基于液质联用技术的蛋白质-蛋白质相互作用研究进展※

doi:10.6023/A22010055

化学学报 ›› 2022, Vol. 80 ›› Issue (6): 817-826.DOI: 10.6023/A22010055 上一篇下一篇

所属专题：中国科学院青年创新促进会合辑

综述

基于液质联用技术的蛋白质-蛋白质相互作用研究进展^※

陈玉宛^a^,^c, 周雯^a^,^c, 李欣蔚^a^,^b, 杨开广^a^,^*(), 梁振^a, 张丽华^a^,^*(), 张玉奎^a

a 中国科学院大连化学物理研究所中国科学院分离分析化学重点实验室大连 116023
b 大连理工大学张大煜学院大连 116024
c 中国科学院大学北京 100049

发布日期:2022-07-07
通讯作者: 杨开广, 张丽华

作者简介:

陈玉宛, 分析化学硕博连读生, 2017年7月毕业于内蒙古大学化学基地专业, 同年保送至中国科学院大连化学物理研究所, 师从杨开广、张丽华研究员. 主要研究方向为: 蛋白质复合物原位分析新技术新方法.

杨开广, 中国科学院大连化学物理研究所研究员, 博士生导师, 中国蛋白质组学会青年委员会委员; 中国生物材料学会血液净化材料分会委员会委员. 2017年入选第七批中科院“青年创新促进会”会员并获支持, 2021年获中科院“青年创新促进会”优秀会员. 曾承担国家重点研发计划、国家高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金重大仪器专项、国家自然科学基金面上项目等科研项目. 一直从事蛋白质组学新技术新方法的研究.

张丽华, 中国科学院大连化学物理研究所研究员, 博士生导师, 1995年毕业于吉林大学化学系. 同年进入中国科学院大连化学物理研究所攻读博士学位, 师从张玉奎院士. 1999年赴德国国家环境与健康研究中心博士联合培养, 师从A. Kettrup教授. 2000年获得理学博士学位. 2001年~2003年3月, 在日本德岛大学马场嘉信教授研究室做博士后. 2003年4月回中国科学院大连化学物理研究所工作; 2005年晋升为研究员, 课题组长. 获得国家自然科学二等奖、辽宁省自然科学一等奖、中国分析测试协会CAIA一等奖和中国化学会青年化学奖等奖项. 2012年入选科技部“中青年科技创新领军人才”(万人计划). 2017年获国家杰出青年基金项目资助. 主要研究方向为: 蛋白质组定性定量及相互作用新技术新方法研究.

^※ 庆祝中国科学院青年创新促进会十年华诞.

基金资助:
国家重点研发(2020YFE0202200); 国家重点研发(2018YFA0507703); 国家自然科学基金(21874131); 国家自然科学基金(21991082); 中科院大连化学物理研究所创新基金(DICP I202030); 大连市人才创新支持计划(2019CT07); 中科院“青年创新促进会”(Y2021058)

Research Progress of Protein-Protein Interaction Based on Liquid Chromatography Mass Spectrometry^※

Yuwan Chen^a^,^c, Wen Zhou^a^,^c, Xinwei Li^a^,^b, Kaiguang Yang^a(), Zhen Liang^a, Lihua Zhang^a(), Yukui Zhang^a

a CAS Key Laboratory of Separation Science for Analytical Chemistry, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China
b Zhang Dayu School of Chemistry, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
c University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Published:2022-07-07
Contact: Kaiguang Yang, Lihua Zhang
About author:
^※ Dedicated to the 10th anniversary of the Youth Innovation Promotion Association, CAS.
Supported by:
National Key R&D Program of China(2020YFE0202200); National Key R&D Program of China(2018YFA0507703); National Natural Science Foundation of China(21874131); National Natural Science Foundation of China(21991082); Innovative Research Funds of Dalian Institute of Chemical Physics(DICP I202030); Talent innovation support program of Dalian(2019CT07); CAS Youth Innovation Promotion Association(Y2021058)

