蛋白质糖基化是最重要的翻译后修饰之一, 在许多关键的生物学过程中起着重要的调节作用[1]。糖基化异常与人类多种疾病密切相关[2], 因此糖蛋白的分析和鉴定对疾病的诊断和治疗具有重要指导意义[3, 4]。目前, 在糖蛋白和糖肽的分析中, 质谱技术因具有较高的分辨率和灵敏度而得到广泛应用[5]。然而, 实际样品中糖肽的丰度通常较低, 其信号极易受到非糖肽的干扰。因此, 在质谱分析前对糖肽进行高选择性富集非常必要。
目前, 凝集素亲和色谱[6]、酰肼化学[7-9]、硼酸化学[9, 10]、亲水作用色谱[11, 12]和肟点击化学[9]等多种方法被广泛应用于复杂生物样品中糖肽的富集。其中, 亲水作用色谱因其富集过程简单、富集条件温和以及重现性较好而受到普遍关注。最近, 研究者们发展了多种类型的亲水色谱固定相, 如两性硅胶[13]或者聚合物[14, 15]、麦芽糖[16]、琼脂糖[17]、纤维素[17]和金属有机骨架(MOFs)材料[18, 19], 并将它们应用于糖肽富集。设计和探索新型亲水固定相仍然是糖肽富集研究的热点之一。
近年来, 多孔有机材料(POPs)[20, 21]因制备简单、比表面积较大及化学和热稳定性较好等优点而受到广泛关注。此类材料诸如内在微孔聚合物(PIMs)[22]、共轭微孔聚合物(CMPs)[23]、多孔芳香骨架(PAFs)[24]和共价有机骨架(COFs)[25-28]等通常通过聚合/浓缩、溶剂热反应或者金属介导偶联/加成反应制备, 已经成功应用于气体储存[29]、催化[30]以及样品预处理[31]等领域。
Farago等[32]首次报道了聚酰基氨基脲类材料。到目前为止, 仅有少量文献与这种材料有关, 并且所有报道的聚酰基氨基脲类材料均为线性聚合物[33-36]。多孔聚酰基氨基脲类材料至今未有报道。近年来, Bhunia等[22]报道了聚脲类多孔有机聚合物的制备及其作为药物载体应用于肝癌的诊断和治疗。此类聚合物通过2, 4, 6-三氨基吡啶和对苯二异氰酸酯(PDI)的有机溶胶-凝胶反应制备, 该材料具有无规则的介孔, 比表面积为142 m2/g。与此类似, 本文通过均苯三甲酰肼(BTZ)与PDI发生一步聚合反应制备了一种聚酰基氨基脲类多孔有机聚合物(POP)。材料的物理性质通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、交叉极化魔角自旋碳13核磁共振(CP-MAS 13C NMR)、氮气物理吸附/脱附实验和水接触角进行表征。由于该材料具有亲水性, 故尝试将其应用于人血清免疫球蛋白G(IgG)和鼠肝蛋白酶质解液的糖基化蛋白质组学分析中。
5800基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪(MALDI-TOF MS, 美国AB SCIEX公司); 毛细管液相色谱-串联质谱(cLC-MS/MS)系统由Surveyor HPLC液相色谱仪和LTQ-Orbitrap Velos质谱仪(美国Thermo公司)构成; 液体核磁共振(1H NMR、13C NMR和无畸变极化转移增强(DEPT))仪和固体核磁共振(CP-MAS 13C NMR)仪(瑞士Bruker公司); TEM、SEM(日本JEOL公司); 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪(美国Nicolet公司); 中孔物理吸附仪(美国Quantachrome公司); 热重分析仪(法国Setsys 16/18 Setaram公司); 水接触角测试仪(德国Dataphysics公司)。
