科研进展
生命中心雷晓光实验室与北生所董梦秋实验室合作开发出新一代CXMS技术
2016年3月8日，生命中心雷晓光实验室与北京生命科学研究所董梦秋实验室合作在《eLife》杂志上在线发表题为“Trifunctional cross-linker for mapping protein-protein interaction networks and comparing protein conformational states”的文章(doi: 10.7554/eLife.12509)。该文章报道了基于新型、 高效、多功能化学交联剂的新一代化学交联结合质谱技术（chemical cross-linking of proteins coupled with mass spectrometry，简称 CXMS)。此技术可以高效富集样品蛋白，并且大大提升了所能鉴定到的样品数量，同时可以做到样品的定量分析。该技术被证明可以高效地鉴定复杂样品中的蛋白-蛋白相互作用以及检测蛋白质构象的变化。
CXMS是近年来蛋白质组学技术的生长点，它利用化学交联剂将蛋白质或蛋白质复合体中空间距离足够接近的两个氨基酸（通常是赖氨酸）通过共价键连接起来，酶切成肽段后用质谱鉴定出交联位点，从而提供低分辨度的结构信息。相比于传统方法， CXMS对样品量和样品纯度要求低，分析迅速、通量高。因此，CXMS在过去几年中得到了广泛应用，常常助力X射线晶体学、冷冻电镜、结构建模等方法，成为解析大型蛋白质复合体三维结构的有力工具。CXMS技术发展的三个主要支柱包括：质谱技术，分析算法，以及化学交联剂。随着质谱技术的迅速发展，以及分析算法的日趋成熟，CXMS技术在近十年内得到了蓬勃发展，其中代表性的工作包括董梦秋实验室所开发的pLink方法等（Yang B, Nature Methods 2012; Lu S, Nature Methods 2015; Gong Z, Biophysics Reports 2015）。但是，目前CXMS技术还远没有成熟，且实际应用也存在一定的局限性，特别是对复杂样品不够有效，并且能够提供的交联信息有限。该技术发展的最大瓶颈已经体现在有限的化学交联剂选择和交联效率上，其中一个主要原因是交联反应产物多样、交联肽段被其它信号淹没而难以鉴定。
在本研究中，雷晓光实验室与董梦秋实验室合作开发了一系列带有生物素标签、化学切割位点、并可被同位素标记的氨基特异性的、新型化学交联剂，称为Leiker。通过系统地评价所设计、合成的不同类型的化学交联剂，作者甄选出了性能最佳的Leiker，并建立了一套高效的富集策略。与不具备富集功能的交联剂相比，Leiker将交联肽段的鉴定数目提升了至少四倍。作者将该新技术应用于大肠杆菌70S核糖体样品中，获取了大量核糖体柔性区域的结构信息，而这些信息是传统的X射线晶体学或冷冻电镜难以获得的。在更复杂的酵母外切体 (exosome) 的免疫共沉淀样品中，作者找到了两个外切体的直接结合蛋白以及15对外切体核心亚基之间的蛋白-蛋白相互作用。在复杂程度更高的大肠杆菌和秀丽隐杆线虫全细胞裂解液中，作者用Leiker分别鉴定到了3130和893对交联肽段对，与之前同类样品的鉴定记录相比，提升了8–22倍。最后，利用Leiker可被氘代同位素标记的特点，作者建立了一套CXMS定量流程，用于寻找蛋白质构象的变化。作者首先以一个RNA结合蛋白的简单体系为例，通过比较有和没有RNA的蛋白样品找到了3个RNA结合位点。接着，作者比较了对数生长期和静止期的大肠杆菌，鉴定出了静止期特有的一对相互作用蛋白。通过上述应用展示，作者希望Leiker今后为更多的CXMS用户服务，成为解析大型蛋白质复合体结构、鉴定复杂样品中蛋白相互作用和检测蛋白构象变化的有力工具。
董梦秋实验室的谭丹博士以及雷晓光实验室的李强博士为本文的共同第一作者。董梦秋博士和雷晓光博士为共同通讯作者。其他作者还包括董梦秋实验室的张美俊、张攀、丁曰和、陶莉、杨兵，雷晓光实验室的李向科、刘晓辉，叶克穷研究员及其学生马守偲，中科院计算所贺思敏教授及其学生刘超、樊盛博，清华大学高宁教授及其学生马成英、冯博雅，以及清华大学王宏伟教授及其学生刘俊杰。这项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院，北京市政府和北大-清华生命科学联合中心的资助。
