迈维代谢的蛋白组学培训会资料整理

2024-04-16 18:17   湖北  

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上周末参加了迈维代谢的蛋白组学培训会,把会议学到的知识整理一下。

一、蛋白组学简介
基因组学是研究DNA,告诉我们可能要发生什么;转录组学是研究mRNA,告诉我们疾病是否即将发生;蛋白组学是研究蛋白质,告诉我们疾病是否发生以及发生的进程;代谢组学是研究小分子代谢或者脂质,告诉我们已经发生了什么。跟其他组学相比,蛋白组学作为疾病的生物标志物,至少占比超过了一半。

DOI: 10.1177/0022034510383691






二、蛋白组学前处理


知道蛋白组学前处理步骤多,没想到这么多。

根据样本类型,大概可以分为固体(如组织)和液体(血浆和尿液等)。根据实验要求,可以分为不去高丰度蛋白和去高丰度蛋白,去除高丰度蛋白测到的蛋白数量是不去的6倍以上。不管去不去,都有第一步提取总蛋白。

1) 提取总蛋白

a) 固体样本首先需要低温研磨(如果组织样本里面含有血浆等,需要先用PBS清洗干净,以免血液中的蛋白质对组织蛋白造成污染),在加入8M尿素裂解液(含PMSF蛋白酶抑制剂和辅助膜破坏的EDTA),超声破碎,离心取上清,即得到了总蛋白样本溶液。为保障样本的均一性,需要用BCA试剂盒测每个样本的总蛋白含量,然后每个样本取30微克的总蛋白含量,并用酶解液统一定容到100微升(质谱仪不一样,取的蛋白总量不同)。

b) 血液样本解冻后取30微升,加入PBS和PMSF蛋白酶抑制剂,震荡混匀,即为总蛋白溶液。

2)不去除高丰度蛋白

拿到蛋白溶液后,对蛋白溶液进行:

还原(打开半胱氨酸的二硫键):加入DTT试剂,37度水浴还原45min,保障PH是碱性;

烷基化(半胱氨酸巯基添加修饰基团,以防止再次形成二硫键):冷却到室温后,加入IAM,避光震荡15min;

蛋白酶解:加入TEAB和胰蛋白酶,37度水浴过夜。加入20%的FA溶液调节PH为3,涡旋离心取上清;

肽段除盐:用zip-tip除盐柱。

用BCA微量肽段定量方案检测肽段浓度后,取肽段,冷冻干燥,用0.1%甲酸水溶液复溶即可上机检测了。

3)去除高丰度蛋白(选做——不去除高丰度蛋白样本均一性更高,稳定性更高,更接近样本的真实情况,去除后能检测到的蛋白质更多)

此处可使用商品化的试剂盒——易肽DeeP低丰度富集试剂盒,官网有SOP,照着做即可。此步骤取1)中得到的总蛋白溶液,按照试剂盒中的石墨烯低丰度蛋白富集、磁珠清洗、裂解、还原烷基化、酶解、除盐完成后,用BCA微量肽段定量方案检测肽段浓度后,取肽段,冷冻干燥,用0.1%甲酸水溶液复溶即可上机检测了。

注意事项:磁珠中清洗液吸取时要彻底但不可带出磁珠,可以稍微倾斜;血清孵化时间过短会导致低丰度蛋白富集效果较差,过长会损伤部分中高丰度蛋白;洗涤强度是实验成功的关键。

4)超微量样本的蛋白提取

如样本中蛋白含量低于10微克,那需要用Sisprot SE Kit试剂盒,一站式处理,集成提取、酶解、脱盐为一体;可用于几个细胞的蛋白提取,官网有SOP,照着做即可。

注意事项:还原和酶解这二步,在加入液体离心过程中不能使柱料完全干,要保持柱料上有1-2mm的液面。

BCA试剂盒测蛋白注意事项:如样本中有EDTA会影响BCA检测的准确性,需看情况稀释后再测;BCA显色后需降到室温后再测,并且多测几次,等读数稳定后用稳定的值计算蛋白或肽段含量。

三、建数据库(选做)
人群或者动物在网站上(UniProt)都有很齐全的蛋白组学数据库,如果自己想建立属于自己实验室的数据库,可以用混合样本制备后,先用比较长时间的纳升液相去跑,并且分时间接不同的馏分,比如跑180min,每2min接一次馏分,接到第10个馏分后,将第11个馏分与1合并,第21个馏分与1合并,以此类推。这样第一份混合馏分中含有的肽段化合物极性相差较大,便于后面的质谱检测。收集到的馏分浓缩后进质谱检测。

