CN106053199B - 一种两性亲水富集糖基化肽段并质谱分析的方法 - Google Patents

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Abstract

一种两性亲水富集糖基化肽段并质谱分析的方法。本发明属蛋白质分析领域，具体为一种糖基化肽段两性亲水富集并质谱分析的方法，其包括：首先对树枝状聚合物PAMAM进行磺酸化衍生反应使得末端氨基变为磺酸基，再利用碘甲烷将产物的骨架氮转为季铵基团，合成两性亲水的树枝状聚合物。利用该材料高效特异结合血清样品酶解物中的糖基化肽段，通过超滤辅助技术将未和纳米材料反应的非糖肽清洗除去,最后再利用去糖链酶将捕获的糖肽从材料上解离下来，送入液相色谱‑质谱分析糖基化肽。本发明方法步骤简单、操作方便、快速高效，可以实现糖基化肽的高特异性、高灵敏、高选择性质谱分析。

Description

一种两性亲水富集糖基化肽段并质谱分析的方法
技术领域
本发明属蛋白质分析领域，涉及一种糖基化肽段两性亲水富集并质谱分析的方法，具体涉及利用一种两性亲水修饰的聚酰胺-胺型树枝状聚合物分子材料（PAMAM）富集糖基化肽并质谱分析的新方法。
背景技术
蛋白质糖基化是生物体内普遍存在的一种翻译后修饰。据报道，真核生物中至少有一半以上的蛋白质发生糖基化修饰。蛋白质的糖基化修饰具有重要的生物学功能，它不仅影响蛋白质的折叠、生物活性、运输和定位，而且在分子识别、细胞通信、信号转导和精卵结合等特定生物生理过程发挥着重要的作用。此外糖基化在疾病中，特别是肿瘤的发生、发展、转移和侵袭过程中具有极其重要的意义。高灵敏、高效地鉴定生物体内的糖基化后修饰位点是实现其进一步研究的首要前提。
然而，目前的蛋白质糖基化研究却面临着很大的困难和挑战：第一，虽然糖蛋白种类很丰富，但由于同一个糖基化位点可能被修饰上不同的糖链结构而使得含量进一步下降，这对于样品的前处理和后续的质谱分析来说都是巨大的挑战；第二，带有糖基化修饰的肽段在质谱中的离子化效率往往比非修饰肽段低，因而不易被质谱鉴定。第三，尽管目前已有基于酰肼材料和硼酸富集糖肽的方法，但酰肼材料破坏了糖链的结构，不能够用于完整糖肽的鉴定，硼酸材料的特异性的选择性较差。
因此，本申请的发明人拟提供一种反应更加特异、水溶性高且含有丰富的末端修饰功能团的树枝状聚合物纳米材料两性亲水富集超滤分离并质谱分析的方法，该方法将避免了容易造成大量样品损失的转移过程，有利于实现高选择性和高灵敏度质谱鉴定，尤其适用于少量珍贵样品的糖基化分析，从而进一步促进糖蛋白质的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有糖肽富集材料和富集手段存在的不足和缺陷，提供一种操作简单、快速高效的糖基化肽选择性富集材料并高灵敏度质谱鉴定的新方法。
为了实现上述方案，本发明采用的技术方案如下：
1.合成磺酸基和季铵基修饰的树枝状聚合物分子材料PAMAM；
2.利用该材料结合并富集蛋白胰酶酶解溶液中的糖基化肽段；
3.将糖基化肽段从材料上洗脱下来并进行质谱分析。
具体的，本发明通过两步法合成一种两性亲水材料，利用亲水相互作用和弱静电相互作用选择性富集糖基化肽段并进行质谱分析。
本发明所提供的两性亲水富集糖基化肽段并质谱分析的方法，用末端磺酸化修饰和骨架氮的季铵化修饰的树枝状聚合物分子材料PAMAM作为吸附剂，利用材料上的磺酸基团与糖链的亲水相互作用和带正电的季铵基团与糖链间弱静电相互作用，将糖肽结合在树枝状聚合物分子材料上，经超滤的手段使得糖肽与未结合的非糖肽溶液分离，最终实现糖基化肽的选择性富集和质谱分析；具体步骤如下：
（1）将末端磺酸化修饰和骨架氮的季铵化修饰的树枝状聚合物分子材料与多肽溶液充分混合，将得到的混合溶液在室温条件下孵育；
所述多肽溶液溶剂为含体积比70~85%乙腈、0.1~0.2%三氟乙酸的水溶液；
（2）将混合溶液倒入超滤管并进行离心超滤分离，使混合溶液中非糖肽和糖肽分离，分别位于超滤管的下部和上部，收集超滤管上部的含糖肽溶液；
