CN1288177C - 一种新型含碘树脂衍生物、合成方法及其在基于质谱的蛋白组学研究中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一类含碘及同位素标记的树脂衍生物的合成及其在基于质谱的蛋白组学研究中的应用。本发明所述的试剂的结构为：Solid-Link-R¹(H/D)-COCH₂I其中，Solid部分是带有苯甲胺基作为反应基团的树脂；Link部分是可用于固相合成的连接部分，其中含有对酸的不稳定的C-N键；R¹(H/D)部分是含8-10个氢/氘取代的链状或支链状的氨基酸(如亮氨酸，异亮氨酸，缬氨酸，甲硫氨酸等)，碘乙酰为巯基的选择反应活性部分。本发明另一方面提供了此试剂在半胱氨酸、含半胱氨酸的肽、蛋白质定性定量研究中的用途。

Description

一种新型含碘树脂衍生物、合成方法 及其在基于质谱的蛋白组学研究中的应用

技术领域

本发明涉及一类结构新颖的固体衍生物，涉及这类化合物的设计、合成方法及其在生化方面的应用尤其是在蛋白组学研究中的应用前景，特别是涉及一类新型含碘树脂衍生物，其合成方法及其在生化方面的应用尤其是在蛋白组学研究中的应用前景。

技术背景

目前，基因组学的研究已进入一个相对稳定的阶段，同时，基因产物(包括RNA和蛋白质)的研究正吸引着越来越多的目光。其中特别是蛋白质的研究，正以蛋白组学研究的形式，受到了日益的重视。蛋白质，作为生物体内重要的活性物质，其研究的复杂性远远超过了基因以及RNA。而且蛋白质所表现出的多重信息：修饰程度，量的变化，结构以及分布的变化都直接与生理功能的变化有关，所以关于蛋白质的研究是生命研究中最为直接有效的研究方面，也是最富有挑战性的研究领域之一(参见J.Bio.Chem.2001；49：45497-45500)。

对于复杂的蛋白质体系，目前最为普遍和有效的研究过程使用的是二维凝胶电泳分离后，再进行质谱检测，完成定性、定量、差异比较的方法。这一方法是目前应用范围最广，发展最为完善的蛋白组学方面的研究方法(参见Anal.Chem.1994，24：4390-4399；Proteomics 2001 1：3-12)。但是作为分离手段的二维凝胶电泳，有着其固有的缺点。比如对于分离强酸性及强碱性蛋白，含量低的蛋白，及某些膜蛋白，结果都不能令人满意。而且这种方法的自动化程度难以提高，再加上其在进行蛋白比较分析方面的局限性(参见Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2000，17：9390-9395；Trends in analytical chemistry 2003，22：273-281)，都促使了新方法的发展和应用。

近年来，随着质谱技术的发展，特别是软电离技术(电喷雾电离ESI技术，基质辅助激光解吸电离MAIDI技术)的出现和发展，使得质谱成为蛋白组学研究中日益重要的分析研究手段，依赖质谱建立的蛋白组学的研究方法也引起了越来越多的重视和发展。其中，适合于质谱检测的同位素标记方法很令人关注。这种同位素标记方法包括体内和体外标记两种。体内标记是在培养液中引入同位素标记部分(参见Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1999，96：6591-6596；J.Am.Chem.Soc.1999，121：7949-7950)，其应用范围有限；而体外标记中，同位素标记部分是在分析过程中引入，因其应用所受到的限制较少，所以近年来受到重视。其中，稳定同位素亲和标记(ICAT)技术是发展较为完善的方法(参见Nat.Biotechnol.1999，10：994-999)。ICAT方法中，蛋白的标记、分离都可以依赖ICAT试剂来实现，具体过程是此试剂在选择性标记巯基部分的同时，试剂中的生物素部分又可以用来进行标记肽的亲和分离，极大地简化了分析物的复杂程度，提高了分析的效率。这种技术目前已经有商品化产品出现，相应的软件也进行了开发和应用。但随着ICAT试剂的应用，出现了越来越多的问题，其中依赖于此试剂中的生物素部分的分离效率问题是一个很重要的方面。

