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用戶文章:結(jié)合質(zhì)譜蛋白質(zhì)測序解碼蛋白質(zhì)糖基化_abio生物試劑品牌網(wǎng)

abiopp6個月前 (05-30)技術(shù)61
糖蛋白占人類蛋白質(zhì)和大多數(shù)生物制藥產(chǎn)物的50%以上,蛋白質(zhì)糖基化作為最廣泛和最復(fù)雜的翻譯后修飾(PTM)之一,對調(diào)節(jié)各種生物過程至關(guān)重要。糖蛋白序列的綜合分析,包括糖基化位點和相關(guān)聚糖結(jié)構(gòu)的深度剖析,是糖蛋白功能研究的關(guān)鍵。液相色譜-質(zhì)譜法(LC-MS/MS)已成為蛋白質(zhì)鑒定和翻譯后修飾發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)大工具。與糖蛋白質(zhì)組學(xué)中廣泛使用的數(shù)據(jù)庫搜索的策略不同,蛋白質(zhì)從頭測序無需事先了解DNA/氨基酸序列,用于未知蛋白的序列測定。然而,多糖基化位點的復(fù)雜性通常會使得質(zhì)譜很難獲得信息豐富的糖肽碎片離子,導(dǎo)致序列覆蓋不完整和游離寡糖修飾譜不明確,從而影響從頭測序的準(zhǔn)確性。
2025年初,上海藥物研究所的周虎研究員和文留青研究員聯(lián)合在Analytical Chemistry期刊聯(lián)合發(fā)表了一種結(jié)合質(zhì)譜蛋白質(zhì)從頭測序技術(shù)解碼未知糖蛋白的新方法:Decoding Protein Glycosylation by an Integrative Mass Spectrometry-Based De Novo Sequencing Strategy,方案設(shè)計見圖1。Fetuin-A(UniProt Accession no.P12763)是一種含有唾液酸化N糖和O糖的常用模型糖蛋白,作者首先基于Fetuin-A,用糖苷酶切除糖鏈后采集質(zhì)譜數(shù)據(jù),使用PEAKS? AB完成蛋白質(zhì)序列的自動組裝,建立了糖蛋白的從頭測序方法,可獲得去糖基化蛋白的一級序列。接下來,使用高度復(fù)雜的糖基化蛋白藥物依那西普來驗證該方法的性能。隨后,作者應(yīng)用該方法鑒定了三種未知 TNFR:Fc 融合生物制劑的氨基酸序列,以探索它們與原研藥物依那西普的相似性。并且,從N糖基化位點、游離糖、糖蛋白亞單位、糖肽的多個層面進(jìn)行了深度糖基化表征,以精確定位 N?/ O-糖基化。該方法彌合了從頭測序和糖基化修飾分析之間的差距,提供了有關(guān)糖蛋白一級結(jié)構(gòu)和糖基化修飾的全面信息,在基礎(chǔ)研究和生物制藥行業(yè)均具有實用價值。
圖1 方案設(shè)計示意圖
方法與結(jié)果

糖蛋白從頭測序方法開發(fā)
使用PNGase F和O-糖苷酶 EngEF 分別去除Fetuin A上的 N糖和O糖,然后通過Intact Mass驗證糖基化切除效果。去除聚糖后,大多數(shù)酶切的序列覆蓋率顯著提高,chymotrypsin、Glu-C、pepsin和trypsin的序列覆蓋率均可達(dá)到90% 以上。考慮到不同酶切位點的互補(bǔ)性,后續(xù)將LysC、Elestase、chymotrypsin、Glu-C、pepsin和trypsin6種酶結(jié)合使用,結(jié)果如預(yù)期,去糖后的序列可信度進(jìn)一步提升。去除糖基后,糖肽骨架的鑒定更可靠,PEAKS? AB可直觀展示切糖前后的序列覆蓋情況(圖2) 圖2 PEAKS ? AB序列覆蓋圖
獲得足夠豐富的多肽碎片離子對于揭示蛋白質(zhì)相鄰氨基酸的序列至關(guān)重要。EThcD碎裂可顯著增加MS/MS譜圖中豐富的碎片離子,有利于多肽序列和翻譯后修飾的鑒定,因此作者評估了EThcD碎裂方法與常用的階梯式HCD碎裂方法。結(jié)果表明,盡管de novo候選肽的總數(shù)少于HCD 方法,但 EThcd在肽序列長度(圖 3B)和譜圖質(zhì)量(圖 3C)方面更優(yōu),EThcD譜中較長的多肽對于蛋白質(zhì)序列的組裝有利(圖3D-E)。更重要的是,考慮到測序準(zhǔn)確度,EThcD方法的平均序列準(zhǔn)確度高達(dá)98.3%的,而HCD的平均準(zhǔn)確度為95.8%且包含1個gap(圖3F)。
圖3 Fetuin A蛋白測序實驗方法比較
蛋白質(zhì)測序中,Ile-Leu(I-L)和Asn-Asp(N-D)的確證往往需要更多的譜圖信息。PNGase F切除N糖后,會將糖基化Asn殘基轉(zhuǎn)化為Asp,EThcD和HCD均可較好的鑒定出來。N-糖基化的Asn殘基可以通過18O標(biāo)記的肽圖分析法以及基于糖苷酶的方法進(jìn)行確定。值得注意的是,EThcD 方法在Leu/Ile測定方面具備獨特的優(yōu)勢,利用EThcD譜圖中w離子與z離子的質(zhì)量差(Leu,-43.05 Da;Ile,-29.04 Da),可明確鑒定蛋白序列中的I和L(例如肽 DIEIDTLETTCH,圖4)。

