Name: enabling real-time compensation in fast photochemical oxidations of proteins for the determination of protein topography changes
Uploaded: 2020-09-01T13:00:00
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我们感谢国家普通医学科学研究所的研究资金，资助 R43GM125420-01 支持台式 FPOP 设备和 R01GM127267 的商业开发，用于开发高能 FPOP 的标准化和剂量测定协议。

1. 为 FPOP 准备光学台和毛细管
注意：KrF 兴奋激光器是极端对眼的危害，直接或反射光可造成永久性眼睛损伤。始终佩戴适当的眼罩，尽可能避免光束路径附近出现任何反射物体，并使用工程控制来防止未经授权访问有源激光并抑制任何杂散反射。
<ol><li>准备 FPOP 光学台。<ol>
<li>打开激光进行预热。将激光设置为外部触发器、恒定能量、无气体更换。设置每个脉冲的激光能?...

基于质谱的结构技术，包括氢-铀交换、化学交汇、共价标记以及原生喷雾质谱和离子流动性，由于其灵活性、灵敏度和处理复杂混合物的能力，已迅速普及。FPOP 拥有几个优势，提高了其在质谱基结构技术领域的知名度。与大多数共价标记策略一样，它提供了与大多数贴标后工艺（如三辛消化、脱氧核二苯甲酸酯等）兼容的蛋白质地形稳定的化学快照，避免了阻碍氢-铀交换的回交换和扰动问题。...

