王 勇,高 升,李水明(.深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,深圳市海洋生物資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 58060;.深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,深圳市微生物基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 58060)
串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜的碎片離子相對(duì)強(qiáng)度在區(qū)分亮氨酸和異亮氨酸殘基中的應(yīng)用
王 勇1,高 升2,李水明1
(1.深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,深圳市海洋生物資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 518060;
2.深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,深圳市微生物基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 518060)
研究肽段從頭測(cè)序需要解決的問(wèn)題之一是區(qū)分亮氨酸和異亮氨酸殘基,利用基質(zhì)輔助激光解吸電離-串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF/TOF)所產(chǎn)生的w型離子區(qū)分這兩種氨基酸殘基是目前最常用的方法。本研究以6對(duì)合成的同分異構(gòu)肽段(由7~15個(gè)氨基酸構(gòu)成)為例,來(lái)說(shuō)明w離子信號(hào)強(qiáng)度較低且有時(shí)不能產(chǎn)生,在區(qū)分多肽中的亮氨酸和異亮氨酸時(shí)受肽段長(zhǎng)度和序列的限制。而亮氨酸與異亮氨酸的變化會(huì)導(dǎo)致亞胺相關(guān)離子、內(nèi)部斷裂離子、b-型和y-型離子等相對(duì)強(qiáng)度的微小變化。通過(guò)比較這些骨架斷裂變化所產(chǎn)生的微小差異,可為區(qū)分肽段中的亮氨酸和異亮氨酸殘基提供新的線索和判據(jù)。
從頭測(cè)序;串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF/TOF);亮氨酸;異亮氨酸
數(shù)據(jù)庫(kù)搜索和從頭測(cè)序是基于串聯(lián)質(zhì)譜鑒定肽段的兩種基本方法[1-2]。相比于數(shù)據(jù)庫(kù)搜索,從頭測(cè)序的關(guān)鍵是串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)是否能提供足夠的序列信息,其中,亮氨酸和異亮氨酸殘基的區(qū)分就是亟待解決的問(wèn)題之一。一般來(lái)說(shuō),基于氨基酸序列的相似性,局部同源搜索工具(BLAST)可以為從頭測(cè)序提供區(qū)分亮氨酸和異亮氨酸的參考信息[3-5],然而,該方法不適用于亮氨酸和異亮氨酸的基因發(fā)生相互突變的情況[6]。此外,在人類(lèi)轉(zhuǎn)錄組中,核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)序列也存在廣泛的差異,亮氨酸或異亮氨酸也可能通過(guò)其他氨基酸的突變產(chǎn)生[7-8]。因此,對(duì)串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行深入地分析非常重要。
在低能碰撞誘導(dǎo)解離模式下,通過(guò)分析亮氨酸和異亮氨酸亞銨離子碎片的三級(jí)串聯(lián)質(zhì)譜可將其有效區(qū)分。亮氨酸和異亮氨酸都可以產(chǎn)生m/z30和m/z44離子,然而,亮氨酸由麥?zhǔn)现嘏胖饕獢嗔殉蒻/z 43和m/z 44離子,異亮氨酸則通過(guò)失去氨和乙烯生成m/z69和m/z41離子[9-12]。這些信息可用于區(qū)分金屬離子復(fù)合物中的亮氨酸和異亮氨酸[13]。此外,基質(zhì)輔助激光解吸電離源內(nèi)裂解與亞穩(wěn)態(tài)原子活化解析質(zhì)譜相結(jié)合也可區(qū)分這兩種氨基酸[14-16]。
高能碰撞誘導(dǎo)解離是通過(guò)將前體離子加速后與碰撞池中的氣體原子或分子進(jìn)行碰撞而實(shí)現(xiàn)離子碎裂。一次碰撞足以引起前體離子電子的激發(fā),隨后的碰撞會(huì)產(chǎn)生所有可能的斷裂,這在增加串聯(lián)圖譜復(fù)雜性的同時(shí),也提高了所獲得序列信息的確定性[17]。高能碰撞誘導(dǎo)解離產(chǎn)生的w離子碎片可以區(qū)分亮氨酸和異亮氨酸[18],但是,由于多肽結(jié)構(gòu)、樣品濃度和儀器條件等因素的影響,有時(shí)觀測(cè)不到w離子。本工作通過(guò)研究亮氨酸和異亮氨酸殘基之間的取代導(dǎo)致的串聯(lián)質(zhì)譜中各碎片離子相對(duì)強(qiáng)度的變化,尋找有可能區(qū)分出亮氨酸和異亮氨酸殘基的新線索。
