CN111308097A - 一种基于sp3酶解的蛋白质组学分析方法 - Google Patents

一种基于sp3酶解的蛋白质组学分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供一种基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其先向待检测样品细胞中加入裂解液进行变性,所述的裂解液成分为50mM 4‑羟乙基哌嗪乙磺酸,1%十二烷基硫酸钠,1%聚乙二醇辛基苯基醚,1%吐温20,1%乙基苯基聚乙二醇,5mM乙二胺四乙酸,50mM氯化钠,1%的丙三醇,1×蛋白酶抑制剂和5mM二硫苏糖醇,再向已经变性的样品中加入磁珠置换裂解液,去除影响胰蛋白酶活性的变性剂,置换完成后对变性样品进行赖氨酸蛋白酶酶解和胰蛋白酶解,最后提取酶解样品进行色谱‑串联质谱分析,具有可实现自动化,提高不同批次实验的重复性同时提高通量的优势,同时该方法在肽段回收率,样品重复性等评价指标上均不逊于传统的蛋白质酶解方法。

Description

一种基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法
技术领域
本发明属于生物检测技术领域,具体涉及一种基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法。
背景技术
随着人类基因组计划的实施和推进,生命科学研究早已进入后基因组时代。在这个时代,更加着重关注基因的功能和结构,因此蛋白质组学得到了蓬勃发展。蛋白质组(Proteome)的概念最先由Marc Wilkins提出,指由一个基因组(genome),或一个细胞、组织表达的所有蛋白质(Protein)。蛋白质组学的研究主要包括蛋白质组定性、高通量定量蛋白质组、靶向蛋白质组以及蛋白质翻译后修饰等方面的内容,传统的鸟枪法在蛋白质组学的研究应用最为广泛。该方法的主要流程是将蛋白酶通过蛋白酶酶解成肽段,再用质谱进行分析,最后通过数据分析将得到的图谱匹配上具体的肽段信息,最后对蛋白进行定性定量。因此,蛋白质酶解蛋白质组学研究中极为重要的一环,直接影响后期得到的数据。
常用的蛋白酶解方法有溶液内酶解和Filter-Aided Sample Preparation(简写为FASP),其中溶液内酶切对蛋白溶液成分有限制,常见的变性剂(例如SDS,尿素,盐酸胍)均会影响胰蛋白酶活性从而影响酶解效果;而FASP酶解步骤繁琐,耗时长,样品损失大,不利于小量样本,因此新的酶解方法的发明对于蛋白质组学的发展有着重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其先向待检测样品细胞中加入裂解液进行变性,所述的裂解液成分为50mM 4-羟乙基哌嗪乙磺酸,1%十二烷基硫酸钠,1%聚乙二醇辛基苯基醚,1%吐温20,1%乙基苯基聚乙二醇,5mM乙二胺四乙酸,50mM氯化钠,1%的丙三醇,1×蛋白酶抑制剂和5mM二硫苏糖醇,再向已经变性的样品中加入磁珠置换裂解液,去除影响胰蛋白酶活性的变性剂,置换完成后对变性样品进行赖氨酸蛋白酶解和胰蛋白酶解,最后提取酶解样品进行色谱-串联质谱分析,具有可实现自动化,提高不同批次实验的重复性同时提高通量的优势,同时该方法在肽段回收率,样品重复性等评价指标上均不逊于传统的蛋白质酶解方法。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,先向待检测样品细胞中加入裂解液进行变性,再向已经变性的样品中加入磁珠置换裂解液,置换完成后对变性样品进行溶液内酶解,最后提取酶解样品进行色谱-串联质谱分析;所述的裂解液的成分及各成分终浓度为50mM 4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES),1%十二烷基硫酸钠(SDS),1%聚乙二醇辛基苯基醚(Triton 100),1%吐温20(Tween 20),1%乙基苯基聚乙二醇(NP 40),5mM乙二胺四乙酸(EDTA),50mM氯化钠(NaCl),1%(vol/vol)丙三醇(glycerol),1×蛋白酶抑制剂(cOmpleteprotease inhibitor)和5mM二硫苏糖醇(DTT)。
上述方法包括如下详细步骤:
步骤S1变性细胞样品,取样品细胞并清洗干净,即将黏附在细胞上的培养基等物质冲走,向已经清洗干净的细胞样品中加入裂解液进行变性,变性完成后离心取上清液,对上清液中的蛋白质进行定量;
