交联质谱:一个关键球员在结构生物学家的工具箱
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单一蛋白质,蛋白质复合物和蛋白质之间的相互作用是细胞过程的一个基本组件构成生物体的生理功能。结构生物学的地方强调蓝图;如果我们理解和可以解构一个分子或复杂的蓝图,当分子故障,我们可以修复它。
蛋白质结构信息已经收集的科学家几乎完全使用方法如x射线晶体学、核磁共振(NMR)谱——在2018年,89%的蛋白质数据银行条目是由使用核磁共振研究使用x射线晶体学和9%。1
意料之中的是,近年来随着蛋白质组学领域的发展,并行,所以分子的大小和复杂性,科学家们想学习。2最新的结构生物学家的工具箱,交联质谱(XL-MS),帮助研究人员实现这些目标:“一般:“困难”蛋白复合物可以在核磁共振或x射线研究失败,”说安德里亚Sinz,药物化学和Bioanalytics教授查尔斯·斯坦福蛋白质中心(CTP)。这里,我们来看一个简短的基本原则XL-MS之前对该领域的专家是如何被应用。
XL-MS是如何工作的呢?
“在XL-MS,我们使用化学试剂和/或紫外线氨基酸侧链之间形成共价键,“解释道亚历山大•莱特纳博士,高级科学家Aebersold集团在研究所的分子系统生物学。
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在基本层面上,蛋白质是由氨基酸链由肽键连接在一起。非共价债券,如静电和疏水相互作用和范德华力也导致蛋白质结构的不同层次。注意:这些非共价债券难以检测,因此,要求在XL-MS化学试剂。
在基本层面上,蛋白质是由氨基酸链由肽键连接在一起。非共价债券,如静电和疏水相互作用和范德华力也导致蛋白质结构的不同层次。注意:这些非共价债券难以检测,因此,要求在XL-MS化学试剂。
人工债券身体近端氨基酸残基结合,表现得像一个“分子统治者”。一旦这种“统治者”,酶消化的蛋白质/复杂,和样品分析,通常由液体chromatography-tandem质谱(质/ MS)。
“主要的差异之间的交联步骤)(除了女士和女士XL-MS在数据采集和数据分析,因为我们总是看着两个肽连接相互交联,“莱特纳说。“交叉连接告诉我们,两个反应网站接近彼此的空间,在同一蛋白质或不同。通过这种方式,我们可以了解蛋白质和蛋白质复合物的三维的安排,甚至更大的蛋白质网络。”
由于最近的技术进步,存在一系列工作流XL-MS实验,改变交联试剂和生物信息学工具利用余概述和黄2018年全面审查。1
迄今为止,XL-MS几个大总成的结构特征如蛋白酶体,RNA聚合酶和染色质重塑复合物。3“总的来说,我看到XL-MS”的三个主要应用领域,莱特纳的评论。“单一蛋白质,XL数据帮助确定褶皱,”他继续说道,“蛋白复合物,XL是单独使用或与其他生物物理与结构生物学方法研究的体系结构组件,和整个蛋白质网络在整个细胞或细胞溶解产物,可以获得关于交互的见解及其变化在系统级别。”Let's explore these applications further.
综合结构的方法
该领域最近见证了研究人员选择嫁给XL-MS低温电子显微镜(低温电子显微镜)。结果呢?结构生物学的权力。
“主要的差异之间的交联步骤)(除了女士和女士XL-MS在数据采集和数据分析,因为我们总是看着两个肽连接相互交联,“莱特纳说。“交叉连接告诉我们,两个反应网站接近彼此的空间,在同一蛋白质或不同。通过这种方式,我们可以了解蛋白质和蛋白质复合物的三维的安排,甚至更大的蛋白质网络。”
由于最近的技术进步,存在一系列工作流XL-MS实验,改变交联试剂和生物信息学工具利用余概述和黄2018年全面审查。1
迄今为止,XL-MS几个大总成的结构特征如蛋白酶体,RNA聚合酶和染色质重塑复合物。3“总的来说,我看到XL-MS”的三个主要应用领域,莱特纳的评论。“单一蛋白质,XL数据帮助确定褶皱,”他继续说道,“蛋白复合物,XL是单独使用或与其他生物物理与结构生物学方法研究的体系结构组件,和整个蛋白质网络在整个细胞或细胞溶解产物,可以获得关于交互的见解及其变化在系统级别。”Let's explore these applications further.
