應用案例（質(zhì)量光度計-MP）：質(zhì)量光度計表征蛋白質(zhì)相互作用的平衡態(tài)

Characterization of protein interaction equilibria

翻譯整理：北京佰司特科技有限責任公司    

質(zhì)量光度計定量了溶液中生物分子的質(zhì)量分布。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用和蛋白質(zhì)復合物形成通常是涉及多個成分的多步驟反應。質(zhì)量光度計是一種新的分子光譜分析方法，它可以監(jiān)測復雜的平衡反應的形成，并評估化學環(huán)境或蛋白質(zhì)濃度的變化如何影響平衡。質(zhì)量光度計以單分子方式直接測量樣品中所有蛋白質(zhì)群體的相對濃度。

從DNA復制到細胞周期控制，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用對幾乎每一個細胞過程都至關重要。由于蛋白質(zhì)之間的相互作用主要是非共價的，它們通常以平衡狀態(tài)存在。評估系統(tǒng)在擾動后如何恢復平衡，可以深入了解反應動力學，而相互作用親和力是通過測量平衡時每個組分的相對濃度來確定的。然而，當感興趣的系統(tǒng)包括低濃度下的多個反應或組分時，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的研究可能變得復雜。在這些條件下，體積或平均測量值迅速下降。相比之下，質(zhì)量光度計是一種單分子分析技術，因此它可以直接測量樣本中所有組分的分子質(zhì)量和相對豐度。在這里，我們使用質(zhì)量光度計研究形成四聚體的重組蛋白的低聚過程。

表征反應平衡的形成

蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用系統(tǒng)受到干擾后，如總蛋白質(zhì)濃度的變化，系統(tǒng)會重新平衡。此處研究的重組蛋白主要在高濃度（>100μM）下形成四聚體，但我們研究了其在低nM濃度范圍內(nèi)的行為，這在生理上更為相關。將樣品稀釋至10 nM后，通過光度測定法檢測到分子量與單體、二聚體和四聚體形式相對應的物種種群（圖1）。其他組分，如三聚體、五聚體和八聚體，也可見，但豐度較低。隨著時間的推移，四聚體的比例減少，而單體的比例增加，直到在大約一小時的培養(yǎng)后達到質(zhì)量平衡。二聚體的比例隨時間大致保持不變。為了生理相關性，樣品在37°C下培養(yǎng)；質(zhì)量光度計測量在室溫下進行。在這里，質(zhì)量光度計提供了一種快速簡便的方法來評估所需的孵育時間，以確保隨后的實驗在平衡狀態(tài)下進行。

量化蛋白質(zhì)濃度如何影響平衡狀態(tài)

一旦低聚體系達到平衡狀態(tài)，每種蛋白質(zhì)的相對濃度將隨著總蛋白質(zhì)濃度的變化而變化。通常，總濃度的增加將有利于形成高階蛋白質(zhì)復合物，而減少將有利于單體或低階低聚物。質(zhì)量光度計測定數(shù)據(jù)證實了研究中重組蛋白的這一預期：單體在總蛋白濃度為1-50 nM時Zui豐富，四聚體在100 nM時Zui豐富（圖2）。盡管總蛋白濃度發(fā)生變化，但二聚體比例大致保持不變。在上述示例中，質(zhì)量光度計有效地測量了生理相關蛋白質(zhì)濃度范圍內(nèi)每個低聚物物種的相對豐度。這種測量非常有用，因為低聚物狀態(tài)通常與蛋白質(zhì)活性直接相關。因此，樣本中低聚物狀態(tài)的知識可以為下游應用的決策提供信息。

評估環(huán)境因素如何影響平衡

環(huán)境的物理和化學性質(zhì)——如溫度、離子強度或pH值——會影響蛋白質(zhì)相互作用的平衡。將平衡的重組蛋白樣品從37°C移至較低溫度（室溫）會擾亂系統(tǒng)的平衡，導致四聚體的相對比例隨時間增加（圖3A）。二聚體的比例再次保持不變（數(shù)據(jù)未顯示）。

這些結果強調(diào)了在實驗過程中嚴格控制溫度和孵育時間的重要性，并證明快速質(zhì)量光度計測量對于驗證所研究系統(tǒng)的狀態(tài)很有價值。相反，當重組蛋白在水中而不是在PBS中培養(yǎng)時，單體和四聚體數(shù)量的變化不太明顯。出乎意料的是，我們觀察到二聚體數(shù)量顯著增加，盡管存在其他干擾，但在PBS稀釋樣品中二聚體數(shù)量先前保持不變（圖3B），這說明了通過質(zhì)量光度計進行單分子方法量化每個組分的重要性。

總的來說，對重組蛋白的三組測量表明，使用質(zhì)量光度計在單個分子水平上監(jiān)測樣本中的所有蛋白質(zhì)物種，可以對難以分析的多步驟反應提供有價值的見解。

總結

涉及蛋白質(zhì)相互作用和其他大分子相互作用的系統(tǒng)通常很復雜，使得體積測量難以解釋。由于其單分子性質(zhì)，質(zhì)量光度計通過提供樣品中所有組分的信息克服了這一挑戰(zhàn)（前提是感興趣組分之間的分子質(zhì)量存在足夠的差異）。質(zhì)量光度計可在一定時間或條件下輕松監(jiān)測溶液中樣品所有組分的相對濃度，無需任何蛋白質(zhì)標記或固定。在這種方法的基礎上，最近發(fā)表的文章詳細描述了從質(zhì)量光度計數(shù)據(jù)計算平衡常數(shù)。