]。自1991年第一篇研究论文发表起，氢氘交换质谱技术不断发展，已经成为结构生物学及质谱技术中一个非常重要的应用领域[6]。但是氢氘交换质谱实验的复杂的实现过程在一定程度上影响了其应用的广泛度。主要的难点有：1、如何避免交换后氘代肽段的回交现象；2、实验控制的高精确性和重现性要求；3、交换后造成的叠加的质谱峰如何准确分辨；4、简易高效的分析软件需求；5、以氨基酸为单位的交换位点辨析。沃特世公司自2005年起，针对以上难点不断进行攻关，推出了目前唯一商业化的全自动氢氘交换质谱系统解决方案&mdash &mdash nanoACQUITY UPLC HD-Exchange System(图1)。在全世界范围内，这套系统已经帮助科学家在包括Cell、Nature等顶级研究期刊中发表研究论文[7,8]。除科研需求外，沃特世氢氘交换质谱系统也受到众多国际领先制药公司的认可，并用于新药开发中蛋白药物活性位点及表位的研究工作中。氢氘交换实验中的回交现象将严重影响实验数据的可信度，甚至导致错误结果的产生。要避免回交需要做到两点：尽量缩短液质分析时间和保证液质分析中的温度和pH为最低回交反应系数所要求的环境。沃特世UPLC系统采用亚二纳米色谱颗粒填料，较HPLC使用的大颗粒填料，UPLC具有无与伦比的分离度。因此UPLC可以做到在不损失色谱分离效果的要求下，极大缩短液相分析时间的要求[9]。对于对温度和pH控制问题，在多年的工程学改进中，nanoACQUITY UPLC HD-Exchange System已经实现了对酶切、液相分离等步骤的全程控制[10]。 对氢氘交换质谱实验精确性和重现性的要求是其应用的第二个主要难点。在实验中一般需要采集0s、10s、1min、10min、60min、240min等多个时间点的数据。如果进行人工手动实验，很难做到对10S-10min等几个时间点的精确操作。再考虑到重复实验的需求，人工手动操作会对最终数据可信度产生影响。而且实验过程重复繁琐，将给实验人员带来非常大的工作压力。nanoACQUITY UPLC HD-Exchange System完全通过智能机械臂，精确完成交换、终止交换、进样、酶切等一系列实验过程，而且始终保证各个步骤所需不同的温度环境。这些自动化过程不但保证了实验数据的可靠性，提高了实验效率，也将科学家从繁琐的重复实验中解放出来。 氢氘交换实验的质谱数据中，随着交换时间的延长，发生了交换反应的多肽，由于质量变大，其质谱信号将逐渐向高质荷比方向移动。因此，这些质谱峰可能与哪些未发生交换反应的多肽质谱峰逐渐叠加、相互覆盖。相互叠加的质谱信号，不但影响对峰归属的判断，更会增加交换率数据的误差。因为交换率判断需要通过对发生交换的多肽进行定量，毫无疑问因叠加的而混乱的质谱数据将极大的影响对质谱峰的准确定量。这点对于单纯通过质荷比进行分析的质谱仪来说完全无能为力。但是，这个看似不可能完成的任务却被沃特世 nanoACQUITY UPLC HD-Exchange System攻克了。这是因为，不同于其它常见质谱，沃特世的SYNAPT质谱平台还具备根据离子大小及形态进行分离的功能（行波离子淌度分离）。在数据处理时，除多肽离子的质荷比信息外，还可以通过离子迁移时间（离子淌度维度参数）将不同离子区分。因此这种SYNPAT独有的被命名为HDMSE的质谱分析技术可以将因质荷比相同而重叠的多肽分离开，轻而易举地解决了质谱信号叠加的问题，得到准确的交换率数据[11,12]（图2）。SYNPAT质谱平台一经推出就夺得了2007年PITTCON金奖，目前已经推出了新一代的SYNAPT G2HDMS、SYNAPT G2-S HDMS等型号，并具备ESI、MALDI等多种离子源。除氢氘交换技术外，SYNAPT质谱系统在蛋白质复合体结构研究中也是独具特色，已有多篇高质量应用文献发表[13,14,15]。 实现氢氘交换质谱技术的第四个关键点，是如何高效分析实验产生的多时间点及多次重复带来的大量数据。人工完成如此巨大的信息处理工作，将消耗科学家大量的时间。沃特世氢氘交换质谱解决方案所提供的DynamX软件可以为科学家提供简便直观的分析结果，并包含多种呈现方式。 在某些特殊研究中，要求对蛋白氢氘交换位点做到精确到氨基酸的测量，这是氢氘交换质谱研究的又一个难点。在常规的研究中采用CID（碰撞诱导解离）碎裂模式，可能导致氘原子在多肽内重排，而致使不能对发生交换的具体氨基酸进行精确定位。SYNPAT质谱提供的ETD（电子转移解离）碎裂模式可以避免氘原子重排造成的信息混乱，并具有良好的碎裂信号[16]。沃特世的nanoACQUITY UPLC HD-Exchange System为氢氘交换质谱实验提供了前所未有的简易的解决方案，强有力地推动了氢氘交换技术在蛋白质结构及动态变化研究、蛋白质相互作用位点发现、蛋白表位以及活性位点鉴定方面的应用，正在成为众多结构生物学科学家和生物制药企业必不可少的工作平台。