均苯三甲酸三乙酯(质量分数(下同)为97%)、PDI(98%)、苯甲酰肼(BZ, 98%)、2, 5-二羟基苯甲酸(DHB, 99.5%)、三氟乙酸(TFA, 99%)、IgG(95%)、胰蛋白酶(98%)、甲酸(98%)、肽N-糖苷酶F(PNGase F酶, 99%)和尿素(99.5%)(美国Sigma公司); 水合肼(80%)、二甲基亚砜(DMSO, 99.5%)、甲醇(99.5%)和乙醇(99.7%)(天津科密欧化学试剂有限公司); DL-二硫苏糖醇(DTT, 98%)和碘代乙酰胺(IAA, 97%)(中美生物技术公司); C18AQ填料(3 μm, 北京金欧亚科技发展有限公司)。乙腈(ACN, 99.9%, 德国Merck公司); 去离子水通过Milli-Q系统(美国Millipore公司)制备。
如图 1a所示, 首先将5.04 g均苯三甲酸三乙酯、18.8 g水合肼和500 mL甲醇加入1 L圆底烧瓶中, 室温搅拌48 h。然后过滤沉积的白色固体, 采用甲醇清洗。最后将固体在60 ℃下真空干燥12 h。产率为91%。1H NMR(400 MHz, DMSO-d6): 9.85(1H, s, NH), 8.33(1H, s, PhH), 4.57(2H, s, NH2); 13C NMR(100 MHz): 128.5, 134.4, 165.5。MALDI-TOF/MS: m/z 275.093 4 [M+Na]+, m/z 291.072 1 [M+K]+。
如图 1b所示, 首先将272.2 mg BZ、80 mg PDI和5 mL乙腈加入10 mL圆底烧瓶中, 室温搅拌24 h。然后离心, 得到白色固体。最后用乙醇清洗产物, 并在60 ℃下真空干燥12 h。1H NMR(400 MHz, DMSO-d6): 10.27(1H, s, NH), 8.73(1H, s, NH), 8.11(1H, s, NH), 7.92(2H, d, J=7.6 Hz, PhH), 7.58(1H, t, J=7.6 Hz, PhH), 7.50(2H, t, J=7.6 Hz, PhH), 7.36(2H, s, PhH); 13C NMR(100 MHz): 119.8, 128.1, 128.9, 132.2, 133.1, 134.7, 156.3, 166.9。MALDI-TOF/MS: m/z 455.131 5 [M+Na]+, m/z 471.107 2 [M+K]+。
如图 1c所示, 首先将168 mg BTZ、160 mg PDI和3.3 mL DMSO加入反应釜中, 置于100 ℃气相炉中反应72 h。待反应釜冷却后, 取出混合物, 离心, 得到白色固体(POP-1)。将产物依次用DMSO(5 mL×3次)和乙醇(5 mL×4次)清洗, 并在70 ℃下真空干燥12 h。产率为27%。另外, 分别取218 mg BTZ和160 mg PDI以及168 mg BTZ和208 mg PDI, 在相同条件下进行反应, 制备POP-2和POP-3。
首先将1 mg IgG(或鼠肝蛋白质)、1 mL变性缓冲液(含有8 mol/L尿素和0.1 mol/L碳酸氢铵)和20 μL DTT(50 mmol/L)加入10 mL离心管中, 混合均匀后在60 ℃下孵育1 h。然后加入3.7 mg IAA, 在室温下避光孵育40 min, 用0.1 mol/L三乙铵碳酸氢盐缓冲剂(pH 8.2) 稀释8倍, 并按照1:40的质量比加入胰蛋白酶, 在37 ℃下酶解20 h。酶解后, 采用体积分数为10%的TFA溶液将酶解液的pH值调为2.7。最后用自制C18小柱对酶解液进行固相萃取, 收集到的肽段真空干燥后, 置于-20 ℃冰箱中保存备用。
分别采用1和3 mg材料富集IgG和鼠肝蛋白酶解液中的糖肽。具体过程如下, 首先将9 μg IgG或者100 μg鼠肝蛋白质酶解液分别用200 μL上样液(ACN/H2O/TFA, 88:11.9:0.1, v/v/v)稀释, 加入材料后, 室温震荡10 min, 离心, 除去上清液。然后采用上样液(400 μL×3次)清洗, 以除去非糖肽和其他杂质。接着加入60 μL洗脱液(ACN/H2O/TFA, 30:69.9:0.1, v/v/v), 室温震荡10 min后, 离心, 取上清液进行MALDI-TOF/MS分析。另外, 上清液冷冻干燥后, 加入60 μL含1 000 U PNGase F酶的10 mmol/L pH 8.0 NH4HCO3溶液, 37 ℃下孵育12 h以除去糖基片段。最后去糖基化肽段采用MALDI-TOF/MS或者cLC-MS/MS进行分析。
