本文選題：生物質(zhì)譜 + 蛋白質(zhì)N-糖基化修飾　； 參考：《復(fù)旦大學(xué)》2012年博士論文

【摘要】：本論文研究內(nèi)容涉及分析化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)等二級學(xué)科,屬交叉學(xué)科研究領(lǐng)域。主要在生物質(zhì)譜技術(shù)的基礎(chǔ)上,發(fā)展針對蛋白質(zhì)N型糖基化修飾定性與定量研究的創(chuàng)新性技術(shù)與方法,以準(zhǔn)確、高效地揭示蛋白質(zhì)N-糖基化修飾的多方面信息,包括糖蛋白／糖肽、糖基化位點、糖鏈等。 糖基化修飾是生命活動中最廣泛、最復(fù)雜、也是最重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾之一,不僅影響著蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象、生物活性、運(yùn)輸和定位,而且在分子識別、細(xì)胞通信、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等特定生物過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。糖蛋白根據(jù)其糖鏈結(jié)構(gòu)及糖基化位點的不同可分為三大類：N-糖蛋白、O-糖蛋白和GPI錨定蛋白,其中又以N-糖蛋白分布最為廣泛。據(jù)推斷,有超過50%的蛋白質(zhì)都發(fā)生了糖基化修飾,但是現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中只有約10%的蛋白質(zhì)被注釋為糖蛋白,說明絕大多數(shù)糖蛋白尚未被發(fā)現(xiàn)。糖基化研究仍處于起步階段,缺乏高效的、成熟的技術(shù)手段。在后基因組時代,基于對蛋白質(zhì)高通量、系統(tǒng)性研究的蛋白質(zhì)組學(xué)迅速興起。而以軟電離為基礎(chǔ)的生物質(zhì)譜技術(shù)為蛋白質(zhì)組學(xué)的快速發(fā)展提供了有力工具。近年來,生物質(zhì)譜技術(shù)同樣被應(yīng)用于糖基化修飾的研究,主要包括糖基化位點的鑒定和糖鏈結(jié)構(gòu)的解析等方面,而針對糖蛋白/糖鏈進(jìn)行大規(guī)模研究的糖蛋白質(zhì)組學(xué)和糖組學(xué)也隨之應(yīng)運(yùn)而生。然而,糖鏈屬非模板合成,其結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜且呈二維結(jié)構(gòu),同時糖鏈離子化效率低、同分異構(gòu)體多,在質(zhì)譜分析上仍存在諸多技術(shù)瓶頸�？梢�,糖基化領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展亟待方法學(xué)上的新突破。 本論文以生物質(zhì)譜技術(shù)為基礎(chǔ),從定性研究和定量研究兩方面,發(fā)展了針對蛋白質(zhì)N-糖基化修飾研究的新技術(shù)與新方法,致力于建立高效、實用的糖基化解析策略,解決當(dāng)今糖蛋白質(zhì)組學(xué)與糖組學(xué)所面臨的技術(shù)難題。