目前还出现了包含有固体的同位素标记的试剂(参见Anal.Chem.2002，19：4969-4979；Nat.Biotechnol.2002，5：512-515)，此类试剂的优势已经初步显示出来。

发明内容

本发明的要解决的问题是提供一类全新的含有固体的同位素标记的试剂。

本发明要解决的另一问题是提供合成上述试剂的方法。

本发明的还要解决的问题是提供上述试剂在蛋白组学研究中的应用。

本发明提供了一种新的试剂，是一种含碘树脂衍生物，其具有如下结构：

Solid-Link-R’(H/D)-COCH₂I

其中，Solid为固相部分，是带有甲氨基作为反应基团的树脂，所述的带有甲氨基作为反应基团的树脂优选为甲胺基聚丙烯树脂(Aminomethyl polystyreneresin)；

Link为连接部分，是可用于固相合成的连接部分，其中含有对酸的不稳定的C-N键；

R’(H/D)为标记部分，是含8-12个氢/氘取代的链状或支链状的氨基酸(优选8-10个氢/氘取代的链状或支链状的氨基酸)，所述的氨基酸优选如亮氨酸，异亮氨酸，缬氨酸，甲硫氨酸等；

碘乙酰为巯基的选择反应活性部分。

本发明提供的含碘树脂衍生物，其中连接部分，标记部分提供氨基、羧基基团，以使固相，连接，标记及活性等部分相互连接。该含碘树脂衍生物的连接部分提供了能与标记部分相连接及在酸性条件发生裂解的C-N键。该含碘树脂衍生物中存在供电子基团有利于质谱分析。该含碘树脂衍生物标记部分包括8-12个氢/氘取代的链状或支链状的氨基酸，含有限定分析物残基的定位信息。

本发明提供的含碘树脂衍生物，所述的连接部分优选的结构通式如下所示，其中含有对酸的不稳定的C-N键，

所述的取代苯基上的取代基是单取代或多取代的供电子基团。所述的供电子基团优选为C₁～C₃烷氧基，OH，Me₂NCH₂CH₂O，Et₂NCH₂CH₂O，NH₂，C₁～C₄的烷基。进一步优选具有如下结构通式：

本发明提供的含碘树脂衍生物，进一步优选具有如下结构通式：

式中resin为如前所述的树脂。

本发明的含碘树脂衍生物中各部分的连接，可以是通过芴甲氧羰基(Fmoc)保护的氨基，在碱性条件下脱保护，再与羧基进行缩合反应，氨基再脱保护的循环完成的。

具体来说，本发明的含碘树脂衍生物，可通过下述方法合成：

在非质子性溶剂中，带有苯甲氨基的固相支持物树脂与连接部分、缩合剂BOP/DCC/DIC、缩合催化剂HOBt的摩尔比优选为1∶1～5∶1～5∶1～5，进一步优选为1∶3∶3∶3，在0℃-50，优选为10℃-50℃，反应时间优选为0.5～5小时，进一步优选为1-3小时，抽滤，固体部分可以用非质子性溶剂，质子性溶剂分别洗涤，干燥，称重，计算得加载值(loading value)，为1克固体所含活性位点的摩尔数，单位是毫摩尔/克，应用至下面反应的投料计算。(其中BOP是苯并三唑-1-氧-三-(二甲胺基)膦六氟磷酸盐，DCC是二环己基碳二亚胺，DIC是二异丙基碳二亚胺，HOBt是羟基苯骈三氮唑)。

将上述固体在非质子性溶剂中与醋酐进行封头(capping)反应，乙酰化未反应的氨基，10-50℃反应0.5～3小时，进一步优选为1小时，抽滤，固体可以用用质子性溶剂，质子性溶剂分别洗涤，干燥，在碱性条件下，脱Fmoc保护，洗涤干燥后进入下一轮的缩合，洗涤，脱保护过程，最后将活性基团碘乙酰胺也接至固体上得目标试剂。

下面以下述试剂结构为例来说明本发明试剂的合成路线：

合成路线：

(1)在非质子溶剂中，0-50℃条件下，甲胺基聚丙烯树脂(AminomethylPolystyrene Resin)、Rink Amide连接臂(Rink Amide Linker，4-[(2，4-dimethoxyphenyl)(Fmoc-amino)methyl]phenoxyacetic acid)、缩合剂、缩合催化剂羟基苯骈三氮唑(HOBt)混合反应2-5小时，各组分的摩尔比为1∶3∶3∶3。抽滤，洗涤干燥得化合物1。称重计算加载(loading)值，为1克固体所含活性位点的摩尔数，单位是毫摩尔/克。

IR：3433，1720，1686.