糖肽富集回收率的测定方法[37]如下:首先将IgG酶解液平均分为两组, 一组进行同位素二甲基轻标, 另一组进行同位素二甲基重标。然后重标肽段根据1.6节所述方法进行糖肽富集, 洗脱液加入到轻标肽段中。所得混合物再次通过1.6节的方法富集糖肽。最后, 洗脱下的糖肽经MALDI-TOF/MS分析。回收率根据重标和轻标肽段的信号强度比进行计算。
MALDI-TOF/MS: DHB(25 g/L)基质溶解在含70%(体积分数, 下同)ACN和1%H3PO4的水溶液中。取0.5 μL IgG富集液点靶, 干燥后, 再取0.5 μL DHB基质点靶。基质干燥后, 进行MALDI-TOF/MS分析。
cLC-MS/MS:冻干后的去糖基化肽段采用0.1%甲酸水溶液复溶, 然后上样至富集柱(2 cm×200 μm i. d., C18AQ填料填充), 最后将所富集肽段洗脱到填充柱(20 cm×75 μm i. d., 3 μm C18AQ填料填充)上进行分离。流动相A(0.1%甲酸水溶液)和流动相B(0.1%甲酸/ACN溶液)用作液相色谱-质谱分析的流动相。梯度洗脱程序:0~5 min, 0~3%B; 5~150 min, 3%B~25%B; 150~160 min, 25%B~35%B; 160~163 min, 35%B~80%B; 80%B保持7 min; 170~173 min, 80%B~100%B; 100%B保持7 min。质荷比设定的扫描范围为300到2 000 Da。在2.0 kV喷雾电压下, 采用阳离子模式, 经碰撞诱导解离(CID)方式采集质谱数据, 其碰撞能量为35%。
所有cLC-MS/MS数据(*.raw文件)均采用Mascot软件(2.3.0版本)进行检索。半胱氨酸的碘代乙酰胺烷基化设定为固定化修饰(57.021 5 Da), 甲硫氨酸的氧化设定为可变修饰(15.994 9 Da), 天冬氨酸的脱氨基化设定为可变修饰(0.984 0 Da)。母离子和碎片离子的质量误差分别为20 ppm(10-6, 下同)和0.8 Da。肽段鉴定的假阳性率不超过1%。
利用FT-IR和CP-MAS 13C NMR对材料的结构信息进行鉴定。图 2为PDI、BTZ和POP-1的FT-IR谱。其中, 2 274 cm-1处的峰信号归属为PDI中的异氰酸酯基团, 3 298 cm-1处的宽峰为BTZ中的一级胺信号, 1 647 cm-1处的峰信号为一级胺和羰基的混合信号。POP-1的FT-IR谱中, 由于反应消耗了一级胺, 3 298 cm-1处的谱带比BTZ中的谱带更窄, 而1 562 cm-1处的峰信号可归属为脲单元中N-H的弯曲振动。一级氨基的减少、异氰酸酯信号的消失以及脲单元的出现表明PDI与BTZ成功地进行了聚合反应。
酰基氨基脲片段可进一步经CP-MAS 13C NMR鉴定。如图 3所示, C1~C6为POP-1上的碳原子, C1′和C2′为BTZ上的碳原子, C3′~C6′为BZ-PDI上的碳原子。由于C1与C1′、C2与C2′、C3与C3′、C4与C4′、C5与C5′、C6与C6′均具有相似的化学环境, 故POP-1中C1~C6的13C NMR信号可以通过BTZ(C1′和C2′)与模型化合物(BZ-PDI, C3′~C6′)相应的13C NMR信号进行归属, 即δC 166.0和156.4 ppm处的碳信号归属为C3和C4, δC 133.5 ppm处的碳信号归属为芳香碳C1和C5, δC 125.4 ppm处的碳信号归属为芳香碳C2。此外, 还可观察到一个较弱的芳香碳信号δC 118.1 ppm, 此信号可归属为芳香碳C6。