蛋白质的快速光化学氧化（FPOP）是一种新兴的技术，通过超快速共价修饰蛋白质的溶剂暴露表面积，然后通过LC-MS1检测，确定蛋白质地形变化。FPOP通过紫外线激光闪光光解过氧化氢，在原位产生高浓度的羟基基。这些羟基基是非常反应和短寿命，消耗约一微秒的时间尺度在FPOP条件2。这些羟基基通过水扩散，以动力学速率氧化溶液中的各种有机成分，通常从快速（+106 M-1 s-1）到扩散控制3。当羟基基遇到蛋白质表面时，该基会氧化蛋白质表面的氨基酸侧链，导致该氨基酸（最常见的是净添加一个氧原子）的质量转移4。任何氨基酸的氧化反应速率取决于两个因素：该氨基酸的固有反应性（取决于侧链和序列上下文）4、5,以及该侧链与扩散羟基基的可访问性，这与平均溶剂可访问表面积6、7,密切相关。除甘氨酸外，所有标准氨基酸在FPOP实验中被这些高活性羟基基所观察到，尽管产量差别很大;在实践中，Ser，Thr，Asn和Ala很少在大多数样品中被视为氧化，除了在高基剂量下，并经仔细和敏感的针对性ETD碎片8，9,识别。氧化后，对样品进行淬火，以去除过氧化氢和二次氧化剂（超氧化物、单氧、过氧化氢等）然后对淬火样品进行蛋白质化消化，产生氧化肽的混合物，其中结构信息作为化学"快照"冻结在各种肽的氧化产物的形态中（图1）。与质谱法 （LC-MS） 耦合的液相色谱用于测量给定蛋白糖解肽中氨基酸的氧化量，该肽的氧化和未氧化版本的相对强度。通过比较在不同构象条件下获得的相同蛋白质的氧化足迹（例如，配体结合与无配体），蛋白质给定区域的氧化量差异可与该区域6、7,的溶剂可访问表面积的差异直接相关。提供蛋白质地形信息的能力使FPOP成为蛋白质高阶结构测定的有吸引力的技术，包括在蛋白质治疗发现和开发10，11。10,
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61580/61580fig01.jpg"> 图1：FPOP概述。蛋白质的表面由高活性羟基基共价修饰。羟基基会以受侧链溶剂可访问性强烈影响的速率与蛋白质的氨基酸侧链发生反应。地形变化（例如，由于上文所示配体结合）将保护相互作用区域的氨基酸，防止与羟基基发生反应，从而降低LC-MS信号中改性肽的强度。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61580/61580fig01large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
FPOP溶液中存在的不同成分（例如配体、辅料、缓冲液）对过氧化氢3激光光解产生的羟基基具有不同的清除活性。同样，过氧化物浓度、激光流量和缓冲成分的一个小变化可能会改变有效的基剂量，使FPOP数据的复制在样品之间和不同实验室之间具有挑战性。因此，重要的是能够比较羟基基剂量可用于与蛋白质在每个样品使用几个可用的羟基基剂量计之一12，13，14，15，16。,13,14,15,16羟基基剂量计通过与羟基基池中的分析剂（以及溶液中的所有清除剂）竞争来表现;通过测量剂量计的氧化量来测量羟基基的有效剂量。请注意，"有效的羟基基剂量"是羟基基的初始浓度和基的半寿命的函数。这两个参数部分相互依赖，使得理论动力学建模有些复杂（图2）。两个样本可能具有完全不同的初始激进半生命，同时仍然保持相同的有效基剂量，通过改变形成羟基基的初始浓度;它们仍然会产生相同的足迹17。腺素13和Tris12是方便的羟基基剂量计，因为它们的氧化水平可以通过紫外线光谱测量实时，使研究人员能够快速识别何时存在有效的羟基基剂量问题，并解决他们的问题。为了解决这个问题，一个直联剂量计位于流系统直接后，辐照站点，可以监测信号从腺素吸收变化实时是重要的。这有助于在缓冲液或任何其他辅料中进行FPOP实验，其羟基基清除能力水平差异很大17。这种基量补偿可以实时进行，通过调整有效基剂量，为同一顺从者产生统计上无法区分的结果。
在该协议中，我们有详细的程序，以使用腺宁作为内部光学基剂量计进行典型的FPOP实验，采用激进剂量补偿。此方法允许调查人员通过实时执行补偿来比较具有不同清理容量的 FPOP 条件下的足迹。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61580/61580fig02.jpg"> 图2：基于剂量的补偿的动力学模拟。1 mM 腺苷剂量计响应以 5 μM 解酶分析素测量，初始羟基基浓度为 1 mM（▪OH t1/2=53 ns），并设定为目标剂量计响应（黑色）。在添加 1 mM 的清道夫辅料组蛋白时，剂量计响应（蓝色）会随着蛋白质氧化量的比例（青色）而降低。羟基基的半寿命也会降低（▪OH t1/2=39 ns）。当产生的羟基基量增加，以在样品中给予与1 mM组蛋白清除剂相当的氧化剂量，在没有清道夫（红色）的情况下，用1 mM羟基基达到，发生类似的蛋白质氧化量（品红色），而羟基半寿命进一步降低（▪OH t1/2=29 ns）。改编自夏普J.S.，Am Pharmaceut Rev 22， 50-55， 2019. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61580/61580fig02large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Adenine</td>
			<td>Acros Organics</td>
			<td>147440250</td>
			<td>Soluble in water upto 3.5 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aperture</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>39-905</td>
			<td>1000 &#956;m Aperture Diameter, Gold-Plated Copper Aperture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aperture holder</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>53-287</td>
			<td>25.8mm Outer Diameter, Precision Pinhole Mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Catalse</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>C-40</td>
			<td>Catalase from bovine liver, lyophilized powder, &#8805;10,000 units/mg protein</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COMPex Pro laser</td>
			<td>Coherent</td>
			<td>1113836</td>
			<td>COMPexPRO 102, F-Vversion, KrF laser, No XeCl</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dithiotheitol (DTT)</td>
			<td>Promega</td>
			<td>V3151</td>
			<td>DTT, Molecular Grade (DL-Dithiothreitol)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fraction collector</td>
			<td>GenNext Technologies, Inc.</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Automated fraction collector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fused silica capillay</td>
			<td>Molex</td>
			<td>1068150023</td>
			<td>Polymicro Flexible Fused Silica Capillary Tubing, Inner Diameter 100 &#181;m, Outer Diameter 375 &#181;m, TSP100375</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glutamine</td>
			<td>Acros Organics</td>
			<td>119951000</td>
			<td>L(+)-Glutamine, 99%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Holder for lens</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>03-668</td>
			<td>53 mm Outer Diameter, Three-Screw Adjustable Ring Mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>H325-100</td>
			<td>Hydrogen Peroxide, 30% (Certified ACS), Fisher Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LC-MS/MS system</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>IQLAAEGAAPFADBMBCX</td>
			<td>Dionex Ultimate 3000 coupled to Orbitap Fusion Tribrid mass spectrometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mas spec grade Acetonitrile</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>A955-1</td>
			<td>Acetonitrile, Optima LC/MS Grade, Fisher Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mass spec grade formic acid</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>A117-50</td>
			<td>Formic Acid, 99.0+%, Optima&#8482; LC/MS Grade, Fisher Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mass spec grade water</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>W6-4</td>
			<td>Water, Optima LC/MS Grade, Fisher Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MES buffer</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>M0164</td>
			<td>MES hemisodium salt</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methionine amide</td>
			<td>Bachem</td>
			<td>4000594.0005</td>
			<td>H-met-NH2.HCl</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro V clamp</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>VK250</td>
			<td>Micro V-clamp with stainless steel blades</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motorized stage</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>68-638</td>
			<td>50mm Travel Motorized Stage System with Manual Control</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nano C18 colum</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>164534</td>
			<td>Acclaim PepMap 100 C18 HPLC Columns</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical bench</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>56-935</td>
			<td>18&#34; x 18&#34; breadboard</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pioneer FPOP Module System</td>
			<td>GenNext Technologies, Inc.</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Inline FPOP Radical Dosimetry System</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Post holder</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>58-979</td>
			<td>3&#34; Length, &#188;-20 Thread, Post Holder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium phosphate dibasic</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>BP331-500</td>
			<td>Sodium Phosphate Dibasic Heptahydrate (Colorless-to-White Crystals), Fisher BioReagents</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium phosphate monobasic</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>BP330-500</td>
			<td>Sodium Phosphate Monobasic Monohydrate (Colorless-to-white Crystals), Fisher BioReagents</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Hamilton</td>
			<td>81065</td>
			<td>100 &#181;L, Model 1710 RN SYR, Small Removable NDL, 22s ga, 2 in, point style 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>KD Scientific</td>
			<td>788101</td>
			<td>Legato&#160;101 syringe pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trap C18 column</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>160454</td>
			<td>Thermo Scientific&#160;Acclaim PepMap 100 C18 HPLC Columns</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>252859</td>
			<td>Tris(hydroxymethyl)aminomethane</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin</td>
			<td>Promega</td>
			<td>V5111</td>
			<td>Sequencing Grade Modified Trypsin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV plano convex lens</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>84-285</td>
			<td>30 mm Dia. x 120 mm FL Uncoated, UV Plano-Convex Lens</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

