温度控制的泛素/三磷酸腺苷相互作用的电喷雾质谱研究

doi:10.7503/cjcu20240382

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (11): 20240382.doi: 10.7503/cjcu20240382

温度控制的泛素/三磷酸腺苷相互作用的电喷雾质谱研究

刘思盈¹, 粟雯¹^,², 周仲燕¹, 杨治渝¹, 裴华夫¹, 何芷茹¹, 王娜¹^,³(), 岳磊¹()

^1.湖南大学生物学院，化学生物传感与化学计量学国家重点实验室，长沙 410000
^2.邵阳学院药学院，邵阳 422000
^3.湖南科技大学化学与化学工程学院，湘潭 411101

收稿日期:2024-08-07 出版日期:2024-11-10 发布日期:2024-09-04
通讯作者: 岳磊 E-mail:wna@hnust.edu.cn;yuelei@hnu.edu.cn
作者简介:王娜，女，博士，副教授，主要从事光谱质谱联用和气相离子化学方面的研究. E⁃mail： wna@hnust.edu.cn
第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家重点研发计划项目（批准号： 2023YFF0613400）、国家自然科学基金（批准号： 22174037）、湖南省自然科学联合基金（批准号： 2023JJ50255）和长沙市自然科学基金（批准号： 202269490128）

Protein-Small Molecule Interaction Electrospray Ionization Mass Spectrometry Study of the Ubiquitin/Adenosine Triphoshate Couple over Temperature Variation

LIU Siying¹, SU Wen¹^,², ZHOU Zhongyan¹, YANG Zhiyu¹, PEI Huafu¹, HE Zhiru¹, WANG Na¹^,³(), YUE Lei¹()

^1.College of Biology，State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics，Hunan University，Changsha 410000，China
^2.College of Pharmacy，Shaoyang University，Shaoyang 422000，China
^3.School of Chemistry and Chemical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411101，China

Received:2024-08-07 Online:2024-11-10 Published:2024-09-04
Contact: YUE Lei E-mail:wna@hnust.edu.cn;yuelei@hnu.edu.cn
Supported by:
Supported by the National Key Research and Development Program of China(No.2023YFF0613400)， the National Natural Science Foundation of China(No.22174037)， the Joint Funds of Natural Science Foundation of the Hunan Province， China(No.2023JJ50255) and the Project of Natural Science Foundation of Changsha, China(No.202269490128)

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摘要/Abstract

摘要：

通过基于温度控制的蛋白质小分子相互作用电喷雾质谱（PSMI-ESI-MS）技术探究了模式蛋白质泛素（Ubi）与重要的生物活性小分子三磷酸腺苷（ATP）体系. 在室温条件下，泛素和ATP以1 μmol/L∶50 μmol/L浓度比混合溶液的电喷雾质谱图和自然状态下泛素的电荷特征一致，主要形成了+5, +6, +7电荷态下的3类峰. ATP主要和+5, +6的泛素分别形成摩尔比为1∶1和1∶2的复合物，而+7的泛素-ATP复合物实验中相对较少，说明低电荷态时的泛素对ATP有更强的亲合力. 通过不同浓度比泛素-ATP的质谱行为分析，发现浓度维度上的结合状态没有显著差异，而在不同温度的泛素及泛素-ATP复合物的电荷分布情况有明显差异. 计算得到的结合亲和力随温度的增大而增大，说明去折叠后的泛素和ATP的相互作用增强. 通过热力学进一步分析了不同浓度ATP对泛素折叠和去折叠吉布斯自由能的影响，发现ATP的存在增加了泛素去折叠所需的能量，因此增强了泛素的稳定性. 根据泛素和ATP在温度维度下的电喷雾质谱分析得到了化学计量比、结合亲和力和吉布斯自由能等多维度的信息，为蛋白质分析，尤其是与小分子相互作用的研究提供了参考.

关键词: 电喷雾质谱, 泛素, 三磷酸腺苷, 蛋白质小分子相互作用

Abstract:

In this paper， protein-small molecule interaction electrospray ionization mass spectrometry（PSMI-ESI-MS） was used to study a model protein， ubiquitin（Ubi）， and one of the most important bioactive small molecules， adenosine triphosphate（ATP） system. At room temperature， the electrospray mass spectra of the Ubi/ATP couple at the concentration ratio of 1 μmol/L∶50 μmol/L mainly showed charge states at +5， +6， and +7， corresponding well with the charge of Ubi in native state. ATP mainly formed 1∶1 and 1∶2（molar ratio） complexes with +5 and +6 ubiquitin while complexes with +7 was much less abundant， indicating that ubiquitin in lower charge state has a stronger binding affinity for ATP. Analysis of Ubi/ATP mass spectra at different ratios showed that there was no significant difference in the binding state at the concentration dimension. However， there was a significant difference in the charge distribution of Ubi and Ubi-ATP complexes at temperature variation. The calculated binding affinity increased with increasing temperature， indicating that the interaction between Ubi and ATP was enhanced after unfolding. Furthermore， Gibbs free energy of folded and unfolded Ubi indicated that the presence of ATP increased the energy required for unfolding， thereby enhancing the stability of ubiquitin. In this study， multi-dimensional information such as stoichiometric ratio， affinity， and Gibbs free energy were obtained based on electrospray mass spectrometry analysis of ubiquitin and ATP in the temperature dimension. It provides a general strategy for subsequent studies on protein-small molecule interactions.

Key words: Electrospray ionization mass spectrometry, Ubiquitin, Adenosine triphosphate, Protein-small molecule interaction

中图分类号:

O657.6

TrendMD:

刘思盈, 粟雯, 周仲燕, 杨治渝, 裴华夫, 何芷茹, 王娜, 岳磊. 温度控制的泛素/三磷酸腺苷相互作用的电喷雾质谱研究. 高等学校化学学报, 2024, 45(11): 20240382.

LIU Siying, SU Wen, ZHOU Zhongyan, YANG Zhiyu, PEI Huafu, HE Zhiru, WANG Na, YUE Lei. Protein-Small Molecule Interaction Electrospray Ionization Mass Spectrometry Study of the Ubiquitin/Adenosine Triphoshate Couple over Temperature Variation. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240382.

图/表 7

Fig.1 Three⁃dimensional structure of ubiquitin(A) and chemical structure of ATP(B)

Fig.2 Mass spectra of ubiquitin/ATP (1 μmol/L∶50 μmol/L) in aqueous solution

Fig.3 Weighted average charge state of ubiquitin vs. solution temperature with midpoint melting temperature Tm=64.5 ℃Inset shows mass spectra of ubiquitin in an acidified aqueous solution collected at 25， 65 and 95 ℃.

Fig.4 Mass spectra showing the region corresponding to the Ubi⁃ATP complexes under various temperature conditions(25—85 ℃)(A) 1 μmol/L Ubi∶10 μmol/L ATP; (B) 1 μmol/L Ubi∶20 μmol/L ATP; (C) 1 μmol/L Ubi∶30 μmol/L ATP; (D) 1 μmol/L Ubi∶40 μmol/L ATP; (E) 1 μmol/L Ubi∶50 μmol/L ATP.

Table 1 Binding affinities of 1 μmol/L Ubi∶30 μmol/L ATP complexes at different temperatures*

Temperature	Binding affinity
Temperature	+5	+6	+7
25	0.25409	0.14033	0.10602
30	0.28473	0.16355	0.12327
35	0.30595	0.17651	0.13735
40	0.33775	0.20401	0.15042
45	0.33963	0.20024	0.15920
50	0.34574	0.21277	0.15783
55	0.36097	0.22623	0.17905
60	0.37048	0.23116	0.18121
65	0.38075	0.24318	0.19477
70	0.37893	0.24403	0.19047
75	0.39394	0.25536	0.20730
80	0.41139	0.27629	0.22023
85	0.41140	0.27295	0.22110
90	0.41321	0.28789	0.21197
95	0.40912	0.28124	0.22615

Fig.5 Calculated binding affinities of 1 μmol/L Ubi∶30 μmol/L ATP complexes at different temperatures

Fig.6 ΔG values for ubiquitin and Ubi⁃ATP calculated at various temperaturesThe values are presented as mean±standard deviation（n=3）.