参考文献(1) John R. Engen, Analysis of Protein Conformation and Dynamics by Hydrogen/Deuterium Exchange MS. Anal. Chem. 2009,81, 7870&ndash 7875(2) Engen et al. probing protein interactions using HD exchange ms in ms of protein interactions. Edited by Downard, John Wiley & Sons, Inc. 2007, 45-61(3) Tiyanont K, Wales TE, Aste-Amezaga M, et al. Evidence for increased exposure of the Notch1 metalloprotease cleavage site upon conversion to an activated conformation. Structure. 2011, 19, 546-554(4) Heck AJ. Native mass spectrometry: a bridge between interactomics and structural biology. Nat Methods. 2008, 5, 927-933.(5) Esther van Duijn, Albert J.R. Heck. Mass spectrometric analysis of intact macromolecular chaperone complexes. Drug Discovery Today. Drug Discovery Today: Technologies Volume 3, 2006, 21-27(6) Viswanat ham Katta, Brian T. C hait, Steven Ca r r. Conformational changes in proteins probed by hydrogen-exchange electrospray-ionization mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1991, 5, 214&ndash 217(7) Chakraborty K, Chatila M, Sinha J, et al. Chaperonin-catalyzed rescue of kinetically trapped states in protein folding. Cell. 2010 Jul 9 142(1):112-22.(8) Zhang J, Adriá n FJ, Jahnke W, et al. Targeting Bcr-Abl by combining allosteric with AT P-binding-site inhibitors. Nature. 2010,463, 501-506(9) Wu Y, Engen JR, Hobbins WB. Ultra performance liquid chromatography (UPLC) further improves hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry. J Am Soc Mass Spectrom. 2006 , 17, 163-167(10) Wales T E, Fadgen KE, Gerhardt GC, Engen JR. High-speedand high-resolution UPLC separation at zero degrees Celsius. Anal Chem. 2008, 80, 6815-6820(11) Giles K, Pringle SD, Worthington KR, et al. Applications of a travelling wave-based radio-frequency-only stacked ring ion guide. Rapid Commun Mass Spectrom. 2004, 18, 2401-2414(12) Olivova P, C hen W, C ha kra borty AB, Gebler JC. Determination of N-glycosylation sites and site heterogeneity in a monoclonal antibody by electrospray quadrupole ion-mobility time-offlight mass spectrometry. Rapid Commun Mass Spectrom. 