所得化合物再在非质子性溶剂中与醋酐在10-50℃反应1小时，乙酰化未反应的氨基。其中所用缩合剂可以是BOP，苯并三唑-1-氧-三-(二甲胺基)膦六氟磷酸盐(benzotriazol-1-yloxy)tris(dimethylamino)phosphonium hexafluoro-phosphate)，二环己基碳二亚胺(DCC)，二异丙基碳二亚胺(DIC)等，非质子溶剂可以是N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，二氯甲烷(CH₂Cl₂)，三氯甲烷(CHCl₃)等；洗涤所用溶剂依次为N，N-二甲基甲酰氨(DMF)，二氯甲烷(CH₂Cl₂)，甲醇(CH₃OH)；氨基的保护反应所用的条件是苯-醋酐(1∶1)。

(2)在碱性条件下，化合物1脱Fmoc保护，洗涤干燥得化合物2。其中所用的碱性条件是哌啶/DMF(20-40％)。洗涤所用溶剂同上。

IR：3433，3428，1665.

(3)在非质子溶剂中和0-50℃条件下，化合物2、Fmoc-leu(10H/D)、缩合剂、缩合催化剂HOBt混合反应1-5小时，抽滤，洗涤干燥得化合物3。各组分的摩尔比，缩合剂，非质子溶剂，洗涤所用溶剂同上。

IR：3430，3328，1676，1610.

Fmoc-leu(H/D)由leu(H/D)制备，操作参照文献进行(参见Int.J.Pept.Protein Res.，27(4)，398-400，1986)。

(4)在碱性条件下，化合物3脱Fmoc保护，洗涤干燥得化合物4。

IR：3381，3375，1669，1610.

(5)在非质子溶剂中和0-50℃条件下，化合物4、碘乙酸、缩合剂、缩合催化剂HOBt混合反应1-5小时，各组分的摩尔比为1∶6∶3∶3。

洗涤干燥后得化合物5。其它条件同上。

IR：3427，3301，1670，1610，538.

含碘量分析：I(含碘量)5.60％.

计算可得此含碘固相试剂活性基团数为0.44mmol/g.

本发明的合成方法中，每一步缩合反应都可以用以灵敏茚三酮反应检测残余氨基判断反应是否完全。若发现不完全，重复缩合步骤至反应完全。洗涤所用的溶剂优选为DMF，CH₂Cl₂，CH₃OH等。脱Fmoc保护所用的碱性试剂优选为哌啶/DMF(20-40％)。所用的装置优选是带有聚丙烯材质的三通活塞的玻璃器，在振荡器上反应。

本发明提供的含碘树脂衍生物，可用作同位素标记的试剂。尤其是用于半胱氨酸，含半胱氨酸的肽，蛋白质的定性，定量以及比较分析等方面。

附图说明

图1是实施例1中含半胱氨酸的肽段的提取分析的实验步骤

图2是实施例2中蛋白混合物的比较分析的实验步骤

具体实施方法

通过一下具体实施方法将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

1.试剂合成部分

实施例1：Rink Amide-AM树脂(Rink Amide-AM Resin)(1)的合成

将200mg(0.22mmol，1.1mmol/g)甲胺基聚丙烯树脂树脂，360mg(0.66mmol)Rink Amide连接臂，300mg(0.66mmol)BOP，100mg(0.66mmol)HOBt置于反应器中，加入5ml N，N-二甲基甲酰氨(DMF)，在室温下，将反应器置于震荡器中反应1小时。抽滤，固体用DMF，CH₃OH，CH₂Cl₂分别洗涤三遍，干燥称重得296mg淡黄色固体，计算加载(loading)值为0.89mmol/g。在将此固体置于反应器中，加入5ml醋酐，5ml苯，室温下震荡反应1小时，抽滤后，固体用DMF，CH₃OH，CH₂Cl₂分别洗涤三遍后，干燥，得微黄色固体，化合物1。