TEM和SEM用于表征POP-1的形貌。TEM图(见图 4a和图 4b)显示该材料具有头发状纳米束形貌, 这种形貌与多孔聚脲类材料[22]的形貌类似。SEM图(见图 4c和图 4d)表明材料具有海绵状形貌, 其结构中大孔相互交联, 孔大小从几百纳米到几微米不等。
采用氮气物理吸附/脱附实验评价材料的多孔性。如图 5a所示, 材料的吸附/脱附等温线属于Ⅳ型曲线, 根据BET(Brunauer-Emmett-Teller)模型计算材料的比表面积为166 m2/g。根据脱附曲线的BJH(Barret-Joyner-Halenda)方法得到材料的孔径分布图。该曲线显示聚合物主要含有3.7 nm左右的介孔。另外, 热重分析(TGA)用于评价材料的热稳定性。如图 5b所示, 温度高达250 ℃时, 聚合物依然能够维持95%以上的质量, 这表明材料的热稳定性较好。水接触角试验(46.4°)显示材料具有亲水性质(见图 5c)。
由于POP-1具有亲水性, 因此, 尝试将该材料应用于生物样品中低丰度糖肽的亲水色谱富集(见图 6)。首先, 采用IgG酶解液评价材料对糖肽富集的效果。使用POP-1富集前, 谱图中峰强度较高的信号均为非糖肽, 糖肽几乎无法检测到(见图 6a)。使用POP-1富集后, 非糖肽明显减少, 同时可以检测到19条典型的N-连接糖肽(见图 6b和表 1)。为了验证富集的肽段均为糖肽, 采用糖苷酶进行去糖基化处理。结果发现, 图 6b中糖肽信号全部消失, 而图 6c中仅能见到两条肽段信号(EEQFNS-TFR, m/z 1 158.54;EEQYNSTYR, m/z 1 158.52), 这说明POP-1对IgG中低丰度糖肽具有较高的富集选择性。
稳定同位素二甲基标记法用于测定糖肽富集回收率。平行试验3次, 回收率根据轻标和重标去糖基化肽段的相对强度进行计算, 两条肽段的回收率均大于88%(见表 2), 这说明POP-1是一种理想的糖肽富集材料。图 7a为POP-1对50 fmol和5 fmol IgG酶解液富集后的结果。当采用5 fmol IgG酶解液进行测验时, 经POP-1富集, 仍能够检测到4条糖肽(S/N≥16), 这说明POP-1对IgG中的糖肽具有较高的检测灵敏度。
以鼠肝样品作为实际样品来评价材料对糖肽的富集性能。蛋白质经酶解、材料富集及糖苷酶去糖基化后, 所得样品采用cLC-MS/MS进行质谱分析, 平行试验3次。如表 3所示, 从100 μg蛋白酶解液中共鉴定到1 919个糖肽, 属于605个糖蛋白的1 350个N-糖基化位点, 这表明POP-1对复杂样品中的糖肽具有较高的富集选择性。可以推测, 材料的糖肽富集能力可能与酰基氨基脲片段以及残余的酰肼基团有关。为进一步了解材料与糖肽的相互作用, 通过调节酰肼和异氰酸酯两种官能团的物质的量比设计了材料POP-2和POP-3。两种材料均对IgG酶解液中的糖肽具有较好的富集性能(见图 7b)。同样, 将两种材料应用于鼠肝样品中糖肽的富集, 结果表明, 采用POP-2鉴定的糖基化位点数(糖蛋白数或糖肽数)明显少于POP-1和POP-3鉴定的数目(见表 3)。由于POP-2材料中可能剩余较多的异氰酸酯基团, 采用乙醇清洗材料过程中醇羟基与异氰酸酯反应得到脲烷[38]。与酰肼基团相比, 脲烷与糖肽间的氢键相互作用力较弱, 因而导致其在亲水模式下富集糖肽的能力也相对较弱。
利用BTZ和PDI发生一步聚合反应制备了一种新型的聚酰基氨基脲类有机聚合物。与线性聚酰基氨基脲类材料相比, 本文所报道聚酰基氨基脲类材料具有多孔性(比表面积为166 m2/g)。由于具有聚酰基氨基脲功能基团, 该材料显示了较好的亲水性, 并成功应用于糖肽高选择性、高回收率以及高检测灵敏度的富集。该材料有望应用于复杂生物样品中糖蛋白质组学的规模化分析。