綜合以上結(jié)果,作者明確了蛋白質(zhì)測序的基本實驗方法,即切糖與EThCD采集方法結(jié)合。
圖4 EThcD示例肽段
依那西普從頭測序
為了測試前述蛋白質(zhì)從頭測序方法的穩(wěn)健性并證明在高度糖基化生物制藥中的應(yīng)用效果,作者對已上市的治療性Fc融合蛋白原藥依那西普進(jìn)行從頭測序。作為最復(fù)雜的高度糖基化Fc 融合生物藥物之一,依那西普具有至少3個N-和13個O-糖基化位點。對依那西普切除糖基化后,通過 EThcD 碎裂方法獲得MS/MS譜圖,用PEAKS? AB完成蛋白質(zhì)自動測序。三個重復(fù)樣本的測序結(jié)果的覆蓋度均達(dá)到98.93%,準(zhǔn)確度為99.57-100%(表 1)。同時,不切糖的常規(guī)策略無法完成序列組裝,可能是因為高度糖基化導(dǎo)致MS/MS譜過于復(fù)雜,形成的序列g(shù)ap較多,無法通過從頭測序算法和多酶酶切的方法解決(圖 5)。且未覆蓋的區(qū)域位于鉸鏈區(qū),這在人類蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫中是不存在的,這表明使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫搜索方法推斷高度糖基化蛋白的全長一級序列具有挑戰(zhàn)性。總之,本研究方法能夠?qū)μ堑鞍走M(jìn)行從頭測序,并實現(xiàn)糖基化修飾區(qū)域的深度覆蓋。
表1 依那西普切糖測序重復(fù)性 圖5 不切糖的依那西普多酶酶切   未知TNFR:Fc融合生物制劑的從頭測序
應(yīng)用上述方法對三種依那西普的生物仿制藥TNFR:Fc融合生物制劑進(jìn)行測序。Intact Mass結(jié)果顯示,TNFR:Fc 2和TNFR:Fc 3與依那西普存在細(xì)微差異,而TNFR:Fc 1的完整質(zhì)量與依那西普相同。與之對應(yīng),這三個生物制劑的測序結(jié)果顯示,有三個氨基酸存在差異,即M174R(在TNFR片段中), E376D 和M378L(均在 Fc片段中)(圖 6A),對應(yīng)于變異位點的 MS/MS譜圖碎片離子質(zhì)量均較高(圖 6B-E)。此外,蛋白質(zhì)序列的差異與完整的蛋白質(zhì)質(zhì)量一致(圖 6F-G)。M174R上的序列變異是人TNFR 2編碼區(qū)的多態(tài)性導(dǎo)致的,根據(jù)報道,應(yīng)該與多囊卵巢綜合征、高雄激素血癥和系統(tǒng)性紅斑狼瘡有關(guān)。同樣,在市售的TNF 2受體-Fc 融合蛋白產(chǎn)品中也報道了Fc片段的E376D和M378L突變。我們使用 PEAKS? AB軟件的Sequence Validation工作流驗證了三個TNFR:Fc融合生物制劑蛋白序列。~99%的序列的可信度>85%,且每條肽段均有多張譜圖支持。因此,該結(jié)果證實了從頭測序結(jié)果的高精度。 圖6 未知TNFR:Fc融合蛋白測序
TNFR:Fc融合生物制劑的N-/O-糖基化分析
作者從N-糖基化位點鑒定、游離糖、糖蛋白亞基和糖肽多個水平對TNFR:Fc融合制劑進(jìn)行了全面的N和O糖基化剖析。首先通過18O標(biāo)記對N糖基化位點進(jìn)行定量(圖7A)。通過計算18O位點所在肽段的強(qiáng)度,在四個TNFR:Fc 融合蛋白樣品中篩選出三個N-糖基化位點(N149、N171 和 N317)(圖 7B),這三個N糖基化位點與依那西普中已知的N糖基化位點完全匹配。此外,作者通過內(nèi)切糖苷酶混合物(Endo CC、Endo S 和 Endo H)部分裂解 N糖,產(chǎn)生帶有"GlcNAc"/"GlcNAc?Fuc" 的N位點碎片,以確認(rèn)N-糖基化位點的鑒定結(jié)果(圖 7A、C)。使用酶切特異性更廣的糖苷酶混合物,對N糖鏈進(jìn)行充分切割,結(jié)果與18O標(biāo)記高度一致(圖 7D)。這些結(jié)果均可用于驗證從頭測序結(jié)果中的Asn或Asp。 圖7 N糖基化位點鑒定
為了在整個蛋白質(zhì)水平上確定N糖的含量和結(jié)構(gòu),作者又用2-AB標(biāo)記對酶促釋放的N糖進(jìn)行衍生化,然后通過UPLC-HILIC-FLR-MS 進(jìn)行熒光和質(zhì)譜檢測。依那西普釋放的N糖中,最豐富的峰是 F(6)G2F(雙天線,核心巖藻糖基化,具有兩個末端半乳糖),其次是 F(6)G0F(雙天線,核心巖藻糖基化,無末端半乳糖殘基),G2(雙天線,具有兩個末端半乳糖殘基),以及 F(6)G1F(雙天線,核巖藻糖基化,帶有一個末端半乳糖殘基)(圖 8A)。三種TNFR:Fc融合生物制劑的結(jié)果與依那西普相似。然后,作者去除O糖和唾液酸,在亞基水平上評估了N糖的不同糖型。依那西普/TNFR:Fc 1的TNFR片段處豐度最高的糖型為G2 和 G2F(圖 8B)。而TNFR:Fc 3的TNFR片段除了主要糖型G2和G2F外,還包含許多G1F(圖 8C)。另一方面,盡管觀察到微小程度的賴氨酸丟失修飾,但在四個樣品中,F(xiàn)c片段處最突出的糖型均為G0F和G1F。

