蛋白质组学技术的详细讲座(非常详细)
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蛋白质组学讲座

450.2017 (B-1) 1740.7500 (B-2) 1407.6462 (B-3) 1300.5116 (B-4)
质荷比范围非常宽,适合于生物大分子,灵敏度高,适合作第二级, 速度快,结构简单;分辨率随质荷比的增加而降低
四极杆质量分析器(Quadrupole Mass Analyzer)
由四跟平行的棒状电极组成而得名。相对的两个电极组成一对, 两对都带有射频电压(RF)和直流电压(DC),只是极性相反。 四极滤质器在质量选择的稳定模型下运作:在一定RF和DC下,仅
扫描速度: 离子检测速度即质谱仪获取数据的速度
扇形磁场质量分析器(Magnetic sector)
电场加速后 zV=(1/2)m2
(z-电荷;V-电压 m-质量;-速度)
磁场中 Bz = m2/r
(B-磁场强度; r-半径)
m/z=B2r2/2V
扫描B/V来获得质谱图
质量分析器使用扇型磁场,结构简单,操作方便;分辨率低
PPT纲要
蛋白质鉴定
质谱鉴定蛋白质的原理及具体流程 数据分析软件 (Sequest, X!tandem, TPP)
比较蛋白质组学
双向凝胶电泳 LC-MS/MS
2DE-MALDI-TOF/TOF
双向差异凝胶电泳(DIGE)
同位素标记技术 无标记定量技术 初分离技术--SDS-Page, antibody column, PF2D
什么是蛋白质组学
Genomics Transcriptomics
Proteomics
PPT纲要
蛋白质鉴定
质谱鉴定蛋白质的原理及具体流程 数据分析软件 (Sequest, X!tandem, TPP)
比较蛋白质组学
双向凝胶电泳 LC-MS/MS
质荷比范围非常宽,适合于生物大分子,灵敏度高,适合作第二级, 速度快,结构简单;分辨率随质荷比的增加而降低
四极杆质量分析器(Quadrupole Mass Analyzer)
由四跟平行的棒状电极组成而得名。相对的两个电极组成一对, 两对都带有射频电压(RF)和直流电压(DC),只是极性相反。 四极滤质器在质量选择的稳定模型下运作:在一定RF和DC下,仅
扫描速度: 离子检测速度即质谱仪获取数据的速度
扇形磁场质量分析器(Magnetic sector)
电场加速后 zV=(1/2)m2
(z-电荷;V-电压 m-质量;-速度)
磁场中 Bz = m2/r
(B-磁场强度; r-半径)
m/z=B2r2/2V
扫描B/V来获得质谱图
质量分析器使用扇型磁场,结构简单,操作方便;分辨率低
PPT纲要
蛋白质鉴定
质谱鉴定蛋白质的原理及具体流程 数据分析软件 (Sequest, X!tandem, TPP)
比较蛋白质组学
双向凝胶电泳 LC-MS/MS
2DE-MALDI-TOF/TOF
双向差异凝胶电泳(DIGE)
同位素标记技术 无标记定量技术 初分离技术--SDS-Page, antibody column, PF2D
什么是蛋白质组学
Genomics Transcriptomics
Proteomics
PPT纲要
蛋白质鉴定
质谱鉴定蛋白质的原理及具体流程 数据分析软件 (Sequest, X!tandem, TPP)
比较蛋白质组学
双向凝胶电泳 LC-MS/MS
15第十五讲蛋白质组学(二)剖析PPT课件

(1)电喷雾质谱仪(ESI-MS) 电喷雾离子化(elcctrospray ionization ESI):一种“软电离”方式
➢ 将样品溶解,以液相方式通过毛细管到达喷口,在喷口高电压作用下形 成带电荷的微滴,微滴溶剂蒸发,微滴表面的电荷密度随半径减小而增 加,到达某一临界点时,样品将以离子方式从液滴表面蒸发,进入气相, 实现样品的离子化。
✓ 在样品中引入去垢剂 ✓ 效果更好。 ✓ (如尿素和SDS)等
