CN115951070A - 一种检测样品中的蛋白的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种检测样品中的蛋白的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:S1、将所述样品与磁性纳米颗粒混合,得到结合有蛋白的磁性纳米颗粒;S2、将所述结合有蛋白的磁性纳米颗粒依次进行还原处理、烷基化处理、洗涤处理和酶切处理,得到酶切产物;S3、将所述酶切产物进行质谱检测;其中,所述磁性纳米颗粒包括四氧化三铁纳米颗粒和形成在所述四氧化三铁纳米颗粒上的共价有机骨架,所述共价有机骨架为1,3,5‑三甲酰间苯二酚和1,4‑二氨基苯反应得到的共价有机骨架。通过上述技术方案,本发明提高了纳米材料在临床蛋白质组学应用中的定性深度、定量稳定性、可靠性和时间效率。
Description
技术领域
本申请涉及生物技术领域,具体地,涉及一种检测样品中的蛋白的方法。
背景技术
血浆是一种易于获取的微创样本,它记录了身体的实时状态,并将不同的生活方式、疾病、治疗或其他相关变化的综合结果直接反馈给检测者。血浆中除人血清白蛋白、载脂蛋白、凝血级联蛋白等功能蛋白外,还含有大量的组织渗漏蛋白、信号分子和细胞因子。血浆蛋白质组数据库(www.plasmaproteomedatabase.org)记录了大约10546种蛋白质。血浆蛋白质组研究对于疾病诊断、风险预测、预后监测和治疗效果评估的生物标志物开发至关重要。
在过去的几年中,有大量的研究致力于从血浆样本中寻找与疾病相关的生物标志物。有人分析了血浆和肝脏活检的蛋白质组学,以找到预测未来相关事件和酒精相关肝病死亡率的生物标志物。还有人采用了高通量、无偏倚的定量蛋白质组学来探讨血浆蛋白水平与亚临床动脉粥样硬化之间的关系。对于神经障碍患者来说,在脑脊液和脑组织样本难以获得的情况下,血浆蛋白生物标志物的发现尤为重要。还有人试图通过分析阿尔茨海默病的血浆蛋白质组来开发生物标志物。但由于蛋白质组学深度不足,进展有限。
血浆样品的高丰度蛋白抑制作用使得在ng/ml水平上探测血浆生物标志物非常困难。为了提高低丰度蛋白的可检测性,已经建立了各种前处理策略,包括基于免疫或亲和的高丰度去除方法、液相分离法和亚蛋白质组富集法。在已有的研究中,通过高pH的RPLC分离和LC-MS/MS分析,鉴定了1544个血浆蛋白和258个新蛋白。
尽管蛋白质组学的深度有所增加,但该策略不能满足临床样本高通量分析的需求。
纳米材料用于携带药物进入身体的目标区域进行诊断或治疗,已发现纳米材料在进入生物环境时,会在其表面吸附多层蛋白质,形成蛋白质冠。纳米材料与血浆相互作用,形成蛋白冠。高丰度蛋白最初与纳米材料表面结合,随后被高亲和力的低丰度蛋白取代(Vroman效应)。蛋白冠可以缩小蛋白浓度的动态范围,富集低丰度和中丰度蛋白,增加血浆蛋白的检测深度。
近年来,来自材料领域的大量研究表明,具有不同修饰基团,不同基质的纳米材料具有不同的蛋白电晕特性。有人通过对蛋白冠的表征,确定了一组在乳腺癌和***癌患者及对照组中表现出显著差异的蛋白质。虽然利用纳米材料可以用于进行疾病蛋白质组学研究,但其在临床蛋白质组学应用中的定性深度、定量稳定性、可靠性和时间效率仍然需要提高。
发明内容
本发明的目的是提高纳米材料在临床蛋白质组学应用中的定性深度、定量稳定性、可靠性和时间效率。
为了达到上述目的,本发明提供了一种检测样品中的蛋白的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:S1、将所述样品与磁性纳米颗粒混合,得到结合有蛋白的磁性纳米颗粒;S2、将所述结合有蛋白的磁性纳米颗粒依次进行还原处理、烷基化处理、洗涤处理和酶切处理,得到酶切产物;S3、将所述酶切产物进行质谱检测;其中,所述磁性纳米颗粒包括四氧化三铁纳米颗粒和形成在所述四氧化三铁纳米颗粒上的共价有机骨架,所述共价有机骨架为1,3,5-三甲酰间苯二酚和1,4-二氨基苯反应得到的共价有机骨架。