為了降低糖肽的復(fù)雜性和可變性,提高糖肽的酶切效率,作者將唾液酸酶與N-糖苷酶或O糖苷酶結(jié)合使用,以深入了解位點特異性 N-/O-糖基化。結(jié)果如圖8D,即N149、N171 和 N317 糖基化位點主要被G2、G2F 和G0F占據(jù)。N171是導(dǎo)致TNFR:Fc 3糖型差異的位點,含有大量的G1F。位點特異性N-糖肽結(jié)果與基于亞基水平的糖型分配一致,驗證了不同酶切水平下結(jié)果的一致性。

結(jié)合手動校驗糖肽譜圖,作者鑒定出了依那西普和3個TNFR:Fc 融合生物制劑上的13個O-糖基化位點(圖 8E)。與之前的報道的12個O-糖基化位點一致。在TNFR:Fc融合生物制劑中觀察到類似的糖基化模式。此外,對糖基化位點的分析揭示了鉸鏈區(qū)的高度糖基化(圖 8F)。盡管依那西普和 TNFR:Fc 融合生物制劑在骨架上存在結(jié)構(gòu)相似,但由于不同的制造工藝和細(xì)胞來源,它們在糖譜上表現(xiàn)出差異。這些發(fā)現(xiàn)突出了潛在的物理化學(xué)意義,值得進(jìn)一步研究,并有助于依那西普及其生物仿制藥的全面表征。
圖8 依那西普與融合制劑的糖型表征
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.4c00960?ref=PDF

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