enabling real-time compensation in fast photochemical oxidations of proteins for the determination of protein topography changes

蛋白质的快速光化学氧化（FPOP）是一种基于质谱的结构生物学技术，可探寻蛋白质的溶剂可访问表面积。该技术依赖于氨基酸侧链的反应，羟基基在溶液中自由扩散。FPOP通过激光光解过氧化氢产生这些基原，产生一阵羟基基，以微秒的速度耗尽。当这些羟基基与溶剂可访问的氨基酸侧链发生反应时，反应产品表现出质量变化，可以通过质谱法进行测量和量化。由于氨基酸的反应速率部分取决于该氨基酸的平均溶剂可访问表面，因此蛋白质给定区域的氧化量的测量变化可与不同构象之间该区域溶剂可访问性的变化直接相关（例如，配体结合与无配体、单体与聚合等）FPOP在生物学中已经应用了许多问题，包括蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质构象变化和蛋白质配体结合。由于羟基基的可用浓度因FPOP实验中的许多实验条件而异，因此监测蛋白质分析物所暴露的有效基量非常重要。通过采用内联剂量计测量来自FPOP反应的信号，实时调整激光荧光度，实现所需的氧化量，从而有效地实现了这种监测。通过这种补偿，可以在异质样品中使用相对较低的样本确定反映构象变化的蛋白质地形变化、配体结合表面和/或蛋白质-蛋白质相互作用界面。

在磷酸盐缓冲液中对阿达利马布生物仿制药的重链肽足迹进行比较，在55°C加热1小时时，显示有趣的结果。学生的 t-检验用于识别这两个条件下有显著变化的肽（p ≤ 0.05）。肽20-38、99-125、215-222、223-252、260-278、376-413和414-420在蛋白质加热形成集料时对溶剂有显著的保护（图5）30。本实验确定了在加热和聚集时发生地形变化的肽区域。
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Enabling Real-Time Compensation in Fast Photochemical Oxidations of Proteins for the Determination of Protein Topography Changes

蛋白质的快速光化学氧化是蛋白质结构表征的新兴技术。不同的溶剂添加剂和配体具有不同的羟基基清除特性。为了比较不同条件下的蛋白质结构，需要实时补偿反应中产生的羟基基，使反应条件正常化。

实现蛋白质快速光化学氧化的实时补偿，用于确定蛋白质地形变化

Fast photochemical oxidation of proteins (FPOP) is a mass spectrometry-based structural biology technique that probes the solvent-accessible surface area ...