2008, 22,29-40(13) Ruotolo BT, Benesch JL, Sandercock AM, et al. Ion mobilitymass spectrometry analysis of large protein complexes. Nat Protoc.2008, 3, 1139-52.(14) Uetrecht C, Barbu IM, Shoemaker GK, et al. Interrogating viral capsid assembly with ion mobility-mass spectrometry. Nat Chem.2011, 3,126-132(15) Bleiholder C, Dupuis NF, Wyttenbac h T, Bowers MT. Ion mobility-mass spectrometry reveals a conformational conversion from random assembly to &beta -sheet in amyloid fibril formation. Nat Chem.2011, 3, 172-177(16) Kasper D. Rand, Steven D. Pringle, Michael Morris, John R., et al. ETD in a Traveling Wave Ion Guide at Tuned Z-Spray Ion Source Conditions Allows for Site-Specific Hydrogen/Deuterium Exchange Measurements. J Am Soc Mass Spectrom. 2011, in press

2020年初，一场突如其来的疫情打乱了大家的生活节奏。面对来势汹涌的疫情，全国上下正在积聚力量，全力战胜新型高致病性冠状病毒（2019-nCoV）。医护人员、解放军战士、志愿者们纷纷奔赴武汉，与疫魔竞速，守卫着国民的生命安全，致敬最美逆行者！同时疫情研究者一样没有停下自己的脚步，特别是在分子水平，我们调研了基于Orbitrap超高分辨的蛋白质组学和结构组学技术在病毒学研究中的应用，谨以此文致敬白衣天使和深耕医学研究的学者。Orbitrap技术促进病毒机理研究病毒与宿主共同进化，获得捕获和操纵宿主细胞过程进行复制的机制传播。同样，宿主细胞会通过部署防御机制或通过适应感染环境。在整个感染过程中，细胞严重依赖于时空调控的病毒-宿主蛋白-蛋白相互作用的形成。 蛋白质组学方法与病毒学的结合促进了对病毒复制、抗病毒宿主反应和病毒对宿主防御的颠覆机制的深入研究。而Orbitrap技术依靠其高灵敏度、高精度，高通量等特性在该方面表现出色。案例一：Orbitrap技术深度挖掘病毒-宿主蛋白质相互作用2019年Viruses杂志上发表了基于组学技术研究宿主变化的综述，质谱技术中基于亲和纯化分离蛋白质复合物随后进行MS分析（AP-MS）的方法可以用于分离病毒-病毒和病毒-宿主多蛋白复合物，可识别间接和直接的蛋白质相互作用，提供相互作用事件的瞬时信息，或跟踪单个病毒基因产物的过表达，以深入了解单个蛋白质的功能；表达蛋白质组学技术（定量蛋白质组学和翻译后修饰组学）可以研究病毒蛋白的组成，宿主在病毒入侵过程中蛋白质和翻译后修饰的动态变化。（Viruses 2019, 11, 878 doi:10.3390/v11090878）迄今为止，基于蛋白质组学方法的进展已经为识别数量惊人的病毒-宿主蛋白关联铺平了道路，科学家基于这些数据构建了包含了5000多种病毒成分和宿主细胞之间的非冗余蛋白相互作用数据库。这些有价值的信息库包括相互作用蛋白数据库、VirHostNet(http://virhostnet.prabi.fr/)、VirusMentha(Nucleic Acids Res. 2015 43(D1):D588–D592)、IntAct-MINT(Nucleic Acids Res. 2015 43(D1):D583–D587)和Uniprot。 案例二：Orbitrap技术揭示新型塞卡病毒宿主因子Pietro, Scaturro, Alexey, et al. Nature, 2018 寨卡病毒(ZIKV)最近成为全球健康问题，由于它的广泛传播和与严重的联系新生儿神经症状和小头症。然而,与致病性相关的分子机制关于ZIKV的大部分仍然未知。 技术路线：利用赛默飞 LTQ-Orbitrap和Orbitrap Q Exactive HF质谱进行全蛋白质组学和修饰蛋白质组学（实验路线见下图a），研究对象为神经细胞系SK-N-BE2和NPC细胞，表征细胞对病毒的反应，在蛋白质组和磷酸化蛋白质组水平上的变化，利用亲和蛋白组学方法鉴定ZIKV蛋白的细胞靶点。