综合结构的方法
该领域最近见证了研究人员选择嫁给XL-MS低温电子显微镜(低温电子显微镜)。结果呢?结构生物学的权力。
在一个“混合结构的努力”研究集成低温电子显微镜和XL-MS分析,莱特纳和同事Aebersold组中定义的结构和功能之间的相互作用ATP-dependent 1 MDa chaperonin复杂的调节和女伴prefoldin (PFD)。4
研究结果显示的结构和功能基础TRiC-PFD在蛋白质折叠的合作。一个静电作用允许PFD绑定到开放的调节状态,主对齐两个substrate-binding钱伯斯的构象,改变基质环境的化学性质。调节之间的身体接触和PFD是必不可少的有效的proteostasis扰乱这种联系导致PFD呈现有毒和错误折叠淀粉样蛋白总量的积累。研究莱特纳的评论:“这是一个很好的例子为XL-MS如何接口与低温电子显微镜和生化/功能分析来了解大中心工作,在这种情况下褶皱基底。”
研究结果显示的结构和功能基础TRiC-PFD在蛋白质折叠的合作。一个静电作用允许PFD绑定到开放的调节状态,主对齐两个substrate-binding钱伯斯的构象,改变基质环境的化学性质。调节之间的身体接触和PFD是必不可少的有效的proteostasis扰乱这种联系导致PFD呈现有毒和错误折叠淀粉样蛋白总量的积累。研究莱特纳的评论:“这是一个很好的例子为XL-MS如何接口与低温电子显微镜和生化/功能分析来了解大中心工作,在这种情况下褶皱基底。”
推进MS-cleavable cross-linkers
CTP Sinz的实验室的重点是小说的发展MS-cleavable cross-linkers。
CTP Sinz的实验室的重点是小说的发展MS-cleavable cross-linkers。
“non-cleavable之间的区别,可分裂的cross-linkers是信号模式分裂女士给一个独特的签名识别交叉连接当你使用MS-cleavable cross-linkers,“Sinz解释道。
马丁·路德大学的查尔斯·斯坦福蛋白质中心Halle-Wittenberg。该中心致力于蛋白质的研究。图片来源:安德里亚Sinz。
Sinz和他的同事们最近发表他们的蛋白质组宽XL-MS工作流使用MS-cleavable交联剂,disuccinimidyl dibutyric尿素(DBSU)。5、6DBSU包含一个尿素链接器,可以在气相裂解串联女士通过collision-induced离解(CID),允许MS3收购。伴随这部小说工作流,团队升级免费软件工具MeroX 2.0这样它就可以被用来进行完全自动化和可靠的大规模蛋白质XL分析。“使用MS-cleavable cross-linkers真漂亮的乳沟给你签名,和签名研究交叉连接是至关重要的在活的有机体内言论Sinz或整个生物。”
研究人员应用他们的工作流来捕获蛋白质(质子泵抑制剂)在系统水平上的相互作用果蝇胚胎发生maternal-to-zygotic过渡。果蝇胚胎0 - 2岁h是转录沉默,依靠母体RNA和蛋白质中提供卵子发生。这意味着任何过程发生在胚胎基因组转录激活之前是在转录后水平调节:
XL-MS分析的结果用MS-cleavable cross-linkers透露1611 interprotein交联的网站和5825 intraprotein交叉连接的拓扑定义小说在早期蛋白复合物果蝇胚胎发生。质子泵抑制剂”中确定该系统可能援助的理解监管的复杂性在胚胎发育早期,”研究人员指出。
在一个成熟的领域挑战
如前所述,XL-MS扮演了一个重要的角色在最近集成的结构生物学研究。它主要优势与其他技术相比,它容忍范围广泛的缓冲条件下,允许样本异质性,需要少量样品。7尽管如此,总有改进的余地Sinz说:“最大的挑战是在软件开发中。我们需要开发软件工具可以处理复杂的多肽和交联产物混合物。软件开发已经取得了巨大的进步。目前的挑战是让小说试剂和cross-linkers劈得开的质谱仪的自动化分析的签名。”
当然,小说的分析工具已经高度技术性的方法增加了复杂性,莱特纳所承认的:“有一件事可能会令人生畏的新领域的巨大多样性是交联化学,实验协议和软件工具。”He adds, "Almost all specialized labs initially developed their own protocols and software pipelines. One reason for that is the versatility of the method and the diversity of the applications. This makes it difficult for inexperienced users to make proper and objective comparisons and figure out what the best strategy for their particular use case would be."