通过上述技术方案,本发明提高了纳米材料在临床蛋白质组学应用中的定性深度、定量稳定性、可靠性和时间效率。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是DMB珠的TEM图像。
图2是同样的血浆经高丰度蛋白去除(2和14个高丰度蛋白去除)、六肽配体富集和DMB珠富集处理后得到的鉴定蛋白质结果图。
图3是DMB珠对浓度在μg/L和ng/L范围内的蛋白质的富集能力(蛋白质鉴定种类)的测试结果图。
图4是DMB珠富集蛋白质(对比理论丰度)的测试结果图。
图5是不同酶切时间下,DMB珠磁珠上酶切和溶液酶切相比的蛋白质鉴定的数量。
图6是血浆蛋白定量结果比较,横轴为大肠杆菌蛋白梯度量,纵轴为人血浆蛋白定量的倍数变化。
图7是大肠杆菌蛋白定量结果比较,横轴为大肠杆菌蛋白梯度量,纵轴为大肠杆菌蛋白定量的倍数变化。
图8是DMB珠和文献报道的耗材对蛋白检出数量的影响。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
本发明提供了一种检测样品中的蛋白的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:S1、将所述样品与磁性纳米颗粒混合,得到结合有蛋白的磁性纳米颗粒;S2、将所述结合有蛋白的磁性纳米颗粒依次进行还原处理、烷基化处理、洗涤处理和酶切处理,得到酶切产物;S3、将所述酶切产物进行质谱检测;其中,所述磁性纳米颗粒包括四氧化三铁纳米颗粒和形成在所述四氧化三铁纳米颗粒上的共价有机骨架,所述共价有机骨架为1,3,5-三甲酰间苯二酚和1,4-二氨基苯反应得到的共价有机骨架。
可选地,其中,所述磁性纳米颗粒的粒径为0.1-0.3μm。
可选地,其中,在所述磁性纳米颗粒中,相对于每重量份的所述四氧化三铁纳米颗粒,所述共价有机骨架的含量为2-4重量份。
可选地,其中,该方法还包括通过如下步骤制备所述磁性纳米颗粒:SS1、将六水合三氯化铁和乙酸钠在乙二醇中溶解,得到均相透明溶液;六水合三氯化铁和乙酸钠的重量比为1:2-5;相对于1g三氯化铁,乙二醇的用量为15-25mL;SS2、将所述均相透明溶液在150-250℃下进行4-24小时的第一溶剂热反应,得到黑色粉末;SS3、将所述黑色粉末、1,3,5-三甲酰间苯二酚和1,4-二氨基苯以1:1-2:1-2的重量比在乙醇中混合,并在150-250℃下进行20-80小时的第二溶剂热反应;相对于1g所述黑色粉末,乙醇的用量为15-25mL。
可选地,其中,所述样品为全血、血浆、血清或脑脊液。
可选地,其中,所述样品在稀释1-3倍后与所述磁性纳米颗粒混合。
可选地,其中,相对于1mL稀释后的样品,所述磁性纳米颗粒的用量为0.05-0.1mg。
可选地,其中,所述还原处理的条件包括:还原剂为三(2-羧乙基)膦(TCEP),还原剂的浓度为0.01-0.02μM,时间为10-30分钟,温度为92-98℃;所述烷基化的条件包括:烷基化试剂为碘乙酰胺(IAA),烷基化试剂的浓度为0.025-0.050μM,时间为10-30分钟,温度为10-30℃。
可选地,其中,所述洗涤处理包括进行乙腈溶液的洗涤,所述乙腈溶液为含有70-90体积%的乙腈水溶液;所述酶切处理包括使用胰蛋白酶进行酶切。
可选地,其中,将所述酶切产物进行质谱检测包括定性检测和/或定量检测。
以下通过实施例进一步详细说明本发明。实施例中所用到的原材料均可通过商购途径获得。
实施例1
36例血浆样本纳入测试(多***萎缩症,MSA,n=18;非神经疾病控制组,HC,18例)。这些样本采集于2020年11月至2021年12月。MSA患者由两名医学专家根据既定的共识标准进行诊断。所选择的年龄和性别匹配的对照组受试者来自健康筛查人群。那些年龄和性别不可比较的样本被排除在外。全血收集于乙二胺四乙酸(EDTA)管中。4℃,4000g离心10分钟。将获得的血浆等量保存于-80℃。六水氯化铁从Sigma-Aldrich(St.Louis,MO,USA)获得。1,3,5-三甲酰间苯二酚、乙二醇和1,4-二氨基苯(Pa-1)分别由Sigma-Aldrich(St.Louis,MO,USA)和阿拉丁工业公司(中国上海)提供。三(2-羧乙基)膦(TCEP)、碘乙酰胺(IAA)和四乙基溴化铵(TEAB)购自Sigma-Aldrich(St.Louis,MO,USA)。
