長春應(yīng)化所設(shè)計合成新型稀土磁性基親和材料

示意圖 1. LaGM親和探針合成路線（a）和兩種類型的肽的同時捕獲和序列質(zhì)譜（MS）分析

蛋白質(zhì)的可逆磷酸化修飾是生物體內(nèi)普遍存在的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)方式，幾乎參與生命活動的所有過程，在細(xì)胞的增殖、發(fā)育和分化，細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄和翻譯，細(xì)胞的周期調(diào)控、蛋白降解和新陳代謝，細(xì)胞生存、細(xì)胞凋亡和腫瘤發(fā)生等方面發(fā)揮著重要的作用。目前已知許多人類疾病的發(fā)生都與異常的蛋白質(zhì)磷酸化修飾有關(guān)，而且一些疾病也會導(dǎo)致一些異常的磷酸化修飾。因此，通過探索生理和病理狀態(tài)下蛋白質(zhì)磷酸化規(guī)律對于闡述生命本質(zhì)和疾病發(fā)生機(jī)制具有十分重要的意義。

由于蛋白質(zhì)磷酸化是一種動態(tài)過程，磷酸化蛋白的豐度很低，化學(xué)計量比十分小、非磷酸化肽質(zhì)譜信號強(qiáng)烈抑制磷酸化肽質(zhì)譜信號，因而難以用質(zhì)譜直接檢測。此外，由于磷酸根帶負(fù)電，其離子化效率較低，使得磷酸化肽的質(zhì)譜檢測變得更加困難。因此，在檢測前，進(jìn)行富集，提高其相對含量，改善質(zhì)譜對磷酸肽的信號響應(yīng)是十分必要的。盡管目前有多種富集方法可以選擇，但都存在不少問題，如抗體需要量較大、費(fèi)用昂貴、富集效率不高，以及存在對非磷酸肽的非特異性富集等。

為了鑒定磷酸化肽，有兩種方法通常被采用：一種是通過對比用磷酸酶處理前后的磷酸化肽質(zhì)譜圖，看是否有80Da質(zhì)量數(shù)差異來進(jìn)行判斷；另一種是利用質(zhì)譜中的碰撞誘導(dǎo)解離（CID）方法進(jìn)一步電離，借助串級質(zhì)譜MS/MS，通過觀察是否有98Da質(zhì)量數(shù)差異識別磷酸化肽，但這兩種方法存在費(fèi)用高、步驟繁瑣或需昂貴質(zhì)譜設(shè)備的局限。此外，采用耗時的、繁瑣的離心分離和色譜柱分離等方法進(jìn)行磷酸肽的分離提純是低效的和高成本的。

中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所倪嘉纘院士課題組張吉林博士等，針對蛋白質(zhì)組學(xué)研究中富集低含量磷酸化蛋白/多肽用于質(zhì)譜分析檢測所面臨的挑戰(zhàn)，利用稀土離子對磷酸根部分的高選擇性親和作用和催化水解作用以及磁性粒子的快速磁分離特點(diǎn)，設(shè)計合成了新型稀土基磁性親和材料，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)譜檢測前對復(fù)雜生物蛋白樣品酶解液中的磷酸化肽的高選擇性捕獲、快速磁分離提純和方便的磷酸化肽質(zhì)譜標(biāo)記。

鑒于稀土離子對磷原子高選擇性親和作用和對膦酸酯鍵催化斷裂水解作用，稀土基親和材料能夠被利用捕獲磷酸化肽和使磷酸化肽去磷酸化作用產(chǎn)生80Da質(zhì)量數(shù)HPO₃的丟失，從而起到親和材料、無機(jī)酶和磷酸化肽質(zhì)譜信號標(biāo)記的作用，達(dá)到選擇性捕獲和直接鑒定識別磷酸化肽的目的。此外，考慮到磁分離的便捷性和高效性，把Fe₃O₄粒子作為磁性核等包覆在稀土親和材料內(nèi)部，將有助于簡化分離過程，提高分離效率。張吉林博士等設(shè)計合成了REPO₄ (RE=Yb,Gd, Y)，Fe₃O₄@SiO₂@CeO₂，Fe₃O₄@La_xSi_yO₅，Fe₃O₄@LnPO₄ (Ln= Eu,Tb,Er)等一系列稀土基親和材料，實(shí)現(xiàn)了磷酸化肽的選擇性捕獲、快速磁分離提純和容易通過80Da質(zhì)量數(shù)HPO₃的丟失特征質(zhì)譜峰識別磷酸化肽。在此基礎(chǔ)上，近期該課題組又將磁性納米粒子和稀土基親和材料粒子共價地組裝到結(jié)構(gòu)獨(dú)特、比表面積極大的石墨烯基質(zhì)上，實(shí)現(xiàn)了對非磷酸化蛋白質(zhì)和低豐度的磷酸化肽的同時富集、逐個洗脫和分別檢測，顯著地提高了檢測效率和降低操作費(fèi)用，使研究工作獲得進(jìn)一步的創(chuàng)新。

該研究有利于提高寶貴的稀土資源的附加值，其稀土基親和材料在磷酸化肽的選擇性捕獲、方便的質(zhì)譜標(biāo)記和快速磁分離提純應(yīng)用方面潛力巨大。該研究成果對蛋白質(zhì)組學(xué)研究將是起到積極的促進(jìn)作用，也開拓了稀土在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的新應(yīng)用。

相關(guān)成果已發(fā)表在國際著名期刊Small 、Chem. Commun.，Journal of Materials Chemistry ，Chem. Eur. J.，Analytical and Bioanalytical Chemistry，Chem. Commun. 等。

（洪廣言）