光降解表面活性剂的“跨界”妙用

原创荷塘月 X-MOL资讯

“天生我材必有用”，这话不假，只是有时候需要一点耐心。

基础研究常常就是这样的，一个知名的例子是没有相对论GPS就不能如此精确（就不展开了，感兴趣的读者自行搜索相关文章）。

2006年，布里斯托大学的Melanie Bradley等报道了一种表面活性剂（如图1所示），在光照下很快分解成碳氢化合物、盐和氮气（Langmuir, 2006, 22, 101），和《基础有机化学》中介绍的重氮盐几乎一样。

图1. 光照后分解的表面活性剂。图片来源：Langmuir

这能有什么用呢？乍一看会觉得这是化学家从教科书里找一个前人留下的反应来自娱自乐。但威斯康星大学麦迪逊分校的Ying Ge不这么觉得，他发现这种特殊的表面活性剂正好是解决蛋白质组学中一个重要问题的关键。

继基因组学后，蛋白质组学成为近年来生命科学的研究热点之一，而蛋白质组学的基础是大规模的蛋白质鉴定。传统的方法是“自下而上”（从局部到整体），将蛋白质等复杂样品酶切得到多肽混合物，用色谱和质谱分析鉴定多肽，再通过推理将多肽拼接得到蛋白质结构信息。但这种方法在进行大规模分析时，一些蛋白质只能得到部分序列信息的问题。同时，序列非常相似的蛋白质变体（proteoform），以及多种多样的翻译后修饰也让结构归属变得更加困难。解决这一问题的根本途径是——直接分析完整的蛋白质。但这个技术也面临一些困难，例如蛋白质的溶解性，特别是在生命过程中扮演重要角色的膜蛋白。在这种情况下，用于从细胞和组织中提取蛋白的提取液中往往需要添加表面活性剂。但离子型表面活性剂（例如生化中常用到的十二烷基硫酸钠SDS）会显著抑制蛋白质在质谱上的信号，因而在质谱分析前需要将它们去除。但把包裹蛋白质的表面活性剂去掉不是一件简单的事，这个过程往往伴随着蛋白质的降解和损失。不过，这是对常见的表面活性剂而言。Ying Ge课题组一直在尝试设计通过设计新型表面活性剂解决这个问题：如果一个表面活性剂，通过光照就能变成非表面活性剂，那么就可以做到有效的提取蛋白质，同时不影响质谱分析。

图2. 光降解表面活性剂用于蛋白质组学。图片来源：Nat. Methods

他们此前设计了一种如图2所示的表面活性剂，能在紫外光照下降解成非表面活性剂。但这个分子的结构和合成还是太复杂（Langmuir, 2016, 32, 3963）。

图3. Ying Ge课题组此前开发的光降解表面活性剂。图片来源：Langmuir

后来，他们注意到Melanie Bradley的研究，设计了图4中的光降解表面活性剂Azo，并首次将光降解表面活性剂应用于蛋白质的质谱分析中，相关成果发表于近期的Nature Methods。从图4中可以看到，Azo能从便宜的原料出发，通过简单的两步合成以及重结晶纯化得到。并且，用紫外吸收跟踪它的降解过程可以发现，两分钟光照就能将它完全降解（光源为100 W高压汞灯）。

图4. 光降解表面活性剂Azo。图片来源：Nat. Methods

当然，能光降解是附加功能，要用到蛋白质组学上，首先得能用来提取蛋白质。研究人员在用于蛋白质提取的缓冲溶液中分别加入Azo和其他三种不同的表面活性剂：SDS、DDM（蛋白质提取中常用的一种商品化的非离子型表面活性剂，结构见图5右下方）、MaSDeS（一种pH降解表面活性剂，结构见图5右下方）。从图5a和b可以明显看出，几种离子型表面活性剂效果相当，而DDM则较差。随后研究人员在泛素蛋白中分别添加等量的上述表面活性剂，并进行质谱检测，得到图5c。添加Azo或DDM后，质谱信号和没有用表面活性剂时（NS）几乎一样强。而添加SDS后，质谱信号完全被抑制了；添加MaSDeS后，信号也低于对照组。几种表面活性剂的对比说明，只有Azo既能有效提取蛋白，又不会对质谱检测造成干扰。

图5. 对比几种表面活性剂，只有Azo既能有效提取蛋白质又不会干扰质谱。图片来源：Nat. Methods

有了光降解表面活性剂，研究人员将它用于提取心肌组织和人类胚胎肾脏中的蛋白质并用“自上而下”法进行蛋白质组学分析。在心肌样品的质谱结果中他们发现了多种完整的膜蛋白，包括磷蛋白（PLN）、受体表达增强蛋白等，并且对蛋白质翻译后修饰位点进行了定位（图6a）。他们还成功的鉴定出了ATP合成酶复合物的全部亚基，得到高分辨的质谱信号（图6b），并分析了其中一些亚基中的翻译后修饰。