质谱物种定量

2015年6月29日，上海——科学服务领域的世界领导者赛默飞世尔科技（以下简称：赛默飞）近日发布了基于全方位质谱平台的肉类检测解决方案，建立了从掺假发现，到定量多肽选择，以及定量实现的完整流程，并对发现的部分多肽进行了掺假实验与定量能力考察。目前最常用的肉类检测方法有：基于核酸的聚合酶链式反应技术（PCR）和基于抗体抗原结合的酶联免疫法（ELISA）。前者受到DNA降解，复杂基质的干扰和样品提取与扩增方法的影响，会对定性和定量的准确性造成干扰。后者往往受制于抗体制备，加工过程中蛋白变性，复杂基质和近亲缘种属之间同源干扰导致的假阳性影响。随着生物质谱技术的发展，大规模定性和定量研究蛋白表达谱的技术已经非常成熟。因此，利用质谱技术寻找不同肉类样品特征性蛋白或者多肽，并进行定量，能够避免现在最常用的PCR技术和ELISA所面临的种种问题，质谱技术不受食品加工的过程影响，因为氨基酸序列比核酸序列在加工过程中更容易保存；同时实现定性与定量，避免假阳性且定量结果更加准确可靠；能够同时监测多种添假。赛默飞基于Thermo ScientificTM超高分辨Q Exactive质谱平台，研究了五种常见肉类彼此之间的特征性专属多肽, 各自找到了数百条相对于其他四个物种的特征性多肽。选取其中找到的部分多肽，通过人为将几种不同的肉类进行混合研究，模拟现实中掺假的情况，通过利用Thermo ScientificTM TSQ QuantivaTM三重四极杆质谱仪建立了基于SRM（Selected Reaction Monitoring）的掺假比例定量方法。基于实验结果，对于每一个物种，为避免假阴性的结果，赛默飞研究人员同时选取鸡和鸭的六条特征性多肽，分别对两种禽类肉掺假进行了监测，并确定了最低的掺假监测限。考虑到掺假比例的经济性与可操作性，远远超过了实际监测的需求。与传统基于PCR和抗体的检测方法相比，质谱具有大致相当的灵敏度，拥有更好的避免假阴性与假阳性结果的能力，且能够避免由于加工所带来的PCR或者抗体相关空间结构破坏所带来的影响。与上述掺假相比，还有一种相对来说更为严重，性质更恶劣的掺假——病死肉的掺假。基于上述的方法，通过进一步系统研究，质谱也能够成为一种监测病死肉的手段，斩断病死肉流上餐桌的魔爪，与我们全方位的农残筛查与检测手段一起，为食品安全提供全方位的保障。同时，利用这种研究方法，我们还能助力有机肉类产品生产商，提供从肉类良种选择依据到肉类质量标准建立的可能性。产品链接：超高分辨Q Exactive质谱http://www.thermoscientific.cn/product/q-exactive-hybrid-quadrupole-orbitrap-mass-spectrometer.html TSQ QuantivaTM三重四极杆质谱仪http://www.thermoscientific.cn/product/tsq-quantiva-triple-quadrupole-mass-spectrometer.html解决方案下载链接：http://www.thermoscientific.cn/content/dam/tfs/Country%20Specific%20Assets/zh-ch/CMD/MS/LCMS/documents/meat%20adulteration%20by%20TSQ%20Quantiva.pdf------------------------------------------------关于赛默飞世尔科技赛默飞世尔科技（纽约证交所代码：TMO）是科学服务领域的世界领导者。公司年销售额170亿美元，在50个国家拥有约50,000名员工。我们的使命是帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。我们的产品和服务帮助客户加速生命科学领域的研究、解决在分析领域所遇到的复杂问题与挑战，促进医疗诊断发展、提高实验室生产力。借助于首要品牌Thermo Scientific、Applied Biosystems、Invitrogen、Fisher Scientific和Unity Lab Services，我们将创新技术、便捷采购方案和实验室运营管理的整体解决方案相结合，为客户、股东和员工创造价值。欲了解更多信息，请浏览公司网站：www.thermofisher.com赛默飞世尔科技中国赛默飞世尔科技进入中国发展已有30多年，在中国的总部设于上海，并在北京、广州、香港、台湾、成都、沈阳、西安、南京、武汉等地设立了分公司，员工人数约3700名。我们的产品主要包括分析仪器、实验室设备、试剂、耗材和软件等，提供实验室综合解决方案，为各行各业的客户服务。为了满足中国市场的需求，现有8家工厂分别在上海、北京和苏州运营。我们在全国共设立了6个应用开发中心，将世界级的前沿技术和产品带给国内客户，并提供应用开发与培训等多项服务；位于上海的中国创新中心结合国内市场的需求和国外先进技术，研发适合中国的技术和产品；我们拥有遍布全国的维修服务网点和特别成立的中国技术培训团队，在全国有超过2000名专业人员直接为客户提供服务。我们致力于帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。欲了解更多信息，请登录网站www.thermofisher.cn