1.1 主要儀器與試劑
4800MALDI-TOF/TOF Analyzer基質(zhì)輔助激光解吸電離-串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀:美國(guó)AB Sciex公司產(chǎn)品;Milli-Q超純水處理系統(tǒng):美國(guó)Millipore公司產(chǎn)品。
多肽的合成與制備:所有標(biāo)準(zhǔn)肽由強(qiáng)生生物(上海)科技有限公司合成,合成的多肽通過(guò)反相HPLC純化,冷凍干燥,并用分析型HPLC和質(zhì)譜確定所有多肽的純度均在95%以上;α-腈基-4-羥基肉桂酸:美國(guó)Sigma公司產(chǎn)品,使用前重結(jié)晶,濃度為6g/L。將制備的適量固態(tài)多肽溶解在CH3CN(分析純)與去離子水的溶液(1∶1,V/V)中,最終形成的多肽溶液濃度范圍在100~500nmol/L之間。
1.2 質(zhì)譜條件
所有實(shí)驗(yàn)在MALDI-TOF/TOF 4800質(zhì)譜儀上完成。一級(jí)質(zhì)譜每張譜圖累加800次。在串聯(lián)質(zhì)譜模式中,碰撞誘導(dǎo)解離條件為1keV碰撞能加空氣碰撞,碰撞能為1 000V,二級(jí)加速電壓為15 000V,最大累積激光發(fā)射次數(shù)為2 000次。通過(guò)MS-Product程序確定子離子質(zhì)荷比。
2.1 利用w離子區(qū)分亮氨酸和異亮氨酸多肽同分異構(gòu)體的局限性
目前,肽段斷裂后所產(chǎn)生離子的命名一般采用2009年美國(guó)化學(xué)會(huì)規(guī)定的系統(tǒng)命名法,示于圖1。含有亮氨酸和異亮氨酸殘基的多肽可由w型離子區(qū)分,但也存在一些問(wèn)題,本研究將通過(guò)6組合成的模擬胰蛋白酶水解肽段(以賴(lài)氨酸或精氨酸結(jié)尾)加以說(shuō)明。例如,肽段HKDLYGK和HKDIYGK的MALDI-TOF/TOF串聯(lián)質(zhì)譜圖非常相似,互補(bǔ)的y和b系列離子為優(yōu)勢(shì)斷裂,組氨酸亞胺離子m/z 110.08為基峰,雖然能夠在放大的譜圖上觀察到可以區(qū)分它們的w離子,但是離子強(qiáng)度很低,示于圖2。同樣地,在肽段EQWTEGTIK放大的串聯(lián)質(zhì)譜圖上,可以觀察到wa2離子,但信號(hào)強(qiáng)度很低,示于圖3。為了進(jìn)一步說(shuō)明該問(wèn)題,將所有多肽的w離子相對(duì)強(qiáng)度和信噪比列于表1。
圖1 肽段斷裂離子的系統(tǒng)命名法[14]Fig.1 Nomenclature of peptide fragment ions[14]
圖2 500nmol/L HKDLYGK(a)和500nmol/L HKDIYGK(b)的串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜圖Fig.2 MALDI-TOF/TOF CID spectrumsof 500nmol/L HKDLYGK(a)and 500nmol/L HKDIYGK(b)
表1 12種多肽對(duì)應(yīng)的w離子和它們的相對(duì)強(qiáng)度Table 1 Summary of the observed w ions and their relative intensity for twelve peptides
續(xù)表1
圖3 100nmol/L EQWTEGTIK 的串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜圖(a)和放大圖(b)Fig.3 MALDI-TOF/CID sprctrums of 100 nmol/L EQWTEGTIK (a)and expand region(b)
如表1所示,對(duì)于編號(hào)為5、6、10、11和12的肽段未觀察到相應(yīng)的w離子,在其他肽段的串聯(lián)質(zhì)譜中,wa和wb離子的相對(duì)強(qiáng)度也很低。氨基酸殘基的位置和肽段長(zhǎng)度是影響w離子能否被檢測(cè)到的關(guān)鍵因素。對(duì)于多肽NLPAELQPFETLLAK和NIPAELQPFETIIAK,只能檢測(cè)到wa3、wa4、wb4離子,因?yàn)樗槠x子在高質(zhì)量區(qū)普遍強(qiáng)度較低,在N端第14的位置亮氨酸和異亮氨酸難以區(qū)分。除了相對(duì)較低的強(qiáng)度,利用w離子的另一個(gè)缺點(diǎn)是在低質(zhì)量區(qū)域的其他碎片離子也可能對(duì)w離子的檢測(cè)造成干擾。例如,理論上肽段EQWTEGTLK和EQWTEGTIK可通過(guò)EQWTEGTLK的wa2離子m/z201.12和EQWTEGTIK的wa2離子m/z215.14、wb2離子m/z229.15加以區(qū)分,但是,在這2個(gè)肽段的串聯(lián)質(zhì)譜中均檢測(cè)到了較高強(qiáng)度的m/z215.14離子,來(lái)源于它們的內(nèi)部斷裂離子TI/TL。類(lèi)似地,并不是所有的亮氨酸和異亮氨酸殘基都可以由157nm光解產(chǎn)生的v型和w型離子進(jìn)行區(qū)分[19]。綜上,雖然側(cè)鏈碎片離子可在區(qū)分多肽中的亮氨酸或異亮氨酸時(shí)發(fā)揮重要作用,但其適用性受肽段長(zhǎng)度和序列的限制。
