Hydrogen deuterium exchange mass spectrometry for the masses
Technické články | 2020 | Thermo Fisher ScientificInstrumentace
Studium tvaru a dynamiky proteinů a proteinových komplexů je zásadní pro pochopení jejich biologické funkce, interakcí a mechanismů vzniku onemocnění. Tradiční metody jako rentgenová krystalografie, NMR nebo kryo-EM často vyžadují velké množství materiálu, specifické podmínky krystalizace či omezenou velikost analyzovaných biomolekul. Moderní přístupy založené na hmotnostní spektrometrii, zejména hydrogen-deuterium exchange (HDX-MS), nabízejí vysokou citlivost, možnost práce s vyššími molekulovými hmotnostmi a analýzu proteinů v nativních podmínkách.
Cílem white paperu je představit princip HDX-MS jako nástroje pro zkoumání konformace, struktury, dynamiky a interakcí proteinů. Text popisuje výhody HDX-MS ve srovnání s tradičními metodami, uvádí klíčové experimentální postupy od přípravy vzorku až po analýzu dat, a demonstruje aplikace na případových studiích: detekce vazebných míst, allosterických změn, intrinsicky disordered region, mechanismů agregace i“pulse-labeling“ experimentů.
HDX-MS představuje flexibilní a vysoce citlivou techniku pro studium struktury, dynamiky a interakcí proteinů v nativním prostředí. Díky pokroku v oblasti hardware i software se metodika stává stále dostupnější i pro rutinní laboratoře a otvírá nové možnosti v proteinové strukturní biologii, vývoji léčiv a biotechnologii.
LC/MS, LC/HRMS, LC/MS/MS, LC/Orbitrap
ZaměřeníProteomika
VýrobceThermo Fisher Scientific
Souhrn
Význam tématu
Studium tvaru a dynamiky proteinů a proteinových komplexů je zásadní pro pochopení jejich biologické funkce, interakcí a mechanismů vzniku onemocnění. Tradiční metody jako rentgenová krystalografie, NMR nebo kryo-EM často vyžadují velké množství materiálu, specifické podmínky krystalizace či omezenou velikost analyzovaných biomolekul. Moderní přístupy založené na hmotnostní spektrometrii, zejména hydrogen-deuterium exchange (HDX-MS), nabízejí vysokou citlivost, možnost práce s vyššími molekulovými hmotnostmi a analýzu proteinů v nativních podmínkách.
Cíle a přehled studie
Cílem white paperu je představit princip HDX-MS jako nástroje pro zkoumání konformace, struktury, dynamiky a interakcí proteinů. Text popisuje výhody HDX-MS ve srovnání s tradičními metodami, uvádí klíčové experimentální postupy od přípravy vzorku až po analýzu dat, a demonstruje aplikace na případových studiích: detekce vazebných míst, allosterických změn, intrinsicky disordered region, mechanismů agregace i“pulse-labeling“ experimentů.
