用质谱发现和显示未表征的药物-蛋白加合物

预印本的背景

我们每天都暴露在我们吃的食物和呼吸的空气中。这种接触通常以污染的形式出现，但它也可能在我们为治疗各种疾病而服用药物时出现。这些来自外界的化学物质被称为外源性物质。

在我们体内，蛋白质发挥着重要的结构和功能作用。不幸的是，它们会与这些外源性物质发生反应。外源性物质和蛋白质之间的这些反应产生的产物被称为蛋白质加合物，会产生各种毒性作用。有时可表现为过敏，这就是为什么许多药物有不良反应。显然，调节这些加合物的形成对人类健康很重要:如果我们能够修改它们的潜在机制，我们就能够减少加合物形成的负面后果，例如药物副作用。

然而，迄今为止，这些蛋白质化学加合物的鉴定和特征仍然是一个主要的挑战。现有的方法侧重于色谱法、免疫学技术和质谱法检测这些加合物。然而，这些方法有两个关键的限制:它们不够敏感，通常需要建立在对这些加合物的化学组成的事先了解，但大多数加合物还没有被描述。

在这个作品里，里夫et al。描述两种新工具Magnum和Limelight在蛋白质药物加合物研究中的应用。Magnum是一个定制的加合发现算法，Limelight是一个基于web的分析平台。使用CYP3A4(一种负责氧化的代谢酶)和雷洛昔芬，作者建立了一个工作流程，以展示如何使用Magum和Limelight来表征这些加合物，而无需事先了解所形成的加合物。

本预印本的主要发现

(A) Magnum和Limelight

涟漪et al。发达玛格南，一种“异种生物-蛋白质加合物发现算法”，用于分析串联质谱(MS) (MS-MS)光谱。MS-MS是一种高灵敏度和特异性的技术，比单一四极杆ms具有显著的优势。通过涉及多个质谱分析仪，MS-MS特别适合分析生物分子，如蛋白质。

作者强调了Magnum与现有方法相比的四个关键优点。首先，Magnum分析了与加合物修饰的MS-MS离子系列有关的数据，这些数据可以更好地识别加合物的定位，即蛋白质上加合物形成的位置。第二，Magnum可以限制加合物的定位到特定的氨基酸，允许化学直觉指导搜索。第三，Magnum检测在特征加合物碎片模式中发现的诊断报告离子。第四，Magnum区分用户定义的修改和未定义的修改。这一特性降低了产生假阳性识别的机会，而假阳性识别在未定义搜索时更有可能发生。

三个标准被用来评估Magnum:精确度，召回率和准确性。精确度被定义为所有答案正确的比例;当设置为1%的错误发现率时，Magnum的精度超过0.9(设置为最小化算法产生的误报率)。此外，Magnum还表现出了良好的回忆能力，这被定义为正确答案的总比例，以及单同位素质量的高准确性。由于许多药物含有卤素同位素，如溴和氯，作者包括代码，以增强Magnum的能力，正确识别各自的加合物，这是一个关键的特征，对他们的识别和随后的特征。

为了更容易地分析加合物数据，里夫尔et al。下一个发达聚光灯下，一个用于分析、可视化和共享MS蛋白质组学数据的网络应用程序。

(B) CYP3A4和p450还原酶中新型雷洛昔芬加合物的鉴定

CYP3A4是一种酶，负责氧化许多外生物质，需要p450还原酶进行催化。CYP3A4还氧化雷洛昔芬，产生几种亲电物质。在半胱氨酸239上发现了一个单一的471 Da加合物。

有趣的是，使用Magnum和Limelight, Riffleet al。发现471 Da加合物不仅在半胱氨酸上，也在色氨酸和酪氨酸上，表明雷洛西芬也与这些亲核残基发生反应。基于这些数据，作者讨论了雷洛昔芬的代谢物与CYP3A4之间的加合物的形成，这些观察结果可能提示了与代谢物运输相关的蛋白质的关键位置。这些发现可能会对CYP3A4的整体结构和功能以及与各种配体的相互作用产生重要的结论。

我喜欢这个预印本的原因

我选择这个预印本是因为它对化学生物学的潜在影响，以及它对医学和毒理学等相关领域的重要意义(图1)．首先，通过基于质谱识别位点特异性加合物，该方法可能对蛋白质组学应用非常有用，在选定位点识别加合物具有重要的下游意义。例如，这些加合物的形成可以指出特定残基的反应性，从而使研究人员能够有选择地标记(或避免标记)残基的选择性方法得以发展。另外，它们也可以阐明网站的可访问性。如果加合物是在一个给定的氨基酸残基上形成的，该氨基酸残基可能在一个重要的结合袋中，或者可能在一个表面暴露的环境中。其结果是:研究人员在如何识别蛋白质上可用于药物开发的位点方面发生了范式转变。

图1所示。里夫尔这项工作的意义et al。

其次,正如涟漪et al。在他们的研究中，了解加合物的形成位置有助于阐明蛋白质的结构和功能。在他们的工作中，作者引用了底物通道和代谢产物出口通道的应用。医学研究可以帮助提供证据的假设的情况下，了解机制可能是实验上的挑战。

第三，了解这些加合物的形成机制有助于改进药物设计。虽然化学反应组在药物设计中已经被很好地理解，但它们在体内的代谢却没有很好地定义。事实上，了解和预测药物代谢的能力是药物毒性的一个重要因素，几十年来一直是药代动力学领域的一个主要挑战。虽然已经描述了一些由蛋白质-外源性加合物形成引起的药物不良反应的一般机制，但它们大多仍是特殊的。因此，通过分析药物代谢产物与体内重要功能蛋白的反应性，这项技术可以开发出副作用更少的更好的药物。

未来的发展方向

除了我上面强调的创新的科学分支之外，我还设想了这一有趣工具可能推动该领域向前发展的其他两种方式。第一个问题与Limelight包本身有关:它是开放源码的，可以在上面免费获得Github，协作可能进一步改进其现有功能。考虑到研究的跨学科性质，越来越多的科学家被鼓励在他们的专业领域之外进行冒险，Limelight可能对更广泛的科学观众有用。来自不同背景的研究人员，包括计算化学家、化学生物学家和药物化学家，可以为提高Limelight的能力提供建议。这将把它转变为一个更通用的平台，用于不同的应用程序。

与协作相关的是与可用性相关的考虑，比如用户设计和用户体验。这些是任何应用程序的重要特性，即使是那些为科学世界开发的应用程序。在这方面，来自不同背景的研究人员可以对Limelight的设计做出反馈甚至贡献，因为这可能会加速更广泛的科学界对它的使用。

确认

所有的图片都是使用Microsoft Powerpoint和BioRender．

问题的作者

1. 有趣的是，这些方法适用于由蛋白质形成的加合物的特征，无论它们与代谢物或固有的活性外源性物质反应，即使没有有关加合物形成的先验知识的输入。Magnum如何区分在一个给定的氨基酸残基上形成的加合物?例如，在预印本中提供的CYP450例子中，Magnum如何识别在半胱氨酸上进行了添加的加合物与色氨酸或酪氨酸，因为它们可能有相同的质量?
2. 所形成的加合物很可能是化学计量的，因为蛋白质和代谢物之间形成的单加合物以1:1的比例，蛋白质和代谢物之间形成的双加合物以1:2的比例，等等。考虑到MS-MS是一种定量分析方法，你是否也观察到这些报告片段离子(来自加合物)和光谱中其他肽片段之间的比率?

标签:质谱分析，蛋白加合物，蛋白质组学

发布于2021年7月10日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.29984

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