LCMS
Další informace
WebinářeO násKontaktujte násPodmínky užití
LabRulez s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Obsah dostupný pod licencí CC BY-SA 4.0 Uveďte původ-Zachovejte licenci.

Hydrogen deuterium exchange mass spectrometry for the masses

Technické články | 2020 | Thermo Fisher ScientificInstrumentace
LC/MS, LC/HRMS, LC/MS/MS, LC/Orbitrap
Zaměření
Proteomika
Výrobce
Thermo 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


  1. 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)
  2. 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)
  3. 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)
  4. 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)
  5. 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)
  6. 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)
  7. 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)
  8. 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)
  9. Pan, J. et al.: Characterizing short-lived protein folding intermediates by top-down hydrogen exchange mass spectrometry. Anal Chem. 82, 8591–8597 (2010)
  10. Konermann, L., Simmons, D.A.: Protein-folding kinetics and mechanisms studied by pulse-labeling and mass spectrometry. Mass Spectrom Rev. 22, 1–26 (2003)
  11. Miranker, A. et al.: Detection of transient protein folding populations by mass spectrometry. Science. 262, 896–900 (1993)
  12. Zhang, Z. et al.: Improved protein hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry platform with fully automated data processing. Anal Chem. 84, 4942–4949 (2012)
  13. Zheng, J. et al.: Protein dynamics and conformational changes explored by hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry. Curr Opin Struct Biol. 58, 304–313 (2019)
  14. 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)
  15. 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.

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

Toggle
Conformational Characterization of Calmodulin by Hydrogen Deuterium Exchange Mass Spectrometry
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
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
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
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
Další projekty
GCMS
ICPMS
Sledujte nás
Další informace
WebinářeO násKontaktujte násPodmínky užití
LabRulez s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Obsah dostupný pod licencí CC BY-SA 4.0 Uveďte původ-Zachovejte licenci.