4D蛋白质组学服务

      传统3D 质谱仪主要通过色谱保留时间（Retention time）、质荷比（m/z）、和离子信号强度（Intensity）这3 个维度对多肽- 离子进行定性和定量。在酸化的溶液中，蛋白质样品会形成带有多个带正电荷（≥2+）的蛋白质离子。  然而蛋白质组样品非常复杂，大量的杂质经过离子化之后，会形成带1价电荷的离子，在质谱检测过程中，干扰质谱仪对于多肽碎裂离子（一般为2/3/4 价）的检测。因此，在3D 质谱条件下，蛋白质组很容易到达鉴定深度的瓶颈。

 

 

         离子淌度概念的引入使得蛋白质组学进入了4D新时代。4D蛋白质组学是在3D基础之上增加了第四个维度--离子淌度（Ion mobility）的分离，进而大幅度的提高扫描速度和检测灵敏度，带来蛋白质组学在鉴定深度、检测周期、定量准确性等性能的全面提升。离子淌度，也叫离子迁移谱，即 ion mobility spectrometry（IMS），其核心原理是电场驱动下离子在气体阻尼环境中的迁移速率差异，能够根据离子的尺寸、形状和电荷进行气相分离，从而达到在离子进入MS前对杂离子进行预分离的效果，即为“离子清洗”。

         离子淌度与质谱仪联用后，一次分析就能够同时提供多个维度信息，包括精确质量数（MS1）、二级碎片谱图（MS/MS）和碰撞截面积（CCS）数据等，有效提升了对复杂生物样品的定性和定量分析能力。

根据工作原理的差异，离子淌度又分为几个主要技术方案：

1. 捕集离子淌度质谱 (Trapped Ion Mobility Spectrometry, TIMS)

2. 高场不对称波形离子迁移谱 (Field asymmetric ionmobility spectrometry, FAIMS)

3. 漂移时间离子迁移谱 (Drift-time ionmobility spectrometry, DTIMS)

4. 吸入离子迁移谱(Aspiration ion mobility spectrometry, AIMS)

5. 行波离子迁移谱(Travelling wave ion mobility spectrometry,TWIMS)  T-Wave®

|   华盈生物4D蛋白质组学服务

      目前TIMS技术和FAIMS技术分别被Bruker和Thermo Fisher公司运用到蛋白质组学研究领域的质谱仪开发中，分别命名为Exploris 480+FAIMS pro和timsTOF Pro。华盈生物同时拥有该两款主流的质谱仪，可根据实际应用场景为客户提供匹配的4D质谱仪和对应的蛋白质组学检测技术。

       经过大量项目测试发现：TimsTOF Pro具有上样量少，扫描速度快的特点，对于微量样品的检测优势尤为突出，特别适用于磷酸化等修饰组、穿刺样本、流式分选细胞等微量样品的蛋白质组学分析项目。480+FAIMS pro分辨率更高，可进行TMT 6/10/16标的标记定量蛋白质组检测。同时，480+FAIMS pro鉴定深度也相对更高，特别适用于组织 / 器官蛋白组图谱构建工作，是多组学联合研究的推荐技术。

      因此，对于有深度蛋白质组研究需求的合作者，华盈生物将充分结合两款质谱仪的特点以及专为4D质谱实验研发的样品前处理体系，为合作者提供合理的实验方案。就华盈生物目前定量蛋白质组学的技术体系来说，Label Free、DIA、TMT、PRM和修饰蛋白组均可以进行升级，分别在两款4D质谱仪上完成深度蛋白质组覆盖检测。

|   项目经验

      华盈生物已经完成了上百种类型样品的定量蛋白质组学检测。蛋白质组表达具有时空差异性，不同样本的蛋白谱各有特点，下图色块大小代表的是华盈生物鉴定的不同样本的蛋白谱数量差异。

|   经典案例：timsTOF 4D质谱技术优势

      该文献是德国马普生化研究所所长、世界著名蛋白质组学专家 Matthias Mann 教授于2018年发表于蛋白质组学领域顶级期刊 MCP的一篇关于4D质谱技术介绍的文章。该文章介绍了timsTOF Pro质谱系统，能实现更快速度、更高灵敏度、更强大的4D蛋白质组学分析，展现了其在蛋白质组学领域的强大功能和广泛应用前景。