本論文工作的主要貢獻(xiàn)如下： (1)成功將糖苷內(nèi)切酶(Endo)應(yīng)用于大規(guī)模、高通量的N-糖基化位點質(zhì)譜鑒定,與傳統(tǒng)的肽N-糖酰胺酶(PNGase)形成互補(bǔ),并利用這兩種酶切路線,從大鼠肝臟組織中鑒定到大量尚未被發(fā)現(xiàn)或證實的N-糖基化位點； (2)首次發(fā)現(xiàn)Endo酶促N-糖18O標(biāo)記反應(yīng),并基于此反應(yīng)發(fā)展了酶促糖鏈還原末端18O標(biāo)記GREOL技術(shù),有效用于糖鏈的質(zhì)譜相對定量,彌補(bǔ)了定量糖組學(xué)領(lǐng)域的一項技術(shù)空白； (3)通過條件優(yōu)化,首次實現(xiàn)了PNGase酶促N-糖鏈的完全18O標(biāo)記,并基于此反應(yīng)創(chuàng)新性地發(fā)展了酶促18O4標(biāo)記技術(shù),成功用于糖鏈、糖肽、非糖肽的一步定量分析,在一次實驗中實現(xiàn)了蛋白質(zhì)N-糖基化的全方位定量解析； (4)發(fā)展了硼氫化鈉輔助的酶促N-糖鏈墻18O技術(shù)與18O+D雙標(biāo)記技術(shù),不僅大大增加了酶促糖鏈18O標(biāo)記的穩(wěn)定性,更通過雙標(biāo)記使糖鏈質(zhì)量差異增加到3Da,大大降低了同位素峰重疊效應(yīng)的影響。 針對上述幾點,本論文分別從以下幾方面進(jìn)行了闡述： 基于糖苷內(nèi)切酶(Endo)與肽N-糖酰胺酶(PNGase)互補(bǔ)的大規(guī)模N-糖基化位點鑒定： 蛋白質(zhì)糖基化位點的大規(guī)模鑒定是糖蛋白質(zhì)組學(xué)定性研究的重要內(nèi)容。PNGase F是目前普遍使用的鑒定N-糖基化位點的酶,該酶會使N-糖基化位點的天冬酰胺去氨基化并發(fā)生+0.98Da的質(zhì)量變化,以此作為標(biāo)簽,即可質(zhì)譜鑒定糖基化位點。然而,高通量、高效率的質(zhì)譜分析難以兼顧靈敏度與分辨率,這使得0.98Da質(zhì)量差異的精確分辨在大規(guī)模的LC-MS分析中難以得到保證。同時,天冬酰胺與天冬氨酸之間自然相互轉(zhuǎn)換也時有發(fā)生,影響了糖基化位點鑒定的可信度。與PNGase F不同,Endo酶切糖鏈后在糖基化位點上保留最后一個GlcNAc,形成203Da質(zhì)量差異,以此為標(biāo)簽,鑒定的準(zhǔn)確性大大提高。然而,目前Endo尚被應(yīng)用于大規(guī)模的糖基化位點鑒定。 本論文將Endo H與傳統(tǒng)PNGase F結(jié)合對大鼠肝臟組織的高甘露糖型和雜合型N-糖基化進(jìn)行大規(guī)模位點鑒定,成功將Endo H應(yīng)用于高通量、大規(guī)模的N-糖基化位點鑒定。利用凝集素Con A親和富集、兩種切糖酶酶切、LC-MS/MS檢測分析的路線,共從大鼠肝臟組織中鑒定到1063個非冗余的高甘露糖型與雜合型N-糖基化位點及相應(yīng)560個非冗余的N-糖蛋白,其中大部分N-糖基化位點為首次發(fā)現(xiàn),為大鼠蛋白數(shù)據(jù)庫提供了大量新的糖基化修飾信息。該部分的研究意義與創(chuàng)新性如下：(1)首次將Endo用于大規(guī)模的N-糖基化位點鑒定,證明了Endo應(yīng)用于高通量糖蛋白質(zhì)組學(xué)研究的可行性；(2)將PNGase F與Endo H兩種酶切技術(shù)路線獲得的結(jié)果相結(jié)合,得到了更大的N-糖基化位點數(shù)據(jù)集,其中包括大量尚未在大鼠中發(fā)現(xiàn)的N-糖基化位點與N-糖蛋白,顯示了兩種酶的非交蓋性與互補(bǔ)性；(3)Endo酶切方法不僅提供了糖基化位點的糖鏈亞型結(jié)構(gòu),還提供了糖基化位點的核心巖藻糖信息,對糖基化位點特異性與不均一性研究、核心巖藻糖化糖蛋白研究都具有重要意義；(4)對Endo與PNGase兩類酶在位點鑒定中的不同優(yōu)勢與特點進(jìn)行了深入分析與討論,簡而言之,PNGase可以獲得更多的鑒定結(jié)果,而Endo獲得的結(jié)果可信度更高；(5)分析了Endo酶切方法存在的問題與不足,為進(jìn)一步的深入優(yōu)化與改進(jìn)提供了方向。 