CC BY
30ISSN 0868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013, том 23, № 1, c. 38-43
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ
УДК 621.384.668.8: 577.122: 615.099.07
© Я. А. Дубровский, Е. А. Мурашко, М. Ю. Комбарова, Е. П. Подольская, В. Н. Бабаков, Н. В. Краснов, А. С. Радилов
ИДЕНТИФИКАЦИЯ АДДУКТОВ СЫВОРОТОЧНОГО АЛЬБУМИНА ЧЕЛОВЕКА С ЦИАНИДАМИ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
МАЛДИ-масс-спектрометрия была использована для выявления аддуктов цианидов с сывороточным альбумином человека. В триптическом гидролизате сывороточного альбумина человека, инкубированного с цианидами (натриевые и калиевые соли), удалось выявить модифицированный по Cys-34 пептид Cys-Pro-Phe-Glu-Asp-His-Val-Lys с МН+ 999.44 Да. В результате взаимодействия образуется цистеин, содержащий группу SCN. Последовательность модифицированного пептида была подтверждена с помощью ВЭЖХ-МС-МС-анализа на приборе типа ионная ловушка.
Кл. сл.: MALDI, ионная ловушка, сывороточный альбумин, цианиды
ВВЕДЕНИЕ
Масс-спектрометрия с мягкими методами ионизации позволяет определять следовые количества биомолекул. Анализ посттрансляционных модификаций белков реакционноспособными ксенобиотиками, в основном необратимо связывающимися с биомолекулами, получил название "аддуктомики". Биоактивные ксенобиотики, поступающие в организм, могут взаимодействовать непосредственно с белками-мишенями или в процессе биотрансформации образовывать реакцион-носпособные метаболиты. Практически все биологические макромолекулы, такие как ДНК, РНК и белки, могут взаимодействовать с электро- и нуклеофильными соединениями. Исходное соединение или его метаболиты выводятся из организма в течение нескольких дней. В результате детекция ксенобиотика становится возможной только высокочувствительными аналитическими методами. Аддукты с ДНК и белками сохраняются в организме на протяжении длительного времени.
В основном опубликованы работы научных групп, работающих над проблематикой уничтожения химического оружия. Фосфорорганические отравляющие вещества способны фосфонилиро-вать сывороточный альбумин и бутирилхолин-эстеразу [1-3]. Другой мажорный белок крови — гемоглобин способен образовывать аддукты с сернистым ипритом [4, 5]. ^концевой алкилирован-ный валин был выявлен в организме спустя 94 дня после экспозиции [6]. Таким образом, аддукты ксенобиотиков с биомолекулами могут рассматриваться как потенциальные биомаркеры ретроспек-
тивной химико-токсикологической диагностики.
К опасным токсикантам относится синильная кислота и ее соли (далее С^. Основными источниками загрязнения CN атмосферного воздуха является промышленность и выхлопные газы автомобильного транспорта. Также CN являются компонентами дыма от сигарет или дыма, образовавшегося в результате пожаров. Неорганические цианиды также широко используются в химической, кожевенной, текстильной промышленности, в фотографии, сельском хозяйстве, при добыче золота и в гальванопластике. CN или С^ содержащие сахара находятся в косточках фруктов, таких как персик, а также в других пищевых продуктах — миндале, шпинате, сое. Взаимодействие цианидов с цистиновыми группами белков было продемонстрировано еще в середине прошлого века. Однако с развитием масс-спектрометрии и биоаналитических методов появились возможности идентифицировать модифицированные аминокислоты в полипептидной цепи. Недавно было продемонстрировано, что масс-спектрометрически возможно определить фрагменты сывороточного альбумина, модифицированного цианидами. В триптическом гидролизате выявлены и идентифицированы основные участки связывания — Cys-34, -53, -124, -392, -477 [7].
Большинство работ выполнено на масс-спектрометрах с методом ионизации "электроспрей". Другой метод ионизации нелетучих термолабильных соединений МАЛДИ редко применяется в решении подобных задач, несмотря на то, что данный метод является мощным инструментом в исследованиях сложных смесей пептидов и для его
ИДЕНТИФИКАЦИЯ АДДУКТОВ СЫВОРОТОЧНОГО АЛЬБУМИНА ЧЕЛОВЕКА.
39
использования не требуется дополнительной про-боподготовки. Время одного анализа может составлять менее одной минуты, а образец, нанесенный на масс-спектрометрическую мишень, может храниться длительное время, и имеется возможность провести повторный анализ.
Основной задачей данной работы являлась детекция аддуктов сывороточного альбумина с цианидами с использованием МАЛДИ-масс-спектро-метрии.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Реагенты и материалы, ацетонитрил, трифтор-уксусная кислота, муравьиная кислота, трипсин (proteomic grade), бикарбонат аммония, а-циано-4-гидроксикоричная кислота, этилацетат (Sigma-Aldrich, США), соляная кислота (Вектон, Санкт-Петербург), деионизированная вода (18.2 МОм, Millipore, США).