2020年9月28日
乙醇脱氢酶的胰蛋白酶酶切肽图
13
常见质谱仪:
➢ 基质辅助激光解吸离子化-飞行时间质谱
➢ MALDI-TOF-MS ➢ MALDI-TOF/TOF—MS
➢ 基质辅助激光解吸离子化三级四极—飞行时间质谱
➢ MALDI-Q-TOF-MS
➢营养缺陷型筛选
➢发光蛋白的基因(GFP)
2020年9月28日
25
• 操作程序:
① 克隆诱饵蛋白基因
② 克隆靶蛋白基因
③ 构建BD融合的蛋白表达载体,以表达的蛋白称诱饵蛋白
④ 构建AD融合的蛋白表达载体,以表达的蛋白称靶蛋白
⑤ 载体导入含有一个或多个报告基因的宿主细胞
⑥ 细胞培养,观察报告基因的表达情况
➢ 芥子酸(SA)、d-氰基-4羟肉桂酸(CHCA)、 ➢ 2,5-二羟基苯甲酸(DHB)等。
2020年9月28日
12
MALDI主要特点
➢ 离子电荷数通常为1~2,
➢ 不形成复杂的多电荷图,对图谱解析比较清楚、简单。
➢ 如:乙醇脱氢酶的胰蛋白酶酶切肽图。
➢ 固相进样方式,不受溶液性质的影响,对杂质的忍耐性较好。 ➢ 生物样品制备时
2020年9月28日
14
➢ 将样品溶解,以液相方式通过毛细管到达喷口,在喷口高电压作用下形 成带电荷的微滴,微滴溶剂蒸发,微滴表面的电荷密度随半径减小而增 加,到达某一临界点时,样品将以离子方式从液滴表面蒸发,进入气相, 实现样品的离子化。
✓ 在样品中引入去垢剂 ✓ 效果更好。 ✓ (如尿素和SDS)等
2020年9月28日
乙醇脱氢酶的胰蛋白酶酶切肽图
13
常见质谱仪:
➢ 基质辅助激光解吸离子化-飞行时间质谱
➢ MALDI-TOF-MS ➢ MALDI-TOF/TOF—MS
➢ 基质辅助激光解吸离子化三级四极—飞行时间质谱
➢ MALDI-Q-TOF-MS
➢营养缺陷型筛选
➢发光蛋白的基因(GFP)
2020年9月28日
25
• 操作程序:
① 克隆诱饵蛋白基因
② 克隆靶蛋白基因
③ 构建BD融合的蛋白表达载体,以表达的蛋白称诱饵蛋白
④ 构建AD融合的蛋白表达载体,以表达的蛋白称靶蛋白
⑤ 载体导入含有一个或多个报告基因的宿主细胞
⑥ 细胞培养,观察报告基因的表达情况
➢ 芥子酸(SA)、d-氰基-4羟肉桂酸(CHCA)、 ➢ 2,5-二羟基苯甲酸(DHB)等。
2020年9月28日
12
MALDI主要特点
➢ 离子电荷数通常为1~2,
➢ 不形成复杂的多电荷图,对图谱解析比较清楚、简单。
➢ 如:乙醇脱氢酶的胰蛋白酶酶切肽图。
➢ 固相进样方式,不受溶液性质的影响,对杂质的忍耐性较好。 ➢ 生物样品制备时
2020年9月28日
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课件:第六章 蛋白质组学技术

(尼龙膜: 480µg/cm2 ;硝酸纤维素膜:80µg/cm2 )
特殊要求下的选择 目的蛋白与硝酸纤维膜的结合能力弱
需要更大的机械强度
的免疫学检测
• 封闭 • 靶蛋白与一抗反应 • 与二抗反应 • 显色
2021/11/16
14
二抗与底物反应显色
•辣根过氧化物酶法(HRP) •碱性磷酸酶法(AP) •化学发光显色法
2-DE 分离的可溶性 E. coli 蛋白
2021/11/16
26
双向电泳特点
• 优点:高分辨率 • 缺点:
– 低丰度蛋白质 – 极酸或极碱蛋白质 – 极大或极小的蛋白质 – 难溶蛋白质
2021/11/16
27
生物质谱技术
2021/11/16
28
质谱分析(mass spectrometry,MS)
2021/11/16
9
2021/11/16
10
2021/11/16
11
转膜:负极到正极,依次放海绵,滤纸,凝 胶,硝酸纤维膜, 滤纸,海绵
380mA 30分钟
2021/11/16
12
转膜
硝酸纤 维素膜
价格便宜
简单快速封闭非特异性抗体结合
膜的选择
封闭非特异性抗体结合麻烦