糖苷內(nèi)切酶(Endo)催化N-糖鏈18O標(biāo)記及其在定量糖組學(xué)中的應(yīng)用： 隨著糖蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展,針對蛋白質(zhì)糖基化修飾的相對定量研究受到越來越多的關(guān)注,對探索生理病理過程中糖基化修飾的變化、尋找潛在的疾病標(biāo)志物具有重要意義。高通量的糖鏈定量即定量糖組學(xué),致力于研究不同生理病理條件下的復(fù)雜樣本中糖鏈在結(jié)構(gòu)類型、組成以及連接、構(gòu)象精細(xì)結(jié)構(gòu)上的相對量的變化。與定量蛋白質(zhì)組學(xué)類似,基于質(zhì)譜的穩(wěn)定同位素標(biāo)記也是定量糖組學(xué)研究的有效手段和發(fā)展方向,目前建立的標(biāo)記技術(shù)包括還原末端標(biāo)記、全甲基化標(biāo)記和代謝標(biāo)記。酶促18O標(biāo)記是定量蛋白質(zhì)組學(xué)中一項重要的標(biāo)記定量技術(shù)。酶促’8O標(biāo)記的最大優(yōu)勢在于其成本低廉、操作簡單、標(biāo)記效率高,因為標(biāo)記反應(yīng)在酶解過程中進(jìn)行,除H218O外,不涉及任何額外的反應(yīng)試劑,沒有額外的反應(yīng)步驟,也不會產(chǎn)生副反應(yīng)。然而,酶促18O標(biāo)記在定量糖組學(xué)領(lǐng)域仍是一項空白。 而在使用Endo進(jìn)行進(jìn)一步的研究工作時我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)在H218O中進(jìn)行Endo酶切時,釋放的N-糖鏈還原末端會被穩(wěn)定地標(biāo)記上一個18O原子�；诖朔磻�(yīng),本論文發(fā)展了酶促糖鏈還原末端18O標(biāo)記GREOL (glycan reducing-end18O labeling)技術(shù),并創(chuàng)新性地建立了酶促糖鏈同位素標(biāo)記定量策略。Endo酶促反應(yīng)使所有酶切釋放的N-糖鏈都可以穩(wěn)定、完全地標(biāo)記上一個18O原子,且適用于所有Endo亞型。而基于該反應(yīng)的GREOL技術(shù)經(jīng)質(zhì)譜分析與去卷積修正后,在至少兩個數(shù)量級范圍內(nèi)顯示出良好的線性與重復(fù)性,及較高的檢測靈敏度,可有效應(yīng)用于定量糖組學(xué)。利用該技術(shù)的特點,我們還實現(xiàn)了一些分子量相同而結(jié)構(gòu)類型不同的N-糖鏈同分異構(gòu)體之間的定量分辨。為了進(jìn)一步證明GREOL相對定量在復(fù)雜生物樣品中的可靠性,我們還將該技術(shù)應(yīng)用于肝細(xì)胞肝癌相關(guān)定量血清糖組學(xué)研究。該部分的研究意義與創(chuàng)新性如下：(1)首次發(fā)現(xiàn)在H218O反應(yīng)體系中,Endo在酶切釋放N-糖鏈的同時,穩(wěn)定地在N-糖鏈還原末端引入一個18O原子,標(biāo)記效率為100%；(2)基于該反應(yīng),建立了酶促同位素18O標(biāo)記定量的GREOL技術(shù),首次將酶促同位素標(biāo)記應(yīng)用于糖鏈的質(zhì)譜相對定量,彌補(bǔ)了定量糖組學(xué)領(lǐng)域的一項空白；(3)深入探討了Endo酶促18O標(biāo)記的反應(yīng)機(jī)理,并建立了針對該標(biāo)記的質(zhì)譜數(shù)據(jù)去卷積修正方法,最大程度地避免同位素峰重疊造成的影響,使GREOL定量展示出良好的線性、重復(fù)性和靈敏度；(4)利用GREOL技術(shù),首次實現(xiàn)了一些N-糖鏈同分異構(gòu)體的定量分辨,使相對定量不再局限于相同結(jié)構(gòu)的糖鏈之間,為