（3）用清洗缓冲液清洗步骤（2）中分离后余留的结合着糖肽的树枝状聚合物分子材料，清洗后继续重复步骤（2）若干次，收集上部的含糖肽溶液；
所述清洗缓冲液为含70~85%乙腈、0.5~0.6%三氟乙酸的水溶液；
（4）清洗结束后，在所得的含糖肽溶液中加入洗脱缓冲液，离心超滤分离，使该溶液中糖肽与聚合物分子材料分离，分别位于超滤管的下部和上部，收集超滤管下部分糖肽溶液并进行冷冻干燥；
所述洗脱缓冲液为含1~1.5%三氟乙酸的水溶液；
（5）将经冷冻干燥后的糖肽，用碳酸氢铵缓冲液重溶，加入去糖链酶PNGase F充分混合；取上清液与有机基质混合，进行基质辅助激光解吸离子化质谱分析。
本发明中，末端磺酸化修饰和骨架氮的季铵化修饰的树枝状聚合物分子材料PAMAM按以下步骤合成：
取2~200微摩尔聚酰胺-胺型树枝状聚合物分子，0.5-0.6当量（1当量对应摩尔比1:1）NH3·H2O和1-1.2当量1,3-丙烷磺内酯，加入按聚酰胺-胺型树枝状聚合物分子摩尔数：乙醇体积毫升数=1:1~1:1.5的比例的乙醇，并充分溶解，在50-60℃氮气保护下搅拌反应18-24小时，反应结束后旋转蒸干，除去溶剂和多余的反应原料，加入按聚酰胺-胺型树枝状聚合物分子摩尔数：二甲基甲酰胺（DMF）体积毫升数=1:1~1:1.2比例的DMF重溶，加入2-3当量的无水Na2CO3，换氮气保护，缓慢加入1.5-2.0当量碘甲烷，在50-60℃下搅拌反应10-12小时；产物抽干DMF后用丙酮和乙醇重结晶；最后将产物分散在水溶液中备用。
本发明中，所述聚酰胺-胺型树枝分子为第四代、第五代或者第六代PAMAM。
本发明中，所述磺酸化所用的试剂为1,3-丙烷磺酸酯、1,4-丁烷磺酸酯或者1,5戊烷磺酸酯。
本发明中，所述步骤（3）中，重复步骤（2）3~5次。
本发明中，所述步骤（1）中，多肽溶液与树枝状聚合物分子材料的质量比为1:40~1:80；在25~37℃下充分混合并孵育5-10分钟。
本发明中，所述步骤（1）中，多肽溶液浓度为0.5-2微克/微升，体积为50-500微升。
本发明中，所述离心超滤分离为使用10k Da MWCO的超滤管在12000-16000g，18-25℃下旋转离心8-10分钟，将非糖肽和糖肽分离。
本发明中，所述步骤（5）中，所述碳酸氢铵缓冲液为25mM-100mM。
本发明中，所述步骤（5）中，重溶冷冻干燥的糖肽形成约0.5-2微克/微升的肽段溶液，按蛋白初始质量算，1毫克蛋白/1~2微升酶的比例加入糖苷酶PNGase F，在37℃条件下孵育16-18小时将糖链从肽段上切下来；孵育结束后，所得溶液与有机基质含有α-氰基-4-羟基肉桂酸(CHCA) 混合，进行基质辅助激光解吸离子化飞行时间质谱MALDI-TOF-MS分析。
本发明中所用的两性亲水修饰后的树枝状聚合物材料尺寸在100-120纳米范围，其具备高比表面，高水溶性的特点，能与待分离的肽段在溶液充分接触，提高了糖肽富集的选择性。本发明具有操作简单，快速高效等特点。
附图说明
图1为本富集方法的流程图。
图2为5 pmol标准糖基化蛋白质去唾液酸胎球蛋白ASF酶解肽段的MALDI-TOF-MS谱图，MALDI-TOF-MS谱图纵坐标为质谱峰的相对强度 (% Intensity)，横坐标为质荷比(m/z)； a)富集前；b)从5 pM标准糖基化蛋白酶解溶液中富集得到的，上样量和富集前相同。“+”为糖基化肽段单电荷峰，“#”为糖基化肽段双电荷峰。对比图（a）和图（b）可以看出，经过富集后，糖基化肽可以被选择性地富集下来。
图3为5 pmol标准糖基化蛋白质去唾液酸胎球蛋白ASF酶解肽段经两性亲水树枝状聚合物材料富集后的MALDI-TOF-MS谱图，MALDI-TOF-MS谱图纵坐标为质谱峰的相对强度(% Intensity)，横坐标为质荷比(m/z)；“+”为带糖链糖基化肽段峰，从图上可以看到，绝大部分完整糖肽可以通过该发明中的方法选择性地富集下来，而且具有很好的性噪比。