四、质谱检测

此次学习的二种质谱仪可能是目前最高端的二款仪器,各有所长:

1)Thermo Scientific™ Orbitrap Astral 质谱仪

去年刚刚发布的,在以往仪器的基础上开发了新一代质量分析器--不对称轨道无损质量分析器(asymmetric track lossless,Astral)。看不太懂,但是通俗一点的理解就是,跟以前的仪器相比,现在的仪器离子可以在不对称离子镜经过24-26次反射,总轨道路径长度超过30米,分辨率高达80000(@ m/z 524)。DIA(Data Independent Acquisition)的分析隔离窗口可以窄到2 Da(其他品牌的仪器一般都是25以上)。如果MS1的范围是400-900 Da,二级的离子窗口可以设置为2 Da,那就可以分为250段去打二级质谱,分段越多,在DIA采集模式下,碎片峰的归属就更准确,定性的准确度就越好。所以这个仪器还是很无敌的。能有这么快的扫描速度,那么一个样本的采集时间最低能到8min,一天就是180个样本,通量极高。

https://mp.weixin.qq.com/s/jk9DFFfhgVzsuXHd_3cMlQ

2)Bruker tims TOF Pro 2

这台仪器的扫描速度没有上面那台高,但是它的优点是有双捕集离子淌度(TIMS)和同步累积连续碎裂(Parallel Accumulation Serial Fragmentation,PASEF)数据采集模式两大创新技术。啥意思呢,就是离子从离子源出来后,先在TIMS1里面累计一下,那本来离子浓度不够的离子,累计一下后浓度增加,就能检测到峰了。累计后在第二个TIMS里面,调节电压后,可以根据离子的碰撞面积CCS(我理解的离子淌度碰撞面积原理是,离子质量相同的情况下,根据离子形状差异来分离)。依次流出的离子去打二级质谱。相当于增加了一个维度的分离,所以称之为4D蛋白组学(保留时间、质荷比、离子强度和离子淌度)。在DIA的采集模式下,维度越多,碎片峰的归属就更准确,那定性的准确度也会相应提高。并且在第二个TIMS流出后,第一个TIMS又开始进行下一步的离子累计,使得离子的利用率也大大提高了。

总而言之,二台仪器都在不同地方提升DIA采集模式下定性的准确度。如果是其他型号或者品牌的质谱仪,只要分辨率够,也可以做蛋白组学,只是测到的蛋白质多少的问题。

五、蛋白定性定量分析

跟代谢组学比起来,蛋白组学的前处理有多复杂,数据的定性定量就有多简单。因为蛋白质的组成就是氨基酸,氨基酸的结合方式固定,根据软件就可以排列组合出所有的可能性,再进行匹配即可。

数据分析首选的软件是DIA-NN,数据参数设置如下图所示,然后提交就可以得出来鉴定到的蛋白、肽段和峰面积了(适用于常规的蛋白组学,磷酸化修饰等不包含再内,虽然上面可以选部分修饰,但是培训老师说不太好用)。





六、蛋白组学的统计分析


蛋白质学基本的统计分析跟代谢组学类似,包含差异蛋白筛选、PCA分析、通路富集、Kmeans聚类分析等常规分析。此外还有我不了解的结构域注释(InterPro是常用的数据框),亚细胞定位(原核生物用PSORTb软件,真核生物用WoLF PSORT软件)、信号肽预测(SignalP软件)、差异表达蛋白互作网络(StringDB)。附上工具,后续需要用时再学习。
培训收获:以前对蛋白组学的检测比较模糊,只知道前处理复杂以及对质谱仪要求高。参加完这次培训后,对每个实验环节有了更直观的了解,对蛋白结构的鉴定有了一点概念。当然,整个流程还是很复杂的,需要注意的细节比较多。

最后感谢迈维代谢提供这次全面细致的培训!


油料脂质分析实验室
中国农业科学院油料作物研究所脂质剖析与鉴定课题组致力于突破脂质组分析所面临的生物基质复杂、脂质及其代谢产物种类繁多且结构复杂、定性和定量分析困难等共性关键技术瓶颈,建立高效,高通量的脂质组分析平台。
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