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摘要/Abstract

蛋白质-蛋白质相互作用调控着细胞内众多生物过程, 蛋白质间相互作用网络的绘制对解析复杂的生物过程至关重要. 面对生物体中复杂的蛋白质-蛋白质相互作用, 液质联用技术不仅具有灵敏度高的鉴定优势, 还可以对数以千计的蛋白质进行定量分析. 因此, 对目标蛋白质进行富集、标记或共分级的处理后, 结合液质联用技术对蛋白质准确而灵敏的鉴定, 这类技术已被广泛应用于复杂样本中蛋白质-蛋白质相互作用网络的解析. 目前基于液质联用技术的几种常用的方式, 包括亲和纯化质谱方法(AP-MS)、近程标记质谱方法(PDB-MS)、化学交联质谱方法(XL-MS)和共分级偶联质谱方法(CF-MS)等. 本综述讨论了这些方法的基本原理、优点和在细胞内解析蛋白质间相互作用的应用.

关键词: 液质联用技术, 蛋白质-蛋白质相互作用, 亲和纯化, 近程标记, 化学交联质谱, 共分级偶联质谱

Protein-protein interactions are involved in the regulation of many biological processes in cells, and the mapping of protein-protein interaction networks is crucial for understanding complex biological processes. Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) can identify and quantify thousands of proteins simultaneously in complex organisms with its high sensitivity and accuracy. Therefore, after the enrichment, labeling or co-fractionation of target proteins, combined with LC-MS technology to identify proteins accurately and sensitively, such techniques have been widely used in the analysis of protein-protein interaction networks in the complex samples. There are LC-MS-based methods for studying protein-protein interactions, including affinity purification mass spectrometry (AP-MS), proximity-dependent biotinylation coupled to mass spectrometry (PDB-MS), chemical cross-linking with mass spectrometry (XL-MS) and co-fractionation mass spectrometry (CF-MS). This review discusses the mechanism, advantages and applications of these methods for the identification towards the protein-protein interactions in cells.

Key words: LC-MS, protein-protein interactions, affinity purification, proximity-dependent labeling, chemical cross-linking with mass spectrometry, co-fractionation mass spectrometry

引用此文

陈玉宛, 周雯, 李欣蔚, 杨开广, 梁振, 张丽华, 张玉奎. 基于液质联用技术的蛋白质-蛋白质相互作用研究进展^※[J]. 化学学报, 2022, 80(6): 817-826.

Yuwan Chen, Wen Zhou, Xinwei Li, Kaiguang Yang, Zhen Liang, Lihua Zhang, Yukui Zhang. Research Progress of Protein-Protein Interaction Based on Liquid Chromatography Mass Spectrometry^※[J]. Acta Chimica Sinica, 2022, 80(6): 817-826.

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图/表 5

Figure 1. Experimental flow chart of liquid chromatography coupled with ESI mass spectrometry (LC-MS/MS) for studying protein-protein interactions. (1) Extraction of protein samples; (2) proteins are hydrolyzed into peptides by trypsin; (3) peptide samples were eluted and ionized in LC-MS/MS; (4) MS1 mass spectra of spot-eluted peptides (5) tandem or MS/MS spectra of partially selected peptides. Reprinted with permission from ref. [6]. Copyright 2003 Springer Nature

图2. 亲和纯化结合质谱技术(AP-MS): (A)培养和收获表达目标蛋白质的细胞(或者组织匀浆细胞), (B)通过靶向蛋白质本身或表位标签亲和纯化蛋白质, (C)洗涤非特异性蛋白质, 获得目标蛋白质, (D)用蛋白酶消化目标蛋白质, (E)液相色谱法分离得到的肽并用质谱法鉴定. 可以并行分析对照组样品(对照组: 与无关蛋白质融合的表位标签表达的细胞), 以鉴定与表位标签或亲和基质相互作用的蛋白质. 已获得文献[9]的转载许可, 版权所有 2012 John Wiley and Sons

Figure 2. Affinity purification mass spectrometry (AP-MS): In a generic AP-MS experiment: (A) Culture and harvesting the cells expressing a protein of interest; (B) purification of the protein by an affinity reagent or an epitope tag; (C) washing nonspecific proteins; (D) digestion of the target protein with the protease; (E) separation by liquid chromatography and identification by mass spectrometry towards the above mentioned resulting peptides. Control experiments (e.g. cells expressing an epitope tag fused to an irrelevant protein) can be analyzed or processed in parallel to identify proteins that interact with the epitope tag or affinity matrix. Reprinted with permission from ref. [9]. Copyright 2012 John Wiley and Sons

