CN112083082B - 一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体及其制备方法和应用。所述的细胞内蛋白质复合物原位分析的载体,其作用在于将用于蛋白质复合物分析的化学交联剂，通过跨膜递送的方式，运送至细胞内特定部位，并且释放化学交联剂，从而使蛋白质复合物进行原位交联。并结合结合质谱技术，解析对细胞内蛋白质复合物进行时空动态变化规律的分析。这对于理解生命过程、揭示疾病机制、筛选生物标志物以及寻找药物靶标具有重大意义。

Description

一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体及其制备方法 和应用
技术领域
本发明涉及一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体及其制备方法和应用。本发明属于功能性生物材料及其制备和在蛋白质复合物原位分析的应用。
背景技术
蛋白质复合物是蛋白质机器的重要组成部分。蛋白质复合物动态组装的高维度信号转导网络贯穿于不同亚细胞器，调控着几乎所有的生命过程。对复杂体系中蛋白质复合物进行时空动态变化规律的分析，并绘制相互作用网络，对于理解生命过程、揭示疾病机制、筛选生物标志物以及寻找药物靶标具有重大意义。
化学交联结合质谱技术(简称交联质谱技术或CXMS)，是近年发展起来的用于蛋白质复合物分析的新方法。它利用化学交联剂处理蛋白质样品，使蛋白质内部或不同蛋白质之间发生交联反应，实现对蛋白质中各个氨基酸侧链或官能团空间位置的定位，然后利用现代质谱技术鉴定氨基酸侧链或官能团，获得氨基酸或官能团的相对空间距离，构建蛋白质的空间结构及蛋白质复合物亚基的空间排列位置。与X-射线衍射、冷冻电镜、核磁共振等主流结构生物学研究技术相比，CXMS能够实现蛋白质复合物组成、相互作用界面信息的鉴定，并且具有分析通量高、灵敏度高的优势，且对样品的纯度要求低。因此，非常适合于复杂样品中蛋白质复合物的规模化精准解析。
随着质谱数据处理能力的快速发展，CXMS已成为解析蛋白质复合物的有力工具。利用该策略，现已实现了蛋白质磷酸酶2A复合物及线粒体核糖体等蛋白质复合物结构的精细解析(Science 2012,337(6100),1348-1352.)；结合CXMS与冷冻电镜技术，现已成功解析了RNA剪接体的精细结构(Science 2015,349(6253),1191-1198.)。该技术所具有的分析通量高、稳定性强、适用蛋白质范围宽等特点使其迅速成为主流结构生物学研究技术的有力补充。
交联质谱技术的核心是化学交联剂。近年来，化学交联剂种类增长十分迅速，出现了大量具有不同臂长、不同反应活性的化学交联剂。根据在蛋白质上的交联位置，大致可分为：胺类交联剂(例如：双琥珀酰亚胺辛二酸酯(DSS)，交联位置：赖氨酸(K)侧链的氨基或者蛋白质N端的氨基)、巯基交联剂(例如：顺丁烯二酸亚胺，交联位置：半胱氨酸的巯基)和非特异性交联剂(例如：双吖丙啶、重氮化合物、甲醛等，交联位置：所有氨基酸，无特异性)等类型。当前交联剂普遍具有高反应活性、极易水解的特点，较难穿过生物膜屏障，因此，亟需发展在细胞水平上可实现胞内蛋白质复合物原位交联方法，以满足细胞内蛋白质复合物原位结构解析的需求。
跨膜转运载体是指通过主动运输或者被动运输的方式，携带外界物质透过细胞膜输送至靶向部位的体系。在医药领域，跨膜靶向转运载体已经成功用于许多药物的给药系统。它增加了药物在细胞膜上的通透性，辅助药物克服酶等生物屏障，改善药物的体内药代动力学，从而增加药物在靶向位置的分布量，提高药物在体内释放的可控性，最终达到提高药效的目的。但是当前跨膜转运载体以在病灶部位缓释药物为主，还无法满足原位蛋白质复合物解析对化学交联剂载体的需求——在保持交联剂活性的情况下，高装载量和可控快速释放。