2.2 利用亞銨相關(guān)離子相對(duì)強(qiáng)度區(qū)分亮氨酸和異亮氨酸的多肽異構(gòu)體
相比于亮氨酸,異亮氨酸更易產(chǎn)生亞胺相關(guān)離子m/z69和m/z 41[20]。Armirotti等[14]研究表明,由亮氨酸產(chǎn)生m/z69的亞銨離子需要更多的能量,即亮氨酸亞銨離子必須克服+305.4J/mol的能壘完成重排,并克服147.3J/mol失去氨,而異亮氨酸則只需要+219.7J/mol的能壘完成重排,+76.6J/mol進(jìn)一步產(chǎn)生m/z41離子[14]。在串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜中該規(guī)律同樣適用。對(duì)m/z41和m/z69離子的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行總結(jié),發(fā)現(xiàn)在含有異亮氨酸的多肽串聯(lián)質(zhì)譜中,m/z41和m/z 69亞銨離子的相對(duì)強(qiáng)度均高于相對(duì)應(yīng)的含有亮氨酸的多肽,結(jié)果列于表2。但在本研究中,當(dāng)肽段長(zhǎng)度大于10個(gè)氨基酸時(shí),就不會(huì)產(chǎn)生m/z69亞胺離子,因此,該判據(jù)也有一定的局限性。
表2 12個(gè)肽段4種亞胺相關(guān)離子的相對(duì)強(qiáng)度Table 2 The relative intensities of four kinds of immonium related ions of Leu/Ile for twelve peptides
2.3 利用b和y系列離子的相對(duì)強(qiáng)度區(qū)分亮氨酸和異亮氨酸同分異構(gòu)多肽
由于亮氨酸和異亮氨酸的同分異構(gòu)體是在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜分析的,所以離子強(qiáng)度的差異應(yīng)來(lái)源于這兩種氨基酸之間的取代所導(dǎo)致的多肽結(jié)構(gòu)的微小差別。肽段5~12的串聯(lián)質(zhì)譜各碎片離子的相對(duì)強(qiáng)度示于圖4。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于肽段1~6和11~12,大多數(shù)肽段肽裂解產(chǎn)生含異亮氨酸離子的相對(duì)豐度明顯高于亮氨酸異構(gòu)體,因此認(rèn)為該特征可以用來(lái)區(qū)分這兩種氨基酸殘基。例如,在圖2中,HKDIYGK的b3、b4離子的相對(duì)強(qiáng)度明顯高于HKDLYGK所產(chǎn)生的b3、b4離子。特別是在肽段FLQPGSPR的串聯(lián)質(zhì)譜中,母離子m/z901.2為基峰,其他碎片離子的強(qiáng)度也較高;而在肽段FIQPGSPR的串聯(lián)質(zhì)譜中,m/z 70.08離子為基峰,其質(zhì)譜圖示于圖5。對(duì)于肽段7~10,其碎片離子的相對(duì)強(qiáng)度相差較小,然而,正如上面所提到的,肽段EQWTEGTLK 和EQWTEGTIK可通過(guò)m/z41和m/z69離子區(qū)分,在肽段LHYFNARGR的串聯(lián)質(zhì)譜中也檢測(cè)到了wa9離子。對(duì)于性質(zhì)非常相近的肽段,例如含有IL或LI殘基的肽段,雖然預(yù)期各碎片離子強(qiáng)度可能很相近,但仍需w離子進(jìn)行區(qū)分。
2.4 TOF/TOF譜形狀的相對(duì)穩(wěn)定性
高能碰撞誘導(dǎo)解離譜圖被認(rèn)為具有較好的重復(fù)性,這是由于前體離子具有很高的動(dòng)能,與
圖4 肽段HQDLL/IIYGK(a),EQWTEGTL/IK(b),L/IHYFNARGR(c),NL/IPAELQPFETLL/IIAK(d)各主要子離子的相對(duì)強(qiáng)度Fig.4 The relative intensities of the main product ions of HQDLL/IIYGK(a),EQWTEGTL/IK(b),L/IHYFNARGR(c)and NL/IPAELQPFETLL/IIAK(d)