IR：1750

实施例2：脱Fmoc保护的Rink Amide-AM树脂(Rink Amide-AMResin)(2)的合成

将100mg化合物1置于反应器中，加入10ml 20％哌啶的DMF溶液，室温下震荡反应5分钟，抽滤，固体用DMF，CH₃OH，CH₂Cl₂分别洗涤三遍后，再加入10ml 20％哌啶的DMF溶液，室温下震荡反应15分钟，抽滤，固体用DMF，CH₃OH，CH₂Cl₂分别洗涤三遍，干燥，得微黄色固体，化合物2。

实施例3：Fmoc保护的亮氨酸(10个氢或氘取代)取代的RinkAmide-AM树脂(N-(Fmoc-Leu(10H/D))Rink Amide-AM Resin)(3)的合成

将86mg(0.077mmol)化合物2置于反应器中，加入102mg(0.231mmol)BOP，31mg(0.231mmol)HOBt，和81mg(0.231mmol)Fmoc-leu-(D10)置于反应器中，加入5ml DMF。室温反应1小时，抽滤，固体用DMF，CH₃OH，CH₂Cl₂分别洗涤三遍，干燥，用灵敏茚三酮反应(Kaiser’s颜色反应)检测残余氨基，判断反应是否完全(参见Anal.Biochem.1970，34：595-598)，若未完全，重复上述反应至反应完全，得微黄色固体，化合物3。

实施例4：亮氨酸(10个氢或氘取代)取代的Rink Amide-AM树脂(N-Leu(10H/D)-Rink Amide-AM Resin)(4)的合成

将86mg(0.077mmol)化合物3置于反应器中，脱Fmoc保护，操作同实施例2，洗涤干燥，得微黄色固体，化合物4。

实施例5：含碘树脂衍生物的合成(5)

将50mg(0.045mmol)化合物4，62mg(0.135mmol)BOP，22mg(0.135mmol)HOBt，和50mg(0.27mmol)碘乙酸置于反应器中，加入5ml N，N-二甲基甲酰氨(DMF)，在室温下，将反应器置于震荡器中反应1小时。抽滤，固体用DMF，CH₃OH，CH₂Cl₂分别洗涤三遍，干燥，得淡黄色固体，化合物5。

2.试剂应用部分

原理如下式：

实施例1：含半胱氨酸的肽段的提取分析

实验步骤如图1所示：

操作步骤如下：

1.将肽混合物1：含10nmol LT-9(LLGTGSFCT)，10nmol MN-8(MGNWLMGN)，20nmol GS-10(GTLFQKMNGS)，20nmol SF-9(SLRGKPHSF)，肽混合物2：含20nmol LT-9(LLGTGSFCT)，20nmol MN-8(MGNWLMGN)，10nmol GS-10(GTLFQKMNGS)，10nmol SF-9(SLRGKPHSF)，分别溶于500μL of 0.03M的碳酸氢氨的水溶液(pH8.0-8.2)中，加入2μmol的三丁基膦(TBP)，震荡反应30分钟。

2.在含肽混合物1的反应液中加入5mg的10个氢取代的含碘树脂(10H)，在含肽混合物2的反应液中加入5mg的10个氘取代的含碘树脂(10D)，震荡反应1小时，在两反应液中分别加入2μl的β-巯基乙醇猝灭反应，抽滤，收集滤液，此滤液也进行_μLC-MS分析，标记为洗脱液，固体用水，甲醇，二氯甲烷分别洗涤三遍，干燥。

