Cross-path reactive chromatography/mass spectrometry as a versatile platform for characterization of primary and higher order structure of complex heterogeneous proteins

交叉路径反应色谱/质谱作为多功能平台,用于表征复杂异质蛋白质的一级和高级结构

基本信息

  • 批准号:
    10350609
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30.94万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-03-01 至 2024-02-29
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY High-throughput characterization of increasingly complex and heterogeneous protein structures (including both primary and higher order structures) is now required in a variety of fields ranging from personalized medicine (biomarkers) to industrial-scale production of recombinant proteins (for both product quality control and feedback adaptive process control). However, extensive structural characterization usually involves several multi-step processes that are both time- and labor-consuming, and frequently cannot be implemented in a high-throughput format. Additional complication arises from the presence of multiple protein sub-populations in the analytical/clinical/production sample, which may exhibit altered functional or biophysical properties despite having very similar structural characteristics (e.g, small soluble aggregates, aberrant glycoforms, disulfide- scrambled species, etc.). The proposed research aims at developing a robust and versatile analytical technology using the novel cross-path reactive chromatography (XP-RC) platform with on-line detection by electrospray ionization mass spectrometry (ESI MS) augmented by protein ion manipulation in the gas phase (including both conventional top-down MS/MS and the limited charge reduction technique developed in our laboratory). XP-RC allows protein chemical modifications (such as disulfide reduction, covalent labeling, H/D exchange, etc.) to be combined in-line with the separation step and enables real-time MS measurements that are not adversely affected by components incompatible with the ESI process. This is achieved by utilizing the unique elution characteristics (retention) of proteins and small-molecule reagents in non-denaturing chromatographic media (size exclusion or ion exchange); during their retention the proteins can be exposed to various reagents to induce the desired modification(s) in a highly controlled fashion. Our preliminary data provide strong evidence that multiple reactions can be carried out inside a single column in a sequential manner by exposing the protein to multiple reagent plugs as it moves through the column prior to MS detection/characterization of the modified protein. The initial efforts will be focused on implementing differential in-line reduction of disulfide bonds followed by free thiol capping with isotopically labeled reagents for high-throughput disulfide mapping and glycoform profiling (Aim 1). These efforts will be then extended to enable selective reduction of inter-chain disulfides while preserving the non-covalent interactions and internal disulfides in complex protein systems to enable identification of binding partners within such systems; MS/MS detection will allow binding interfaces within such selectively preserved complexes to be localized (Aim 2). An alternative approach will utilize in-line chemical labeling as a means of localizing the binding interfaces. Lastly, the XP-RC/MS platform will be used to implement dilution-free H/D exchange characterization of protein complexes and small soluble aggregates in the top-down fashion (Aim 3).
项目摘要 高通量表征日益复杂和异质的蛋白质结构(包括 初级和高级结构)现在在从个性化医学 (生物标志物)到重组蛋白的工业规模生产(用于产品质量控制和反馈 自适应过程控制)。然而,广泛的结构表征通常涉及几个多步骤 这些过程既耗时又耗力,而且经常无法以高吞吐量的方式实现。 格式.另外的复杂性是由于蛋白质组中存在多个蛋白质亚群引起的。 分析/临床/生产样品,尽管 具有非常相似的结构特征(例如小的可溶性聚集体、异常糖型、二硫化物- 乱序物种等)。拟议的研究旨在开发一种强大而通用的分析技术 使用新型交叉路径反应色谱(XP-RC)平台,通过电喷雾进行在线检测 通过气相中的蛋白质离子操作增强的电离质谱(ESI MS)(包括 常规的自顶向下MS/MS和我们实验室开发的有限电荷减少技术)。XP-RC 允许蛋白质化学修饰(如二硫键还原、共价标记、H/D交换等)是 与分离步骤在线组合,并能够进行实时MS测量, 受与ESI工艺不兼容的组件影响。这是通过利用独特的洗脱 非变性色谱介质中蛋白质和小分子试剂的特征(保留) (size排斥或离子交换);在其保留期间,蛋白质可暴露于各种试剂以诱导 以高度受控的方式进行所需的修改。我们的初步数据提供了强有力的证据, 通过将蛋白质暴露于 在MS检测/表征改性的前体之前,当其移动通过柱时, 蛋白最初的努力将集中在实施二硫键的差分在线还原, 通过用同位素标记的试剂进行游离巯基加帽,用于高通量二硫键图谱和糖型 剖析(目标1)。然后,这些努力将扩展到能够选择性还原链间二硫化物, 保留复杂蛋白质系统中的非共价相互作用和内部二硫化物, MS/MS检测将允许这种系统内的结合界面 选择性地保存待定位的复合物(目的2)。另一种方法将利用在线化学品 标记作为定位结合界面的手段。最后,将使用XP-RC/MS平台来实现 自上而下的蛋白质复合物和小的可溶性聚集体的免稀释H/D交换表征 时尚(目标3)。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Charge Manipulation Using Solution and Gas-Phase Chemistry to Facilitate Analysis of Highly Heterogeneous Protein Complexes in Native Mass Spectrometry.
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2021-02-23
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Yang Y;Niu C;Bobst CE;Kaltashov IA
  • 通讯作者:
    Kaltashov IA
Extending the capabilities of intact-mass analyses to monoclonal immunoglobulins of the E-isotype (IgE).
  • DOI:
    10.1080/19420862.2022.2103906
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Yang, Wenhua;Ivanov, Daniil G.;Kaltashov, Igor A.
  • 通讯作者:
    Kaltashov, Igor A.
Rapid Evaluation of the Extent of Haptoglobin Glycosylation Using Orthogonal Intact-Mass MS Approaches and Multivariate Analysis
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Ivanov, Daniil G.;Yang, Yang;Kaltashov, Igor A.
  • 通讯作者:
    Kaltashov, Igor A.
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