蛋白质组学基本原理

第一讲 蛋白质组学基本原理 第一章绪论 15February2001 一 蛋白质组研究的开端及蛋白质组含义 2001年 人类基因组序列草图的完成 宣告了 后基因组时代 的到来 其主体是功能基因组学 functionalgenomics 而蛋白质是基因功能的执行体 2 人类基因组计划的完成并不表明人类基因组的所有基因及间隔序列已完全确定 3 基因组计划即使已确定某生物基因组内的全部基因 也不能确定哪些基因在何时 何地 以何种程度表达 4 生物的基因组只表达部分基因 30 80 表达的基因类型及其表达程度随生物生存环境及内在状态的变化而表现极大的差别 5 基因虽是遗传信息的源头 而蛋白质是基因功能的执行体 6 以往的蛋白质研究只是针对生命活动中某一种或某几种蛋白质 难以系统透彻地阐释生命活动的基本机制 因此 无论是从基因组计划的局限 还是蛋白质研究的自身发展而言 大规模 全方位的蛋白质研究均是势在必行 Proteome Protein Genome 蛋白质组 Genome 一个细胞或一个生物体包含的所有遗传信息 Proteome 一种细胞 组织 生物体某个时间段所包含的所有蛋白质的存在形式及其活动方式 蛋白质组及蛋白质组学的含义 Proteomics 蛋白质组学 研究蛋白质组的科学 阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式 其内容包括蛋白质的定性鉴定 定量检测 细胞内定位 相互作用研究等 最终揭示蛋白质功能网络 基因微阵列 microarray 提供了细胞中大量或全部基因表达的快速检测手段 然而从mRNA水平不一定能预测细胞中相应蛋白质的水平 因为 各种mRNA不同的稳定性和不同的翻译效率能够影响新蛋白质的产生 二 研究mRNA作为基因产物 2 蛋白质形成后在稳定性和转换速度上有很大不同 许多参与信号转导 转录因子调节和细胞周期控制的蛋白质迅速转换 这是其活性调节的一种方式 3 mRNA水平没有告诉我们相应蛋白质的调节状态 蛋白质的活性和功能常有一些内源翻译后的改变 也会因环境因素而改变 三 蛋白质组学研究的内容 结构蛋白质组学 主要研究蛋白质的氨基酸序列 三维结构的解析 种类分析 数量确定等 蛋白质结构测定主要是应用X 光衍射技术 蛋白质种类和数量测定主要是应用双向电泳 蛋白质鉴定的手段是质谱法 功能蛋白质组学 研究蛋白质的功能 确定蛋白质在亚细胞结构中的定位 蛋白质 蛋白质的相互作用等 蛋白质组学比较注重研究蛋白质类型与数量在不同种类 不同时间和条件下的动态本质 四 蛋白质组学对分析的挑战 用DNA微阵列和相关方法分析基因表达依赖于两个重要工具 PCR和寡核苷酸与互补序列的杂交 但是没有类似的工具用于蛋白质分析 1 没有PCR等价物 目前不可能有多肽分子以类似于核苷酸通过PCR复制的方式复制 第二 蛋白质不能专一地与互补氨基酸序列杂交 第三 细胞中每一个蛋白质产物并不一定只有一种分子实体 因此 蛋白质组的分析需要一套不同于基因表达分析的工具 能够对修饰和非修饰的蛋白质进行检测和定量分析 五 蛋白质组学的工具 四种重要工具的发展和结合使用给我们提供了灵敏性和专一性较高的识别和鉴定蛋白质的方法 1 数据库 蛋白质 EST expressedsequencetags 和基因组序列数据库共同提供了生物表达全部蛋白质的完整数据库目录 2 质谱 MS 目前认为MS是肽序列分析中的最新技术 MS数据为蛋白质鉴定提供了最有力和最精确的方法 3 对数据库中特定蛋白质序列与MS数据进行比对的各种软件 4 蛋白质的分析分离技术 2D SDS PAGE是最广泛用于蛋白质组学的技术 蛋白质分辨率达到成千上万种 完全可以用于组织与细胞中的大规模蛋白质分离 EST ExpressedSequenceTag 表达序列标签EST expressedsequencetags 是cDNA克隆的末端序列 平均长度为300 500bp 称为表达序列标签 通常是从已有的cDNA文库中随机取出几百到几千个克隆一次测序产生 一般使用载体多克隆位点互补序列作为通用引物 一个EST代表生物体某种组织在某一时期的一个表达基因 采用生物信息学方法延伸表达序列标签 ESTs 序列 获得基因部分乃至全长cDNAycg 将为基因克隆和表达分析提供空前的动力 并为生物信息学功能的充分发挥提供广阔的空间 TheidentificationofESTshasproceededrapidly withapproximately52millionESTsnowavailableinpublicdatabases e g GenBank5 2008 allspecies 