尼龙膜
价格昂贵
需要更高的蛋白结合率
现、同源蛋白质比较、蛋白质加工修饰分析。 2、蛋白质组功能模式(作用)的研究 • 基因产物识别、基因功能鉴定、基因调控机制分析。 • 重要生命活动的分子机制(如细胞周期、分化与发
育、环境反应与调节等)。
• 医药靶分子的寻找和分析(包括新药靶分子、肿瘤 分子标记、人体病理介导分子等)。
2021/11/16
特殊要求下的选择 目的蛋白与硝酸纤维膜的结合能力弱
需要更大的机械强度
的免疫学检测
• 封闭 • 靶蛋白与一抗反应 • 与二抗反应 • 显色
2021/11/16
14
二抗与底物反应显色
•辣根过氧化物酶法(HRP) •碱性磷酸酶法(AP) •化学发光显色法
2-DE 分离的可溶性 E. coli 蛋白
2021/11/16
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双向电泳特点
• 优点:高分辨率 • 缺点:
– 低丰度蛋白质 – 极酸或极碱蛋白质 – 极大或极小的蛋白质 – 难溶蛋白质
2021/11/16
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生物质谱技术
2021/11/16
28
质谱分析(mass spectrometry,MS)
2021/11/16
9
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转膜:负极到正极,依次放海绵,滤纸,凝 胶,硝酸纤维膜, 滤纸,海绵
380mA 30分钟
2021/11/16
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转膜
硝酸纤 维素膜
价格便宜
简单快速封闭非特异性抗体结合
膜的选择
封闭非特异性抗体结合麻烦
尼龙膜
价格昂贵
需要更高的蛋白结合率
现、同源蛋白质比较、蛋白质加工修饰分析。 2、蛋白质组功能模式(作用)的研究 • 基因产物识别、基因功能鉴定、基因调控机制分析。 • 重要生命活动的分子机制(如细胞周期、分化与发
育、环境反应与调节等)。
• 医药靶分子的寻找和分析(包括新药靶分子、肿瘤 分子标记、人体病理介导分子等)。
2021/11/16
蛋白质组学及技术介绍PPT通用课件.ppt

拖尾"point streaking") 。
3.二相SDS-PAGE
丙烯酰胺/甲叉双丙烯 酰胺溶液
分离胶缓冲液
10%(w/v)过硫酸铵 溶液
(30.8%T,2.6%C):30%(W/V)丙烯酰胺和 0.8%甲叉双丙烯酰胺的水溶 液。将 300g 丙烯酰胺和 8g 甲叉双丙烯酰胺溶解于去离子水中,最后用去离
研究 内容
蛋白质的研究内容主要有两方面:
1、结构蛋白质组学:主要是蛋白质表达模型的研究,包括蛋白质氨基酸序列 分析及空间结构的解析种类分析及数量确定; 2、功能蛋白质组学:主要是蛋白质功能模式的研究,包括蛋白质功能及蛋白 质间的相互作用。
研究 内容
蛋白质组学可分为三个主要领域: 1、蛋白质的微特性以供蛋白质的规模化鉴定和他们的后翻译饰; 2、“差异显示”蛋白质组学供蛋白质水平与疾病在广泛范围的有力应用比 较; 3、应用特定的分析技术如质谱法(包括串联质谱法、生物质谱法)或酵母 双杂交系统以及其他蛋白质组学研究新技术研究蛋白质-蛋白质相互作用。
该方法所研究的蛋白均是在体内经过翻译后修饰的,并且是可 分离的天然状态的相互作用蛋白复合物,能够反映正常生理条件下的 蛋白质间相互作用
蛋白质相互作用
2、酵母双杂交系统:
该系统利用真核细胞调控转录起始过程中,DN A结合结构域(binding domain,BD)识别DNA上的特异序列并使转录激活结构域(activation domain, AD)启动所调节的基因的转录这一原理,将己知蛋白X和待研究蛋白Y的基 因分别与编码AD和BD的序列结合,通过载体质粒转入同一酵母细胞中表 达,生成两个融合蛋白。若蛋白X和Y可以相互作用,则AD和BD在空间上 接近就能形成完整的有活性的转录因子,进而启动转录,表达相应的报告 基因;反之,如果X和Y之间不存在相互作用,报告基因就不会表达。这样, 通过报告基因的表达与否,便可确定是否发生了蛋白质的相互作用。