在本专利中，针对现有化学交联剂无法靶向输运而导致的细胞内蛋白质复合物的原位分析困难的问题，研制用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体，以实现亚细胞器上蛋白质复合物的时空动态分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体及其制备方法和应用，通过本发明的用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体有效解决了交联剂活性强，副反应多的问题，此外还解决了细胞内蛋白质复合物的原位靶向分析困难的问题。
本发明提供一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体，载体中包裹了用于蛋白质复合物分析的交联剂；以聚丙交酯-乙交酯为载体骨架；以双十二烷基二甲基溴化铵为骨架上的靶向驱动试剂；以蓖麻油聚氧乙烯醚为交联剂溶解剂，以二氯甲烷作为聚丙交酯-乙交酯的溶解剂；其中，上述各组分的质量比为：
蓖麻油聚氧乙烯醚1-5质量份；聚丙交酯-乙交酯10-50质量份；双十二烷基二甲基溴化铵1-2质量份；用于蛋白质复合物分析的交联剂1-10质量份；二氯甲烷100-800质量份。
交联剂为：其两侧基团均为与蛋白上氨基反应的琥珀酰亚胺基团、卤代芳烃、亚胺酸酯；或均为与蛋白上巯基反应的马来酰亚胺基团、2-巯基吡啶、硫代磺酸盐、卤代乙酰基、吡啶基二硫化物；或均为与蛋白上羧基反应的碳化二亚胺、异氰酸盐；或均为与蛋白上糖链反应的酰肼基团；或均为与蛋白中的氨基酸残基发生反应的非特异反应基团苯基叠氮基团、双吖丙啶；所述的交联剂，其两侧基团分别为上述任一反应基团。
琥珀酰亚胺基团为磺酸基-琥珀酰亚胺和羟基-琥珀酰亚胺中的一种或两种以上；所述的苯基叠氮基团为硝基苯叠氮基团和卤代苯叠氮基团中的一种或两种以上。
聚丙交酯-乙交酯的分子量为5000-100000。
本发明中通过聚合物乳液固化的方式制备交联剂，具体包括如下步骤：
1.将蓖麻油聚氧乙烯醚1-5质量份，分子量为5000-100000的聚丙交酯-乙交酯10-50质量份，双十二烷基二甲基溴化铵1-2质量份，交联剂1-10质量份溶于100-800质量份的二氯甲烷中。
2.将以上混合物倒入质量百分浓度为0.1％-5％的聚乙烯醇水溶液中，并超声，并进一步用质量百分浓度为0.1％-5％的聚乙烯醇水溶液对载体进行固化。
二氯甲烷作为聚丙交酯-乙交酯的溶解剂对其有优异的溶解能力，且具有沸点低，容易除去的优点，故选用二氯甲烷。
聚乙烯水溶液是在水中加入聚乙烯，聚乙烯是相当于表面活性剂起到降低水表面张力，使微球更容易固化成球。
本发明还提供了一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体的应用，包括：载体与细胞在1640培养液中进行共孵育，孵育1-12小时后，收集细胞，然后利用离子液体从细胞提取蛋白质和蛋白质复合物，采用膜上变性、还原、烷基化的方法对提取蛋白质和蛋白质复合物进行预处理。
对蛋白质复合物进行胞内交联后，进行样品预处理后，最后利用nano LC-MS/MS进行蛋白质组数据采集。
其中，蛋白质复合物的来源为：细胞蛋白质提取液、胞浆蛋白质提取液、血浆蛋白质提取液、组织蛋白质提取液、单一蛋白质复合物中的一种或二种以上。
本发明具有如下优点：