参考文献 66

1	Chen F.， Gülbakan B.， Weidmann S.， Fagerer S. R.， Ibáñez A. J.， Zenobi R.， Mass Spectrom. Rev.， 2016， 35（1）， 48—70
2	Loo J. A.， Mass Spectrom. Rev.， 1997， 16（1）， 1—23
3	Bennett J. L.， Nguyen G. T. H.， Donald W. A.， Chem. Rev.， 2022， 122（8）， 7327—7385
4	Bhogaraju S.， Kalayil S.， Liu Y.， Bonn F.， Colby T.， Matic I.， Dikic I.， Cell， 2016， 167（6）， 1636—1649
5	Westheimer F. H.， Science， 1987， 235（4793）， 1173—1178
6	Lehninger A. L.， Nelson D. L.， Cox M. M.， Lehninger Principles of Biochemistry， New York， W. H. Freeman and Company， 2005
7	Zaboli M.， Saeidnia F.， Zaboli M.， Torkzadeh⁃Mahani M.， Process Biochem.， 2021， 101， 26—35
8	Naidu K. T.， Rao D. K.， Prabhu N. P.， J. Phys. Chem. B， 2020， 124（45）， 10077—10088
9	Arsiccio A.， McCarty J.， Pisano R.， Shea J. E.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（12）， 5722—5730
10	Liu W. W.， Zhu Y.， Fang Q.， Anal. Chem.， 2017， 89（12）， 6678—6685
11	Chen F.， Di H.， Wang Y.， Cao Q.， Xu B.， Zhang X.， Yang N.， Liu G.， Yang C. G.， Xu Y.， Jiang H.， Lian F.， Zhang N.， Li J.， Lan L.， Nat. Chem. Biol.， 2016， 12（3）， 174—179
12	Molina D. M.， Jafari R.， Ignatushchenko M.， Seki T.， Larsson E. A.， Dan C.， Sreekumar L.， Cao Y.， Nordlund P.， Science， 2013， 341（6141）， 84—87
13	Fujimoto K. J.， Inoue K.， J. Chem. Phys.， 2020， 153（4）， 045101
14	Ou X.， Lao Y.， Xu J.， Wutthinitikornkit Y.， Shi R.， Chen X.， Li J.， JACS Au， 2021， 1（10）， 1766—1777
15	Merlevede W.， Vandenheede J. R.， Goris J.， Yang S. D.， Curr. Top. Cell. Regul.， 1984， 23， 177—215
16	Apstein C. S.， In Diastolic Relaxation of the Heart： The Biology of Diastole in Health and Disease， 2 Ed.， Edited by Lorell B. H.， Grossman W.， Springer US， Boston， MA. 1994， 125—134
17	Song J.， Protein Sci.， 2021， 30（7）， 1277—1293
18	Kota D.， Prasad R.， Zhou H. X.， J. Am. Chem. Soc.， 2024， 146（2）， 1326—1336
19	Rickard M. M.， Luo H.， de Lio A.， Gruebele M.， Pogorelov T. V.， J. Phys. Chem. Lett.， 2022， 13（42）， 9809—9814
20	Eschweiler J. D.， Kerr R.， Rabuck⁃Gibbons J.， Ruotolo B. T.， Annu. Rev. Anal. Chem.， 2017， 10（1）， 25—44
21	Zhang T.， Lyu J.， Yang B.， Yun S. D.， Scott E.， Zhao M.， Laganowsky A.， Nat. Commun.， 2024， 15（1）， 5946
22	Yen H. Y.， Jazayeri A.， Robinson C. V.， Pharmacol Rev.， 2023， 75（3）， 397—415
23	Le J.， Loo J. A.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2023， 34（12）， 2620—2624
24	Wen X.， Liu C.， Tovar K.， Curran P.， Richards M.， Agrawal S.， McLaren D. G.， J. Am. Chem. Soc.， 2024， 146（29）， 19792—19799
25	Zhao H. X.， Li Z.， Zhao M. Y.， Tian L.， Xiao Y. S.， Wang Z. H.， Yue H.， Xiu Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（4）， 20220576
	赵幻希，李卓，赵孟雅，田璐，肖禹圣，王震寰，越皓，修洋. 高等学校化学学报， 2023， 44（4）， 20220576
26	Huang L.， Wang J.， Jiang H.， Chen L.， Chen H.， Chin. Chem. Lett.， 2024， 109896
27	Feng T.， Gao Y. L.， Hu D.， Yuan K. Y.， Gu S. Y.， Gu Y. H.， Yu S. Y.， Feng Y. Q.， Wang J.， Yuan B. F.， Chin. Chem. Lett.， 2024， 35（8）， 109259
28	Blundell T. L.， Patel S.， Curr. Opin. Pharmacol.， 2004， 4， 490—496
29	Cala O.， Guilliere F.， Krimm I.， Anal. Bioanal. Chem.， 2014， 406， 943—956
30	Pellecchia M.， Bertini I.， Cowburn D.， Dalvit C.， Giralt E.， Jahnke W.， James T. L.， Homans S. W.， Kessler H.， Luchinat C.， Meyer B.， Oschkinat H.， Peng J.， Schwalbe H.， Siegal G.， Nat. Rev. Drug Discov.， 2008， 7（9）， 738—745
31	Erba E. B.， Zenobi R.， Annu. Rep. Prog. Chem. Sect. C： Phys. Chem.， 2011， 107， 199—228
32	Rathore D.， Faustino A.， Schiel J.， Pang E.， Boyne M.， Rogstad S.， Expert Rev. Proteomics， 2018， 15（5）， 431—449
33	Chowdhury S. K.， Katta V.， Chait B. T.， J. Am. Chem. Soc.， 1990， 112， 9012—9013
34	Ganem B.， Li Y. T.， Henion J. D.， J. Am. Chem. Soc.， 1991， 113， 6294—6296