3.二相SDS-PAGE
丙烯酰胺/甲叉双丙烯 酰胺溶液
分离胶缓冲液
10%(w/v)过硫酸铵 溶液
(30.8%T,2.6%C):30%(W/V)丙烯酰胺和 0.8%甲叉双丙烯酰胺的水溶 液。将 300g 丙烯酰胺和 8g 甲叉双丙烯酰胺溶解于去离子水中,最后用去离
研究 内容
蛋白质的研究内容主要有两方面:
1、结构蛋白质组学:主要是蛋白质表达模型的研究,包括蛋白质氨基酸序列 分析及空间结构的解析种类分析及数量确定; 2、功能蛋白质组学:主要是蛋白质功能模式的研究,包括蛋白质功能及蛋白 质间的相互作用。
研究 内容
蛋白质组学可分为三个主要领域: 1、蛋白质的微特性以供蛋白质的规模化鉴定和他们的后翻译饰; 2、“差异显示”蛋白质组学供蛋白质水平与疾病在广泛范围的有力应用比 较; 3、应用特定的分析技术如质谱法(包括串联质谱法、生物质谱法)或酵母 双杂交系统以及其他蛋白质组学研究新技术研究蛋白质-蛋白质相互作用。
该方法所研究的蛋白均是在体内经过翻译后修饰的,并且是可 分离的天然状态的相互作用蛋白复合物,能够反映正常生理条件下的 蛋白质间相互作用
蛋白质相互作用
2、酵母双杂交系统:
该系统利用真核细胞调控转录起始过程中,DN A结合结构域(binding domain,BD)识别DNA上的特异序列并使转录激活结构域(activation domain, AD)启动所调节的基因的转录这一原理,将己知蛋白X和待研究蛋白Y的基 因分别与编码AD和BD的序列结合,通过载体质粒转入同一酵母细胞中表 达,生成两个融合蛋白。若蛋白X和Y可以相互作用,则AD和BD在空间上 接近就能形成完整的有活性的转录因子,进而启动转录,表达相应的报告 基因;反之,如果X和Y之间不存在相互作用,报告基因就不会表达。这样, 通过报告基因的表达与否,便可确定是否发生了蛋白质的相互作用。
蛋白质组学Proteomics-PPT课件.ppt

ICAT的优点
• ICAT具有广泛的兼容性,主要表现在:(1) 能够兼容分析任何条件下体液、细胞、组 织中绝大部分蛋白质;(2)烷化反应即使在 盐、去垢剂、稳定剂(如SDS、尿素、盐酸 胍等)存在下都可进行;(3)只需分析含Cys 残基的肽段,从而降低了蛋白质混合物分 析的复杂性;(4)ICAT战略允许任何类型的 生化、免疫、物理的分离方法,因此能很 好地定量分析微量蛋白质。
双向凝胶电泳
• 首先利用等电点聚焦来分离不同等电点的 蛋白,再利用SDS-PAGE来分离不同分子 量的蛋白,其分辨率是非常高的。微克级 的蛋白质就可以被很好的分辨开了。
基质辅助的激光解吸电离技术
(MALDI)的发展
• 日本岛津公司的田中耕一的工作,是质谱分析发 展的一个主动力。 1987年,在第二届中-日质谱 分析联合讨论会上,田中耕一论述了软激光解吸 附技术可以使蛋白质分子离子化。一年之后,他 的这篇创造性的论文发表在Rapid Communications in Mass Spectrometry上。田中 耕一的工作为基质辅助的激光解吸电离技术 (Maldi)打下了基础。2019年,他和弗吉尼亚联 邦大学的John B Fenn,由于他们对软吸附电离 方法上的贡献一起被授予了该年度诺贝尔化学奖
应用实例
• 1.通过比较给药前后细胞的蛋白质组, 鉴别出毒理学的蛋白质标志物 。
• 2. 疟疾疫苗的研究。
ICAT技术