六 蛋白质组学的应用范围 根据目前的实践 蛋白质组学包括三项主要应用 1 蛋白质表达谱 蛋白质表达谱是鉴定生物或细胞特定状态下蛋白质的表达或药物 化学或物理刺激下蛋白质的表达 获得蛋白质组图 蛋白质组成成分鉴定 新型蛋白质发掘 蛋白质差异显示 2 蛋白质修饰谱 蛋白质修饰谱是鉴定蛋白质在何处 怎样被修饰的 许多蛋白质翻译后的修饰控制着蛋白质的靶向 结构 功能和转换 此外 许多环境化学因素 药物 和内源化学因素可产生修饰蛋白质的活性亲电体 3 蛋白质网络谱 蛋白质网络谱是在生物系统中测定蛋白质之间相互作用的蛋白质组学方法 这些相互作用决定蛋白质功能网络 获得 阐释重要生命活动的分子机制 包括细胞周期 细胞分化与发育 细胞凋亡 肿瘤发生与发展 环境反应与调节 物种进化等 医药靶分子寻找与分析 包括新型药物靶分子 肿瘤恶性标志 人体病理介导分子 病原菌毒性成分等 每种疾病与 10个基因相关 每个基因又与3 10个蛋白质相关 人类主要的100 150种疾病 则应该有3000 15000种蛋白质具有成为药靶的可能性 因此 可能有几千或上万种新的药物靶标将被发现 将是功能基因组学有可能带来一笔巨大的科学和经济财富 第二章蛋白质组学的基本研究方法 Outline一 概述二 蛋白质的提取与样品制备三 蛋白质的分离与二维电泳技术四 蛋白质的检测技术五 生物质谱技术与蛋白质的鉴定六 蛋白质构象解析技术 1 蛋白质组学研究远比基因组学研究复杂 1 一个生物对象的蛋白质数量远大于基因数量如人的基因组有3 5万个基因而蛋白质则有30 100万 2 基因组的组成是固定的 蛋白质组组成是动态的 3 细胞内蛋白质的拷贝数 108 远比基因拷贝数大 最多105 4 基因可采用PCR扩增和自动测序 而蛋白质还没有扩增和自动测序技术 2 蛋白质组学研究技术进展 1 1975年 2 DE技术建立 上世纪80年代 固相化pH梯度凝胶问世 使2 DE的重复性和加样量改善 2 上世纪末期 MALDI TOF MS和ESI MS可精确测定相对分子量和微量蛋白质的测定 3 快速多肽序列分析 4 90年代 多图象分析与大规模数据处理软件问世 复杂蛋白质图谱处理成为现实 MALDI TOFMS matrixassistedlaserdesorptionionization timeofflightMassSpectrometry ESI MS MS electrosprayionization 3 蛋白质组分析的首要要求 将来自于全细胞 组织或生物体中所包含的多达几千种混合蛋白质进行分离 检测 分析 2 DE技术依然是大多数蛋白质组研究中分离复杂蛋白质混合物的首选技术 生物学问题的提出 实验模型的设计 实验组和对照组样品的制备 蛋白样品的IEF和PAGE电泳分离 图像扫描和初步分析 感兴趣蛋白点的切取 胰酶对脱色后蛋白质的消化 质谱的多肽指纹图 微测序分析 质谱结果的生物信息学分析和比对 新蛋白质的发现 其它实验的进一步验证 蛋白信息的初步获得 4 蛋白质组研究的基本技术路线 蛋白质样品的制备 双向电泳 图像分析 转印至膜上的蛋白 凝胶中的蛋白 混合肽 蛋白质质量 N端测序 肽序列质谱数据 肽指纹图 数据搜索 新的或已知蛋白 蛋白转录后修饰的鉴定 二 蛋白质的提取与样品制备 二维电泳分析中的样品制备 制备原则 应使所有待分析的蛋白样品全部处于溶解状态 包括多数疏水性蛋白 且制备方法应具有可重现性 防止样品在聚焦时发生蛋白质的聚集和沉淀 防止在样品制备过程中发生样品的抽提后化学修饰 如酶性或化学性降解等 完全去除样品中的核酸和某些干扰因素 尽量去除起干扰作用的高丰度或无关蛋白质 从而保证待研究蛋白质的可检测性 样品制备原则1 尽可能采用简单方法进行样品处理 以避免蛋白质的损失 1 明确研究目标 获得尽可能多的感兴趣蛋白质 2 不同类型的蛋白质需要不同的方法 3 考虑目标蛋白性质 细胞破碎选择温和和激烈两种方法 2 细胞和组织样品的制备应尽可能减少蛋白质的降解 从特殊亚细胞器提取蛋白还需分级分离 3 样品裂解液新鲜制备 并且分装冻存于 80 C 不要反复冻融样品 4 通过超速离心清除所有的杂质 主要去除盐 小分子化合物 脂类 离子去污剂 核酸 多糖 脂类 酚类等5 加入尿素之后 加温不要超过37 C 以防蛋白质氨甲酰化 一 细胞裂解的方法 1 温和裂解的方法 适用于组成比较简单的样品或分析特定的细胞器 1 渗透裂解 通常用于血细胞 组织培养细胞等低渗溶液细胞 2 冻融裂解 液氮快速冻融 然后在37 C融化 反复几次 适合于细菌 组织培养细胞 3 去污剂裂解 溶解细胞膜释放内含蛋白质 主要针对组织培养细胞 4 酶裂解 在等渗溶液中用酶去细胞壁 