      作者结合一定的算法对肽段离子从m/z和离子淌度（ion mobility）两个维度进行分析鉴定。从结果中我们可以看到，在m/z维度上不能分离的肽段离子，在离子淌度维度上能够被清晰的分离（图1，纵坐标）。

图1. 肽段离子的捕获离子淌度分离

      此外，文章展示了timsTOF Pro的另一个技术，即平行累积连续碎裂PASEF（Parallel Accumulation Serial Fragmentation）（图2）。该技术运用双TIMS，实现离子在第一个TIMS中进行累积，然后在第二个TIMS中根据淌度进行分离，经过分离后的离子进入质谱系统。并且，当第二个TIMS进行分离时，第一个TIMS也同时在平行地累积离子，这样可以实现近乎100％的离子利用率。

图2. timsTOF Pro上实现同步累积连续碎裂（PASEF）

      为了分析4D质谱对蛋白定量的准确性，研究者从皮尔森相关系数、中位数变异系数、缺失值和定量准确度这四个统计角度进行了研究。在2h梯度、4次技术重复的条件下平均鉴定到5575个蛋白，结果显示蛋白信号值的皮尔森相关系数为0.979，表明实验的重复性非常好（图3A）。MaxLFQ归一化以后，中位数变异系数为7.2%（图3B）。进一步，研究者发现4D质谱技术能够显著降低label-free缺失值的问题（图3C）。同时，研究者将Hela和大肠杆菌胰酶消化后的肽段混合并进行质谱分析，结果显示95%的蛋白是能准确定量，只有1.3%的蛋白被错误分类。展示了该方法高水平的定量准确性（图3D）。

图3. labelfree蛋白组定量

      为了验证4D蛋白组定量检测速度和通量，研究者采用了100ng、50ng、10ng的Hela细胞样品并在1h梯度和0.5h梯度条件下进行实验。结果显示，100ng、50ng、10ng的样品量在1h的条件下分别可以鉴定到4513、4215、2723个蛋白（图4A）。30分钟内10ng的Hela细胞能够鉴定到2100个蛋白（图4B）。这个结果表明4D质谱非常适用于快速且高灵敏度的蛋白质组学应用。

图4. 4D质谱分析Hela蛋白组速度和灵敏度

      该文章详细阐述了基于离子淌度的4D蛋白质组学，为蛋白质组学定量的准确性和灵敏度带来了革命性提升，并且极大的减少检测时间和样品量。在提高扫描速度的同时，依然保持超高分辨率，这些独特的性能，使其成为蛋白组学复杂样本深入研究的利器。

|   客户文献

[1].Xu K, Fu A, Li Z, et al. Elevated extracellular matrix protein 1 in circulating extracellular vesicles supports breast cancer progression under obesity conditions. Nat Commun. 2024;15(1):1685.（香港浸会大学）IF=14.7

[2]. Huang Q, Sun Y, Peng L, et al. Extracellular vesicle-packaged ILK from mesothelial cells promotes fibroblast activation in peritoneal fibrosis. J Extracell Vesicles. 2023;12(7):e12334.（中山大学附属第三医院）IF=15.5

[3]. Zhu M, Dai X. Stringent response ensures the timely adaptation of bacterial growth to nutrient downshift. Nature Communications. 2023, 14(1): 467.（湖北遗传调控与整合生物学重点实验室）IF=14.7

[4].Wei J, Dai S, Yan Y et al. Spatiotemporal proteomic atlas of multiple brain regions across early fetal to neonatal stages in cynomolgus monkey. Nature Communications, 2023, 14(1): 3917.（昆明理工大学灵长类生物医学研究国家重点实验室）IF=14.7

[5]. Zhu Q, Xu H, Huang L et al. Identification and detection of plasma extracellular vesicles-derived biomarkers for esophageal squamous cell carcinoma diagnosis. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 225: 115088.（温州医科大学附属眼视光医院）IF=10.7

[6]. Tian W, Zhang N, Jin R, et al. Immune suppression in the early stage of COVID-19 disease. Nat Commun. 2020;11(1):5859.（北京大学医学部精准医疗多组学研究中心）IF=14.7