Enhancing identifications of lipid-embedded proteins by mass spectrometry for improved mapping of endothelial plasma membranes in vivo

通过质谱法增强脂质嵌入蛋白的鉴定,以改善体内内皮细胞质膜的映射

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作者:Yan Li, Jingyi Yu, Yipeng Wang, Noelle M Griffin, Fred Long, Sabrina Shore, Phil Oh, Jan E Schnitzer

Abstract

Lipid membranes structurally define the outer surface and internal organelles of cells. The multitude of proteins embedded in lipid bilayers are clearly functionally important, yet they remain poorly defined. Even today, integral membrane proteins represent a special challenge for current large scale shotgun proteomics methods. Here we used endothelial cell plasma membranes isolated directly from lung tissue to test the effectiveness of four different mass spectrometry-based methods, each with multiple replicate measurements, to identify membrane proteins. In doing so, we substantially expanded this membranome to 1,833 proteins, including >500 lipid-embedded proteins. The best method combined SDS-PAGE prefractionation with trypsin digestion of gel slices to generate peptides for seamless and continuous two-dimensional LC/MS/MS analysis. This three-dimensional separation method outperformed current widely used two-dimensional methods by significantly enhancing protein identifications including single and multiple pass transmembrane proteins; >30% are lipid-embedded proteins. It also profoundly improved protein coverage, sensitivity, and dynamic range of detection and substantially reduced the amount of sample and the number of replicate mass spectrometry measurements required to achieve 95% analytical completeness. Such expansion in comprehensiveness requires a trade-off in heavy instrument time but bodes well for future advancements in truly defining the ever important membranome with its potential in network-based systems analysis and the discovery of disease biomarkers and therapeutic targets. This analytical strategy can be applied to other subcellular fractions and should extend the comprehensiveness of many future organellar proteomics pursuits.

文献解析

 

1. 文献背景信息​

  • ​标题/作者/期刊/年份​​:

    • 标题:Enhancing identifications of lipid-embedded proteins by mass spectrometry for improved mapping of endothelial plasma membranes in vivo

    • 作者:Yan Li 等(通讯作者 Jan E Schnitzer)

    • 期刊:Molecular & Cellular Proteomics(IF=6.1,2009年)

    • ​时效性​​:2009年发表,方法学类研究,部分技术可能已迭代,但膜蛋白分离策略仍有参考价值。

  • ​研究领域与背景​​:

    • ​分支领域​​:质谱蛋白质组学 + 内皮细胞膜蛋白质组(“membranome”)。

    • ​研究现状​​:2000年代膜蛋白(尤其是跨膜蛋白)因疏水性高、丰度低,质谱鉴定困难,是蛋白质组学的瓶颈。

  • ​研究动机​​:

    • ​空白​​:当时方法对脂质嵌入蛋白(如跨膜蛋白)覆盖率不足,影响内皮细胞质膜功能研究。

    • ​目标​​:开发更高效的质谱策略,提升膜蛋白鉴定数量和覆盖度。


​2. 研究问题与假设​

  • ​核心问题​​:如何通过质谱技术优化,显著提高内皮细胞质膜中脂质嵌入蛋白的鉴定效率?

  • ​假设​​:三维分离策略(SDS-PAGE + 2D-LC/MS/MS)比传统二维方法更能富集和鉴定低丰度跨膜蛋白。


​3. 研究方法学与技术路线​

  • ​实验设计​​:

    • ​样本​​:从肺组织直接分离内皮细胞质膜(避免体外培养偏差)。

    • ​对比方法​​:测试4种质谱前处理方案(包括凝胶分离、液相分级等),每种重复多次。

  • ​关键技术​​:

    • ​创新方法​​:SDS-PAGE预分级 + 胶内酶切 + 连续二维液相色谱/串联质谱(3D分离)。

    • ​优势​​:减少样本损失,提高疏水性肽段检测灵敏度。

  • ​数据来源​​:自建质谱数据集,无公共数据库依赖。


​4. 结果与数据解析​

  • ​主要发现​​:

          ​​鉴定数量​​:将内皮质膜蛋白质组扩展至1,833种(含>500种脂质嵌入蛋白),跨膜蛋白占比>30%。

​          方法对比​​:3D策略显著优于传统2D方法(如溶液酶切+LC/MS/MS),蛋白覆盖度和动态范围提升。

          ​​效率​​:减少重复实验次数即可达到95%分析完整性(节省样本量)。

  • ​数据验证​​:通过技术重复和跨方法一致性验证结果可靠性。

  • ​局限性​​:

    • 仪器耗时增加(需权衡通量与深度);

    • 未验证所有蛋白的膜定位(需后续实验补充)。


​5. 讨论与机制阐释​

  • ​机制解释​​:

    • 凝胶分级可分离疏水性蛋白,减少肽段竞争抑制,提升质谱信号。

  • ​与既往研究对比​​:

    • 支持“膜蛋白需特殊前处理”的观点,但提出更优方案(如SDS-PAGE兼容性)。

  • ​未解决问题​​:

    • 如何进一步降低技术复杂性?

    • 其他细胞类型或组织是否适用?


​6. 创新点与学术贡献​

  • ​技术贡献​​:

    • 首次系统比较膜蛋白质组前处理方法,确立3D策略的优越性;

    • 为后续细胞器蛋白质组学研究提供模板(如溶酶体、线粒体膜)。

  • ​实际价值​​:

    • 推动内皮细胞膜生物标志物发现(如肿瘤血管靶点);

    • 方法可拓展至其他难溶性蛋白研究(如膜受体复合物)。


​总结​

该文献是膜蛋白质组学方法学的经典工作,通过创新分离策略解决了脂质嵌入蛋白鉴定难题,虽技术细节可能过时,但其“多维分离提升覆盖率”的思路仍具启发性。后续研究可结合现代质谱技术(如DIA、离子淌度)进一步优化流程。

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