XL-MS的展望未来
Sinz认为有两种路线XL-MS地平线的:
莱特纳都认同她的想法:“我认为不太可能,一个放之四海而皆准的解决方案将会出现的化学或实验工作流程。所有三个主要焦点领域的进展(蛋白质、复合物、蛋白质组)肯定会继续下去,就像XL-MS的集成与数据从其他来源”。
至于XL-MS的复杂性质,研究人员乐观地认为,结构性的见解通过XL-MS研究将很快获得广泛领域的科学家:“慢,社区是聚在一起进行基准研究和定义报告标准和数据格式。这将为大家增加透明度;它只是一个过程,需要时间,”莱特纳总结道。
马丁·路德大学的查尔斯·斯坦福蛋白质中心Halle-Wittenberg。该中心致力于蛋白质的研究。图片来源:安德里亚Sinz。
Sinz和他的同事们最近发表他们的蛋白质组宽XL-MS工作流使用MS-cleavable交联剂,disuccinimidyl dibutyric尿素(DBSU)。5、6DBSU包含一个尿素链接器,可以在气相裂解串联女士通过collision-induced离解(CID),允许MS3收购。伴随这部小说工作流,团队升级免费软件工具MeroX 2.0这样它就可以被用来进行完全自动化和可靠的大规模蛋白质XL分析。“使用MS-cleavable cross-linkers真漂亮的乳沟给你签名,和签名研究交叉连接是至关重要的在活的有机体内言论Sinz或整个生物。”
研究人员应用他们的工作流来捕获蛋白质(质子泵抑制剂)在系统水平上的相互作用果蝇胚胎发生maternal-to-zygotic过渡。果蝇胚胎0 - 2岁h是转录沉默,依靠母体RNA和蛋白质中提供卵子发生。这意味着任何过程发生在胚胎基因组转录激活之前是在转录后水平调节:
XL-MS分析的结果用MS-cleavable cross-linkers透露1611 interprotein交联的网站和5825 intraprotein交叉连接的拓扑定义小说在早期蛋白复合物果蝇胚胎发生。质子泵抑制剂”中确定该系统可能援助的理解监管的复杂性在胚胎发育早期,”研究人员指出。
在一个成熟的领域挑战
如前所述,XL-MS扮演了一个重要的角色在最近集成的结构生物学研究。它主要优势与其他技术相比,它容忍范围广泛的缓冲条件下,允许样本异质性,需要少量样品。7尽管如此,总有改进的余地Sinz说:“最大的挑战是在软件开发中。我们需要开发软件工具可以处理复杂的多肽和交联产物混合物。软件开发已经取得了巨大的进步。目前的挑战是让小说试剂和cross-linkers劈得开的质谱仪的自动化分析的签名。”
当然,小说的分析工具已经高度技术性的方法增加了复杂性,莱特纳所承认的:“有一件事可能会令人生畏的新领域的巨大多样性是交联化学,实验协议和软件工具。”He adds, "Almost all specialized labs initially developed their own protocols and software pipelines. One reason for that is the versatility of the method and the diversity of the applications. This makes it difficult for inexperienced users to make proper and objective comparisons and figure out what the best strategy for their particular use case would be."
XL-MS的展望未来
Sinz认为有两种路线XL-MS地平线的:
- 应用程序与低温电子显微镜为解决部分,补充蛋白质结构分析非常大的组件或膜蛋白复合物
- 蛋白质相互作用网络的映射系统的水平
莱特纳都认同她的想法:“我认为不太可能,一个放之四海而皆准的解决方案将会出现的化学或实验工作流程。所有三个主要焦点领域的进展(蛋白质、复合物、蛋白质组)肯定会继续下去,就像XL-MS的集成与数据从其他来源”。
至于XL-MS的复杂性质,研究人员乐观地认为,结构性的见解通过XL-MS研究将很快获得广泛领域的科学家:“慢,社区是聚在一起进行基准研究和定义报告标准和数据格式。这将为大家增加透明度;它只是一个过程,需要时间,”莱特纳总结道。
引用:
1。Yu和黄》2018。交联质谱(XL-MS): Interactomics和结构生物学的新兴技术。肛门化学。DOI: 10.1021 / acs.analchem.7b04431。
2。持有》2015。XL-MS:蛋白质交联结合质谱分析。方法。https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2015.06.010。
3所示。莱特纳。2016。交联及其他结构蛋白质组学技术:化学是如何使质谱分析在结构生物学中的应用。皇家化学学会的。
4所示。Gestaut et al . 2019。调节Chaperonin的/有条件现金援助协会通过守恒的静电接口Prefoldin细胞Proteostasis所必需的。细胞。DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.03.012。
5。迈克尔•格策克劳迪奥·雅克布奇,基督教h . Ihling和安德里亚Sinz》2019。一个简单的交联/质谱分析研究工作流系统范围的蛋白质相互作用。肛门化学。https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b02372。
6。Iacobucci et al . 2018。交联/质谱分析工作流基于MS-cleavable cross-linkers和MeroX软件为研究蛋白质结构和蛋白质的相互作用。自然的协议。DOI: 10.1038 / s41596 - 018 - 0068 - 8。
7所示。弗朗西斯·j . O ' reilly,想把它们做为Rappsilber。交联质谱:方法和应用程序在结构、分子生物学和系统。自然结构和分子生物学。DOI: https://doi.org/10.1038/s41594 - 018 - 0147 - 0。
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