使用这种方法，找到了386个与zikv相互作用的蛋白质，导致宿主在神经发育受损，视网膜缺陷和不孕。此外，确定了寨卡病毒感染后1216个磷酸化位点存在上调或下调，来自AKT, MAPK-ERK和ATM-ATR信号通路中，为防范ZIKV感染扩散提供机制基础。在功能上，系统地理解了ZIKV诱导后的宿主的蛋白质和细胞通路水平的扰动，并对感染后细胞施加Rock抑制剂药物干预,利用非标定量蛋白质组学方法分析差异蛋白进行验证（下图热图），补充这一空白。技术路线图案例三：Orbitrap技术深入探寻寨卡病毒病毒与宿主的相互作用Etienne Coyaud, et al. Molecular & Cellular Proteomics，2018,技术路线技术路线：本文利用生物素识别以及IPMS亲和纯化结合MS 方法，研究寨卡病毒侵染后病毒与宿主细胞蛋白质的相互作用（技术路线见上图），实验结果揭示了1224个蛋白3033多肽形成的相互作用网络（见下图a）。相互作用包括多肽加工和质量控制、囊泡方面的作用运输，RNA处理和脂质代谢。40%的 作用都是以新报道的相互作用。通过数据挖掘分析，揭示过氧化物酶体在ZIKV感染中的关键作用。病毒宿主蛋白相互作用网络图 温馨提示：积极防护 保护自己 戴口罩 勤洗手

仪器信息网讯 胰腺是人体最重要的器官之一。它产生胰岛素来调节血糖和帮助消化食物。如果胰腺失控，糖尿病、癌症或其他疾病就会威胁生命。然而，关于胰腺如何使人们保持健康以及器官如何衰竭，还有很多未知之处。数以万计的蛋白质控制着胰腺的工作方式：它如何生长和发育，如何产生消化酶以及如何分泌胰岛素。因此，科学家需要进一步了解蛋白质结构如何随时间变化，以帮助开发针对糖尿病或癌症的治疗方法。　　基于此，威斯康星大学麦迪逊分校药学院与化学系的李灵军课题组与医学和公共卫生移植外科医生Jon S Odorico合作开展了追踪从出生前到成年后期胰腺蛋白质组(整套蛋白质)变化的相关研究。研究团队还开展了细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的研究和分析，该物质能够指导细胞分化、迁移、形态和功能，对于在实验室细胞培养和器官移植过程中生长和支持胰腺细胞至关重要。但在人类胰腺研究中，目前尚未系统研究过不同发育阶段的ECM蛋白质组。该研究中，科学家们应用了基于质谱的定量蛋白质组学策略，并描述了四个年龄组的全蛋白质组和ECM特异性变化：胎儿(妊娠18-20周)，青少年(5- 16岁)，青年(21-29岁)和老年(50-61岁)。研究团队鉴定了3523种蛋白质，其中包括185种ECM蛋白质，并对其中的117种进行了定量。课题组检测了胰腺发育和成熟过程中以前位置的蛋白质组和基质组的特征。他们还使用免疫荧光染色观察特异性CEM蛋白质，并研究CEM在胰岛和腺泡间的定位变化。该研究全面的蛋白质组学分析有助于深入了解CEM在人类胰腺发育和成熟过程中所起的关键作用。　　成果表明，胰腺在人类整个童年时期都会显著重塑其蛋白质，最终在成年阶段稳定。值得一提的是，与癌症相关的蛋白质之间存在明显的年龄特异性变化，这一发现有助于研究人员加深对胰腺癌的了解。　　该成果于2月15日发表在《自然通讯》杂志上，论文题目为“Proteome-wide and matrisome-specific alterations during human pancreas development and maturation”。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21261-w关于研究团队：威斯康星大学麦迪逊分校 李灵军教授　　　　李灵军教授在神经肽和功能性肽组学研究领域取得了开拓性的成果。她所带领的课题组针对神经生物学中的关键性课题，开发了一系列的基于质谱和微分离技术的研究平台，对由分子、细胞水平认识神经肽的功能以及神经退行性疾病生物标志物的发现作出了突出的贡献。据仪器信息网跟踪报道，李灵军教授曾荣获美国质谱学会颁发的Biemann奖章，是世界质谱领域的最高荣誉之一，授予那些长期在质谱学研究领域做出突出贡献的学者。此外，2016年英国分析科学家网站公布了全球50位最具影响力女性分析科学家名单，李灵军教授也荣誉获选。　　在以往的采访中，李教授也曾表示：”我最热衷于开发新型分析工具和策略来解决具有挑战性的生物问题。我们很高兴开发一套用于发现神经肽功能的多功能质谱工具，并使用这些技术来提高我们对大脑工作原理的理解。最近，我们正致力于开发用于定量MS分析和系统生物学中高通量测量的新型化学标签。我也热爱培训和指导研究生和博士后，并帮助他们过渡到成功的职业生涯的这个过程。”课题组官网: https://www.lilabs.org/　　团队合照