同位素标记的亲和标签(isotope-coded affinity tag, ICAT)技术作为一种体外标记稳定同位素的相对定量方法, 已经成为重要的蛋白质组学定量分析方案。2019年,Gygi 等人用化学方法合成一种能和半胱氨酸反应的亲和试剂, 称为稳定同位素编码的亲和标签,它有轻链和重链(稳定重 同位素)两种形式,可以在体外标记不同状态下的蛋白质样 品,酶解并用亲和柱分离纯化被标记的肽段后,再用质谱 进行分析,和体内标记法一样也能够得到成对的峰表示不 同样品中肽段及对应蛋白质含量的差异。这种稳定同位素 亲和标签技术可以广泛地应用在细胞和组织的定量蛋白质 组学分析上,提供精确的蛋白质相对定量数据。
微生物蛋白质组学ppt课件

■ 互补与互助
— 在后基因组时代,蛋白质组研究和基因组研究依然是形影相随的两个重要领 域。基因组与蛋白质组之间既为互相补充又能互相帮助。
— mRNA是介于基因和蛋白质之间的中间产物。因为mRNA既是基因的产物, 又比蛋白质要容易分析,所以,研究mRNA的表达模式也是了解基因组和蛋 白质组的一个重要途径。由此专门形成了一个新的研究领域:转录组。研究 转录组的主要手段是基因芯片技术、SAGE(基因表达序列分析)技术。
羟肉桂酸)中,基质吸收激光提供的能量而蒸发,携带部分样品分子进入 气相,并将一部分能量传递给样品分子使其离子化。
飞行时间质谱(TOFMS)由离子源(S)引出极、漂移区(D)和检测器组成。 当离子在离子源内形成后在离子源内电场E的作用下进入无场漂移区。在理想状 态下,所有进入漂移区的离子具有相同的动能(KE). 测定离子在漂移区内的飞行时间即可计算出它的质荷比。
蛋白质分离 技术双Fra bibliotek电泳和差异凝胶电泳
■ 双向电泳(Two dimension elctrophresis,2DE)是根据不同蛋白质 等电点和分子量的不同利用第一向等电聚焦和第二向SDS-PAGE电泳 将蛋白质混合物中的各种蛋白分离开。 ■ 差异凝胶电泳(differential gel electrophoresis,DIGE)是在2DE基 础上建立的蛋白质分离技术。该方法将待比较的两个样品蛋白质分别 用不同的荧光染料(Cy2、Cy3、Cy5)进行标记后,等量混合再进行双 向电泳。由于荧光染料的发光波长不同,可以在一块凝胶上检测两个 样品,并通过蛋白点不同荧光信号间的比率确定蛋白量的差异。
离子源
引出极 漂移管D
压加 速 电
+ +
+
S
D
《蛋白质组学》课件

蛋白质组学技术
本节将介绍蛋白质组学常用的实验技术和分析方法,包括质谱、二维电泳、 蛋白质结构预测等。
蛋白质组学应用领域
本节将探讨蛋白质组学在生物医药、农业和环境科学等领域的应用,展示其 广泛的研究价值。
蛋白质组学研究的重要性
本节将详细解释为何蛋白质组学研究对于解决生物学中的关键问题和推动科学进步具有重要意义。
《蛋白质组学》PPT课件
欢迎观看《蛋白质组学》PPT课件,本课程将介绍蛋白质组学的概念、技术、 应用领域和重要性,以及它的发展趋势。
课程介绍
本节将介绍蛋白质组学的基本概念和研究对象,以及在生物学研究中的重要 性。
蛋白质组学概述
本节将对蛋白质组学的研究内容、方法和技术进行概述,帮助您理解蛋白质组学的基本原理。
蛋白质组学的发展趋势
本节将展望析和应用拓展等方面。
结论和要点
本节将总结蛋白质组学课程的要点和结论,帮助您加深对蛋白质组学的理解 和应用。
蛋白质组学及技术介绍通用课件

详细描述
蛋白质组学技术可以对蛋白质相互作用进行系统研究,发现新的药物靶点,并对药物作用过程中蛋白 质的应答变化进行监测,从而对新药进行有效的筛选和评价。同时,蛋白质组学还可以用于研究药物 的作用机制,解析药物在体内的生物过程,为新药的研发提供重要的理论支持。
生物进化研究
总结词
蛋白质组学在生物进化研究中的应用主要表 现在对不同物种间蛋白质结构和功能的比较 分析,揭示生物进化的规律和机制。
动物实验伦理
减少动物使用
尽量采用其他替代方法,减少动物的使用数量和痛苦。
优化实验方案
在必须使用动物的情况下,应优化实验方案,尽量减少动物的痛苦 和死亡。