定量糖組學(xué)研究提供了嶄新的視角；(5)利用GREOL技術(shù),發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞肝癌相關(guān)的血清N-糖鏈中,雙鏈復(fù)雜型糖鏈、平分型GlcNAc結(jié)構(gòu)水平、唾液酸水平均呈上調(diào)趨勢,提示肝癌的發(fā)生發(fā)展同這些結(jié)構(gòu)的定量改變關(guān)系密切,為進(jìn)一步的功能研究、尋找潛在的診斷標(biāo)志物奠定了基礎(chǔ)。 肽N-糖酰胺酶(PNGase)催化的一步18O4標(biāo)記及其在蛋白質(zhì)N-糖基化定量研究中的應(yīng)用： 與Endo相比,傳統(tǒng)PNGase酶切的是糖鏈末端與糖基化位點間的酰胺鍵,其反應(yīng)機(jī)制與糖苷酶完全不同。PNGase首先特異性識別并水解糖鏈還原末端GlcNAc與位點Asn之間羰基與氨基形成的共價鍵,將Asn水解為Asp；然后,末端為氨基的糖鏈部分(糖胺)釋放,再在溶液中進(jìn)一步水解去氨基化,形成末端為羥基的糖鏈。由于PNGase在糖基化修飾研究領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛,我們曾嘗試PNGase催化糖鏈18O標(biāo)記的可能性。但研究結(jié)果表明,由于去氨基化反應(yīng)本身是可逆的,即使溶液不含氨,糖胺水解后產(chǎn)生的氨仍會在一定程度上阻止去氨基化的完全發(fā)生,溶液中仍會保留大量糖胺。剩余的糖胺在之后的純化過程當(dāng)中發(fā)生進(jìn)一步水解,而純化過程中大量使用的普通H216O會使這部分糖鏈帶上16O,造成相當(dāng)數(shù)量的糖鏈被標(biāo)記為16O,無法用于相對定量。 本論文通過進(jìn)一步改變PNGase酶切后溶液的pH值,發(fā)現(xiàn)在酸性條件下,糖胺去氨基化可以完全發(fā)生,徹底轉(zhuǎn)變?yōu)槟┒藶榱u基的N-糖鏈�；诖爽F(xiàn)象,我們在H218O配置的緩沖溶液中進(jìn)行PNGase酶切,并將酶切后溶液的pH調(diào)至酸性,最終實現(xiàn)了PNGase催化下N-糖鏈的完全18O標(biāo)記。在經(jīng)質(zhì)譜分析及去卷積修正后,該方法在兩個數(shù)量級范圍內(nèi)同樣表現(xiàn)出良好的線性與重復(fù)性。基于此,我們進(jìn)一步將PNGasr F酶促糖鏈18O標(biāo)記、位點18O標(biāo)記和trypsin酶促肽段18O2標(biāo)記結(jié)合,創(chuàng)造性地發(fā)展了18O4標(biāo)記,在一次實驗中同時實現(xiàn)糖鏈、糖基化位點和糖肽的相對定量。我們將該技術(shù)應(yīng)用于肝細(xì)胞肝癌相關(guān)血清IgG蛋白的糖基化定量研究,發(fā)現(xiàn)了與肝癌相關(guān)的IgG糖肽、糖基化位點和N-糖鏈的定量改變。18O4標(biāo)記策略實現(xiàn)了糖蛋白質(zhì)組學(xué)與糖組學(xué)的一步定量,極大地促進(jìn)了這兩個領(lǐng)域的發(fā)展與融合。該部分的研究意義與創(chuàng)新性如下：(1)通過使糖胺徹底水解,首次實現(xiàn)了PNGase酶促N-糖鏈還原末端180標(biāo)記反應(yīng),標(biāo)記效率幾乎為100%；(2)考察了該標(biāo)記技術(shù)用于糖鏈相對定量的準(zhǔn)確性、線性、重復(fù)性,并探討了該技術(shù)與GREOL的互補(bǔ)性；(3)建立了酶促1804標(biāo)記定量技術(shù),實現(xiàn)一步到位的糖鏈18O標(biāo)記、糖基化位點18O標(biāo)記和肽段18O2標(biāo)記,用于糖鏈、糖肽/糖基化位點、非糖肽/蛋白的同時定量；(4)利用18O4標(biāo)記定量技術(shù)對肝細(xì)胞肝癌相關(guān)血清IgG進(jìn)行了N-糖基化定量研究,并發(fā)現(xiàn)糖肽與糖蛋白水平并未發(fā)生明顯變化,而糖鏈卻呈現(xiàn)諸多改變,其中雙鏈和含平分型GlcNAc的糖鏈明顯增多,而單鏈的糖鏈明顯減少,說明蛋白部分與糖鏈部分的定量改變并不一致,這為進(jìn)一步的研究和潛在診斷標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。 