导语说起MALDI-TOF（基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱）很多人都不陌生，通过“软电离”方式与飞行时间质谱的结合，可以快速检测多肽、多糖、蛋白、聚合物、脂类等各种天然或合成有机分子的分子量，检测成本低、前处理简单、分析通量高、结果准确，广泛应用于研究开发以及质控管理等各类。台式MALDI-8020外观 MALDI- 8020体积小巧，配备355 nm 200Hz固态激光器，支持离子源自清洗，软件界面友好，适合实验室的常规定性及定量检测。 2018年，国际标准化组织（ISO）发布了利用MALDI-TOF MS检测特征性多肽来进行纺织品中动物毛发纤维定性和定量分析的方法（ISO 20418-2: 2018），利用羊绒、羊毛蛋白酶解产物中角蛋白特征多肽峰的相对信号强度比值可以直接换算出羊绒、羊毛含量的比值。这种方法相比传统的显微观察法，更加客观准确、分析通量更高，同时也弥补了荧光定量PCR检测DNA受损伤的样品结果不准确的缺陷。下面我们来看下应用台式MALDI-TOF(MALDI-8020)检测羊绒含量的具体的操作方法及结果。 表1. 羊绒与羊毛物种特异性I型角蛋白多肽位点注：*代表C上发生烷基化修饰；红色字母代表特征位点。 将羊绒、羊毛标准品按照一定比例混合，提取蛋白并酶解后，取酶解产物进行质谱检测，质谱图见图1。图1. 羊绒羊毛混合标准品酶解产物一级质谱图 根据不同比例羊绒与羊毛混合标准品中的羊绒特征峰的相对信号强度的平均值与羊绒含量（%）建立校准曲线，结果见下图。图2. 羊绒、羊毛混合物中羊绒含量的校准曲线 根据建立的校准曲线，测试经权威检测部门验证过的实际样品，样品羊绒含量标注值及实测值统计结果见表2所示。由结果可知，实际样品检测结果与标注值一致，表明该方法可以用于羊绒制品中羊绒含量的检测。 表2. 羊绒制品实际样品检测结果当然，MALDI-TOF不止可以定量检测羊绒、羊毛混合品中的羊绒含量，还可以利用其优秀稳定的定量能力应用于临床检测与疾病的诊断、食品的掺假鉴别、基础科学研究等领域，随着研究人员的努力，MALDI-TOF的定量性能将在更多领域内大放异彩。

大家好，本周为大家分享一篇发表在Analytical Chemistry上的文章，Improved Label-Free Quantification of Intact Proteoforms Using Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry [1]，文章的通讯作者是美国俄克拉荷马大学的Luca Fornelli教授。完整proteoforms的非标记高通量定量方法的应用对象通常为从整个细胞或组织裂解物中提取的0 - 30 kDa质量范围内蛋白质。然而当前，即使通过高效液相色谱或毛细管电泳实现了proteoforms的高分辨率分离，可鉴定和定量的proteoforms的数量也不可避免地受到固有的样品复杂性的限制。近年来，随着质谱技术的发展，自上而下蛋白质组学质谱(top-down proteomics)研究中蛋白质的鉴定数量大大提升，生成了包含数万种proteoforms的数据集，但在proteoforms的量化能力方面并没有得到相应的性能提升。为克服这一问题，本文中作者通过应用场不对称离子迁移谱法(Field asymmetric ion mobility spectrometry, FAIMS)对大肠杆菌中的proteoforms进行了非标记定量。由此产生的改进允许在单次LC-MS实验中采用多个FAIMS补偿电压(Compensation voltages, C.V.)，而不会增加整个数据采集周期。与传统的非标记定量实验相比，FAIMS的应用在不影响定量准确性的情况下，大大增加了鉴定和定量的proteoforms数量。首先，作者优化了质谱stepped-C.V.数据采集方法对Orbitrap Eclipse性能的影响，并从中筛选出了最优条件(−40、−20、0 V组合)。