常用的酶有溶菌酶 细菌 纤维素酶 果胶酶 植物 溶细胞酶 酵母 2 剧烈的细胞裂解方法主要针对难破碎的细胞 酵母细胞和细胞亚组织 1 超声裂解法 利用超声波产生的切应力破碎细胞 但要注意产生热量和气泡 2 研磨法 加液氮和沙进行研磨 适合于固体组织和微生物细胞 3 机械匀浆法 破碎固体软组织和动物组织 切成小片 同时要加入预冷的匀浆溶液 4 玻璃珠匀浆法 适用细胞悬液或微生物 目的在于破碎细胞 提取内含蛋白质 3 蛋白酶抑制剂防止蛋白酶裂解防止细胞裂解时蛋白酶释放出来降解蛋白质 低温 pH 9的裂解液可降低蛋白酶活性 但不能真正消除 故得加酶抑制剂 以下一种或数种的混合物 1 PMSF 苯甲磺酰氟 工作浓度1mM 能不可逆灭活丝氨酸蛋白酶 半胱氨酸蛋白酶 但在水溶液中失活 2 AEBSF 可在水溶液中使用 工作浓度4mM 能不可逆灭活丝氨酸蛋白酶 半胱氨酸蛋白酶 但可能改变蛋白质的等电点 3 EDTA EGTA 乙二氨四乙酸和乙二醇双四乙酸的工作浓度为1mM 作用对象为金属蛋白酶 4 蛋白质沉淀步骤 1 硫酸铵盐析原理 高盐将蛋白质沉淀出来 从而与核酸分离 步骤 蛋白质浓度 1mg ml 缓冲溶液浓度 50mM 含EDTA 缓慢加入 NH4 2SO4 搅拌10 30min 离心分离 注意点 只用作预分离和富集 且 NH4 2SO4会干扰IEF 2 TCA沉淀三氯乙酸 终浓度10 20 加到提取液中混均 置冰上30min 最后用丙酮或乙醇清洗沉淀除TCA 该法不易造成蛋白质变性和化学修饰 3 丙酮沉淀提取物加入3倍体积的冰丙酮 20 沉淀2小时 离心空气干燥去丙酮 4 丙酮 TCA沉淀用丙酮在10 的TCA中重悬样品溶液 含有0 01的 巯基乙醇或20mmol L 20 沉淀45min 离心分离 丙酮清洗沉淀 空气干燥 5 苯酚提取蛋白质提取到饱和酚中 加到甲醇溶液中NH4CA沉淀 然后先用NH4CA洗涤 再用丙酮洗涤 空气干燥去丙酮 本法适合于高杂质的植物样品 5 清除影响二维电泳图谱的杂质 1 盐 残留的缓冲液和电性小分子盐等带电物质会干扰电泳过程 增大溶液电导率 通常用透析 凝胶过滤 沉淀 重悬的方法脱盐 但易使样品丢失 2 内源性小分子这些物质通常带负电 使阳极侧的聚焦不全 可采用丙酮 TCA沉淀去除 3 离子去污剂SDS等离子去污剂 易和多肽形成复合物而干扰IEF 200C的丙酮溶液可除去 4 核酸核酸增加样品黏度 导致二维电泳背景发散 能与蛋白质结合 阻碍聚焦 银染时出现高背景 加0 1V的核酸酶溶液 1mg mlDNAase 0 251mg mlRNAase 50mmolMgCl2 冰上孵育 但要注意核酸酶本身会出现在图谱中 5 多糖多糖能阻碍凝胶孔径 与蛋白质形成复合物 可用 NH4 2SO4或苯酚 NH4CA沉淀后离心 或用超速离心去多糖 6 脂类脂类易和膜蛋白结合成复合物 改变蛋白溶解性 等电点和分子量 采用大量去污剂可除去 7 酚类通常出现在植物组织中 通过氧化反应修饰蛋白质 可用沉淀法去除 或加抑制剂灭活多酚氧化酶 目的 加入裂解液主要是确保一向等电聚焦之前样品的完全溶解和变性组成 尿素 去污剂 有时 还原剂原理 1 尿素能溶解和解折叠蛋白 最低作用浓度为8M 硫脲可增加膜蛋白质的溶解 2 去污剂防止疏水相互作用蛋白质聚合 常用的去污剂有NP 40 Triton X100 同时加4 CHAPS或0 25 SDS效果更好 6 裂解液的组成 3 还原剂用于断裂二硫键 常用的有DTT 二硫苏糖醇 TDF 二硫赤藓糖 和TBP 三丁基膦 使用注意点 样品离心前在室温下至少保持1小时 使完全变性和溶解 样品含尿素不可加热 以防蛋白质修饰 样品类型不同 选择裂解液的组成也不同 三 蛋白质的分离与二维电泳技术 一 二维电泳的基本原理根据蛋白质的两个一级属性等电点和相对分子量的特异性 将蛋白质混合物在第一方向按等电点高低进行等电聚焦分离 IEF 在第二方向按照分子量大小进行SDS PAGE分离 十二烷基硫酸钠 聚丙烯酰胺凝胶电泳 1D SDS PAGE 一原理在1D SDS PAGE中 蛋白质样品溶解在通常含有巯基还原剂 巯基乙醇或DDT 和SDS的上样缓冲液中 SDS与蛋白质结合 以与分子质量约恒定的比例将负电荷 来自SDS硫酸基团 传递给蛋白质 高电压下 蛋白质 SDS复合物在交联的聚丙烯酰胺凝胶上迁移 其速度取决于它们穿越凝胶孔基质的能力 蛋白质按照分子质量次序分离形成条带 二1D SDS PAGE的局限性用1D SDS PAGE得到的分离度是相当有限的 显示含有单一蛋白质的条带实际上可能含有多种蛋白质分子 2D SDS PAGE 一两种分离方法的结合1 根据等电点用IEF分离蛋白质 