磁性纳米颗粒的制备按照如下方法进行。简单地说,1.0克FeCl3·6H2O,3.6g 1,6-六二胺和4.0g CH3COONa溶解于30毫升乙二醇溶液中超声强磁搅拌40分钟后,获得了均匀透明溶液,随后密封在高压釜中,在200℃下进行溶剂热反应6小时。用清水和乙醇洗涤3次后,得到黑色粉末在50℃下干燥6小时,即为磁性Fe3O4。
将60mg磁性Fe3O4分散在30mL含1,3,5-三甲酰基间苯二酚和1,4-二氨基苯的无水乙醇中。将混合物超声35分钟,在高压釜中加热至180℃ 48小时。得到的磁性纳米颗粒分别用乙醇、水和乙醇洗涤,在50℃下干燥6h。在日立4800场发射扫描电镜(FE-SEM)和FEITecnai G20透射电镜(TEM)上进行磁性纳米颗粒(也就是DMB珠)形貌和结构观察。DMB珠的TEM图像见图1。
用PBS缓冲液(pH 7.4)稀释一定量血浆,与磁性纳米颗粒在37°孵育30min。丢弃未结合蛋白,用PBS缓冲液(pH 7.4)洗涤磁性纳米颗粒三次。将缓冲液替换为裂解缓冲液(50Mm TEAB,10mM TCEP,50Mm IAA)。磁性材料在95°下还原和烷基化反应10min后,与80%的乙腈孵育20min。用50mM碳酸氢铵溶液代替溶剂后,在37°下加入胰蛋白酶。消化4小时后,用0.1%TFA缓冲液淬灭反应。酶切得到的肽用于LC-MS分析。
酶切得到的肽被加到C18柱上,并与Easy nLC 1200***(Thermo FisherScientific,USA)连接,使用12ml 100%溶液a(0.1%甲酸)进行在线脱盐。肽在C18(prosil-pur C18-aq 1.9μm,中国)毛细管柱(150μm×250mm)上分离。梯度为:8-12% B相(80% ACN,0.1%甲酸)作用5min,12-30% B相作用30min,30-40% B相作用9min,40-95%B相作用1min,95% B相维持15min,流速为600nL/min。用Q-Exactive HF-X(Thermo FisherScientific,USA)对洗脱后的多肽进行分析,源参数设置为:喷雾电压2.1kv;离子转移管温度320℃;S lens,60。所有数据采集均进行正离子扫描。
建库数据采集采用数据依赖采集模式(DDA),在350~1500m/z范围内采集数据。分辨率参数设置为120,000,AGC值为3e6。前40个高信号强度离子优先碎裂。获得的质谱参数分辨率为15000,AGC值为5e4,隔离窗口为1.6Da,NCE为27,最大IT时间为45MS,动态排除时间为16s。
临床样本数据采用数据独立采集模式(DIA)获取。在350~1500m/z范围内进行了全质量扫描,获得了以下参数:分辨率60000,AGC值3e6。采用以下参数获取DIA质谱:42个采集窗口范围为350~1500m/z,分辨率为30000,AGC值为1×106,步进NCE分别为25.5、27、30。
Q-Exactive HF-X的所有DIA原始文件都使用DIA-nn(版本1.81)处理。在UniProt人类数据库(2022.03.17)上应用直接DIA实验分析流程,以半胱氨酸碘乙酰胺化(carbamidomethyl,C)为固定修饰,氧化(M)和乙酰化(protein N-term)为变量修饰。胰蛋白酶漏切设置为2个位点,1% FDR的蛋白质和肽段误差。使用fragpipe(v18.0)软件建立蛋白质数据库。
设计了一系列实验来评价该策略的有效性,包括:1、DMB珠富集与传统富集方法的定性深度和重现性比较;2、血浆与DMB珠不同孵育时间和酶切方法的比较;3、从不同体积血浆样品和DMB珠孵育中获得的蛋白冠成分的特征观察血浆中梯度蛋白的定量结果。利用DIA-NN软件直接搜索系列评价实验。
最后,对36例MSA疾病组和健康对照组的血浆样本进行分析。将混合的血浆蛋白用碱性反向液相分为18个组分,用于DDA数据库的建立。DIA-NN通过建立数据库进行定性和定量分析。得到的调控蛋白进一步在同批血浆中进行ELISA定量验证。