图4为起始糖基化肽段浓度0.0155、0.0310、0.0465、0.0620、0.0930、0.1085、0.1240微克每微升的系列溶液经本发明中的方法富集糖肽，MALDI-TOF-MS分析后谱图中糖基化肽段(KLCPDCPLLAPLN#DSR，N为糖基化位点)对应谱图峰的性噪比（S/N）对浓度的关系，从图中可以看出，该发明中的方法对于糖基化肽段能达到0.0155微克每微升（约3.5飞摩）水平，在一个比较大的肽段样品浓度范围内对糖基化肽段具有选择性富集能力。
具体实施方式
下面的实例是对本发明提出的一种两性亲水富集糖基化肽段并质谱分析的方法的进一步说明。
实施例1
两性亲水树枝状聚合物材料对糖基化肽段选择性富集能力的实验
用含80%乙腈，0.1%三氟乙酸的水溶液配制50~100微升浓度为1微克/微升的糖基化蛋白去唾液酸胎球蛋白ASF的胰酶酶解肽段，按照肽段：材料质量比1:40的比例加入两性亲水树枝状聚合物材料，充分混合均匀后在室温条件下孵育5分钟；孵育结束后将溶液转移到10k Da超滤管中，18℃下14000g 离心8分钟去除未与材料结合的肽段（下层溶液）；然后加入100~200微升含80%乙腈，0.5%三氟乙酸的水溶液进行清洗，18℃下14000g 离心8分钟弃去下层溶液，清洗步骤重复进行3次。清洗结束后将超滤管转移到一个新的套管中，加入含1%三氟乙酸TFA的水溶液作为洗脱缓冲液，18℃下14000g 离心8分钟后收集下层清液，进行冷冻干燥。用50~100微升50mM碳酸氢铵水溶液重溶冻干的样品，加入 PNGase F 酶，按蛋白初始质量算，1毫克蛋白/1微升酶，在 37 ℃下，振荡反应16~18小时。反应结束后取0.5~1微升样品溶液点样于MALDI靶板中，待干燥后再点上等体积的α-氰基-4-羟基肉桂酸基质溶液，干燥结晶后进行MALDI-TOF-MS分析，结果如图2所示。
实施例2
两性亲水树枝状聚合物材料对完整糖肽选择性富集能力的实验
用含80%乙腈，0.1%三氟乙酸的水溶液配制100微升浓度为1微克每微升的糖基化蛋白去唾液酸胎球蛋白ASF的胰酶酶解肽段，按照肽段：材料质量比1:40的比例加入两性亲水树枝状聚合物材料，充分混合均匀后在室温条件下孵育5分钟；孵育结束后将溶液转移到10k Da超滤管中，18℃下14000g 离心8分钟去除未与材料结合的肽段（下层溶液）；然后加入200微升含80%乙腈，0.5%三氟乙酸的水溶液进行清洗，18℃下14000g 离心8分钟弃去下层溶液，清洗步骤重复进行3次。清洗结束后将超滤管转移到一个新的套管中，加入含1%三氟乙酸TFA的水溶液作为洗脱缓冲液，18℃下14000g 离心8分钟后收集下层清液；取0.5~1微升样品溶液点样于MALDI靶板中，待干燥后再点上等体积的2,5- 二羟基苯甲酸基质溶液（1% 磷酸 50% 乙腈水溶液）基质溶液，干燥结晶后进行MALDI-TOF-MS分析，结果如图3所示。
实施例3
两性亲水树枝状聚合物材料对糖基化肽段富集能力稳定性的实验
用含80%乙腈，0.1%三氟乙酸的水溶液配制按照浓度0.0155、0.0310、0.0465、0.0620、0.0930、0.1085、0.1240微克每微升的梯度配置一系列糖基化蛋白去唾液酸胎球蛋白ASF的胰酶酶解肽段溶液各50微升，按照肽段：材料质量比1:60的比例加入两性亲水树枝状聚合物材料，充分混合均匀后在室温条件下孵育5分钟；孵育结束后将溶液转移到10k Da超滤管中，20℃下12000g 离心10分钟去除未与材料结合的肽段（下层溶液）；然后加入100~200微升含80%乙腈，0.5%三氟乙酸的水溶液进行清洗，18℃下12000g 离心8分钟弃去下层溶液，清洗步骤重复进行3次。清洗结束后将超滤管转移到一个新的套管中，加入含1%三氟乙酸TFA的水溶液作为洗脱缓冲液，18℃下12000g 离心8分钟后收集下层清液，进行冷冻干燥。用50~100微升50mM碳酸氢铵水溶液重溶冻干的样品，加入 PNGase F 酶，按蛋白初始质量算，1毫克蛋白/1微升酶，在 37 ℃下，振荡反应18小时。反应结束后取0.5微升样品溶液点样于MALDI靶板中，待干燥后再点上等体积的α-氰基-4-羟基肉桂酸基质溶液，干燥结晶后进行MALDI-TOF-MS分析，将结果谱图中的糖基化肽段(KLCPDCPLLAPLN#DSR，N为糖基化位点)的峰性噪比对浓度作图，如图4所示。

