质谱结果解读（你还在小瞧质谱吗）

相信看过伯小远往期文章的童鞋应该会发现，文章里面有不少地方都出现了质谱的身影。但是，在过去的日子里，小远似乎还从未正儿八经地为大家介绍过质谱，但奈何质谱的光芒实在太过耀眼，所以这一期小远打算将质谱正式介绍给大家！

质谱定义

质谱技术是建立在原子、分子电离以及离子光学理论基础之上的应用技术，通过质谱分析可以获得无机、有机和生物分子的分子量和分子结构，能对多种复杂混合物的各种成分进行定量或者定性分析。质谱技术其实就是高中物理课本上经典的“带电粒子在磁场中的运动”问题的应用。简单来说，就是把复杂的混合物放在质谱体系中，将其分解为原子、分子，然后将电离后的原子、分子注入到电磁场中。由于不同的带电粒子的质量和电荷比例不同，偏转时间也不同，质谱仪可以将这些时间、位置信息转换为光学数据，以质谱图的形式展现出来，复杂混合物的各种组分就得以被直观地观察到。质谱图的横坐标是质荷比（m/z），纵坐标是离子强度。概念听起来可能比较干涩难懂，不过没关系，我们今天主要讲它的应用，看看它都可以干些啥，原理后面再慢慢理解，也许就没那么难了！

蛋白质鉴定

在蛋白质组学中，蛋白质的鉴定几乎完全是通过质谱来实现的，质谱可以鉴定任何已知基因组序列的蛋白质。另外，质谱分析方法最常见的是分析多肽而不是全长蛋白，并且很多时候会看到质谱与其它技术联用来对蛋白进行鉴定！这么说可能有点抽象，但是有一个实验大家应该都有所耳闻——IP-MS（免疫沉淀-质谱联用技术），在前面的多期文章中都有出现，为了加深大家对该技术的理解，伯小远找了相关的实验案例再次为大家进行讲解。

在“Leucine-rich repeat extensin proteins regulate plant salt tolerance in Arabidopsis”一文中，作者为了研究LRX蛋白在生长调控和耐盐性中的作用机制，使用35S::LRX3-YFP-HA、35S::LRX4-YFP-HA和35S::LRX5-YFP-HA转基因植物进行了免疫沉淀-质谱（IP-MS）分析，以确定LRXs的潜在相互作用蛋白。同时以表达35S::GFP的转基因植株作为对照。结果发现，在LRX转基因植物的IP-MS样本中鉴定出了4个系统发育相关的RALF多肽：RALF22、RALF23、RALF24和RALF31，但在对照样本中没有发现（图1）。后面的实验我想大部分小伙伴都已经知道是什么了。没错！就是利用点对点验证蛋白互作的方法对IP-MS鉴定得到的LRX的互作蛋白进行验证，这个套路相信大家已经熟悉的不能再熟悉了，所以不清楚的小伙伴一定要记下来哦！

图1 在IP-MS检测中鉴定出的LRX和RALF蛋白的多肽(Zhao et al., 2018)。从35S::LRX3-YFP-HA、35S::LRX4-YFP-HA和35S::LRX5-YFP-HA转基因植株中提取蛋白。以过表达空载GFP的转基因植株为对照。分离的蛋白与抗GFP抗体孵育过夜。用质谱法对免疫沉淀样品进行分析。每个蛋白质所鉴定的多肽的数量被显示出来，破折号“-”表示肽没有被识别。

小远叨叨：如果我们想要研究一个未知蛋白的互作蛋白是什么，除了想到酵母双杂筛库的实验之外，IP-MS也是我们应该想到的方法。IP-MS不仅能得到与酵母双杂筛库类似的结果，并且还具有以下优点：

