Hydrogen deuterium exchange mass spectrometry for protein structural characterization
Aplikace | 2020 | Thermo Fisher ScientificInstrumentace
Studium prostorové konformace a dynamiky proteinů je klíčové pro pochopení jejich funkce v biologických systémech. Klassické metody jako rentgenová krystalografie, NMR či kryo-EM poskytují statické pohledy na strukturu, ale nedokážou snadno zachytit dynamické změny ve vodném prostředí. HDX-MS (hydrogen deuterium exchange mass spectrometry) vyplňuje tuto mezeru, protože umožňuje sledovat výměnu vodíkových atomů za deuteria v reálném čase, čímž odhaluje flexibilní a solventně přístupné oblasti proteinů.
Cílem této technické poznámky bylo demonstrovat plně automatizovaný HDX-MS workflow využívající Orbitrap Exploris 480 pro analýzu konformace modelového proteinu cytochromu c. Byla optimalizována sekvence kroků od vzorkování a značení během různých časových intervalů až po on-line štěpení, chromatografickou separaci a hmotnostní spektrometrii.
Vzorek cytochromu c (40 µM) byl ředěn ve směsi pD 7,4 a vystaven deuterovému značení při 4 °C v časových bodech od 30 s do 7200 s. Reakce byla následně zahuštěna na pH 2,2 a proteolyticky štěpena na koloně s immobilizovaným proteázou III/pepsinem při 2 °C. Peptidy byly zachyceny na C18 trap kolóně a separovány na analytické C18 kolóně při mikroprůtoku 40 µL/min s gradientem ACN/formiátu.
Bylo identifikováno přes 100 peptidů pokrývajících 99 % sekvence proteinu, z nich bylo vybráno 93 s nejvyšší reprodukovatelností pro výpočet inkorporace deutéria. Reprodukce chromatografického rozdělení byla velmi vysoká, což umožnilo přesné stanovení deuterace v čase. Dynamické posuny izotopických distribucí ukázaly očekávaný nárůst deuteriového obsahu v flexibilních oblastech. Díky překrývajícím se peptideům bylo dosaženo rozlišení na hladině jednotlivých zbytků (např. residua 55 a 62). Heat mapa deuterace a ochranné faktory mapované na krystalovou strukturu cytochromu c (PDB 1hrc) potvrdily, že alfa-helixy vykazují nižší výměnu oproti nekonformním smyčkám.
Plně automatizovaný HDX-MS protokol významně zvyšuje reprodukovatelnost a průchodnost analýzy proteinových konformací. Metoda je vhodná pro farmaceutický výzkum, vývoj bioterapeutik a charakterizaci interakcí protein–ligand. Umožňuje rychlou detekci konformačních změn způsobených modifikacemi, mutacemi či komplexováním.
Očekává se propojení HDX-MS s vysokoprůtokovými screeningovými platformami a další integrace s iontovými mobilitami. Rozvoj pokročilých algoritmů včetně umělé inteligence může vylepšit interpretaci a predikci ochranných faktorů. Metoda se bude uplatňovat při studiu kompletnějších supramolekulárních komplexů, membránových proteinů a dynamiky in vivo.
Ukázali jsme, že plně automatizované HDX-MS uspořádání s Orbitrap Exploris 480 poskytuje robustní, vysoce reprodukovatelné a vysoce citlivé stanovení konformačních změn proteinů až na úroveň jednotlivých zbytků. Workflow je efektivní nástroj pro strukturální a dynamickou charakterizaci proteinů.
1. Houde D et al. Analysis of Protein Conformation and Dynamics by Hydrogen/Deuterium Exchange MS. Anal. Chem. 2009;81:2644–2651.
2. Rose RJ et al. Mutation of Y407 in the CH3 domain dramatically alters glycosylation and structure of human IgG. mAbs. 2013;5(2):219–228.