Figure 4. Identification of protein-protein interactions by chemical cross-linking with mass spectrometry: identification of targeted protein-protein interactions and identification of large-scale protein-protein interactions. Reprinted with permission from ref. [54]. Copyright 2010 Royal Society of Chemistry

Figure3. Several approaches are based on enzymatic proximity labeling of target proteins. (A) Horseradish peroxidase (HRP)-based method for labeling proximal proteins; (B) the approach for biotin identification (BioID) using a promiscuous biotin ligase fused to a bait protein; (C) engineered ascorbate peroxidase (APEX)-based method for labeling proximity proteins approach. (D) Biotin-labeled Peptide enrichment. (E) LC-MS/MS analysis. Reprinted with permission from ref. [10]. Copyright 2016 Elsevier

基于液质联用技术的蛋白质- 蛋白质相互作用检测方法	蛋白质-蛋白质相互作用的捕获原理	蛋白质-蛋白质相互作用的解析过程	参考文献
亲和纯化质谱(AP-MS)	基于抗体的免疫共沉淀(IP)纯化	通过天然抗体对生物样本中的未修饰的天然蛋白质进行亲和纯化, 结合串联质谱解析内源性蛋白质-蛋白质相互作用.	[9,25⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-35]
亲和纯化质谱(AP-MS)	基于表位标签(Epitope tag)标记的诱饵蛋白的亲和纯化(AP)	通过在宿主生物体中高表达的融合目标蛋白的表位标签, 对目标蛋白进行亲和纯化, 结合串联质谱, 可解析数千种“诱饵蛋白”的相互作用. 通过在宿主生物体中以天然水平表达的融合目标蛋白的串联亲和标签(TAP), 对目标蛋白进行两次亲和纯化, 结合串联质谱, 可实现对天然表达水平的目标蛋白相互作用解析.	[9,25⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-35]
近程标记质谱(PDB-MS)	基于酶催化的近程标记策略(生物素连接酶(BirA*/BioID), 辣根过氧化物酶(HRP)和抗坏血酸的过氧化物酶(APEX)融合的诱饵蛋白)	通过HRP偶联的抗体或HRP融合蛋白表达于宿主细胞或生物体, 在芳基叠氮化物-生物素试剂存在情况下, 标记距离酶约200~300 nm范围内的蛋白质, 对生物素化的蛋白质亲和纯化, 结合串联质谱鉴定蛋白质-蛋白质相互作用.	[10,36⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-51]
		通过混杂的生物素连接酶 BirA*融合诱饵蛋白, 在生物素和ATP存在下标记 (约16~24 h), 对其邻近蛋白质上(约10 nm)的伯胺(例: 赖氨酸侧链)生物素化, 对生物素化的蛋白质亲和纯化, 结合串联质谱鉴定蛋白质-蛋白质相互作用.
		通过工程改造的抗坏血酸过氧化物酶融合蛋白表达于宿主细胞和生物体, 在一定H₂O₂和生物素苯酚的条件下, 催化活细胞中短寿命、高反应性和不透膜自由基(生物素苯酚自由基)的产生, 然后以1 min的时间分辨率对活细胞线粒体内附近(<20 nm)的蛋白质中富电子氨基酸进行生物素化, 对生物素化的蛋白质亲和纯化, 结合串联质谱鉴定蛋白质-蛋白质相互作用.
化学交联质谱(XL-MS)	基于化学交联剂以共价键连接蛋白质的氨基酸残基	通过化学交联剂与空间距离较近的蛋白质残基位点间的化学反应生成新的共价键, 结合串联质谱鉴定交联肽的氨基酸序列和修饰的残基位点, 通过对分子间交联肽的解析鉴定蛋白质-蛋白质间相互作用信息.	[11,52⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-60]
共分级偶联质谱(CF‑MS)	相同生化成分的蛋白质能在色谱中共流, 进而依赖相关算法从蛋白质的共定位和共聚集数据推断蛋白质-蛋白质相互作用	通过分子量/电荷/亲疏水性的差异, 将生物化学/生物物理性质相似的蛋白质在生理状态进行分离, 对每个馏分进行串联质谱鉴定, 通过算法对鉴定结果相似性进行评分(例: 蛋白质定量、质量控制、预处理和洗脱曲线), 最后推断分析蛋白质-蛋白质相互作用.	[61⇓-63]