2 在聚丙烯酰胺凝胶上电泳进一步分离聚焦的蛋白质 2D SDS PAGE在第一向电泳根据等电点的不同 第二向电泳根据分子质量的不同分离蛋白质 二新式2D SDS PAGE新系统使用固相PH梯度 IPG 胶条和相对简单的硬件 能很容易的从IPG胶条将蛋白质转移到SDS PAGE平板凝胶中 在固相PH梯度中 聚羧酸两性电解质固定在支持物上 产生可重复的PH梯度 三 2D凝胶分离蛋白质的染色通过2D凝胶分离蛋白质的显色使用通常的染色技术 包括银染 考马斯亮蓝和酰胺黑染色 银染和新的荧光染料是最灵敏的 五2D SDS PAGE存在的问题1 进行可完全重复的2D SDS PAGE分析是困难的 2 某些蛋白质不适于进行第一维IEF步骤 许多较大的疏水蛋白质在这种类型的分析中结果不理想 由于蛋白质存在不同等电点的多种形式 蛋白质的IEF常把蛋白质分离成许多不连续的条带 3 作为检测技术的蛋白质染色的动态范围相对较小 点密度最多能反映100倍的蛋白质浓度范围 2 二维电泳分辨能力传统的二维电泳最好条件下20cm 20cm的胶理论上可分辨10 000个蛋白点 各个方向100点 实际上只能分辨3000个点 3 二维电泳可提供的数据二维电泳分离后的蛋白质经染色 考马氏亮蓝染 银染 负染 荧光染色 放射标记染色 通过图象标志扫描存档 最后显现的是二维排列的 满天星 每个星点代表一个蛋白质 最终获得蛋白质相对分子量 等电点和相对丰度三方面的数据 4 二维电泳结果说明二维电泳得到的实验结果并非功能蛋白 由于样品处理过程中涉及亚基间的二硫键还原和烷基化处理 即蛋白质的高级结构已被消除 最终得到的是蛋白质的亚基 Cellculture Proteinextraction 2 DE Silverstaining Imageanalysis Scanning 四 蛋白质的检测技术 一 考马氏亮蓝染色考马氏亮蓝 Coomassiebrilliantblue 是一类三苯基甲烷衍生物 分为R 250 红兰色 R 350 红兰色 G 250 蓝绿色 它们与蛋白质结合生成深蓝色复合物 在464 595nm有吸收峰 595nm最大 且在比较宽的范围内 15 20mg 扫描峰的面积与蛋白质量成线性关系 因此可在595nm对蛋白质进行定量检测 而且在一定pH条件下 这种染料 蛋白质复合物被完全解聚 二 银染1 原理 二维凝胶在固定液中固定后 在含戊二醛的溶液中增敏 然后浸泡在银盐溶液中 蛋白与Ag 络合 凝胶空白背景中Ag 结合不牢而被冲洗 然后在酸碱环境中络合的Ag 被还原成金属银 蛋白点上金属银被曝光显示棕黄色或棕黑色 2 特点 1 银染分酸性 AgNO3 与碱性 Ag NH3 2 两种 酸性染色背景浅 容易控制 碱性灵敏度稍高 但背景深 不容易控制 2 相对于考染 灵敏度高 可达200pg 3 但由于存在戊二醛的特异性反应 对下一步的酶切肽谱提取存在困难 增敏过程蛋白质被部分提取至胶外 三 负染1 原理 锌 咪唑染料 咪唑存在时 自由或弱结合的锌离子以锌 咪唑形式沉淀下来 而大部分锌离子因与蛋白质结合牢固 留在胶上 从而导致半透明背景上的空白区域 就是负染过程 2 特点 1 负染能提高SDS PAGE胶上蛋白质的回收率 负染色结果在凝胶表面产生半透明背景 而凝胶显示黑色背景或相应底色 蛋白质以透明形式被检测出来 而且蛋白质被很好地保存下来 2 显色过程仅需5 15min 3 蛋白质易从胶上取出 一般用EDTA络合金属离子就可转移出蛋白质 4 灵敏度15ng 四 荧光染色1 原理 利用荧光染料对蛋白质进行标记 在光激发下产生荧光 通过扫描得到图象 比如用甲基Cy3与甲基Cy5两种染料分别对两个不同蛋白样品进行荧光标记 并在一块2 DE胶上进行运行 由于两种染料激发波长不同 扫描时可得到两张有差异的图象 因此可用于差异蛋白质组学研究 2 特点 1 灵敏度250pg与银染相近 但线性范围高于银染 2 蛋白质被荧光共价修饰 改变了移动性能 降低了溶解性 导致质谱鉴定出现偏差 3 不同样品由于所含蛋白质可被荧光修饰的功能基团数不一样 灵敏度变化不一样 二维电泳荧光检测 五 总结 五 蛋白质序列测定和生物质谱技术 质谱分析法 质谱分析法 massspectrometry 是将化合物形成离子和碎片离子 按其质荷比 值 的不同进行分离测定 来进行成分和结构分析的一种分析方法 蛋白质 多肽质谱是通过电离源将蛋白质分子转化为气相离子 然后利用质谱分析仪的电场 磁场将具有特定质量与电荷比值 值 的蛋白质离子分离开来 经过离子检测器收集分离的离子 确定离子的 值 分析鉴定未知蛋白质 ESI electrosprayionization 电喷雾电离MALDI