步骤S2置换裂解液,取步骤S1中获得的蛋白样品,先加入5mM的二硫苏糖醇(DTT)还原反应40-80min,再加入10mM的碘乙酰胺(IAA)于黑暗条件下反应20-40min,再加入2.5mM的二硫苏糖醇(DTT)于黑暗下反应10-20min;再按蛋白:磁珠=1:10的质量比例向样品中加入磁珠(beads),同时加入无水乙醇浸没样品,将样品搅拌混匀反应,用磁力架吸附磁珠并去除上清液;
步骤S3酶解,将步骤S2中获得的固体物冲洗干净,加入NH4HCO3,再加入赖氨酸蛋白酶(Lys-C)进行第一次酶解,再向固体物中添加胰蛋白酶(trypsin)进行第二次酶解,两次酶解后进行高速离心,取上清液,将上清液冷冻干燥后加入FA复溶,进行蛋白肽段定量分析;
步骤S4蛋白质组学分析,取步骤S3获得的肽段溶液进行蛋白质组学分析,包括高效液相色谱分离、串联质谱分析和对样品进行图谱比对分析。
根据以上方案,所述的步骤S1中的细胞清洗方式为用10mM的磷酸盐缓冲液对细胞冲洗2-5次;步骤S1中的变性过程中添加超声波辅助变性,超声波功率为200W,超声波处理方式为处理8S后间隔5S再进行第2次处理,循环8次;步骤S1中的离心为14000g离心20min。
根据以上方案,所述的步骤S2中无水乙醇加入的量为添加无水乙醇至乙醇的终浓度为50%;步骤S2中的搅拌混匀反应的条件是25℃恒温中1000rpm摇晃混匀20min;步骤S2中加入二硫苏糖醇后在37℃下进行反应。
根据以上方案,所述的步骤S3中的冲洗方式为用80%的乙醇冲洗2-5次,NH4HCO3浓度为25mM,所述的第一次酶解中赖氨酸蛋白酶的添加质量比例是样品蛋白:赖氨酸蛋白酶=100:1,酶解条件为37℃恒温,1000rpm酶解4h;所述的第二次酶解中胰蛋白酶的添加质量比例是样品蛋白:胰蛋白酶=50:1,酶解条件为37℃恒温,1000rpm酶解12-24h。
根据以上方案,所述的步骤S3中的离心条件为:16000g离心20min;步骤S3中的FA溶液为0.1%FA溶液。
根据以上方案,所述的步骤S4中的高效液相色谱分离是取1μg步骤S3获得的肽段溶液进行高效液相色谱分离,A相为0.1%甲酸水溶液,B相为0.1%甲酸乙腈水溶液,乙腈浓度为84%,流速:300nl/min,液相梯度如下:液相分离梯度如下:0min—2min,B相线性梯度从5%到8%;2min—42min,B相线性梯度从8%到23%;42min—50min,B相线性梯度从23%到40%;50min—60min,B相线性梯度从40%到100%并维持至60min;所述的色谱分析柱为25cm*75μm,填料C18为1.9um,用95%的A相进行平衡。
根据以上方案,所述的步骤S4中的串联质谱分析条件是,采用正离子扫描模式,分析时长:60min,母离子扫描范围:300-1800m/z,一级质谱分辨率:60,000at m/z 200,最大增益控制(AGC target):3e6,一级最大进样时间(Maximum IT):25ms;
二级质谱分析按照下列方法采集:每次全扫描后触发采集20个二级质谱图谱,二级质谱分辨率:15,000at m/z 200,最大增益控制(AGC target):5e4,二级最大进样时间(Maximum IT):25ms,MS2解离模式(MS2 Activation Type):高能碰撞解离(HCD),隔离窗口(Isolation window):1.5Th,碰撞能量(Normalized collision energy):27。
本发明的有益效果是:
将Single-pot,Solid-phase-enhanced Sample-preparation(简写为SP3)酶解技术应用于蛋白质组学的样品制备中,不仅为蛋白样品制备环节提供了新的方法供选择,同时该方法在肽段回收率,样品重复性等评价指标上均不逊于传统的蛋白质酶解方法,且具有可实现自动化,同时有提高通量的优势。
附图说明
图1是实施例中三组实验重复鉴定的蛋白肽段数目结果图;
图2是实施例中三组实验重复鉴定蛋白的Venn图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
一种基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,先向待检测样品细胞中加入裂解液进行变性,再向已经变性的样品中加入磁珠置换裂解液,置换完成后对变性样品进行溶液内酶解,最后提取酶解样品进行色谱-串联质谱分析,包括如下详细步骤:
步骤S1变性细胞样品,取一盘10cm培养皿长满的293T细胞,使用10mM的磷酸盐缓冲液对细胞冲洗3次清洗,再向已经清洗干净的细胞样品中加入500μl裂解液,使用匀浆器匀浆后采用接触式超声仪进行辅助变性,超声波功率为200W,超声波处理方式为处理8S后间隔5S再进行第2次处理,循环8次,变性完成后以14000g离心20min,取上清液,对上清液中的239T细胞蛋白质采用BCA定量法对提取的蛋白质进行定量;所述的裂解液的成分及各成分终浓度为50mM 4-羟乙基哌嗪乙磺酸,1%十二烷基硫酸钠,1%聚乙二醇辛基苯基醚,1%吐温20,1%乙基苯基聚乙二醇,5mM乙二胺四乙酸,50mM氯化钠,体积分数1%的丙三醇,1×蛋白酶抑制剂和5mM二硫苏糖醇。
步骤S2置换裂解液,取步骤S1中获得的蛋白样品,先加入5mM的二硫苏糖醇在37℃还原反应60min,再加入10mM的碘乙酰胺于黑暗条件下反应30min,再加入2.5mM的二硫苏糖醇于黑暗下反应15min;再按蛋白:磁珠=1:10的质量比例向样品中加入磁珠,同时加入无水乙醇至乙醇的终浓度为50%,将样品在25℃恒温中以1000rpm摇晃混匀20min,用磁力架吸附磁珠并去除上清液。
步骤S3酶解,将步骤S2中获得的固体物用80%的乙醇冲洗3次,加入100μl 25mM的NH4HCO3,再加入0.5μg(根据本实施例实际情况按添加比例计算得出)赖氨酸蛋白酶进行第一次酶解,赖氨酸蛋白酶的添加质量比例是样品蛋白:赖氨酸蛋白酶=100:1,酶解条件为37℃恒温,1000rpm酶解4h;再向固体物中添加1μg(根据本实施例实际情况按添加比例计算得出)胰蛋白酶进行第二次酶解,胰蛋白酶的添加质量比例是样品蛋白:胰蛋白酶=50:1,酶解条件为37℃恒温,1000rpm酶解18h,两次酶解后取酶解液进行16000g离心20min,将上清液转移到新的离心管,将上清液冷冻干燥后加入0.1%FA溶液复溶,进行蛋白肽段定量分析。
步骤S4蛋白质组学分析,取步骤S3获得的肽段溶液进行蛋白质组学分析,包括高效液相色谱分离,取1μg步骤S3获得的肽段溶液采用纳升级液相Easy nLC进行色谱分离,自制色谱分析柱,25cm*75μm,填料C18为1.9um,用95%的A相进行平衡,A相为0.1%甲酸水溶液,B相为0.1%甲酸乙腈水溶液,乙腈浓度为84%,流速:300nl/min,用95%的A相进行平衡,液相梯度如下:液相分离梯度如下:0min—2min,B相线性梯度从5%到8%;2min—42min,B相线性梯度从8%到23%;42min—50min,B相线性梯度从23%到40%;50min—60min,B相线性梯度从40%到100%并维持至60min。
样品经纳升级高效液相色谱分离后用Q-Exactive HF-X质谱仪(ThermoScientific)进行质谱分析,采用正离子扫描模式,分析时长:60min,母离子扫描范围:300-1800m/z,一级质谱分辨率:60,000at m/z 200,最大增益控制:3e6,一级最大进样时间:25ms;
二级质谱分析按照下列方法采集:每次全扫描后触发采集20个二级质谱图谱,二级质谱分辨率:15,000at m/z 200,最大增益控制:5e4,二级最大进样时间:25ms,MS2解离模式:高能碰撞解离,隔离窗口:1.5Th,碰撞能量:27。
采用Thermo Proteome Discoverer软件(版本号1.4)和Spectronaut软件(Spectronaut Pulsar X_12.0.20491.4)进行查库鉴定及定性定量分析。
按上述实施例进行三次重复的实验,三次重复实验的原始质谱数据经过软件分析鉴定后,结果如图1和图2所示,从图1可以看出,三组重复实验鉴定的蛋白均保持在5000左右,说明该方法的酶解效果良好,用三组实验重复鉴定到的蛋白制作了韦恩图(Venndiagram),从图2可以看出,三组实验都鉴定到的蛋白高达99%,说明该方法的重复性能够达到满足蛋白组学分析的需求。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案,尽管上述实施例对本发明进行了详细说明,本领域的相关技术人员应当理解:可以对本发明进行修改或者同等替换,但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其特征在于,先向待检测样品细胞中加入裂解液进行变性,再向已经变性的样品中加入磁珠置换裂解液,置换完成后对变性样品进行溶液内酶解,最后提取酶解样品进行色谱-串联质谱分析;所述的裂解液的成分及各成分终浓度为50mM 4-羟乙基哌嗪乙磺酸,1%十二烷基硫酸钠,1%聚乙二醇辛基苯基醚,1%吐温20,1%乙基苯基聚乙二醇,5mM乙二胺四乙酸,50mM氯化钠,1%的丙三醇,1×蛋白酶抑制剂和5mM二硫苏糖醇。
