中科院长春应化所设计合成新型稀土基磁性亲和材料

中科院长春应化所设计合成新型稀土基磁性亲和材料蛋白质的可逆磷酸化修饰是生物体内普遍存在的信息转导调节方式，几乎参与生命活动的所有过程，在细胞的增殖、发育和分化，细胞信号转导、转录和翻译，细胞的周期调控、蛋白降解和新陈代谢，细胞生存、细胞凋亡和肿瘤发生等方面发挥着重要的作用。目前已知许多人类疾病的发生都与异常的蛋白质磷酸化修饰有关，而且一些疾病也会导致一些异常的磷酸化修饰。因此，通过探索生理和病理状态下蛋白质磷酸化规律对于阐述生命本质和疾病发生机制具有十分重要的意义。由于蛋白质磷酸化是一种动态过程，磷酸化蛋白的丰度很低，化学计量比十分小、非磷酸化肽质谱信号强烈抑制磷酸化肽质谱信号，因而难以用质谱直接检测。此外，由于磷酸根带负电，其离子化效率较低，使得磷酸化肽的质谱检测变得更加困难。因此，在检测前，进行富集，提高其相对含量，改善质谱对磷酸肽的信号响应是十分必要的。尽管目前有多种富集方法可以选择，但都存在不少问题，如抗体需要量较大、费用昂贵、富集效率不高，以及存在对非磷酸肽的非特异性富集等。为了鉴定磷酸化肽，有两种方法通常被采用：一种是通过对比用磷酸酶处理前后的磷酸化肽质谱图，看是否有80Da质量数差异来进行判断；另一种是利用质谱中的碰撞诱导解离（CID）方法进一步电离，借助串级质谱MS/MS，通过观察是否有98Da质量数差异识别磷酸化肽，但这两种方法存在费用高、步骤繁琐或需昂贵质谱设备的局限。此外，采用耗时的、繁琐的离心分离和色谱柱分离等方法进行磷酸肽的分离提纯是低效的和高成本的。中科院长春应用化学研究所倪嘉缵院士课题组张吉林博士等，针对蛋白质组学研究中富集低含量磷酸化蛋白/多肽用于质谱分析检测所面临的挑战，利用稀土离子对磷酸根部分的高选择性亲和作用和催化水解作用以及磁性粒子的快速磁分离特点，设计合成了新型稀土基磁性亲和材料，实现了质谱检测前对复杂生物蛋白样品酶解液中的磷酸化肽的高选择性捕获、快速磁分离提纯和方便的磷酸化肽质谱标记。鉴于稀土离子对磷原子高选择性亲和作用和对磷酸酯键催化断裂水解作用，稀土基亲和材料能够被利用捕获磷酸化肽和使磷酸化肽去磷酸化作用产生80Da质量数HPO3的丢失，从而起到亲和材料、无机酶和磷酸化肽质谱信号标记的作用，达到选择性捕获和直接鉴定识别磷酸化肽的目的。此外，考虑到磁分离的便捷性和高效性，把Fe3O4粒子作为磁性核等包覆在稀土亲和材料内部，将有助于简化分离过程，提高分离效率。张吉林博士等设计合成了REPO4(RE=Yb, Gd,Y)，Fe3O4@SiO2@CeO2，Fe3O4@LaxSiyO5，Fe3O4@LnPO4(Ln=Eu, Tb,Er)等一系列稀土基亲和材料，实现了磷酸化肽的选择性捕获、快速磁分离提纯和容易通过80Da质量数HPO3的丢失特征质谱峰识别磷酸化肽。在此基础上，近期该课题组又将磁性纳米粒子和稀土基亲和材料粒子共价地组装到结构独特、比表面积极大的石墨烯基质上，实现了对非磷酸化蛋白质和低丰度的磷酸化肽的同时富集、逐个洗脱和分别检测，显著地提高了检测效率和降低操作费用，使研究工作获得进一步的创新。该研究有利于提高宝贵的稀土资源的附加值，其稀土基亲和材料在磷酸化肽的选择性捕获、方便的质谱标记和快速磁分离提纯应用方面潜力巨大。该研究成果对蛋白质组学研究将起到积极的促进作用，也开拓了稀土在生物医学领域中的新应用。（中科院长春应化所网站）