相同血浆经高丰度蛋白去除(2和14个高丰度蛋白去除)、六肽配体富集和DMB珠富集处理。将鉴定结果与未去高丰度的前处理结果进行比较,从图2可以看出,DMB珠法可以将血浆蛋白的鉴定数显著增加到近2000个,唯一鉴定数达到1031个。这些独特蛋白的KEGGpathway分析表明,许多蛋白参与了脑疾病相关的通路,包括阿尔茨海默病、帕金森病和神经元生成通路,为脑疾病研究提供了更多的观察变量。将鉴定数据的结果与人类蛋白质数据库信息进行比较,图3显示DMB珠对浓度在μg/L和ng/L范围内的蛋白质的富集能力远远超过了其他工艺方法。
图4显示,DMB珠比其他方法富集的低丰度蛋白质浓度低一个数量级以上,并且比其他方法富集到更多的低丰度蛋白质。
从3名不同的健康志愿者(2名女性,1名男性)新鲜采集血浆,DMB珠并行富集3次后进行质谱分析,评价血浆蛋白富集的定性和定量重复性。结果显示,不同个体间共鉴定了2059个蛋白质,占每个样本中鉴定蛋白质数量的83%以上。此外,还分析了DMB珠富集的定量重现性。在同一样品的3次重复富集试验中,具有CV<20%的蛋白质占所有蛋白质的87%以上。
时间-效率是临床样本分析必须考虑的问题。为了减少处理时间和提高样品通量,考察了DMB珠和血浆共孵育时间对富集结果的影响。不同孵育时间(0.5h、1h、2h和4h)的定量数据在任意两个时间点都有很好的相关系数(r>0.9),而随着孵育时间的增加,鉴定出的蛋白质数量并不显著增加。与传统的洗脱液消化方法不同,DMB珠允许蛋白吸附在珠上进行后续还原、烷基化和消化,从而节省洗脱和试管转移时间。最终的结果表明,磁珠上直接酶解有效地增加了蛋白鉴定的数量,减少了蛋白损失(图5)。
通过在等量血浆中添加梯度量的E.coli蛋白,检测了E.coli蛋白定量的比例和血浆蛋白的变化。结果如图6和图7所示,其中血浆蛋白在0.94-1.25的比值变化中波动较小;虽然在LC-MS检测中存在比例压缩,但E.coli蛋白在比例上呈现梯度变化。本实验提示磁性材料的富集与样品中蛋白质的丰度有关,而不是完全无序的富集状态。DMB珠富集后可以进行样品中低丰度蛋白的定量比较。
使用建立的试验方法流程分析了36个血浆样本。MSA组与HC组在年龄、体重指数(BMI)、血常规指数等方面差异无统计学意义(p>0.05),通过差异蛋白质组学分析,215个蛋白表达上调,184个蛋白表达下调(p<0.05)。利用这些差异蛋白,可以将MSA组与健康对照组区分开来。进一步分析了差异蛋白的功能分类。发现上调的蛋白功能集中在蛋白磷酸化、抗菌肽和肽酶活性以及免疫反应方面,这与血浆转录组学的数据一致。下调蛋白与肌动蛋白和血脑屏障功能的维持有关。这与该疾病表现出的表型特征有关。在这些差异蛋白质中,免疫相关蛋白质和脑疾病相关蛋白质是研究重点。这些蛋白质在血浆中浓度很低,通常只能通过脑脊液检测到,现在可以通过磁性材料富集来检测和定量。
在本发明中,血浆蛋白质组学的定性定量深度和分析效率在深度挖掘策略的推动下得到了很大的提升。
对比例1
按照实施例1的方法进行样品中的蛋白的检测,所不同的是不使用DMB珠,而是使用文献报道的耗材,包括:Si-NH2/SiO2-OH/TiO2/SiO2N+~CH2~SO3-(参照CN112710755A制备);SP-003/SP-007/SP-011(参照文献US 2021/0215685制备);MMN-NHCH3/-SO3H/-Ti4+/COOH(参照文献Yuanyuan Liu等,Synthesis of Surface-Functionalized MolybdenumDisulfide Nanomaterials for Efficient Adsorption and Deep Profiling of theHuman Plasma Proteome by Data-Independent Acquisition.Anal Chem.2022Nov 1;94(43):14956-14964制备);IONPs(参照CN114791466A制备)。