(1)本发明以聚乳酸-羟基乙酸共聚物材料为基质，其生物相容性优异，细胞毒性小，可生物降解，降低了杂蛋白的非特异性吸附，实现交联剂的跨膜运输。
(2)本发明以双十二烷基二甲基溴化铵为骨架上的靶向驱动试剂，不仅可以实现载体的跨膜，并且还能实现胞内带负电的亚细胞器定位。
(3)本发明不仅解决了交联剂活性强，副反应多的问题，还可以解决细胞内蛋白质复合物的原位靶向分析困难的问题。
附图说明
图1：细胞内蛋白质复合物原位分析的载体透射电镜表征图
具体实施例
实施例1
将蓖麻油聚氧乙烯醚2质量份，分子量为10000的聚丙交酯-乙交酯15质量份，双十二烷基二甲基溴化铵1质量份，交联剂(双琥珀酰亚胺辛二酸酯)4质量份溶于500质量份的二氯甲烷中。将以上混合物倒入质量百分浓度1％的聚乙烯醇水溶液中，并超声2分钟，超声结束后用质量百分浓度1％聚乙烯醇水溶液对载体进行固化。本实施例制得载体的TEM照片如图1所示。制得材料的粒径和表面电位如表1所示。
表1.DLS测试数据(1，2，3为载体三次DLS测试)
1 2 3
粒径/nm 274.6 268.8 273.7
PDI 0.237 0.181 0.135
zeta电势/mv 38 39.9 41
由图1的TEM表征图可以看出，合成的空PLGA纳米颗粒形态较好，均匀分散成球形。由细胞内蛋白质复合物原位分析的载体的DLS测试可知：合成的载体10mg DSS的PLGA纳米颗粒的粒径在273.7±4.9nm，较易通过细胞的内吞作用进入细胞；zeta电势在39.9±1.9mv。根据跨膜转运载体的铁律：电势＞25mv；PDI＜0.3，可知，合成的PLGA纳米颗粒能较好地作为交联剂载体进入细胞。
在交联剂载体用于蛋白质复合物原位分析的研究中，载体与细胞在1640培养液中进行共孵育，孵育1小时后，收集细胞，然后利用离子液体从细胞提取蛋白质和蛋白质复合物，采用膜上变性、还原、烷基化的方法对提取蛋白质和蛋白质复合物进行预处理，对蛋白质复合物进行胞内交联后，进行样品预处理后，最后利用nano LC-MS/MS进行蛋白质组数据采集，鉴定到的交联肽段(Cross-linked Peptides Pairs)为77条，鉴定到的内部交联的肽段(Loop-linked Peptides Pairs)为182条，鉴定到的单交联的肽段(Mono-linkedPeptides Pairs)为572条。
实施例2
将蓖麻油聚氧乙烯醚3质量份，分子量为20000的聚丙交酯-乙交酯15质量份，双十二烷基二甲基溴化铵1质量份，交联剂(双琥珀酰亚胺辛二酸酯)5质量份溶于400质量份的二氯甲烷中。将以上混合物倒入1％的聚乙烯醇水溶液中，超声，并进一步用1％聚乙烯醇溶液对载体进行固化。制得的载体粒径为126.6nm±0.75nm，电势(Z-potential：46.6±0.379mv，符合其作为跨膜转运载体的条件。
在交联剂载体用于蛋白质复合物原位分析的研究中，载体与细胞在1640培养液中进行共孵育，孵育3小时后，收集细胞，然后利用离子液体从细胞提取蛋白质和蛋白质复合物，采用膜上变性、还原、烷基化的方法对提取蛋白质和蛋白质复合物进行预处理，对蛋白质复合物进行胞内交联后，进行样品预处理后，最后利用nano LC-MS/MS进行蛋白质组数据采集，鉴定到的交联肽段(Cross-linked Peptides Pairs)为62条，鉴定到的内部交联的肽段(Loop-linked Peptides Pairs)为49条，鉴定到的单交联的肽段(Mono-linkedPeptides Pairs)为445条。
实施例3