Použitá instrumentace
- Orbitrapové hmotnostní spektrometry s vysokým rozlišením a přesnou hmotností
- H/D-X PAL sampler system (LEAP Technologies) pro automatizované štěpení, štěpení na koloně s pepsinem a LC-MS analýzu
- Fragmentační techniky: ETD pro minimalizaci scramble efektu, doplňkově UVPD, HCD, CID či EThcD
Použitá metodika
- Kontinuální i pulsed labelování v deuterovaném pufru v různých časových oknech (od sekund po hodiny)
- Quenching reakce na pH 2,5 a 0 °C pro minimalizaci zpětné výměny
- Bottom-up workflow: štěpení proteinů (řešení v roztoku nebo immobilizovaný pepsin), chytrá LC separace, MS1 a datově dependentní MS2 (ETD) pro lokalizaci deuteria na úrovni jednotlivých peptidů či zbytků aminokyselin
- Intakt/top-down přístup: analýza celých proteinů nebo komplexů po předběžné separaci na C4 kolone, následná fragmentace ETD/UVPD
Hlavní výsledky a diskuse
- HDX-MS poskytuje mapu přístupnosti vodíkových vazeb v páteřích proteinů, odhaluje flexibilní smyčky i stabilní jádro
- Detekce protein-ligand a protein-protein interakcí – lokalizace vazebných míst podle snížené inkorporace deuteria
- Analýza allosterických efektů – změny konformace i v odstavených oblastech proteinu
- Studium intrinsicky disordered region – experimenty při nižším pH umožňují zpřesnit kinetiku rychlých výměn
- Mechanismy proteinové agregace – monitorování postupného nárůstu deuterové inkorporace v agregátech terapeutických protilátek
- Technické pokroky: ultra-vysoké rozlišení Orbitrap, ETD pro minimalizaci scramble, integrace UVPD, automatizované platformy, pokročilý software pro HDX data processing
Přínosy a praktické využití metody
- Komplementární informace k X-ray, NMR a cryo-EM, především pro velké a flexibilní komplexy
- Možnost analýzy proteinů v nativním roztoku, sledování dynamiky v reálných podmínkách
- Uplatnění v biologickém výzkumu, vývoji léčiv, kvalitativní a kvantitativní kontrole bioterapeutik
- Schopnost sledovat allosterii, PTM efekty a strukturované i neuspořádané oblasti jednoho experimentu
Budoucí trendy a možnosti využití
- Další zrychlení a zjednodušení workflow automatizací a “online” systémy
- Pokročilá fragmentační schémata (např. paralelní ETD/UVPD) pro vyšší prostorové rozlišení
- Využití umělé inteligence a strojového učení pro predikci a analýzu komplexních dat HDX-MS
- Integrace s dalšími hybrydními technikami (cross-linking MS, ion-mobility MS, integrativní modelování)
- Rozšíření aplikací pro screening ligandů, výzkum intrinsicky disordered proteinů či podmíněné interakce ve víceproteinových sítích
Závěr
HDX-MS představuje flexibilní a vysoce citlivou techniku pro studium struktury, dynamiky a interakcí proteinů v nativním prostředí. Díky pokroku v oblasti hardware i software se metodika stává stále dostupnější i pro rutinní laboratoře a otvírá nové možnosti v proteinové strukturní biologii, vývoji léčiv a biotechnologii.
Reference
- Huang, R.Y., Chen, G.: Higher order structure characterization of protein therapeutics by hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry. Anal Bioanal Chem. 406, 6541–6558 (2014)
- Rand, K.D., Zehl, M., Jorgensen, T.J.D.: Measuring the hydrogen/deuterium exchange of proteins at high spatial resolution by mass spectrometry: Overcoming gas-phase hydrogen/deuterium scrambling. Acc Chem Res. 47, 3018–3027 (2014)
- Abzalimov, R.R., Kaltashov, I.A.: Controlling hydrogen scrambling in multiply charged protein ions during collisional activation: Implications for top-down hydrogen/deuterium exchange MS utilizing collisional activation in the gas phase. Anal Chem. 82, 942–950 (2010)
- Ferguson, P.L. et al.: Hydrogen/deuterium scrambling during quadrupole time-of-flight MS/MS analysis of a zinc-binding protein domain. Anal Chem. 79, 153–160 (2007)
- Hagman, C. et al.: Inter-molecular migration during collisional activation monitored by hydrogen/deuterium exchange FT-ICR tandem mass spectrometry. J Am Soc Mass Spectrom. 15, 639–646 (2004)
- Rand, K.D., Jorgensen, T.J.: Development of a peptide probe for the occurrence of hydrogen (1H/2H) scrambling upon gas-phase fragmentation. Anal Chem. 79, 8686–8693 (2007)
- Rand, K.D. et al.: Protein hydrogen exchange measured at single-residue resolution by electron transfer dissociation mass spectrometry. Anal Chem. 81, 5577–5584 (2009)
- Trabjerg, E., Nazari, Z.E., Rand, K.D.: Conformational analysis of complex protein states by hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS): Challenges and emerging solutions. Trends Anal Chem. 106, 125–128 (2018)
- Pan, J. et al.: Characterizing short-lived protein folding intermediates by top-down hydrogen exchange mass spectrometry. Anal Chem. 82, 8591–8597 (2010)
- Konermann, L., Simmons, D.A.: Protein-folding kinetics and mechanisms studied by pulse-labeling and mass spectrometry. Mass Spectrom Rev. 22, 1–26 (2003)
- Miranker, A. et al.: Detection of transient protein folding populations by mass spectrometry. Science. 262, 896–900 (1993)
- Zhang, Z. et al.: Improved protein hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry platform with fully automated data processing. Anal Chem. 84, 4942–4949 (2012)
- Zheng, J. et al.: Protein dynamics and conformational changes explored by hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry. Curr Opin Struct Biol. 58, 304–313 (2019)
- Mayne, L. et al.: Many overlapping peptides for protein hydrogen exchange experiments by the fragment separation-mass spectrometry method. J Am Soc Mass Spectrom. 22, 1898–1905 (2011)
- Goswami, D. et al.: Time window expansion for HDX analysis of an intrinsically disordered protein. J Am Soc Mass Spectrom. 24, 1584–1592 (2013)
Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.