该方法有助于蛋白质确认和蛋白质相互作用的测量。缓冲液成分、样品纯度和蛋白质浓度要求灵活，允许该方法解决具有挑战性的结构问题。此技术允许在各种不同的缓冲系统中压缩样本。使用我们的剂量测定法，研究人员可以实时监测他们的标签反应的实时工作情况。这项技术的一个应用是药物开发，因为它允许研究人员测试广泛不同的药物配方，以及它们如何影响蛋白质结构。准备FPOP光学工作台。首先打开激光，将激光设置为外部触发器，恒定能量，无需更换气体。当激光加热时，将每个脉冲的激光能量设置为每个脉冲 80 到 120 毫克，并使用丁烷割炬在激光照射后以 265 纳米的速度读取 265 纳米的吸水信号时轻轻燃烧毛细管的聚酰胺编码。使用无绒擦拭和甲醇轻轻擦拭毛细管中的碎屑，并通过激光的光束路径将清洁的毛细管放入内联剂量计中。按下内联剂量计顶部的操纵杆以打开铰链并拆下磁座。使用磁力支架将毛细管放在内联剂量计的机器槽中，以保持毛细管就位，并关闭压铰链的毛细管铰链，直到操纵杆锁定到位。单击剂量测量软件中的启动闪光灯按钮，开始发射兴奋激光，并在剂量测量软件中设置 10 到 20 赫兹的预设重复率，激光发射通过其运动范围移动电动舞台，确保光束保持居中于孔径，并且毛细管的轮廓在整个过程中可以观察到。然后以每分钟 20 微升的速度用水冲洗毛细管至少一分钟，然后单击 dosimeter 软件中的启动数据加上自动零，在开始数据收集之前将剂量计归零。要执行 FPOP 实验，在 18 微升 FPOP 溶液中加入两个过氧化氢微升，并使用移液器轻轻混合溶液，通过离心快速收集管底溶液，并立即使用气密注射器将溶液装入注射器泵中。单击 dosimeter 软件中的启动泵和启动数据，以适当的流速启动注射器泵上的流量，并使用内联剂量计监控实时腺苷读数，直到 265 纳米的吸水信号稳定在废物容器中收集样品。要开始以预设重复速率发射激光结束能量，请单击剂量计软件中的启动闪光按钮，并使用内联剂量计监控实时腺素读数。激光关闭和激光打开时 265 纳米的吸光度差异将是 265 纳米读数的增量吸收量。确保可与不同样品中的蛋白质发生反应，使类似的羟基基发生反应。将获得 265 纳米读数的增量吸收度与内联剂量计与从先前实验或控制中获得的 265 纳米读数时获得的欲望增量吸收量进行比较。如果读数处于所需水平，则在淬火缓冲液中激光或辐射后立即采集样品。为了补偿有效基量以平衡吸收度读数，改变过氧化氢浓度，改变每个脉冲的激光能量或改变对焦透镜的焦平面以增加激光的荧光度。使三角洲吸收剂读数中大于 10 毫的吸水单位变化，请用或多或少的过氧化氢重新制作样品，然后重新运行样品，如所示。要实时对吸光度读数进行小变化，请使用 50 毫米电动舞台调整对焦透镜的位置，以调整射点光束的焦平面。在激光辐射实时监测265纳米的腺氨酸三角洲吸收剂后，测量样品中存在的羟基基的有效量，使用电动级内联紫光毛细管探测器调整透镜位置，直到265纳米读数的增量吸收量与所需读数相等。比较磷酸盐缓冲液中亚迪卢马布生物仿制药的重链肽足迹，在55摄氏度加热一小时后发现，当蛋白质被加热形成聚合体时，指示的肽区域显示出对溶剂的显著保护。使用内联剂量计实时监测激光或辐射之前和之后腺苷吸收剂的差异，表明与磷酸盐缓冲液相比，在 MES 缓冲液中观察到腺素吸收剂水平的可比变化。与磷酸盐缓冲液相比，在存在 MES 缓冲液的情况下，肽的平均氧化度较低。然而，随着激光荧光的增加，具有相等的腺苷剂量测定反应，平均肽氧化值几乎相同后FPOP和MES缓冲液和磷酸盐缓冲液。由于剂量读数受激光过氧化物浓度以及激进清除器的影响。注意样本调查之间的剂量反应彼此接近。站点定向突变通常用于探测 FPOP 中受保护的站点。这使得研究人员能够确定变化是否由阿利斯泰尔决定。该技术有助于比较不同缓冲液或配方中的蛋白质，使研究人员能够确定不同添加剂对蛋白质确认的影响。

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Time-resolved ElectroSpray Ionization Hydrogen-deuterium Exchange Mass Spectrometry for Studying Protein Structure and Dynamics

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科研

生物化学

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