将蓖麻油聚氧乙烯醚5质量份，分子量为80000的聚丙交酯-乙交酯15质量份，双十二烷基二甲基溴化铵2质量份，交联剂(双琥珀酰亚胺辛二酸酯)8质量份溶于700质量份的二氯甲烷中。将以上混合物倒入0.5％的聚乙烯醇水溶液中，超声，并进一步用2％聚乙烯醇溶液对载体进行固化。制得的载体粒径，236.6nm±0.92nm，电势(Z-potential：49±0.379mv，符合其作为跨膜转运载体的条件。
在交联剂载体用于蛋白质复合物原位分析的研究中，载体与细胞在1640培养液中进行共孵育，孵育6小时后，收集细胞，然后利用离子液体从细胞提取蛋白质和蛋白质复合物，采用膜上变性、还原、烷基化的方法对提取蛋白质和蛋白质复合物进行预处理，对蛋白质复合物进行胞内交联后，进行样品预处理后，最后利用nano LC-MS/MS进行蛋白质组数据采集，鉴定到的交联肽段(Cross-linked Peptides Pairs)为38条，鉴定到的内部交联的肽段(Loop-linked Peptides Pairs)为38条，鉴定到的单交联的肽段(Mono-linkedPeptides Pairs)为431条。
实施例4
将蓖麻油聚氧乙烯醚1质量份，分子量为10000的聚丙交酯-乙交酯25质量份，双十二烷基二甲基溴化铵1.5质量份，交联剂(双琥珀酰亚胺辛二酸酯)5质量份溶于500质量份的二氯甲烷中。将以上混合物倒入0.5％的聚乙烯醇水溶液中，超声，并进一步用2％聚乙烯醇溶液对载体进行固化。成功制得载体。制得的载体粒径，289.7nm±0.89nm，电势(Z-potential：42±0.318mv，符合其作为跨膜转运载体的条件。
实施例5
将蓖麻油聚氧乙烯醚1质量份，分子量为10000的聚丙交酯-乙交酯50质量份，双十二烷基二甲基溴化铵1.5质量份，交联剂(双琥珀酰亚胺辛二酸酯)1质量份溶于500质量份的二氯甲烷中。将以上混合物倒入0.5％的聚乙烯醇水溶液中，超声，并进一步用2％聚乙烯醇溶液对载体进行固化。成功制得载体。制得的载体粒径，345.7nm±0.97nm，电势(Z-potential：29±0.467mv，符合其作为跨膜转运载体的条件。
实施例6
将蓖麻油聚氧乙烯醚2质量份，分子量为10000的聚丙交酯-乙交酯40质量份，双十二烷基二甲基溴化铵1.5质量份，交联剂(双琥珀酰亚胺辛二酸酯)2质量份溶于100质量份的二氯甲烷中。将以上混合物倒入0.5％的聚乙烯醇水溶液中，超声，并进一步用2％聚乙烯醇溶液对载体进行固化。成功制得载体。
实施例7
将蓖麻油聚氧乙烯醚6质量份，分子量为4000的聚丙交酯-乙交酯60质量份，双十二烷基二甲基溴化铵3质量份，交联剂(双琥珀酰亚胺辛二酸酯)8质量份溶于900质量份的二氯甲烷中。将以上混合物倒入0.5％的聚乙烯醇水溶液中，超声，并进一步用2％聚乙烯醇溶液对载体进行固化，无法成功制得载体。制得载体的PDI>1.0,不符合作为载体的条件。
实施例8
将蓖麻油聚氧乙烯醚8质量份，分子量为200000的聚丙交酯-乙交酯40质量份，双十二烷基二甲基溴化铵5质量份，交联剂(双琥珀酰亚胺辛二酸酯)8质量份溶于900质量份的二氯甲烷中。将以上混合物倒入0.5％的聚乙烯醇水溶液中，超声，并进一步用2％聚乙烯醇溶液对载体进行固化，无法成功制得载体。制的载体的PDI>1,不符合作为载体的条件。制得载体的PDI>1.0,不符合作为载体的条件。
实施例9
将蓖麻油聚氧乙烯醚5质量份，分子量为200000的聚丙交酯-乙交酯40质量份，双十二烷基二甲基溴化铵5质量份，交联剂(双琥珀酰亚胺辛二酸酯)8质量份溶于1000质量份的二氯甲烷中。将以上混合物倒入0.5％的聚乙烯醇水溶液中，超声，并进一步用2％聚乙烯醇溶液对载体进行固化，无法成功制得载体。制得载体的PDI>1.0,不符合作为载体的条件。