35	Ganem B.， Li Y. T.， Henion J. D.， J. Am. Chem. Soc.， 1991， 113， 7818—7819
36	Loo R. R. O.， Goodlett D. R.， Smith R. D.， Loo J. A.， J. Am. Chem. Soc.， 1993， 11（5）， 4391—4392
37	Baca M.， Kent S. B. H.， J. Am. Chem. Soc.， 1992， 114（39）， 92—93
38	Vallejo D. D.， Rojas Ramírez C.， Parson K. F.， Han Y.， Gadkari V. V.， Ruotolo B. T.， Chem. Rev.， 2022， 122（8）， 7690—7719
39	Pruska A.， Mass Spectrometric Methods for Studying Thermodynamic Properties of Biomolecular Systems， ETH Zurich， Zurich， 2023
40	Laganowsky A.， Clemmer D. E.， Russell D. H.， Annu. Rev. Biophys.， 2022， 51， 63—77
41	Ibarra⁃Molero B.， Naganathan A. N.， Sanchez⁃Ruiz J. M.， Muñoz V.， Methods Enzymol， 2016， 567， 281—318
42	Mahran R.， Vello N.， Komulainen A.， Malakoutikhah M.， Härmä H.， Kopra K.， Sci. Rep.， 2023， 13（1）， 20066
43	Pruška A.， Marchand A.， Zenobi R.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（28）， 15390—15398
44	Li G.， Zheng S.， Chen Y.， Hou Z.， Huang G.， Anal. Chem.， 2018， 90（13）， 7997—8001
45	Jordan J. S.， Williams E. R.， Anal. Chem.， 2022， 94（48）， 16894—16900
46	Marchand A.， Czar M. F.， Eggel E. N.， Kaeslin J.， Zenobi R.， Nat. Commun.， 2020， 11（1）， 566
47	Pruška A.， Harrison J. A.， Granzhan A.， Marchand A.， Zenobi R.， Anal. Chem.， 2023， 95（38）， 14384—14391
48	Cong X.， Liu Y.， Liu W.， Liang X.， Russell D. H.， Laganowsky A.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（13）， 4346—4349
49	El⁃Baba T. J.， Woodall D. W.， Raab S. A.， Fuller D. R.， Laganowsky A.， Russell D. H.， Clemmer D. E.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（18）， 6306—6309
50	Raab S. A.， El⁃Baba T. J.， Woodall D. W.， Liu W.， Liu Y.， Baird Z.， Hales D. A.， Laganowsky A.， Russell D. H.， Clemmer D. E.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（41）， 17372—17383
51	El⁃Baba T. J.， Raab S. A.， Buckley R. P.， Brown C. J.， Lutomski C. A.， Henderson L. W.， Woodall D. W.， Shen J.， Trinidad J. C.， Niu H.， Jarrold M. F.， Russell D. H.， Laganowsky A.， Clemmer D. E.， Anal. Chem.， 2021， 93（24）， 8484—8492
52	Liu J.， Wang Y.， Wang X.， Qin W.， Li G.， Int. J. Mass Spectrom.， 2023， 494， 117151
53	Walker T. E.， Shirzadeh M.， Sun H. M.， McCabe J. W.， Roth A.， Moghadamchargari Z.， Clemmer D. E.， Laganowsky A.， Rye H.， Russell D. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2022， 144（6）， 2667—2678
54	Su W.， Liu S.， Zhang Q.， Zhou Z.， Wang N.， Yue L.， Chin. Chem. Lett.， 2024， 110237
55	Wyttenbach T.， Bowers M. T.， J. Phys. Chem. B， 2011， 115（42）， 12266—12275
56	Reddy G.， Thirumalai D.， J. Phys. Chem. B， 2017， 121（5）， 995—1009
57	Benesch J. L.， Sobott F.， Robinson C. V.， Anal. Chem.， 2003， 75（10）， 2208—2214
58	Marchand A.， Rosu F.， Zenobi R.， Gabelica V.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（39）， 12553—12565
59	Wintrode P. L.， Makhatadze G. I.， Privalov P. L.， Proteins， 1994， 18（3）， 246—253
60	El⁃Baba T. J.， Fuller D. R.， Woodall D. W.， Raab S. A.， Conant C. R.， Dilger J. M.， Toker Y.， Williams E. R.， Russell D. H.， Clemmer D. E.， Chem. Commun.， 2018， 54（26）， 3270—3273
61	Wan C.， Cui M.， Song F.， Liu Z.， Liu S.， Int. J. Mass Spectrom.， 2009， 283（1—3）， 48—55
62	Mazzitelli C. L.， Chu Y.， Reczek J. J.， Iverson B. L.， Brodbelt J. S.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2007， 18（2）， 311—321
63	Nishizawa M.， Walinda E.， Morimoto D.， Kohn B.， Scheler U.， Shirakawa M.， Sugase K.， J. Am. Chem. Soc.， 2021， 143（31）， 11982—11993
64	LiCata V. J.， Liu C. C.， Methods Enzymol.， 2011， 488， 219—238
65	Blanc J. L.， Beuchemin D.， Siu K.， Blanc L.， Guevremont R.， Berman S.， Org. Mass Spectrom.， 1991， 26（10）， 831—839
66	Nandi T.， Desai A.， Ainavarapu S. R. K.， Phys. Chem.， 2020， 22（40）， 23158—23168

