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4D蛋白质组学服务

4D蛋白质组学是在3D基础之上增加了第四个维度--离子淌度(Ion mobility)的分离,进而大幅度的提高扫描速度和检测灵敏度,带来蛋白质组学在鉴定深度、检测周期、定量准确性等性能的全面提升。
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蛋白质组学
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      传统3D 质谱仪主要通过色谱保留时间(Retention time)、质荷比(m/z)、和离子信号强度(Intensity)这3 个维度对多肽- 离子进行定性和定量。在酸化的溶液中,蛋白质样品会形成带有多个带正电荷(≥2+)的蛋白质离子。  然而蛋白质组样品非常复杂,大量的杂质经过离子化之后,会形成带1价电荷的离子,在质谱检测过程中,干扰质谱仪对于多肽碎裂离子(一般为2/3/4 价)的检测。因此,在3D 质谱条件下,蛋白质组很容易到达鉴定深度的瓶颈。

 
 

         离子淌度概念的引入使得蛋白质组学进入了4D新时代。4D蛋白质组学是在3D基础之上增加了第四个维度--离子淌度(Ion mobility)的分离,进而大幅度的提高扫描速度和检测灵敏度,带来蛋白质组学在鉴定深度、检测周期、定量准确性等性能的全面提升。离子淌度,也叫离子迁移谱,即 ion mobility spectrometry(IMS),其核心原理是电场驱动下离子在气体阻尼环境中的迁移速率差异,能够根据离子的尺寸、形状和电荷进行气相分离,从而达到在离子进入MS前对杂离子进行预分离的效果,即为“离子清洗”。

 

         离子淌度与质谱仪联用后,一次分析就能够同时提供多个维度信息,包括精确质量数(MS1)、二级碎片谱图(MS/MS)和碰撞截面积(CCS)数据等,有效提升了对复杂生物样品的定性和定量分析能力。

 

根据工作原理的差异,离子淌度又分为几个主要技术方案:

 

1. 捕集离子淌度质谱 (Trapped Ion Mobility Spectrometry, TIMS)

2. 高场不对称波形离子迁移谱 (Field asymmetric ionmobility spectrometry, FAIMS)

3. 漂移时间离子迁移谱 (Drift-time ionmobility spectrometry, DTIMS)

4. 吸入离子迁移谱(Aspiration ion mobility spectrometry, AIMS)

5. 行波离子迁移谱(Travelling wave ion mobility spectrometry,TWIMS)  T-Wave®

 

|   太阳集团官方版4D蛋白质组学服务

      目前TIMS技术和FAIMS技术分别被Bruker和Thermo Fisher公司运用到蛋白质组学研究领域的质谱仪开发中,分别命名为Exploris 480+FAIMS pro和timsTOF Pro。太阳集团官方版同时拥有该两款主流的质谱仪,可根据实际应用场景为客户提供匹配的4D质谱仪和对应的蛋白质组学检测技术。

 

 

 

       经过大量项目测试发现:TimsTOF Pro具有上样量少,扫描速度快的特点,对于微量样品的检测优势尤为突出,特别适用于磷酸化等修饰组、穿刺样本、流式分选细胞等微量样品的蛋白质组学分析项目。480+FAIMS pro分辨率更高,可进行TMT 6/10/16标的标记定量蛋白质组检测。同时,480+FAIMS pro鉴定深度也相对更高,特别适用于组织 / 器官蛋白组图谱构建工作,是多组学联合研究的推荐技术。

 

 

      因此,对于有深度蛋白质组研究需求的合作者,太阳集团官方版将充分结合两款质谱仪的特点以及专为4D质谱实验研发的样品前处理体系,为合作者提供合理的实验方案。就太阳集团官方版目前定量蛋白质组学的技术体系来说,Label Free、DIA、TMT、PRM和修饰蛋白组均可以进行升级,分别在两款4D质谱仪上完成深度蛋白质组覆盖检测。

 

|   项目经验

      太阳集团官方版已经完成了上百种类型样品的定量蛋白质组学检测。蛋白质组表达具有时空差异性,不同样本的蛋白谱各有特点,下图色块大小代表的是太阳集团官方版鉴定的不同样本的蛋白谱数量差异。

 

|   经典案例:timsTOF 4D质谱技术优势

 

 

 

 

