基于高分辨Orbitrap的氢氘交换质谱完整解决方案

Posted 2020-09-22

    蛋白折叠情况：虽然该部分的文献报道不多，但是HDX在蛋白折叠的过程中，不仅可以提供蛋白折叠部位的信息，而且可以反映影响蛋白折叠的因素有哪些，而且蛋白有可能存在哪些不同的折叠状态。还可以反映参与折叠和维持折叠的其它蛋白或者小分子的信息。

    蛋白构象表征：蛋白的结构直接决定了蛋白的功能，因此大概有25%的文献都是有关蛋白构象的表征。主要是通过不同的实验条件下，比如温度、光照、压力、pH、各种后修饰、突变、聚集等条件下，观察蛋白构象的变化，并且和其它分析手段相互补，比如X晶体衍射、NMR、电镜、化学交联等等，使得蛋白的高级信息更加全面和准确。

    蛋白和配体之间的相互作用：蛋白活性和功能的行使大部分情况是通过与其结合的分子来完成，这些分子包括蛋白和脂质，核酸，蛋白以及其他小分子，这部分的内容占到整个发表文献的大概30%，同时这部分工作也和药物的研究和开发紧密相连，包括小分子药物和大分子药物的开发都会涉及到药物和靶点的相互作用。

    蛋白在溶液状态下的动态变化：这部分的工作其实和其它三个应用方向都有不同程度的重叠，比如蛋白的折叠，构象的变化和相互作用的研究，都会不同程度的涉及到蛋白的运动和蛋白的稳定性。

    从实际应用的范畴又可以大致分为工业界生物制药领域中的应用和学术界研究的应用，学术界的应用更加广泛，除了上面的应用分类外，还会有一些针对HDX方法开发和优化的应用，从样品前处理到LC-MS分析到后续的软件分析，都会有相应的文章发表。不过在工业界生物制药领域中的应用，也会涉及到以上四方面的应用，主要是抗体构象的表征，针对抗体上不同的后修饰、突变位点、聚集等因素研究抗体的构象变化。

    在实际应用之前，首先让我们从以下几张图谱看起，蛋白结构的解析就是通过这些图谱来完成的。我们一般要求氘吸收值在1以上，同时也会考虑氘吸收的比例变化率，有时候氘吸收值不到1，但是氘吸收变化的速率较明显时，也需要考虑该肽段在蛋白的高级结构中发生了变化，最重要的是我们还需要对发生变化了肽段再进一步放大，观察该肽段的HDX速率曲线，最终的信息再通过蛋白空间三维结构的模拟，描绘出蛋白高级结构的变化情况。

应用实例
    目前在生物制药领域，一般我们都是在氨基酸序列水平进行样品的分析，在蛋白质高级结构的水平上做的工作并不是很多，但是真正抗体功能的行使是在抗体高级结构的基础上，那么对于抗体上有可能发生的一些后修饰、聚体和氨基酸突变是否影响到抗体的高级结构，以及仿制药在氨基酸一级序列相同的情况下，是否空间结构也完全一致，我们都可以通过氢氘交换质谱来进行验证和确认。
    以抗体Herceptin在氧化诱导下的高级结构变化为例，按照标准的氢氘交换实验流程，在样品被氧化前后，分别进行后续的氢氘标记、猝灭、在线酶解和LC-MS分析，结果如下所示。大部分肽段在氧化后没有发生变化，主要发生变化的肽段在244-255的位置，并且发现其中255位置的氨基酸为甲硫氨酸M，也是比较容易发生氧化的氨基酸，和我们的实验目的设计也是一致的。由此可见氢氘交换质谱可以准确的进行抗体药物的高级结构解析，其它相类似的工作也有很多。

    在科学研究中，应用到氢氘交换的例子就更多了。以下以钙调蛋白为例，在钙离子加入后，蛋白更加的折叠和卷曲，可以发生氢氘交换的氢原子更少，因此完整蛋白水平上的氘吸收下降。

    通过在线酶切后，在肽段水平上，可以发现不同的氨基酸位置的氘吸收速率不同，这些发生了显著变化的位置一般都是暴露在溶液中的氢原子的位置。

    通过以上两个简单的例子可以看到氢氘交换实验的流程还是非常的简单和直接，关键在于找到合适的研究对象，可以很好的阐述一个生物学问题，并且可以同低温冷冻电镜、核磁、X射线衍射等多种检测结果一起进行整合，如下所示，得到更加全面和准确的蛋白空间结构的信息。