[1]	周敏, 石莹莹, 李树奇, 张凯林, 崔永亮, 张森, 张先燚, 孔祥蕾. 不同电荷态泛素蛋白离子的193 nm紫外光解离质谱[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2436.
[2]	邓洁薇, 杨运云, 林里, 栾天罡. 表面修饰探针纳升电喷雾质谱脂质组学对大型溞和蚤状溞的快速鉴别[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2011.
[3]	彭艺芳, 王承健, 王晶晶, 李玲梅, 晋万军, 强珊, 师红丹, 张英, 黄琳娟, 王仲孚. 花生致敏糖蛋白Ara h1糖链决定簇的质谱分析[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(9): 1622.
[4]	王业海, 孔一夫, 陈晨晨, 李宜明. K33位乙酰化修饰SUMO蛋白的化学合成[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(11): 1987.
[5]	陈欢欢, 赵峡, 栾晓红, 于广利. 电喷雾质谱在寡糖序列分析中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(1): 1.
[6]	赵秋伶, 刘玲玲, 杨丽娜. 基于核酸适体检测ATP的酶联分析新方法[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(6): 1161.
[7]	徐牛生, 杨洪梅, 崔勐, 宋凤瑞, 刘志强, 刘淑莹. 电喷雾质谱法研究防己诺林碱与G-四链体的相互作用[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(11): 2430.
[8]	刘振爽, 高尚, 赵外欧, 秦玉娇, 汪兵, 国新华. 类黄酮化合物对G-四链体及双链DNA选择性的电喷雾质谱研究[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(08): 1681.
[9]	蔡凯王媛媛周鑫亓昭鹏王鹏苏志孙为银. 新型含丙腈基和咪唑基三脚架配体-银(Ⅰ)配合物的合成与结构[J]. 高等学校化学学报, 2011, 32(9): 2193.
[10]	王曦烨皮子凤刘文龙宋凤瑞刘志强刘淑莹. 电喷雾质谱半定量方法研究制川乌配伍后的大鼠肠内菌生物转化[J]. 高等学校化学学报, 2011, 32(7): 1526.
[11]	吕林邓慧敏林中祥. ESI-MS研究N-苯甲酰基-脱氢枞胺衍生物与血管紧张肽Ⅲ的相互作用[J]. 高等学校化学学报, 2011, 32(4): 863.
[12]	刘文龙刘志强宋凤瑞刘淑莹. 乌头类双酯型生物碱组分转化为单酯水解型及脂型生物碱组分的研究[J]. 高等学校化学学报, 2011, 32(3): 717.
[13]	秦玉娇, 魏士刚, 王晓录, 杨帆, 汪兵, 国新华. d(C4)相关序列形成四分子i-Motif结构的电喷雾质谱研究[J]. 高等学校化学学报, 2011, 32(12): 2748.
[14]	徐莎, 张萍, 黄琳娟, 王仲孚. Pronase E酶解释放糖蛋白N-糖链的方法及荧光标记衍生物的LC-MS分析[J]. 高等学校化学学报, 2010, 31(10): 1992.
[15]	孙明忠,刘淑清,唐建武 . 鼠肝癌淋巴道转移细胞模型的蛋白质组学研究[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(3): 517.

温度控制的泛素/三磷酸腺苷相互作用的电喷雾质谱研究

Protein-Small Molecule Interaction Electrospray Ionization Mass Spectrometry Study of the Ubiquitin/Adenosine Triphoshate Couple over Temperature Variation

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