      该文献是德国马普生化研究所所长、世界著名蛋白质组学专家 Matthias Mann 教授于2018年发表于蛋白质组学领域顶级期刊 MCP的一篇关于4D质谱技术介绍的文章。该文章介绍了timsTOF Pro质谱系统,能实现更快速度、更高灵敏度、更强大的4D蛋白质组学分析,展现了其在蛋白质组学领域的强大功能和广泛应用前景。

 

      作者结合一定的算法对肽段离子从m/z和离子淌度(ion mobility)两个维度进行分析鉴定。从结果中我们可以看到,在m/z维度上不能分离的肽段离子,在离子淌度维度上能够被清晰的分离(图1,纵坐标)。

 

图1. 肽段离子的捕获离子淌度分离

 

      此外,文章展示了timsTOF Pro的另一个技术,即平行累积连续碎裂PASEF(Parallel Accumulation Serial Fragmentation)(图2)。该技术运用双TIMS,实现离子在第一个TIMS中进行累积,然后在第二个TIMS中根据淌度进行分离,经过分离后的离子进入质谱系统。并且,当第二个TIMS进行分离时,第一个TIMS也同时在平行地累积离子,这样可以实现近乎100%的离子利用率。

 

 

图2. timsTOF Pro上实现同步累积连续碎裂(PASEF)

 

      为了分析4D质谱对蛋白定量的准确性,研究者从皮尔森相关系数中位数变异系数缺失值定量准确度这四个统计角度进行了研究。在2h梯度、4次技术重复的条件下平均鉴定到5575个蛋白,结果显示蛋白信号值的皮尔森相关系数为0.979,表明实验的重复性非常好(图3A)。MaxLFQ归一化以后,中位数变异系数为7.2%(图3B)。进一步,研究者发现4D质谱技术能够显著降低label-free缺失值的问题(图3C)。同时,研究者将Hela和大肠杆菌胰酶消化后的肽段混合并进行质谱分析,结果显示95%的蛋白是能准确定量,只有1.3%的蛋白被错误分类。展示了该方法高水平的定量准确性(图3D)。

 

 

图3. labelfree蛋白组定量

 

      为了验证4D蛋白组定量检测速度和通量,研究者采用了100ng、50ng、10ng的Hela细胞样品并在1h梯度和0.5h梯度条件下进行实验。结果显示,100ng、50ng、10ng的样品量在1h的条件下分别可以鉴定到4513、4215、2723个蛋白(图4A)。30分钟内10ng的Hela细胞能够鉴定到2100个蛋白(图4B)。这个结果表明4D质谱非常适用于快速且高灵敏度的蛋白质组学应用。

 

 

图4. 4D质谱分析Hela蛋白组速度和灵敏度

 

      该文章详细阐述了基于离子淌度的4D蛋白质组学,为蛋白质组学定量的准确性和灵敏度带来了革命性提升,并且极大的减少检测时间和样品量。在提高扫描速度的同时,依然保持超高分辨率,这些独特的性能,使其成为蛋白组学复杂样本深入研究的利器。

 

|   相关文献

[1]. Sun J, Han S, Ma L, et al. Synergistically Bifunctional Paramagnetic Separation Enables Efficient Isolation of Urine Extracellular Vesicles and Downstream Phosphoproteomic Analysis. ACS Appl Mater Interfaces. 2021 Jan 27;13(3):3622-3630.

[2]. Yu F, et al. Fast Quantitative Analysis of timsTOF PASEF Data with MSFragger and IonQuant. Mol Cell Proteomics. 2020 Sep;19(9):1575-1585.

[3]. Bekker-Jensen DB, et al. A Compact Quadrupole-Orbitrap Mass Spectrometer with FAIMS Interface Improves Proteome Coverage in Short LC Gradients. Mol Cell Proteomics. 2020 Apr;19(4):716-729.

[4]. Tian W, et al. Immune suppression in the early stage of COVID-19 disease. Nat Commun. 2020 Nov 17;11(1):5859.

[5]. Florian Meier et al. diaPASEF: parallel accumulation-serial fragmentation combined with data-independent acquisition. Nat Methods. 2020 Dec;17(12):1229-1236.

[6]. Meier F, et al. Online Parallel Accumulation-Serial Fragmentation (PASEF) with a Novel Trapped Ion Mobility Mass Spectrometer. Mol Cell Proteomics. 2018 Dec;17(12):2534-2545.

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发布时间:2021-08-11 17:21:10

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