matrix assistedlaserdesorptionionization 基质辅助激光解吸电离MALDI TOF MS matrix assistedlaserdesorptionionizationandTimeofFlight 基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱 这两种电离技术可以使核酸或蛋白质 多肽等不易挥发的生物大分子产生汽化的带单电荷或多电荷的分子离子 从而能够测定其分子量 同时它们所具有的高灵敏度和高质量检测范围使生物大分子的微量分析成为可能 灵敏度可达 fmol 10 15 乃至amol 10 18 InstrumentationofMS Source produceionsfromthesample Massanalyzer 质谱仪 resolveionsbasedonmass charge m z ratio Detector 检测器 detecttheionsresolvedbythemassanalyzer Dataacquisitionsystem 数据采集系统 controltheoperationandrecordtheMSdata HowMSInstrumentsWork WhatDoWeWantfromMSData Sensitivity routinelyobtaindataonfemtomole 10 15mole ofpeptidesorlessResolution reliablydistinguishionsthatdifferinm zvaluesofatleast1DaMassaccuracy themeasuredvaluesclosetotheirrealvalues IonSources Matrix assistedlaserdesorptionionization MALDI 基质辅助激光解吸电离Electrosprayionization ESI 电喷雾电离 MALDI SincediscoveredbyTanaka KarasandHillenkampin1987 MALDIhasbecomeapowerfultoolforproteinandpeptideanalysis TheMALDIprocessischaracterizedbytheuseofmatrixmoleculeswhichminimizeanalytefragmentationandincreasesensitivity MALDIallowsthedesorptionandionizationofanalyteswithveryhighmolecularmassinexcessof100 000Da MALDI Principle 分析物 analyte 分散在基质分子中 并形成晶体 Thepulsedlaserbeamisdirectedatthematrixcontainingthesample Thematrixmoleculesemittheabsorbedenergyintheformofheat causingcrystalsandsampletovaporizeintothegasphase ThechargedionsarethenextractedintotheTOFmassanalyzer andsentdowntothedetector MALDI PracticalConsiderations LaserwavelengthandpowerdensityNitrogenlasers 337nm arestandardbutotherlasersarealsousedHighlaserpowerinducesmorefragmentationandlossofmassresolutionMatrixselectionandoptimizationStrongabsorbanceatthelaserwavelengthLowenoughmasstobesublimableVacuumstabilityLackofchemicalreactivitySamplepreparation dried droplet MALDISpectrumofPeptideMixture ESI Principle Astrongelectricfieldisappliedtoaliquidstreampassingthroughacapillarytube Thefieldinducesachargeaccumulationattheliquidsurfacelocatedattheendofthecapillary