3. Mayne L et al. Many Overlapping Peptides for Protein Hydrogen Exchange Experiments by the Fragment Separation-Mass Spectrometry Method. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2011;22(11):1898–1905.
4. Hamuro Y et al. High-Resolution HDX-MS of Cytochrome c Using Pepsin/Fungal Protease Type XIII Mixed Bed Column. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2019;30(2):227–234.
LC/MS, LC/MS/MS, LC/HRMS, LC/Orbitrap, Software
ZaměřeníProteomika
VýrobceThermo Fisher Scientific
Souhrn
Význam tématu
Studium prostorové konformace a dynamiky proteinů je klíčové pro pochopení jejich funkce v biologických systémech. Klassické metody jako rentgenová krystalografie, NMR či kryo-EM poskytují statické pohledy na strukturu, ale nedokážou snadno zachytit dynamické změny ve vodném prostředí. HDX-MS (hydrogen deuterium exchange mass spectrometry) vyplňuje tuto mezeru, protože umožňuje sledovat výměnu vodíkových atomů za deuteria v reálném čase, čímž odhaluje flexibilní a solventně přístupné oblasti proteinů.
Cíle a přehled studie
Cílem této technické poznámky bylo demonstrovat plně automatizovaný HDX-MS workflow využívající Orbitrap Exploris 480 pro analýzu konformace modelového proteinu cytochromu c. Byla optimalizována sekvence kroků od vzorkování a značení během různých časových intervalů až po on-line štěpení, chromatografickou separaci a hmotnostní spektrometrii.
Použitá metodika a instrumentace
Vzorek cytochromu c (40 µM) byl ředěn ve směsi pD 7,4 a vystaven deuterovému značení při 4 °C v časových bodech od 30 s do 7200 s. Reakce byla následně zahuštěna na pH 2,2 a proteolyticky štěpena na koloně s immobilizovaným proteázou III/pepsinem při 2 °C. Peptidy byly zachyceny na C18 trap kolóně a separovány na analytické C18 kolóně při mikroprůtoku 40 µL/min s gradientem ACN/formiátu.
- Autosampler: H/D-X PAL (Trajan LEAP-HD-Automation) s teplotní kontrolou vzorku, štěpící hlavy a kolony
- LC systém: Thermo Scientific UltiMate NCS-3500RS (dual rapid separation a ternární loading pump)
- MS: Thermo Scientific Orbitrap Exploris 480, ESI v režimu pozitivního iontování, rozlišení 60 000, rozsah m/z 300–1300 (MS) a 200–2000 (MS/MS)
- Software: BioPharma Finder 3.2 a HDExaminer 2.5
Hlavní výsledky a diskuse
Bylo identifikováno přes 100 peptidů pokrývajících 99 % sekvence proteinu, z nich bylo vybráno 93 s nejvyšší reprodukovatelností pro výpočet inkorporace deutéria. Reprodukce chromatografického rozdělení byla velmi vysoká, což umožnilo přesné stanovení deuterace v čase. Dynamické posuny izotopických distribucí ukázaly očekávaný nárůst deuteriového obsahu v flexibilních oblastech. Díky překrývajícím se peptideům bylo dosaženo rozlišení na hladině jednotlivých zbytků (např. residua 55 a 62). Heat mapa deuterace a ochranné faktory mapované na krystalovou strukturu cytochromu c (PDB 1hrc) potvrdily, že alfa-helixy vykazují nižší výměnu oproti nekonformním smyčkám.
Přínosy a praktické využití metody
Plně automatizovaný HDX-MS protokol významně zvyšuje reprodukovatelnost a průchodnost analýzy proteinových konformací. Metoda je vhodná pro farmaceutický výzkum, vývoj bioterapeutik a charakterizaci interakcí protein–ligand. Umožňuje rychlou detekci konformačních změn způsobených modifikacemi, mutacemi či komplexováním.