1、IP-MS筛选的是天然状态下的蛋白（没有破坏蛋白的结构）互作，在一定程度上更能反应生物体内的真实情况；

2、不用像酵母双杂筛库那样，担心诱饵蛋白会存在自激活作用。

因此，以后在研究一个未知蛋白的互作蛋白时可以首先考虑IP-MS哦！

质谱定量分析

除了表型表达和蛋白质特性的初步鉴定外，蛋白质组学分析中的一个关键参数是对感兴趣的蛋白质进行定量的能力。大约二十年前，蛋白质组学在很大程度上还是一门定性学科。典型的蛋白质组学实验结果是在一个给定的组织或蛋白质复合物中鉴定出蛋白质的列表，而没有任何关于丰度、分布或化学计量学的进一步信息。相比之下，那个时候定量策略已被广泛应用于微阵列或定量PCR的基因表达分析，特别是在植物中，大规模基因组学的测定为植物发育和生理的许多方面提供了新的见解。然而，酶的反应和信号通路最终取决于蛋白质的活性。蛋白质的数量受蛋白质合成和降解的调控，可能与转录调控没有太大的关系(Piques et al., 2022)。此外，翻译后修饰、异构体和剪接变异体不能仅通过分析转录本的丰度来获取。因此，为了对一些生物学现象进行解释，蛋白定量分析是必要的。质谱的出现为蛋白质组复杂性分析提供了技术框架。

定量蛋白质组学可以分为相对定量和绝对定量。相对定量旨在研究不同条件下蛋白质组表达的差异，而绝对定量是指获得蛋白质的特异性表达水平。绝对定量需要使用标准化的参考样品。小远在下表中列出了一些常见的质谱定量方法，大家有兴趣可以深入了解，这里不做具体介绍哦！

表1 蛋白质定量组学不同工作流程的技术参数概述

注：

1只有通过与加标记的已知标准品进行相对比较，才能实现绝对定量。

2绝对定量只能通过经验特征和使用样品中蛋白质的分子量和总蛋白质量的反计算来进行。

MS2：质谱法对肽离子破碎后产生的所有离子进行检测。片段离子扫描也称为MS2扫描或MS/MS扫描。

质谱法确定蛋白翻译后修饰

翻译后修饰（PTMs）是通过蛋白水解裂解或将修饰基团共价加到一个或多个氨基酸上而改变蛋白质性质的加工过程。仅仅根据丰度的变化来描述蛋白质的功能对了解蛋白质组是非常有限的，因为许多蛋白质的活性是由PTMs调节的，而PTMs可能不能准确地反映蛋白质丰度的变化。这就是为什么许多用在蛋白质组范围内表征和定量蛋白质和多肽的质谱技术已经被应用于表征翻译后修饰的蛋白质的原因。

PTMs有多种类型，包括磷酸化、泛素化、乙酰化、糖基化等。质谱法被认为是蛋白质修饰分析的一个关键技术，因为它可以提供有关蛋白质修饰的通用信息而无需先知道修饰位点的位置。自上而下，自中而上和自下而上的方法是基于MS的PTM分析的三种主要策略。

针对质谱蛋白定量与质谱确定翻译蛋白翻译后修饰，小远先用一个例子给大家进行简单说明，后期再对这部分内容进行详细讲解，因为该部分展开来讲也是一个大工程啊！

栗子来了：

模式植物拟南芥不仅改变了我们对植物生物学的认识，还影响了生命科学的许多其他领域。来自拟南芥的研究结果也为作物的重要农艺性状研究提供了思路。拟南芥的基因组在20年前被测序，自那以后，人们在基因组和表观基因组水平上分析了数百种自然变异。相比之下，拟南芥蛋白质组作为大多数生命过程的主要执行者，其特征远没有那么全面。为了解决这一差距，在“Mass-spectrometry-based draft of the Arabidopsis proteome”一文中，作者使用了最先进的质谱和RNA测序（RNA-seq）分析，获得了我们所知的第一个拟南芥综合蛋白质组、磷蛋白质组和转录组图谱。这个丰富的分子资源可以用来探索单个蛋白质的功能或跨越几个组学水平的整个途径。