严格遵循法律法规
遵守国家和地区的动物保护法律法规,确保实验的合法性。
数据共享与知识产权保护
数据共享
鼓励在学术领域内共享数据,促进科研合作和知识进步。
详细描述
蛋白质组学通过对不同物种间相似蛋白质的 同源性进行分析,可以发现物种间的亲缘关 系和进化历程。同时,蛋白质组学还可以通 过对蛋白质结构和功能的比较分析,发现物 种间在适应环境变化过程中产生的蛋白质变 异和进化机制。这些研究对于深入理解生物
进化的过程和机制具有重要意义。
04
蛋白质组学研究展望
通过测定蛋白质的氨基酸序列,确定蛋白质的组成和 结构。
质谱分析
通过测量蛋白质离子的质量和电荷比值,推断蛋白质 的分子量和肽链组成。
数据库搜对,确定蛋白质的身份。
蛋白质定量技术
同位素标记技术
01
通过同位素标记目标蛋白质,利用其与未标记蛋白质在质谱中
鉴定蛋白质之间的相互作用关系,了解蛋白 质的功能网络。
蛋白质修饰分析
研究蛋白质的翻译后修饰,如磷酸化、糖基 化、乙酰化等,以揭示其调控机制。
蛋白质组学技术可以对蛋白质相互作用进行系统研究,发现新的药物靶点,并对药物作用过程中蛋白 质的应答变化进行监测,从而对新药进行有效的筛选和评价。同时,蛋白质组学还可以用于研究药物 的作用机制,解析药物在体内的生物过程,为新药的研发提供重要的理论支持。
生物进化研究
总结词
蛋白质组学在生物进化研究中的应用主要表 现在对不同物种间蛋白质结构和功能的比较 分析,揭示生物进化的规律和机制。
动物实验伦理
减少动物使用
尽量采用其他替代方法,减少动物的使用数量和痛苦。
优化实验方案
在必须使用动物的情况下,应优化实验方案,尽量减少动物的痛苦 和死亡。
严格遵循法律法规
遵守国家和地区的动物保护法律法规,确保实验的合法性。
数据共享与知识产权保护
数据共享
鼓励在学术领域内共享数据,促进科研合作和知识进步。
详细描述
蛋白质组学通过对不同物种间相似蛋白质的 同源性进行分析,可以发现物种间的亲缘关 系和进化历程。同时,蛋白质组学还可以通 过对蛋白质结构和功能的比较分析,发现物 种间在适应环境变化过程中产生的蛋白质变 异和进化机制。这些研究对于深入理解生物
进化的过程和机制具有重要意义。
04
蛋白质组学研究展望
通过测定蛋白质的氨基酸序列,确定蛋白质的组成和 结构。
质谱分析
通过测量蛋白质离子的质量和电荷比值,推断蛋白质 的分子量和肽链组成。
数据库搜对,确定蛋白质的身份。
蛋白质定量技术
同位素标记技术
01
通过同位素标记目标蛋白质,利用其与未标记蛋白质在质谱中
鉴定蛋白质之间的相互作用关系,了解蛋白 质的功能网络。
蛋白质修饰分析
研究蛋白质的翻译后修饰,如磷酸化、糖基 化、乙酰化等,以揭示其调控机制。
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Label-free
Strassberger V et al., 2010
Summary
Summary
Take home message
1. Quantitation can be done gel-free 2. Labeling can be performed at protein or peptide level, during normal cell growth or in vitro 3. Quantitation can be achieved at MS1 or MS2 level 4. Method choice depends on experimental design, costs, expertise etc 5. In my PERSONAL OPINION, chemical label should be avoided at all costs unless heavy multiplexing is required
Control vs Tumor Cell?