千電子伏前體離子的能量相比,碰撞過(guò)程中氣體原子的動(dòng)能可以忽略不計(jì)。這意味著,在相同的碰撞條件下,碰撞氣種類(lèi)、氣體壓力和溫度的變化不會(huì)明顯影響離子分布[17]。Vestal和Campbell指出TOF/TOF高CID的動(dòng)態(tài)范圍在典型的實(shí)驗(yàn)條件下為3個(gè)數(shù)量級(jí)[21]。在一定程度上,離子強(qiáng)度也可以被看作是串聯(lián)質(zhì)譜的本質(zhì)特征,因?yàn)樽与x子的產(chǎn)生概率與肽結(jié)構(gòu)是高度相關(guān)的。因此,離子強(qiáng)度信息可以改善從頭測(cè)序的準(zhǔn)確性[22],MALDI-TOF/TOF可以檢測(cè)到多肽中的D-氨基酸[23]。離子的性質(zhì)決定了最有利的解離通道[24],即串聯(lián)質(zhì)譜的本質(zhì)依賴(lài)于蛋白質(zhì)的氨基酸組成[25],但目前尚未見(jiàn)用離子強(qiáng)度區(qū)分亮氨酸和異亮氨酸殘基的報(bào)道。
圖5 100nmol/L FLQPGSPR(a)和100nmol/L FIQPGSPR(b)的串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜圖Fig.5 MALDI-TOF/TOF CID spectrums of 100nmol/L FLQPGSPR(a)and 100nmol/L FIQPGSPR(b)
由于蛋白質(zhì)序列的多樣性,很難找到一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)從TOF/TOF譜中直接確定亮氨酸或異亮氨酸。本研究表明,亮氨酸和異亮氨酸殘基同分異構(gòu)體的差異有可能體現(xiàn)在碎片離子的相對(duì)強(qiáng)度上。這種方法的缺點(diǎn)是需要合成肽段比較差異性,并且不適于大規(guī)模數(shù)據(jù)分析。
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Differentiation of Leucine and Isoleucine Residues Using Relative Intensities of Fragment Ions of MALDI-TOF/TOF
WANG Yong1,GAO Sheng2,LI Shui-ming1
(1.Shenzhen Key Laboratory of Marine Bioresources and Ecology,College of Life Science,Shenzhen University,Shenzhen518060,China;2.Shenzhen Key Laboratory of Microbial Genetic Engineering,College of Life Science,Shenzhen University,Shenzhen518060,China)
Differentiation of leucine(Leu)and isoleucine(Ile)is a difficult problem for de novo peptide sequencing.There is a general agreement that backbone cleavage is not capable of discriminating Leu and Ile residues and w-type ions produced by MALDITOF/TOF high energy collision-induced dissociation(CID)can provide distinguishable information.The experiment based on six pairs of tryptic-like isomeric peptides which contain 7to 15residues,showed that w ions were not always can be observed,while the displacement between Leu and Ile will lead to the change of relative abundance of immonium ions,internal fragment ions,b-and y-types of ions,the degree of changes depends on peptide composition and Leu/Ile position.Therefore,it is possible to distinguish Leu from Ile by comparing the relative intensities of the fragment ions of MALDI-TOF/TOF high energy CID spectra.
de novo peptide sequencing;MALDI-TOF/TOF;Leucine;Isoleucine
O657.63
A
1004-2997(2015)04-0302-08
10.7538/zpxb.youxian.2015.0012
2014-07-08;
修回日期:2014-08-28
王 勇(1970—),男(漢族),吉林人,副教授,從事生物質(zhì)譜分析研究。E-mail:wyong@szu.edu.cn
時(shí)間:2015-01-30
;
http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20150130.1553.012.html