3.将上述固体置于酸性溶液中，酸性溶液的成分为：三氟乙酸-乙二硫醇-苯硫基甲烷-苯酚-水＝81.5∶2.5∶5∶5∶6，震荡反应2.5小时。抽滤，滤液在氮气流下浓缩至干，加入5ml乙醚，可以看到有白色固状物产生，再加入100μl 0.03M的碳酸氢氨的水溶液(PH8.0-8.2)，震荡后溶液分层，移去大部分乙醚层后，离心，取水层浓缩后，进行μLC-MS分析，标记为回收液。

4._μLC-MS分析所用的条件是A相：含0.1％甲酸的水溶液；B相：含0.1％甲酸的乙腈溶液。梯度洗脱，60分钟内B相3-65％。_μLC-MS分析后，结果如下：

1.洗脱液中没有发现含半胱氨酸肽段LT-9(LLGTGSFCT)的信号，但有其它三个不含半胱氨酸的肽段MN-8(MGNWLMGN)，GS-10(GTLFQKMNGS)，SF-9(SLRGKPHSF)。这说明含碘树脂对含半胱氨酸的肽段具有选择性结合的作用。

2.回收液中只发现含半胱氨酸肽段LT-9(LLGTGSFCT)+标记部分(170/180Da)的信号。没有其它三个不含半胱氨酸肽段的信号。这说明没有与含碘树脂结合的肽段都可以通过洗涤除去。

3.回收液中，LT-9+标记部分(170/180Da)的信噪比明显优于混合肽的LT-9的信噪比。这说明此含碘树脂对含半胱氨酸肽段的提取和回收效率都是很高的。

4.回收液中含10H取代的含碘树脂标记的LT-9的信号强度是10D取代的含碘树脂标记的LT-9信号强度的1/2，这与两肽混合物中LT-9的含量呈正比。这说明此种方法可以用来进行不同样品的比较分析。

实施例2：蛋白混合物的比较分析

实验步骡如图2所示：

1.将蛋白混合物1：溶菌酶(30nmol)，过氧化氢酶(50nmol)，细胞色素C(50nmol)，卵清蛋白(30nmol)和牛血清蛋白(50nmol)，蛋白混合物2：溶菌酶(40nmol)，过氧化氢酶(30nmol)，细胞色素C(30nmol)，卵清蛋白(50nmol)和牛血清蛋白(20nmol)，分别溶于200μL缓冲液中，此缓冲液中含有8M尿素，0.2M碳酸氢氨，和0.02M氯化钙(CaCl₂)，pH8.2。在含蛋白混合物1，2的溶液中分别加入5μmol三丁基膦(TBP)，置于37℃恒温箱中保温1小时。

2.将蛋白混合物用0.03M的碳酸氢氨的水溶液(pH8.0-8.2)稀释1倍后，再用纯水再稀释1倍。在含蛋白混合物1，2的溶液中加入2％胰蛋白酶溶液10μl，将两溶液置于37℃恒温箱中保温8小时后，再加入2％胰蛋白酶溶液10μl，37℃保温15小时，留出10μl进行μLC-MS分析，标记为酶解产物。

3.在蛋白混合物1的反应液中加入5mg的10个氢取代的含碘树脂(10H)，在蛋白混合物2的反应液中加入5mg的10个氘取代的含碘树脂(10D)，震荡反应2小时后，在两反应液中分别加入2μl的β-巯基乙醇猝灭反应，抽滤，收集滤液，此滤液也进行_μLC-MS分析，标记为洗脱液，固体用水，甲醇，二氯甲烷分别洗涤三遍，干燥。

4.将上述固体置于酸性溶液中，酸性溶液的成分为：三氟乙酸-乙二硫醇-苯硫基甲烷-苯酚-水＝81.5∶2.5∶5∶5∶6。震荡反应2.5小时。抽滤，滤液在氮气流下浓缩至干，加入5ml乙醚，可以看到有白色固状物产生，再加入100μl 0.03M的碳酸氢氨的水溶液(PH8.0-8.2)，震荡后溶液分层，移去大部分乙醚层后，离心，取水层浓缩后，进行μLC-MS分析，标记为回收液。

5._μLC-MS分析所用的条件是A相：含0.1％甲酸的水溶液；B相：含0.1％甲酸的乙腈溶液。梯度洗脱，80分钟内B相3-85％。_μLC-MS分析后，结果如下：