检测结果见图8。
通过实施例1和对比例1的比较可以发现本方法材所用的鉴定结果能比其他材料增加一倍以上的蛋白质鉴定数量/样品,展现了材料在蛋白质富集上的优势。
本发明中,使用DMB珠(磁性共价有机框架纳米材料)富集-在线酶消化-DIA检测-DIA-nn库搜索策略,对多种***萎缩疾病进行了生物标志物研究。该策略表明血浆蛋白研究的深度,与其他商业化耗材相比,蛋白量提高了3倍以上。对常规的2000+蛋白/样品进行定性和定量分析。证明了样品富集分析的定性和定量稳定性,超过87%的蛋白质的定量CV小于20%。基于DMB珠进行富集-酶解-脱盐是一个高效的分析流程,能够节省时间,减少损失。在MSA疾病标志物的研究中,鉴定了18个与神经***疾病相关或在脑组织特异表达的差异蛋白,证明了本发明的方法用于临床生物标志物研究的可行性和优越性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种检测样品中的蛋白的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
S1、将所述样品与磁性纳米颗粒混合,得到结合有蛋白的磁性纳米颗粒;
S2、将所述结合有蛋白的磁性纳米颗粒依次进行还原处理、烷基化处理、洗涤处理和酶切处理,得到酶切产物;
S3、将所述酶切产物进行质谱检测;
其中,所述磁性纳米颗粒包括四氧化三铁纳米颗粒和形成在所述四氧化三铁纳米颗粒上的共价有机骨架,所述共价有机骨架为1,3,5-三甲酰间苯二酚和1,4-二氨基苯反应得到的共价有机骨架。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述磁性纳米颗粒的粒径为0.1~0.3μm。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,在所述磁性纳米颗粒中,相对于每重量份的所述四氧化三铁纳米颗粒,所述共价有机骨架的含量为2~4重量份。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,该方法还包括通过如下步骤制备所述磁性纳米颗粒:
SS1、将六水合三氯化铁和乙酸钠在乙二醇中溶解,得到均相透明溶液;六水合三氯化铁和乙酸钠的重量比为1:2-5;相对于1g三氯化铁,乙二醇的用量为15~25mL;
SS2、将所述均相透明溶液在150-250℃下进行4-24小时的第一溶剂热反应,得到黑色粉末;
SS3、将所述黑色粉末、1,3,5-三甲酰间苯二酚和1,4-二氨基苯以1:1-2:1-2的重量比在乙醇中混合,并在150-250℃下进行20-80小时的第二溶剂热反应;相对于1g所述黑色粉末,乙醇的用量为15-25mL。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述样品为全血、血浆、血清或脑脊液。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,所述样品在稀释1-3倍后与所述磁性纳米颗粒混合。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,相对于1mL稀释后的样品,所述磁性纳米颗粒的用量为0.05-0.1mg。
8.根据权利要求1所述的方法,其中,所述还原处理的条件包括:还原剂为三(2-羧乙基)膦,还原剂的浓度为0.01-0.02μM,时间为10-30分钟,温度为92-98℃;所述烷基化的条件包括:烷基化试剂为碘乙酰胺,烷基化试剂的浓度为0.025-0.050μM,时间为10-30分钟,温度为10-30℃。
9.根据权利要求1所述的方法,其中,所述洗涤处理包括进行乙腈溶液的洗涤,所述乙腈溶液为含有70-90体积%的乙腈水溶液;所述酶切处理包括使用胰蛋白酶进行酶切。
10.根据权利要求1所述的方法,其中,将所述酶切产物进行质谱检测包括定性检测和/或定量检测。
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