Claims (8)

1.一种利用两性亲水材料富集糖肽并对糖肽进行质谱分析的方法，其特征在于用末端磺酸化修饰和骨架氮的季铵化修饰的树枝状聚合物分子材料PAMAM作为吸附剂，利用材料上的磺酸基团与糖链的亲水相互作用和带正电的季铵基团与糖链间弱静电相互作用，将糖肽结合在树枝状聚合物分子材料PAMAM上，经超滤的手段使得糖肽与未结合的非糖肽溶液分离，最终实现糖肽的选择性富集和质谱分析；具体步骤如下：
（1）将末端磺酸化修饰和骨架氮的季铵化修饰的树枝状聚合物分子材料PAMAM与多肽溶液充分混合，将得到的混合溶液在室温条件下孵育；
所述多肽溶液的溶剂为含体积比70~85%乙腈、0.1~0.2%三氟乙酸的水溶液；
（2）将混合溶液倒入超滤管并进行离心超滤分离，使混合溶液中非糖肽和糖肽分离，分别位于超滤管的下部和上部，收集超滤管上部的含糖肽溶液；
（3）用清洗缓冲液清洗步骤（2）中分离后余留的结合着糖肽的树枝状聚合物分子材料PAMAM，清洗后继续重复步骤（2）若干次，收集上部的含糖肽溶液；
所述清洗缓冲液为含70~85%乙腈、0.5~0.6%三氟乙酸的水溶液；
（4）清洗结束后，在所得的含糖肽溶液中加入洗脱缓冲液，离心超滤分离，使该溶液中糖肽与聚合物分子材料分离，分别位于超滤管的下部和上部，收集超滤管下部的糖肽溶液并进行冷冻干燥；
所述洗脱缓冲液为含1~1.5%三氟乙酸的水溶液；
（5）将经冷冻干燥后的糖肽，用碳酸氢铵缓冲液重溶，加入糖甘酶PNGase F充分混合；取上清液与有机基质混合，进行基质辅助激光解吸离子化质谱分析。
2.如权利要求1所述的利用两性亲水材料富集糖肽并对糖肽进行质谱分析的方法，其特征在于末端磺酸化修饰和骨架氮的季铵化修饰的树枝状聚合物分子材料PAMAM按以下步骤合成：
取2~200微摩尔PAMAM，0.5-0.6当量NH3·H2O和1-1.2当量1,3-丙烷磺内酯，1当量对应摩尔比1:1，按PAMAM摩尔数：乙醇体积毫升数=1:1~1:1.5的比例加入乙醇，并充分溶解，在50-60℃氮气保护下搅拌反应18-24小时，反应结束后旋转蒸干，除去溶剂和多余的反应原料，按PAMAM摩尔数：DMF体积毫升数=1:1~1:1.2比例加入DMF重溶，加入2-3当量的无水Na2CO3，换氮气保护，缓慢加入1.5-2.0当量碘甲烷，在50-60℃下搅拌反应10-12小时；产物抽干DMF后用丙酮和乙醇重结晶；最后将产物分散在水溶液中备用。
3.如权利要求1所述的利用两性亲水材料富集糖肽并对糖肽进行质谱分析的方法，其特征在于所述步骤（3）中，重复步骤（2）3~5次。
4.如权利要求1所述的利用两性亲水材料富集糖肽并对糖肽进行质谱分析的方法，其特征在于所述步骤（1）中，多肽溶液与树枝状聚合物分子材料PAMAM的质量比为1:40~1:80；在25~37℃下充分混合并孵育5-10分钟。
5.如权利要求1~3之一所述的利用两性亲水材料富集糖肽并对糖肽进行质谱分析的方法，其特征在于所述步骤（1）中，多肽溶液浓度为0.5-2微克/微升，体积为50-500微升。
6. 如权利要求1~3之一所述的利用两性亲水材料富集糖肽并对糖肽进行质谱分析的方法，其特征在于所述步骤（2）中的离心超滤分离为使用10k Da MWCO的超滤管在12000-16000g，18-25℃下旋转离心8-10分钟，将非糖肽和糖肽分离。
7.如权利要求1~3之一所述的利用两性亲水材料富集糖肽并对糖肽进行质谱分析的方法，其特征在于所述步骤（5）中，所述碳酸氢铵缓冲液的浓度为25mM-100mM。
8.如权利要求2所述的利用两性亲水材料富集糖肽并对糖肽进行质谱分析的方法，其特征在于所述PAMAM为第四代、第五代或者第六代PAMAM。
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