图2 组织图和多组数据集(Mergner et al., 2020)。a. 分析的组织样本示意图，根据形态学分组着色（缩写定义在b中）：花（浅灰色）；种子（深棕色）；花粉（黄色）；茎（深绿色）；叶（浅绿色）；根（深灰色）；水果（浅棕色）；愈伤组织（红色）；细胞培养（蓝色）。b. 所有组织的蛋白质、P-位点和转录水平的识别数（n=1个测量值）。虚线表示在所有组织中检测到的核心蛋白、P-位点或转录本的数量。组织增强的蛋白质或转录本用较深的颜色标记。具有高可信度氨基酸定位的P-位点（I类位点；大于0.75的定位概率）用粉色表示；模糊的位点定位用紫色表示。在一个组织中特异性检测到的P-位点的数量用圆圈表示。c. 与Araport11相比，转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白质组数据集中鉴定出的基因位点总数和重叠部分（左），以及鉴定出的P-位点总数和I类位点的比例（右）。

通过这个例子可以看到，质谱不仅可以得到蛋白水平的定量数据，还可以鉴定磷酸化位点，得到磷酸化蛋白质组数据集。比起RNA-seq，质谱是不是要厉害的多，除了鉴定磷酸化，其它的蛋白翻译后修饰也可以通过质谱进行鉴定，要想了解更多，请关注伯小远后期的文章！

质谱与代谢

代谢组学是一个相对较新的研究领域，然而，自从1998年Oliver和他的合作者引入代谢组这个术语后，有关这一主题的出版物呈指数级增长。与动物相比，植物含有非常丰富的代谢物；植物中代谢物的总数估计在20万或更多(K. Oksman-Caldentey and K. Saito, 2005)。正因如此，植物代谢组学在许多领域得到了广泛的应用，如用于分类学或生物化学，目的基因或生态型指纹分析，突变体和转基因植物与其野生型的比较，外部刺激对代谢产物谱的影响，植物与草食动物的相互作用、发育过程、药材质量控制及药用植物活性测定(Wolfender et al., 2013)等。由于植物代谢组学的应用是非常多样化的，因此，用于分析植物代谢组学的技术也是多样化的。联用方法，如质谱与气相色谱或液相色谱（GC-MS和LC-MS）、直接注射质谱（DIMS）、核磁共振（NMR）、毛细管电泳质谱（CE-MS）等。下面伯小远要给大家介绍的是一种比较新的工作流程，该流程由2019年发表在The Plant Journal上的一篇题为“Comprehensive mass spectrometry-guided phenotyping of plant specialized metabolites reveals metabolic diversity in the cosmopolitan plant family Rhamnaceae”的文章中提出，文章介绍了该流程是一种可扩展的半自动化方法，通过整合几种计算质谱/质谱数据分析方法来将植物代谢产物的多样性和分布进行数字化展示。

图3 利用串联质谱（MS/MS）对植物专用代谢物进行表型分析的数据分析工作流程(Kang et al., 2019)。利用串联质谱进行光谱相似性分析，将相似的光谱聚类成分子族，形成一个分子网络。网络注释传播（NAP）为单个光谱提供了硅注释候选。使用ClassyFire对这些候选分子进行化学分类，然后根据每个分子家族中最主要的化学类别对分子家族进行假定注释。同时，利用MS2LDA分析了共发生片段和中性损失（Mass2Motifs）的分布，为其提供了样品间亚结构多样性和分布的信息。

质谱成像

质谱成像（MSI）是一种基于质谱的分子离子成像技术。质谱可以从表面微米级大小的区域获得，将化合物在表面（微电子学，组织切片）上的横向分布转换为图像，进而与光学图像相关联。一些常见的电离技术包括DESI成像，MALDI成像和二次离子质谱成像（SIMS成像）。

MSI能够对复杂表面的广泛分子进行无标记检测和定位，它已成为制药和医学研究中一个有吸引力的分子组织学工具。自2005年以来，MSI逐渐应用于植物研究(Imai et al., 2005；Mullen et al., 2005)。蛋白质和代谢产物的空间组织信息将大大提高我们对植物代谢和特定植物组织生化功能的认识(Lee et al., 2012；Matros and Mock, 2013)。