基于液质联用技术的蛋白质- 蛋白质相互作用检测方法	蛋白质-蛋白质相互作用的捕获原理	蛋白质-蛋白质相互作用的解析过程	参考文献
亲和纯化质谱(AP-MS)	基于抗体的免疫共沉淀(IP)纯化	通过天然抗体对生物样本中的未修饰的天然蛋白质进行亲和纯化, 结合串联质谱解析内源性蛋白质-蛋白质相互作用.	[9,25⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-35]
亲和纯化质谱(AP-MS)	基于表位标签(Epitope tag)标记的诱饵蛋白的亲和纯化(AP)	通过在宿主生物体中高表达的融合目标蛋白的表位标签, 对目标蛋白进行亲和纯化, 结合串联质谱, 可解析数千种“诱饵蛋白”的相互作用. 通过在宿主生物体中以天然水平表达的融合目标蛋白的串联亲和标签(TAP), 对目标蛋白进行两次亲和纯化, 结合串联质谱, 可实现对天然表达水平的目标蛋白相互作用解析.	[9,25⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-35]
近程标记质谱(PDB-MS)	基于酶催化的近程标记策略(生物素连接酶(BirA*/BioID), 辣根过氧化物酶(HRP)和抗坏血酸的过氧化物酶(APEX)融合的诱饵蛋白)	通过HRP偶联的抗体或HRP融合蛋白表达于宿主细胞或生物体, 在芳基叠氮化物-生物素试剂存在情况下, 标记距离酶约200~300 nm范围内的蛋白质, 对生物素化的蛋白质亲和纯化, 结合串联质谱鉴定蛋白质-蛋白质相互作用.	[10,36⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-51]
		通过混杂的生物素连接酶 BirA*融合诱饵蛋白, 在生物素和ATP存在下标记 (约16~24 h), 对其邻近蛋白质上(约10 nm)的伯胺(例: 赖氨酸侧链)生物素化, 对生物素化的蛋白质亲和纯化, 结合串联质谱鉴定蛋白质-蛋白质相互作用.
		通过工程改造的抗坏血酸过氧化物酶融合蛋白表达于宿主细胞和生物体, 在一定H₂O₂和生物素苯酚的条件下, 催化活细胞中短寿命、高反应性和不透膜自由基(生物素苯酚自由基)的产生, 然后以1 min的时间分辨率对活细胞线粒体内附近(<20 nm)的蛋白质中富电子氨基酸进行生物素化, 对生物素化的蛋白质亲和纯化, 结合串联质谱鉴定蛋白质-蛋白质相互作用.
化学交联质谱(XL-MS)	基于化学交联剂以共价键连接蛋白质的氨基酸残基	通过化学交联剂与空间距离较近的蛋白质残基位点间的化学反应生成新的共价键, 结合串联质谱鉴定交联肽的氨基酸序列和修饰的残基位点, 通过对分子间交联肽的解析鉴定蛋白质-蛋白质间相互作用信息.	[11,52⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-60]
共分级偶联质谱(CF‑MS)	相同生化成分的蛋白质能在色谱中共流, 进而依赖相关算法从蛋白质的共定位和共聚集数据推断蛋白质-蛋白质相互作用	通过分子量/电荷/亲疏水性的差异, 将生物化学/生物物理性质相似的蛋白质在生理状态进行分离, 对每个馏分进行串联质谱鉴定, 通过算法对鉴定结果相似性进行评分(例: 蛋白质定量、质量控制、预处理和洗脱曲线), 最后推断分析蛋白质-蛋白质相互作用.	[61⇓-63]

表1. 基于液质联用技术的蛋白质-蛋白质相互作用检测方法、原理及过程

Table 1. LC-MS -based protein-protein interaction detection method, principle and process

表1. 基于液质联用技术的蛋白质-蛋白质相互作用检测方法、原理及过程

Table 1. LC-MS -based protein-protein interaction detection method, principle and process

参考文献 66

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