Podobná PDF
Conformational Characterization of Calmodulin by Hydrogen Deuterium Exchange Mass Spectrometry
2011|Waters|Aplikace
Conformational Characterization of Calmodulin by Hydrogen Deuterium Exchange Mass Spectrometry Joomi Ahn, Martha Stapels, Michael Eggertson, Keith Fadgen, and Ying Qing Yu Waters Corporation, Milford, MA, U.S. A P P L I C AT I O N B E N…
Klíčová slova
deuterium, deuteriumcalmodulin, calmodulinhdx, hdxconformational, conformationalapo, apoholo, holoexchange, exchangehydrogen, hydrogenprotein, proteinuptake, uptakenanoacquity, nanoacquitypepsin, pepsinpep, pepcharacterization, characterizationspectrometry
Probe the protein conformation using top-down hydrogen exchange mass spectrometry at higher resolution with electron transfer dissociation
2024|Thermo Fisher Scientific|Postery
Poster # P-I-0178 Probe the protein conformation using top-down hydrogen exchange mass spectrometry at higher resolution with electron transfer dissociation Yuqi Shi1, Graeme McAlister1, Rosa Viner1, 1Thermo Fisher Scientific, San Jose, CA Abstract Results Purpose: Study protein, protein/complex conformations by…
Klíčová slova
etd, etddeuterium, deuteriumscrambling, scramblinghdx, hdxincorporation, incorporationtop, topdown, downascend, ascendamino, aminobottom, bottomwere, werebiology, biologyedition, editioncalmodulin, calmodulinlevel
Probe the Protein Conformation using Top-down Hydrogen Exchange Mass Spectrometry at Higher Resolution with Electron Transfer Dissociation
2024|Thermo Fisher Scientific|Postery
Probe the Protein Conformation using Top-down Hydrogen Exchange Mass Spectrometry at Higher Resolution with Electron Transfer Dissociation Yuqi Shi1, Graeme McAlister1, Rosa Viner1, 1Thermo Fisher Scientific, San Jose, CA Abstract Results Purpose: Study protein conformation by hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry…
Klíčová slova
etd, etdhdx, hdxscrambling, scramblingcalmodulin, calmodulintop, topdown, downamino, aminobottom, bottomexperiments, experimentsdissociation, dissociationtransfer, transferelectron, electronacid, acidresolution, resolutionoptimizations
ACQUITY UPLC M-Class System with HDX Technology
2016|Waters|Ostatní
ACQUITY UPLC M-Class System with HDX Technology Integration of Hydrogen Deuterium Exchange with High Resolution MS QUANT IF Y CHANGES IN P ROT EIN CONFORMAT ION W IT H CONFIDENC E The Waters ® ACQUITY UPLC ® M-Class System with…
Klíčová slova
hdx, hdxuplc, uplcdeuterium, deuteriumenzymate, enzymateprotein, proteinacquity, acquitywaters, watersclass, classconformat, conformatexchange, exchangechanges, changessyst, systpegylated, pegylatedproceeds, proceedspepsin