MSI实验的核心是质谱仪，它由离子源、质谱分析仪和探测器三大部分组成。在离子源中，分析物被解吸和电离；在分析仪中，它们根据质量电荷比（m/z）被分离；最后，分离的离子在探测器中被检测到。作为最终输出，通过在m/z刻度上显示被检测离子的强度来产生质谱。微探针MSI的基本原理很简单：仪器通过对组织样本的特定区域进行光栅化，收集一系列的质谱。随后，通过绘制分析物在质谱中的单个m/z峰与x-y坐标的强度，生成分析物在样品表面的分布图(Goodwin et al., 2008；Svatos, 2010)。MALDI成像实验的典型工作流程如图4所示。

图4 典型的MALDI成像实验流程。

样品处理是MSI中最关键的步骤，因为只有适当的样品制备才能保持分子的来源、分布和丰度，确保高质量的信号和足够的空间分辨率(Grassl et al., 2011；Kaspar et al., 2011；Peukert et al., 2012；Spengler, 2014)。植物组织的MSI样品制备方法比哺乳动物组织的更具挑战性(Boughton et al., 2015；Heyman and Dubery, 2016)。高等植物体的角质层代表了内部代谢产物，是直接质谱成像的第一个障碍，因为大多数软化技术（如MALDI和DESI）难以穿透它们(Thunig et al., 2011)。植物细胞壁是细胞内分子质谱成像的第二屏障。例如，当基质溶液喷到植物体表面时，细胞壁会阻止溶液在细胞壁上扩散，导致MALDI成像中分析物提取效率降低(Takahashi et al., 2015)。植物组织中的高水分含量在冷冻切片过程中存在另一个挑战。植物组织在冷冻时更为脆弱，此外，对于富含水分的植物样本，也更难获得完整的薄切片。在脱水过程中经常观察到样品收缩或部分剥落，这种现象通常会导致表面不平整，进而影响MSI分析。需要注意的是，样品的收缩也可能导致MS图像和光学图像之间的不匹配(Cha et al., 2008)，使生物解释变得困难。下面是关于质谱成像在植物研究中的应用举例。

图5 角质层下代谢产物的质谱成像。（i）拟南芥叶片的MALDI成像。用镊子夹住叶的左边，中间不处理，右边浸氯仿（b）。山奈酚（a）和山奈酚鼠李糖苷（d）在钳夹和氯仿浸泡区容易检测到，而在氯仿浸泡区C26（c）和C30（f）的脂肪酸被洗掉。未鉴定的分析物m/z=210（d）在氯仿浸渍区显示出高丰度。（ii）大麦叶表皮m/z=276（b）、298（c）和300（d）的羟基丁腈苷的DESI图像。叶背面表皮带被剥落（a）。（iii）印迹成像与直接DESI成像的比较。（A）聚四氟乙烯上叶印的间接DESI成像。（B）直接DESI成像，以氯仿，甲醇和水（1:1:0.4，v/v/v）作为喷雾溶剂。（a）百脉根叶片的光学图像。（a1）在聚四氟乙烯上的叶印记的光学图像。（b-e）分别为m/z 104、286、298和300的DESI图像。这些数据分别整合自(Cha et al., 2008)、(Li et al., 2011)、(Li et al., 2013)和(Bjarnholt et al., 2014)。

基于植物的MSI先前集中在方法论方面(Matros and Mock, 2013)，而现在的技术已经成熟，因此它也被用于解决生物学重要的问题(Lee et al., 2012)。例如，在植物环境交互(Shroff et al., 2008,2015；Klein et al., 2015；Ryffel et al., 2015；Soares et al., 2015；Tata et al., 2015)，新的化合物鉴定(Jaeger et al., 2013；Debois et al., 2014)和功能基因组学(Korte et al., 2012；Li et al., 2013)都有一定的应用。大家有兴趣可以自己去了解哦！

小 结

通过以上几个方面的介绍，小远相信你对质谱应该有了一个大致地了解，对于完全不了解质谱的人，看完今天的文章可能还会存在似懂非懂的情况，不懂也没关系，只要你知道质谱有哪些方面的应用，并且在以后做相关的实验时能够想到质谱，小远就算没白写这篇文章啦！不管怎样，质谱都只是一个实验工具，是服务于科研的，作为一个科研工作者你要做的就是如何利用好它，让它发挥更大的价值哦！

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