硼氫化鈉輔助的酶促N-糖鏈18O標(biāo)記技術(shù)與雙同位素標(biāo)記技術(shù)： 本論文發(fā)展了兩種酶促糖鏈18O標(biāo)記技術(shù),但這些反應(yīng)僅能在糖鏈上標(biāo)記一個18O原子,形成較小的2Da分子量差異,在質(zhì)譜分析中易造成較為嚴(yán)重的同位素峰重疊現(xiàn)象。雖然該現(xiàn)象可以通過去卷積修正計算最大限度地避免,但這還是增加了定量分析的工作量,并且兩組樣品需先分別檢測后,才能混合檢測,由此造成的操作誤差也會比較大。除此之外,標(biāo)記后糖鏈上的18O仍會同普通水中的16O發(fā)生緩慢交換,造成長時間在普通水中儲存的標(biāo)記糖鏈摻入大量的16O標(biāo)記,使定量效果大大折扣。 為了解決上述問題,本論文進(jìn)一步發(fā)展了硼氫化鈉輔助的酶促18O標(biāo)記技術(shù)與’8O+D雙標(biāo)記技術(shù),即在酶促糖鏈18O標(biāo)記反應(yīng)完成后,向反應(yīng)體系中加入氘代硼氫化鈉,使糖鏈還原末端發(fā)生還原,半縮醛斷開、加氫,形成糖醇結(jié)構(gòu),并標(biāo)記上一個氘原子。而還原后的糖鏈不再含有還原末端,也不會再同溶液中的氧原子發(fā)生任何交換,使18O標(biāo)記更加穩(wěn)定。同時,標(biāo)記的氘原子使兩組樣品的分子量差異擴(kuò)大到3Da,大大降低了同位素峰的重疊程度,使糖鏈酶促定量分析更加簡單、可靠。我們通過實驗考查了該方法的標(biāo)記穩(wěn)定性與同位素峰重疊性,均取得了很好的效果。通過氘代硼氫化鈉的輔助標(biāo)記,我們改進(jìn)了N-糖鏈的酶促18O標(biāo)記技術(shù),進(jìn)一步推動了該技術(shù)在定量糖組學(xué)中的廣泛應(yīng)用。該部分的研究意義與創(chuàng)新性如下：(1)通過在糖鏈酶促16O/18O標(biāo)記后引入NaBH4/NaBD4,使糖鏈末端還原為糖醇,并證明了在糖鏈還原之后,16O/18O標(biāo)記更加穩(wěn)定；(2)發(fā)現(xiàn)NaBH4/NaBD4處理可在糖鏈末端引入一個穩(wěn)定的H/D,使16O/18O標(biāo)記糖鏈的質(zhì)量差異變?yōu)?Da,實現(xiàn)了16O+H718O+D雙標(biāo)記技術(shù),避免了同位素峰重疊效應(yīng)；(3)發(fā)展了快速還原、加氫方法,整個處理流程僅需數(shù)小時,僅涉及硼氫化鈉一種試劑,使糖鏈酶促18O標(biāo)記實現(xiàn)改進(jìn)的同時,該技術(shù)簡單、快速、高效的優(yōu)勢也得以保留。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：R341

【引證文獻(xiàn)】

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1 支艷艷;唱韶紅;鞏新;宋西勇;吳軍;劉波;;Endo-H在畢赤酵母中的表達(dá)、純化及其在N-糖基化分析中的應(yīng)用[J];軍事醫(yī)學(xué);2014年03期

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本文編號：2104672