causingformationofhighlychargeddroplets Thesedropletsthenpassthroughaheatedgascurtaintoremovethelastsolventmolecules N2 80oC N2 80oC ESI PracticalConsiderations Toobserveastablespray aminimumamountofelectrolyteinthesolventisrequired butthisissolowthatnormalsolventscontainenoughelectrolytesforthispurpose Themaximumtolerabletotalconcentrationofelectrolytestostillhavegoodsensitivityisabout10 3M TypicalESISpectrum MassAnalyzers Time of flight TOF analyzer 飞行时间质量分析器 Quadrupoleanalyzer 四级杆分析器 TripleQuadrupoleanalyzer 三级四级杆分析器 Quadrupoleiontrapanalyzer 四级离子阱分析器 Objective GenerateauniquesetofnumbersForanyprotein 1 PeptideMassFingerprint PMF 2 PeptideFragmentation MS MS AYRPSETLCGGELVDTLQFVCGDRGFYFSRPASRVSRRSRGIVEECCFRSCDLALLETYCATPAKSERDVSTPPTVLPDNFPRYPVGKFFQYDTWKQSTQRLRRGLPALLRARRGHVLAKELEAFREAKRHRPLIALPTQDPAHGGAPPEMASNRK 563 32 619 32 624 38 739 48 764 39 1053 45 1134 53 1187 60 1654 84 Proteinsequence Enzymespecificpeptides Peptidemasses Enzymatic hydrolysis GIVEECCFR Fragmentation inMS Enzymespecificpeptide GIVEECCFR 58 171 270 399 528 630 732 879 175 322 424 526 655 784 883 996 Massesoffragmentions 肽质量指纹谱 PeptideMassFingerprinting 蛋白质被酶切位点专一的的蛋白酶水解后得到的肽片断质量图谱 由于蛋白质的氨基酸序列不同 其肽混合物质量数也具特征性 所以称为肽质量指纹谱 用于蛋白质的鉴定 PeptideMassFingerprinting Overview ProteinidentificationtechniqueinvolvestheuseofMStomeasurethemassesofproteolyticpeptidefragments Themeasuredpeptidemassesaresearchedagainstcorrespondingpeptidemassesfromproteinsequencedatabases Theproteinisidentifiedifthereisagoodmatchbetweentheexperimentalandtheoreticalmasses PeptideMassFingerprinting Dual TrackApproach Experimental ComputationalProteinsequencedatabasesornucleotidesequencedatabases1 Performvirtualdigestionofalltheproteinsinadatabaseintopeptideswithachosenprotease 2 Calculatethepeptidemassesundergivendigestionconditionsandgeneratealistoftheoreticalpeptides 3 Correlatethemeasuredpeptidemasseswiththoseinthelist 4 Reportthebestmatchedpeptidesintheorderofdecreasingsignificance