2.根据权利要求1所述的基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其特征在于,包括如下详细步骤:
步骤S1变性细胞样品,取样品细胞并清洗干净,向已经清洗干净的细胞样品中加入裂解液进行变性,变性完成后离心取上清液,对上清液中的蛋白质进行定量;
步骤S2置换裂解液,取步骤S1中获得的蛋白样品,先加入5mM的二硫苏糖醇还原反应40-80min,再加入10mM的碘乙酰胺于黑暗条件下反应20-40min,再加入2.5mM的二硫苏糖醇于黑暗下反应10-20min;再按蛋白:磁珠=1:10的质量比例向样品中加入磁珠,同时加入无水乙醇浸没样品,将样品搅拌混匀反应,用磁力架吸附磁珠并去除上清液;
步骤S3酶解,将步骤S2中获得的固体物冲洗干净,加入NH4HCO3,再加入赖氨酸蛋白酶进行第一次酶解,再向固体物中添加胰蛋白酶进行第二次酶解,两次酶解后进行高速离心,取上清液,将上清液冷冻干燥后加入FA复溶,进行蛋白肽段定量分析;
步骤S4蛋白质组学分析,取步骤S3获得的肽段溶液进行蛋白质组学分析,包括高效液相色谱分离、串联质谱分析和对样品进行图谱比对分析。
3.根据权利要求2所述的基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其特征在于,所述的步骤S1中的细胞清洗方式为用10mM的磷酸盐缓冲液对细胞冲洗2-5次;步骤S1中的变性过程中添加超声波辅助变性,超声波功率为200W,超声波处理方式为处理8S后间隔5S再进行第2次处理,循环8次;步骤S1中的离心为14000g离心20min。
4.根据权利要求2所述的基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其特征在于,所述的步骤S2中无水乙醇加入的量为添加无水乙醇至乙醇的终浓度为50%;步骤S2中的搅拌混匀反应的条件是25℃恒温中1000rpm摇晃混匀20min;步骤S2中加入二硫苏糖醇后在37℃下进行反应。
5.根据权利要求2所述的基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其特征在于,所述的步骤S3中的冲洗方式为用80%的乙醇冲洗2-5次,NH4HCO3浓度为25mM,所述的第一次酶解中赖氨酸蛋白酶的添加质量比例是样品蛋白:赖氨酸蛋白酶=100:1,酶解条件为37℃恒温,1000rpm酶解4h;所述的第二次酶解中胰蛋白酶的添加质量比例是样品蛋白:胰蛋白酶=50:1,酶解条件为37℃恒温,1000rpm酶解12-24h。
6.根据权利要求2所述的基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其特征在于,所述的步骤S3中的离心条件为:16000g离心20min;步骤S3中的FA溶液为0.1%FA溶液。
7.根据权利要求2所述的基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其特征在于,所述的步骤S4中的高效液相色谱分离是取1μg步骤S3获得的肽段溶液进行高效液相色谱分离,A相为0.1%甲酸水溶液,B相为0.1%甲酸乙腈水溶液,乙腈浓度为84%,流速:300nl/min,液相梯度如下:液相分离梯度如下:0min—2min,B相线性梯度从5%到8%;2min—42min,B相线性梯度从8%到23%;42min—50min,B相线性梯度从23%到40%;50min—60min,B相线性梯度从40%到100%并维持至60min;所述的色谱分析柱为25cm*75μm,填料C18为1.9um,用95%的A相进行平衡。
8.根据权利要求2所述的基于SP3酶解的蛋白质组学分析方法,其特征在于,所述的步骤S4中的串联质谱分析条件是,采用正离子扫描模式,分析时长:60min,母离子扫描范围:300-1800m/z,一级质谱分辨率:60,000at m/z 200,最大增益控制:3e6,一级最大进样时间:25ms;
二级质谱分析按照下列方法采集:每次全扫描后触发采集20个二级质谱图谱,二级质谱分辨率:15,000at m/z 200,最大增益控制:5e4,二级最大进样时间:25ms,MS2解离模式:高能碰撞解离,隔离窗口:1.5Th,碰撞能量:27。
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