Budoucí trendy a možnosti využití
Očekává se propojení HDX-MS s vysokoprůtokovými screeningovými platformami a další integrace s iontovými mobilitami. Rozvoj pokročilých algoritmů včetně umělé inteligence může vylepšit interpretaci a predikci ochranných faktorů. Metoda se bude uplatňovat při studiu kompletnějších supramolekulárních komplexů, membránových proteinů a dynamiky in vivo.
Závěr
Ukázali jsme, že plně automatizované HDX-MS uspořádání s Orbitrap Exploris 480 poskytuje robustní, vysoce reprodukovatelné a vysoce citlivé stanovení konformačních změn proteinů až na úroveň jednotlivých zbytků. Workflow je efektivní nástroj pro strukturální a dynamickou charakterizaci proteinů.
Reference
1. Houde D et al. Analysis of Protein Conformation and Dynamics by Hydrogen/Deuterium Exchange MS. Anal. Chem. 2009;81:2644–2651.
2. Rose RJ et al. Mutation of Y407 in the CH3 domain dramatically alters glycosylation and structure of human IgG. mAbs. 2013;5(2):219–228.
3. Mayne L et al. Many Overlapping Peptides for Protein Hydrogen Exchange Experiments by the Fragment Separation-Mass Spectrometry Method. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2011;22(11):1898–1905.
4. Hamuro Y et al. High-Resolution HDX-MS of Cytochrome c Using Pepsin/Fungal Protease Type XIII Mixed Bed Column. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2019;30(2):227–234.
Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.
Podobná PDF
Structural characterization of the therapeutic antibody and biosimilar product with hydrogen deuterium exchange mass spectrometry
2020|Thermo Fisher Scientific|Aplikace
APPLICATION NOTE 65888 Structural characterization of the therapeutic antibody and biosimilar product with hydrogen deuterium exchange mass spectrometry Authors: Terry Zhang and Rosa Viner Thermo Fisher Scientific, San Jose, CA, USA Keywords: Peptide mapping, protein conformation, bottom-up, trastuzumab, biosimilar, deuterium…
Klíčová slova
biosimilar, biosimilartrastuzumab, trastuzumabdeut, deutdeuterium, deuteriumhdexaminer, hdexaminerheavy, heavychain, chainexchange, exchangehdx, hdxlight, lightuptake, uptakeplots, plotspeptide, peptideconformations, conformationsdifferences
Hydrogen deuterium exchange mass spectrometry for the masses
2020|Thermo Fisher Scientific|Technické články
WHITE PAPER 65872 Hydrogen deuterium exchange mass spectrometry for the masses Executive summary Determining the shape and dynamics of proteins and protein complexes is crucial to understanding protein function and the roles proteins play in biological systems. Traditional techniques employed…
Klíčová slova
hdx, hdxdeuterium, deuteriumprotein, proteinumb, umbexchange, exchangeproteins, proteinsconformational, conformationalhydrogen, hydrogenstructures, structuresholo, holoppeptide, ppeptidettid, ttidcan, canuptake, uptakeumber
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
LOCALIZED CONFORMATION ANALYSES OF MUTATED HUMAN IgG1 BY HYDROGEN DEUTERIUM EXCHANGE MASS SPECTROMETRY AND DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY
2013|Waters|Postery
LOCALIZED CONFORMATION ANALYSES OF MUTATED HUMAN IgG1 BY HYDROGEN DEUTERIUM EXCHANGE MASS SPECTROMETRY AND DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY Joomi Ahn 1, Xiaojun Lu2, Colette Quinn3, St John Skilton1, Ying Qing Yu1, and Jihong Wang2 1 Waters Corporation, 2 MedImmune, 3TA Instruments…
Klíčová slova
mutated, mutatedpeptide, peptidedeuterium, deuteriumhdx, hdxconformational, conformationaluptake, uptakedynamx, dynamxdeuteration, deuterationchanges, changesplgs, plgscontrol, controlmhp, mhpsite, siteuptakes, uptakesdeuterated