1.通过对酶解产物的_μLC-MS分析，获得了各蛋白的典型酶解片段的信号，但有相当大的一部分发生了信号重叠。肽段的归属是应用ExPASy Molecular Biology Server( http：//cn.expasy.org/sprot/)上的TagIdent工具进行检索得到的，所用的数据库是41.10。

2.通过对滤液的_μLC-MS分析，发现含半胱氨酸的肽段信号明显降低，有的甚至信号消失，其它肽段的信号强度基本未变。

3.通过对回收液的_μLC-MS分析，只发现了含有半胱氨酸肽段的信号，其强度与酶解产物结果中相应片段的强度相当，但信噪比有明显改善。

4.在回收液的_μLC-MS分析结果中，发现一系列质量数相差10Da的信号的组峰，通过检索，一组峰即对应着一个含半胱氨酸肽段(m/z为肽段分子量+标记部分分子量170/180Da)。每一组两峰的强度比与蛋白混合物1，2中相应蛋白的含量成正比，以此定量的误差小于5％。

Claims (10)

1.一种含碘树脂衍生物，它具有如下结构：

Solid-Link-R’(H/D)-COCH₂I，其中，

a)Solid为固相部分，该部分是带有甲氨基作为反应基团的树脂；

b)Link为连接部分，该部分是可用于固相合成的连接部分，其具有如下结构通式：

                        酸不稳定C-N键

n＝1，2，4，5R1，R2，R3＝H或C1～C4的烷氧基R5＝C1～C4的烷氧基，m＝1～3；

c)R’(H/D)为标记部分，该部分是含8-12个氢或氘取代的链状或支链状的氨基酸；

d)活性基团部分，该部分是碘乙酰基。

2.如权利要求1所述的含碘树脂衍生物，其特征是所述的氨基酸是亮氨酸，异亮氨酸，缬氨酸或甲硫氨酸；所述的带有甲氨基作为反应基团的树脂为甲胺基聚丙烯树脂。

3.如权利要求1所述的含碘树脂衍生物，其特征是所述的标记部分R’(H/D)是

式中X＝H或D。

4.如权利要求1所述的含碘树脂衍生物，其特征是该衍生物中存在供电子基团；该衍生物中b)，c)部分都提供了氨基、羧基基团。

5.如权利要求1、2或3所述的含碘树脂衍生物的合成方法，其特征是该衍生物中各部分的连接，是通过芴甲氧羰基保护的氨基，在碱性条件下脱保护，再与羧基进行缩合反应，氨基再脱保护的循环完成的。

6.如权利要求5所述的含碘树脂衍生物的合成方法，其特征是所述的含碘树脂衍生物通过下述方法合成：

在非质子性溶剂中，带有苯甲氨基的固相支持物树脂与连接部分、缩合剂BOP、DCC或DIC、缩合催化剂HOBt的摩尔比为1∶1～5∶1～5∶1～5，在10℃-50℃反应0.5-5小时，经后处理得到固体，

上述固体在非质子性溶剂中与醋酐进行封头反应，乙酰化未反应的氨基，10-50℃反应0.5-3小时，经后处理，在碱性条件下，脱Fmoc保护，洗涤干燥后进入下一轮的缩合，洗涤，脱保护过程，最后将活性基团乙酰胺也接至固体上得目标试剂。

7.如权利要求6所述的合成方法，其特征是每一步缩合反应都用以灵敏茚三酮反应检测残余氨基判断反应是否完全，若发现不完全，重复缩合步骤至反应完全。

8.如权利要求6所述的合成方法，其特征是洗涤所用的溶剂为DMF，CH₂Cl₂或CH₃OH；脱Fmoc保护所用的碱性试剂为哌啶的DMF溶液。

9.如权利要求6所述的合成方法，其特征是所用的装置是带有聚丙烯材质的三通活塞的玻璃器，在振荡器上反应。

10.如权利要求1、2或3所述的含碘树脂衍生物的用途，其特征是用作半胱氨酸，含半胱氨酸的肽，蛋白质的定性，定量以及比较分析。

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