通过本发明的实施例可知蓖麻油聚氧乙烯醚、聚丙交酯-乙交酯、双十二烷基二甲基溴化铵、用于蛋白质复合物分析的交联剂、二氯甲烷任一组分含量不在本发明的范围内均无法成功制得载体，聚丙交酯-乙交酯的分子量不在5000-100000内也无法制备出载体。

Claims (7)

1.一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体，其特征在于：
载体中包裹了用于蛋白质复合物分析的交联剂；以聚丙交酯-乙交酯为载体骨架；以双十二烷基二甲基溴化铵为骨架上的靶向驱动试剂；以蓖麻油聚氧乙烯醚为交联剂溶解剂，以二氯甲烷作为聚丙交酯-乙交酯的溶解剂；
所述的交联剂为：其两侧基团均为与蛋白上氨基反应的琥珀酰亚胺基团、卤代芳烃、亚胺酸酯；或均为与蛋白上巯基反应的马来酰亚胺基团、2-巯基吡啶、硫代磺酸盐、卤代乙酰基、吡啶基二硫化物；或均为与蛋白上羧基反应的碳化二亚胺、异氰酸盐；或均为与蛋白上糖链反应的酰肼基团；或均为与蛋白质中的氨基酸残基发生反应的非特异反应基团的苯基叠氮基团、双吖丙啶；所述的交联剂，其两侧基团分别为上述任一反应基团；
所述的琥珀酰亚胺基团为磺酸基-琥珀酰亚胺和羟基-琥珀酰亚胺中的一种或两种；所述的苯基叠氮基团为硝基苯叠氮基团和卤代苯叠氮基团中的一种或两种；
其中各组分的质量比为：
蓖麻油聚氧乙烯醚1-5质量份；聚丙交酯-乙交酯 10-50质量份；双十二烷基二甲基溴化铵1-2质量份；用于蛋白质复合物分析的交联剂1-10质量份；二氯甲烷100-800质量份。
2.如权利要求1所述的一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体，其特征在于：所述聚丙交酯-乙交酯的分子量为5000-100000。
3.权利要求1-2任一项所述的一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：载体通过聚合物乳液固化的方式制备：将蓖麻油聚氧乙烯醚、聚丙交酯-乙交酯、用于蛋白质复合物分析的交联剂、双十二烷基二甲基溴化铵溶于二氯甲烷中，形成混合物，将以上混合物倒入聚乙烯醇溶液中，并进行1-5分钟超声，超声结束后用聚乙烯醇溶液对载体进行固化。
4.如权利要求3所述的一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体的制备方法，其特征在于：所述的聚乙烯醇溶液为质量百分浓度为0.1%-5%的聚乙烯醇水溶液。
5.权利要求1所述的一种用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体的应用，其特征在于：载体与细胞在1640培养液中进行共孵育，孵育1-12小时后，收集细胞，然后利用离子液体从细胞提取蛋白质和蛋白质复合物，采用膜上变性、还原、烷基化的方法对提取蛋白质和蛋白质复合物进行预处理。
6.如权利要求5所述的用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体的应用，其特征在于：对蛋白质复合物进行胞内交联后，进行样品预处理后，最后利用nano LC-MS/MS进行蛋白质组数据采集。
7.如权利要求1所述的用于细胞内蛋白质复合物原位分析的载体，其特征在于：用于鉴定的蛋白质复合物的来源为：细胞蛋白质提取液、胞浆蛋白质提取液、血浆蛋白质提取液、组织蛋白质提取液、单一蛋白质复合物中的一种或二种以上。
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