客户视野 | 4D-蛋白质组学技术助力中国专业蛋白质组学服务

程仲毅 博士

杭州景杰生物科技股份有限公司首席执行官（CEO），CNHUPO副主任委员

蛋白质是所有疾病最相关的功能分子。几乎所有的生物制品、药物靶点和诊断试剂都是蛋白质。因此，蛋白质和肽段的可靠鉴定和表征对于生物医学研究至关重要。这些研究需要像质谱仪这样的先进工具。在过去的几年里，布鲁克timsTOF Pro结合捕集型离子淌度与QTOF，用于鉴定和定量蛋白质表达，发现新的生物标志物和表征治疗性抗体。这样的质谱解决方案已经越来越受到广大客户的青睐。

杭州景杰生物科技股份有限公司（以下简称“景杰生物”）为了扩展蛋白质组学平台，于从2019年春季开始安装了布鲁克第一台timsTOF Pro后，又连续采购多台timsTOF Pro质谱仪。与景杰生物合作的客户希望从各种样本中获得具有更高准确性、更高灵敏度和更深层次的蛋白覆盖，特别要求使用timsTOF Pro质谱仪进行分析。

程仲毅博士谈到景杰生物与布鲁克的密切合作

客户之前得到的数据并不完美。我们发现，之前无法找到许多蛋白质，而现在我们使用timsTOF Pro却可以鉴定出这些蛋白——这就是为什么我们的客户对布鲁克仪器采集结果非常满意的原因。

timsTOF Pro可以使用更少的样本鉴定更多的蛋白质，并且提高了找到重要蛋白质的可能性。我很佩服布鲁克timsTOF Pro做到这一点的能力——这为蛋白质组学界带来极大的帮助。

timsTOF Pro有平行累积连续碎裂（PASEF) 技术加持，前所未有的采集速度、选择性和耐用性，且不牺牲灵敏度，提高了科研能力。TIMS与PASEF结合极大地提高了峰容量并加快了MS/MS数据采集。这些功能使之前需要一个多小时才能获得结果，现在20分钟梯度就可拿到同等分析结果。由于PASEF提供了极高的数据采集速度，而不会损失灵敏度和分辨率，因此可以更快地进行蛋白质组学分析，从而显著提高生物实验的通量。此外，使用TIMS可以更好地分离修饰性肽段，从而提高蛋白鉴定效率。

程仲毅博士解释TIMS技术如何推动景杰生物的蛋白质服务：

TIMS是一种非常有用的分析技术。从事基于质谱的蛋白质组学的人们希望鉴定更多的蛋白质，以尽可能了解生物过程的全貌。

与我们之前使用的质谱技术相比，TIMS可以在完全相同的条件下鉴定更多的蛋白质。同时，TIMS也是一种非常强大的定量技术。

TIMS是一种气相分离技术。它增加了除高效液相色谱（HPLC）和MS之外的额外一个维度，通过增加分离维度来解决样品复杂性问题，从而提高峰容量和化合物表征的可信度。飞行时间质谱（TOF-MS）是一种用于以高扫描速率捕获宽分子量范围信号的方法。结合TIMS对离子的聚焦与超高分辨率、高速TOF技术，可以鉴定到非TIMS质谱系统无法检测到的低丰度蛋白质。与其他技术（例如漂移管离子淌度法）相比，TIMS整体速度优势无与伦比。

TIMS 通过捕集离子淌度提高了灵敏度，并提供了额外的选择性。在离子淌度分析器中，离子是通过第四个参数——碰撞截面 (CCS) 来分离，CCS值的大小与离子的三维结构有关。三维结构越紧凑的离子CCS值更小，三维结构越展开的离子CCS值越大，所以CCS值大的离子比CCS值小的离子迁移的更快，从而使离子按形状、保留时间、质荷比（m/z）和强度进行有效地分离。

翻译后修饰分析

泛素化是一种至关重要的调节关键生物过程的修饰形式。这些生物过程包括蛋白质降解、免疫反应、信号转导和DNA修复。基于质谱的蛋白质组学平台是一种强大的工具，可以绘制特定修饰位点的修饰性图谱。然而由于修饰位点丰度较低以及泛素化共洗脱肽段的干扰，泛素化修饰图谱的绘制依然具有挑战性。

景杰生物与布鲁克合作，通过nanoElute和timsTOF Pro对来自人类细胞的富集泛素化肽段进行了深入分析。仅仅50分钟梯度，4株HeLa细胞系中鉴定到5093个泛素化蛋白，超过17,000个泛素化位点。TIMS提供的额外分离维度能够鉴定和定量具有不同修饰位点的共洗脱肽段。

图1：通过离子淌度分离两种具有不同修饰位点的泛素化共洗脱肽段。A. 在10.45分钟时提取829.4115m/z的离子淌度图；B. 两种位点特异性泛素化肽的非嵌合MS/MS谱图。

乙酰化是另一种众所周知的蛋白质翻译后修饰，它在转录调节、细胞周期和细胞凋亡等细胞过程中发挥重要作用。然而，乙酰化的低丰度和高动态范围使得基于质谱全面的分析乙酰化谱图特别具有挑战性。布鲁克的TIMS和PASEF可以克服这些挑战，实现乙酰化图谱的全面绘制。景杰生物从小鼠肝脏样品中富集乙酰化肽段，使用配备nano-Elute UHPLC的timsTOF Pro分析所有胰酶消化的肽段。50分钟梯度从100μg起始材料中鉴定出超过1800条赖氨酸乙酰化肽段。用1000μg起始材料鉴定出近5000条赖氨酸乙酰化肽段（图 2），并显示出了很好的重现性（图3）。水稻叶片样品分析结果表明，timsTOF Pro采用50分钟梯度，单针鉴定到4800个乙酰化蛋白质上的10,000个赖氨酸乙酰化修饰位点。

图2：四种不同样本量的小鼠肝脏的乙酰化肽段鉴定

图3：小鼠肝脏样本乙酰化肽段的重复性

程仲毅博士对于未来的展望

timsTOF Pro的购入让景杰生物扩大了商机。我非常感谢 timsTOF Pro。它对于科学研究而言是非常强大的工具。当临床医生和研究人员听说我们拥有这种仪器时，他们非常希望与我们合作。这真是太棒了！我们是中国第一家安装 timsTOF Pro的公司——我们为此感到非常自豪。我们希望在未来购买更多timsTOF Pro，以增加我们客户的产能。

参考文献

1.  Du X, Zhu J, Bu C, Zhou L, Liu X, Chen N, Mullens C, Kaspar-Schoenefeld S, and Koch H (2020). Trapped Ion Mobility Spectrometry and PASEF Enables In-Depth Characterization of Protein Ubiquitination, Poster WP 504, ASMS 2020.

2.  Liu X, Zhu J, Bu C, Zhou L, Chen N, Du X, Ghose S, Kaspar-Schoenefeld S, and Koch H (2020). High sensitivity lysine acetylation profiling with Trapped Ion Mobility Spectrometry and PASEF, Poster WP 507, ASMS 2020.