Intactproteinfrom2D SDS PAGEorHPLC Peptidemixture MALDI TOFMSdeterminationofpeptidemasses Digestion Matchesaremadeeasybysearchengines Characteristicsofvarioussearchengines Searchengine Keyfeatures Scoringmethod Mascot MSandMS MSmodescombinedAutomatedsearchesareavailable Probabilitybased MS Fit MS Taghttp prospector ucsf edu MSorMS MSmodesAutomatedsearchesnotavailable MOWSEinMSmodematchcountinMS MSmode PeptIdenthttp www expasy ch tools peptident html MSmodeonlyAutomatedsearchesnotavailable GeneticalgorithmbasedonthecharacteristicsofTOFMSspectra ProFound Sonars MSorMS MSmodesAutomatedsearchesavailable Bayesianapproach SEQUESThttp fields scripps edu MS MSmodeonlyAutomatedsearchesavailable Cross correlationmethod Thesearchparametersofdatabasesearchengines Mascot massaccuracyMSmode massaccuracyMSmode aminoacidmodifications organisminfo databasename massofprecursors reportingfeatures enzymespecificity chargestateofprecursors Sequencedatabasesandinformationsourcesforproteinidentification Proteinsequencesfromproteinsequencing TranslatedfromfulllengthcDNAsequences TranslatedfromincompletecDNAsequences EST Predictedfromrawgenomicsequences Source Reliability Volumeofdata Examples high high medium low low medium high high SWISSPROT SWISSPROT TrEMBL nrNCBI nrNCBI dbEST PeptideMassFingerprinting AnExamplewithaRealPeptide 14peptidesresultedfromtrypticdigestionofhumanhemoglobinalphachain OnepeptideVGAHAGEYGAEALEAwithmonoisotopicmassof1528 7348Da SearchingintheSWISS PROTdatabase mouseandhumanproteins yieldstwomatches IGGHGAEYGAEALERmouse1529 7348VGAHAGEYGAEALERhuman1529 7348Accurateproteinidentificationrequiresmultiplepeptidematches PeptideMassFingerprinting Limitations Imperfectmassdataonpeptidesduetolimitedmassaccuracyofinstrument Toomanysignalstobeaccuratelyidentified False positivematchesduetochancealone ratherthanactualidentify Incompleteproteindigestionbyprotease Misrepresentionofmodifiedproteinsinthedatabase Proteintobeidentifieddoesnotexistinthedatabase