所有最新的基于Orbitrap的质谱仪(包括Exploris platform和Orbitrap Ascend)都可以采用single time-domain transients(即单次微扫描)在top down FTMS实验中生成高质量的质谱图。作者认为这对于在单次LC - MS2运行期间应用多个C.V.值的采集策略特别有益。接下来，作者应用该方法对大肠杆菌中的蛋白质进行了检测，并与传统的LC - MS2 DDA采集方法进行了比较(图1)。如图所示，每个C.V.值下的总离子流图都不同，且这一额外的分离导致在LB(Luria broth)和M9(醋酸钠处理)样品中鉴定到的proteoforms的数量显著提升。　　图1. 样本制备方法和proteoforms鉴定结果总结虽然在LC-FAIMS和LC-only数据集中，大多数鉴定到的proteoforms质量都小于15 kDa，但其中约20%的质量大于18 kDa甚至高达33.3 kDa(图2)。对已鉴定的proteoforms列表的深入分析表明，达到鉴定低丰度proteoforms的关键参数之一是在串联质谱(MS2)中有足够的时间注入离子。　　图2. A. FAIMS和非FAIMS鉴定到的proteoforms的质量分布。B. 鉴定到的proteoforms与注射时间之间的关系。最后，作者采用ProSight PD v 4.2 (Proteineous, Inc)进行了基于MS1的非标定量，结果显示基于FAIMS的数据集在LB样品(蓝色)和M9样品中检测到的差异表达的proteoforms均有所增加(图3)。作者评估了两个数据集之间的差异(使用和不使用FAIMS采集数据)，以验证FAIMS的应用是否会对量化准确性产生不利影响，结果只有1个proteoform显示相互矛盾的丰度趋势。这种差异是由于该蛋白和一个共流出蛋白之间质谱峰几乎完全重叠造成的。它们具有非常接近的单同位素质量，这样高水平的信号干扰可以很容易地干扰基于MS1的量化。启用FAIMS可以使MS1谱图简化，因为两种proteoforms可以富集在两种不同的C.V. 值下。　　图3. 大肠杆菌proteoforms无标记定量结果分析。作者将LC - FAIMS - MS2数据集与通过BUP在类似样品上获得的非标定量结果进行比较，得出两个主要的结论:1. BUP仍然对蛋白质组提供了更深层次的定量表征 2. BUP提供了与单个基因相关的所有产物的整体丰度水平信息 而TDP方法表明，给定的UniProt accession可以由多个差异表达的proteoforms组成，可能具有不同的行为(即在给定条件下，一些被上调，另一些被下调)。这一额外的信息可能具有潜在的生物学意义，但在基于BUP的定量分析中可能会被遗漏。本文描述的基于FAIMS的定量数据采集方法与PEPPI(Passively eluting proteins from polyacrylamide gels as intact species)蛋白分离技术完全兼容，产生0 - 30 kDa的组分，并且可以方便地根据待分析蛋白的平均质量调整质谱参数(C.V.值)，未来在更大的蛋白质定量方面具有广阔的应用前景。　　撰稿：张颖　　编辑：李惠琳　　原文：Kline JT, Belford MW, Huang J, Greer JB, Bergen D, Fellers RT, Greer SM, Horn DM, Zabrouskov V, Huguet R, Boeser CL, Durbin KR, Fornelli L. Improved Label-Free Quantification of Intact Proteoforms Using Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry. Anal Chem. 2023 Jun 13 95(23):9090-9096.　　李惠琳课题组网址www.x-mol.com/groups/li_huilin　　参考文献　　1.Kline JT, Belford MW, Huang J, Greer JB, Bergen D, Fellers RT, Greer SM, Horn DM, Zabrouskov V, Huguet R, Boeser CL, Durbin KR, Fornelli L. Improved Label-Free Quantification of Intact Proteoforms Using Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry. Anal Chem. 2023 Jun 13 95(23):9090-9096.