蛋白质翻译后修饰分析如何实现了“三步走”

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人体内的蛋白质也具有“千变万化”的本事——几秒钟内就能改变自身“面貌”,提升“战斗力”(活性),行使不同的生物学功能。这就是蛋白质翻译后修饰,爱好生物竞赛的学生党们,你们了解多少呢?

人体内发生的蛋白质翻译后修饰种类超过400种,可以单独或多种同时发生于某个特定时空的蛋白质上,使得人体内蛋白质种类急剧增加,总数超过一亿种。从人体内茫茫蛋白质大海中寻找出来呢?这就需要我们发展蛋白质翻译后修饰规模化分析方法——练就能同时识别成千上万个“真假悟空”的火眼金睛。

  因此,蛋白质翻译后修饰分析实现了“三步走”战略。

生物蛋白质

 第一步:挑出来。

该分析的第一步,是如何将具有某一类特定变化(如磷酸化)的蛋白质从海量的干扰蛋白质中高选择性地“捕获(富集)”出来。这如同天文学家要从茫茫星辰大海中把适合人类居住的行星找出来一样困难。

捕捉修饰蛋白质的任务主要由分析化学家承担,他们设计出了像导弹一样可以选择性追踪并捕获修饰蛋白质的特殊材料,称为“亲和富集材料”。亲和富集材料的优劣体现在两个方面,第一是选择性要高,尽可能减少错误目标的捕获;第二是效率要高,尽可能捕获更多的正确目标。这与材料本身的性质,如比表面积、亲水性、生物兼容性等相关,也与材料上面的“制导系统(选择性富集功能基团)”的化学性质,如亲和力、选择性等相关。

因此,分析化学家在设计和合成修饰蛋白质亲和富集材料时,需要综合运用化学、材料学等多方面知识,极具挑战性。以磷酸化蛋白质富集为例,我国分析化学家在聚合物微球、介孔纳米材料等多种基质材料上,通过化学修饰手段螯合了可以与磷酸化蛋白质上磷酸根选择性结合的金属离子,可以高选择性捕获磷酸化蛋白质,选择性高达90%以上,处于国际领先水平。

 第二步:排好队。

分析的第二步是将捕获到的修饰蛋白质尽可能有序分离,以便后续确定每一个的独特身份。但是,修饰蛋白质乱糟糟地混在一起,如何对它们进行排序呢?这就需要应用分析化学家发明的一项分子排序(分离)技术——液相色谱。

液相色谱将要分离的复杂样品溶解于液体流动相,并高速通过一根填满固定相材料的柱子,因样品中的分子与固定相和流动相的作用力差异,通过柱子的速度各不一样,依次在柱子的出口端按顺序离开。

然而,富集出来的修饰蛋白质种类仍然十分复杂,分析化学家需要设计和组合使用多种液相色谱分离模式对其充分分离。其中,最常用的是离子交换色谱和反相色谱。在修饰蛋白质高分辨色谱分离方面,我国科学家发明了高低pH值二维反相色谱系统等先进技术,对人肝磷酸化蛋白质进行了高效色谱分离。

 第三步:定身份。

这是对色谱柱出口处顺序离开的修饰蛋白质确定身份,包括确定蛋白质种类、翻译后修饰发生的位点等。

在这里,需要使用质谱仪——一种可以对分子称重的高端科学仪器。在宏观世界中,人们可以利用地球万有引力对物体称重。但在微观世界中,分子和原子受到的万有引力非常微小,无法利用常规工具称重。1912年,英国物理学家在研究阴极射线时发明了最初的磁质谱仪,成为微观世界原子和分子质量测量最重要的工具。

修饰蛋白质进入质谱仪后,质谱仪将首先测量其质量,但这还无法确定修饰蛋白质的身份。于是,质谱仪再将修饰蛋白质碰撞为碎片,并对所有碎片称重。由于蛋白质由20余种氨基酸组成,在碎裂时遵守特定规律,不同修饰蛋白质的碎片情况都是特有的。因此,科学家可以根据特定碎片质谱图,确定修饰蛋白质的序列和修饰位点。

通过以上三步,科学家可以在一天内分析检测人体中的数千个修饰蛋白质,这在10几年前是无法想象的。值得一提的是,人体内翻译后修饰蛋白质的种类和数目与人体健康情况密切相关,相关分析技术极有可能在不久后为我们的身体保驾护航。

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