ProteinIdentificationwithMS MSData PeptidesequencedeterminedonthebasisofitsMS MSspectraissearchedagainstasequencedatabasetoidentifytheproteinfromwhichthepeptideisderived Thematchingprocesscanbeperformedeithermanually denovointerpretation orwiththeaidofsoftwaretoolssuchasSequest TheuseofthesoftwaretoolseliminatestheneedtoactuallyinterpreteachMS MSspectrumindividually thusallowingautomated high throughputidentificationofproteins CorrelatingMS MSspectrawithdatabasesequence CalculatepeptidemassesforeachsequenceinadatabaseatgivendigestionconditionsFindouteverypeptidethatmatcheswithmeasuredoneandgenerateasetoftheoreticalMS MSspectraComparethemeasuredandtheoreticalspectraandcalculatecorrelationscoresReportthematchesinorderofsignificance ShowingsequencecoverageformatchedproteinbasedoncorrelationofMS MSspectratopeptidesequences Complications Proteinswithunanticipatedmodificationscannotbeidentifiedcorrectly Incorrectassignmentofchargestate i e singlyvs doublychargedions resultsinmismatches 氨基酸残基相对分子量 NH HCR CO 基于串联质谱的肽序列测定 用特定蛋白水解酶作用于蛋白质 将得到的肽段送入一级质谱 产生前体离子 经过一定选择的前体离子在碰撞室发生CID 结果是前体离子肽骨架酰胺键的特异性断裂 并产生了一系列可用于确定氨基酸序列的y型和b型等离子 获得CID二级质谱图后可算出肽序列 CID collisioninduceddesociation 碰撞诱导解离 PeptideSequencesandMassMeasurements FragmentationofPeptideIons TypicalPeptideMS MSSpectrum 蛋白质翻译后修饰的鉴定 蛋白质翻译后修饰基团约20多种 7 1磷酸化蛋白质的鉴定 1 在脊椎动物基因组中约5 的基因编码的蛋白质是蛋白激酶和磷酸酯酶 2 在脊椎动物1 3蛋白质处于磷酸化状态 磷酸化蛋白质的检测32P放射性标记法 抗体免疫印迹检测法 蛋白质磷酸化位点的分析 质谱法 1 肽序列分析的基本步骤 1 分析已纯化蛋白质氨基酸残基的组成 2 测定头尾氨基酸 3 把肽链水解成片段 分别进行分析 得到肽图 4 Edman降解 从多肽链游离的N末端测定氨基酸残基的序列的过程 N末端氨基酸残基被苯异硫氰酸酯修饰 然后从多肽链上切下修饰的残基 再经层析鉴定 余下的多肽链 少了一个残基 被回收再进行下一轮降解循环 2 蛋白质测序发展简史 1 英国科学家Sanger测序 20世纪50年代 2 建立色谱技术和定量氨基酸分析技术 20世纪50年代 3 Edman降解 20世纪70年代出现 华裔学者张瑞耀提出的有色Edman试剂 DABITC 使手工测序技术更加灵敏可靠 4 仪器自动化 液相自动测序仪和固相蛋白质自动测序仪 进入20世纪80年代 气相测序技术出现并实现了仪器自动化 灵敏度显著提高 样品量只需10pmol以下 一次连续测定的顺序甚至可超过80个残基 样品处理远比固相方法简单和操作方便 5 对2 D胶上的点进行测序 将蛋白质转印到PVDF 聚偏二氟乙烯 膜上 然后将膜片放入测序仪的反应室中进行Edman降解 6 毛细管电泳技术 20世纪90年代发展起来的微量分析技术 的采用 是蛋白质N端微量顺序测定方法学一个引人注目的发展 其灵敏度比HPLC高两个数量级 可在10fmol的水平检测氨基酸 微型测序仪