Protein Identification and Quantitation by LC-MS
Control vs drug treated cell? Control vs knock-out cell?
Applications – Cell Biology
ICAT
100
Cell State 1 (All cysteines labeled with light ICAT)
Combine Optional fractionation Proteolyze Affinity separation
Relative Abundance
0
Quantitate relative protein levels by measuring peak ratios Identify proteins by sequence information (MS/MS scan)
2
H
H
12C 14
13C 15
N
N
16O
18O
Enzymatic Labeling
Metabolic Labeling
SILAC
Cells in normal culture media
Media with Normal AA () Media with Labelled AA (*)
Start SILAC labelling by growing cells in labelling media
m/z
m/z
(labelled AA / dialized serum)
*
m/z m/z
Passage cells to allow incorporation of labelled AA
*
m/z m/z
By 5 cell doublings cells have incorporated
*
X3
m/z
2DE-based approach
2DE-based approach
“I see 1000 spots, but identify 50 only.”
LC-MS
Column (75 mm)/spray tip (8 mm)
Reverse-phase C18 beads, 3 mm
No precolumn or split
SILAC
Cells in normal culture media
Media with Normal AA () Media with Labelled AA (*)
Start SILAC labelling by growing cells in labelling media
m/z
m/z
(labelled AA / dialized serum)
Pr ot ei n A Pr ot ei n B Pr ot ei n C Pr ot ei n D Pr ot ei n E Pr ot ei n F
....
Time
=Protein A
NH2-EACDPLREACDPLR-COOH
m/z
ICAT
Thiol-specific group = binds to Cysteins
100
Cell State 2 (All cysteines labeled with heavy ICAT)
Relative Abundance
Analyze by LCLC-MS/MS
0 200 400 600 800
Thiol-specific group = binds to Cysteins
• Labeling is guaranteed close to 99%. All identified proteins in principle are quantifiable
• Quantitation of proteins affected by different stimuli, disruption of genes, etc. • Quantitation of post-translational modifications (phosphorylation, etc.) • Identification and quantitation of interaction partners
Summary
Kolkman A et al., 2005
Label-free
Mobile phase
C18 column, 25cm long A 20 s B
Time
A = 5% organic solvent in water B = 95% organic solvent in water
Geiger T et al., 2012
Applications – Cell Biology
Applications – Immunology
Meissner et al, Science 2013
Clinical Proteomics
A. Amyloid tissue stained in Congo Red; B. After LMD.
Ong SE et al., 2002
Importance of Dialyzed Serum
• non-dialzed serum contains free (unlabeled) amino acids!
No alterations to cell phenotype
C2C12 myoblast cell line
Wisniewski JR et al., 2012
Interactomics
Schulze and Mann, 2004 Schulze WX et al., 2005
Signaling Pathways
Take home message
1. Anything is possible!
SILAC
Applications
State A State B Upregulated protein - Peptide ratio >1
Arg13C 6
Light Isotope
Heavy Isotope
Mix 1:1
Arg12C 6
Optional Protein Fractionation
m/z
Digest with Trypsin
Ion Intensity = Ion abundance
MS measure m/z
Sample 1 Sample 2
Intensity
m/z
Isotopic Labeling
Unlabeled peptide: a) b) a) Labeled peptide: b)
Element
1
Stable Isotope
X3
m/z
Grow SILAC labelled cells to desired number of cells for experiment
Ong SE et al., 2002
Chemical Labeling
ICAT Reagents: Heavy reagent: d8-ICAT (X=deuterium) Light reagent: d0-ICAT (X=hydrogen)
O N S N O XX N O XX O XX O XX O N I
Biotin tag
Linker (heavy or light)
Thiol specific reactive group
Gygi SP et al., 1999
ICAT (Isotope-Coded Affinity Tag)
MALDI ES
Mass Analyzer
Time-of-Flight Quadrupole Ion Trap Quadrupole-TOF
Detector
Peak intensities can vary up to 100x between duplicate runs.
Quatitative analysis MUST be carried on a single run.
Labeled cells behaved as expected under differentiation protocols
Why SILAC is convenient?
Why SILAC is convenient? • Convenient
- no extra step introduced to experiment, just special medium