Аппаратура: времяпролетный масс-спектрометр MALDI-TOF-TOF Axima Perfomance (Shimadzu / Kratos Analytical, Великобритания), жидкостный хроматограф Infinity 1290 (Agilent Technologies, США), ионная ловушка amaZon ETD (Bruker Daltonik GmbH, Германия), твердотельный термостат (Eppendorf, Германия).
Выделение сывороточного альбумина из плазмы крови человека
Для ингибирования протеаз к 100 мл донорской плазмы крови прилили 0.8 мл 0.25 М раствора ЭДТА. Далее к 100 мл плазмы крови при активном перемешивании добавили 16.6 г сульфата аммония, массовая концентрация соли в плазме составила 30 %. Осаждение белков проводили при 4 °С в течение 4 ч. Осадок отделили центрифугированием при 4000 g в течение 20 мин, а к супернатанту для достижения 70 % насыщения постепенно при активном перемешивании добавили еще 25.3 г сульфата аммония. Осадок получили центрифугированием при 4000 g в течение 20 мин. Для осаждения альбумина к супернатанту добавили шестикратный объем холодного этанола. Образец оставили на ночь при 4 °С для полного выпадения осадка, надосадочную жидкость слили. Полученный альбумин промыли небольшим объемом холодного этанола и высушили с помощью лиофильной сушки.
Инкубирование выделенного сывороточного
альбумина с цианистым натрием и калием
К 1 мл раствора белка (1 мг/мл) в 25 мМ аммо-ний-бикарбонатном буфере добавляли in vitro раствор цианидов до конечной концентрации 0.1 мг/мл. Смесь инкубировали в течение 3 ч при 37 °С.
Получение триптических гидролизатов сывороточного альбумина
К 100 мкл раствора модифицированного белка (1 мг/мл) добавляли 10 мкл раствора трипсина в 1 мМ HCl (0.1 мг/мл) и оставляли в термостате на 3 ч при 37 °С, после чего добавляли столько же трипсина и оставляли еще на 3 ч при 37 °С.
Нанесение образцов на масс-спектрометрическую мишень
На поверхность мишени смешивали 0.5 мкл раствора матрицы CHCA (5мг/мл, а-циано-4-гидроксикоричная кислота) с 0.5 мкл гидролизата и высушивали на воздухе до образования кристаллов.
Масс-спектрометрический анализ
Масс-спектрометрический анализ проводили с помощью времяпролетного масс-спектрометра Axima Perfomance с источником МАЛДИ, оснащенного УФ-лазером (337 нм) в режиме детектирования положительных ионов с использованием рефлектрона при следующих настройках ионного источника: напряжение 20 кВ, напряжение на линзах (lens) 6.5 кВ, напряжения на рефлектроне (Ref) 24.38 кВ. Ионы детектировали в диапазоне m/z от 700 до 5000 Да. Масс-спектры регистрировали при помощи программы Launchpad 2.8.4 MALDI-MS Shimadzu Biotech (Shimadzu, Япония). Калибровку проводили по масс-спектру смеси пептидов: ан-гиотензин 2 (МН+ 1046.542 Да), ангиотензин 1 (МН+ 2296.685 Да), N-ацетил ренин (МН+ 1800.943 Да), адренокортикотропный гормон (1-17) (МН+ 2093.086 Да).
Обработка полученных МАЛДИ-масс-спектров
Обработку полученных МАЛДИ-масс-спектров проводили с помощью программ Launchpad 2.8.4 MALDI-MS Shimadzu Biotech (Shimadzu, Япония) и MASCOT Distiller (Matrix Science, Англия).
Условия хроматографического разделения
Объем вводимого образца 10 мкл. Колонка Zorbax SB-C18 2.1 * 150 мм, 3.5 мкм (Agilent, 830990902). Разделение смеси пептидов гидролизатов белков проводили в градиентном режиме. А — 1 % раствор ацетонитрила в 0.1 % водном растворе муравьиной кислоты, Б — 90 % раствор ацетонитрила в 0.1 % водном растворе муравьиной кислоты. 0-30 мин: от 95 % А / 5 % Б до 50 % А / 50 % Б; 30-50 мин: от 50 % А / 50 % Б до 10 % А / 90 % Б; 50-55 мин: от 10 % А / 90 % Б до 95 % А / 5 % Б; 55-60 мин: 95 % А / 5 % Б. Скорость потока подвижной фазы 0.2 мл/мин.
40 Я. А. ДУБРОВСКИЙ, Е. А. MУPAШКO, M. Ю. КOMБAPOВA и др.
Рис. 1. Схема взаимодействия цианид-ионов с цистинами в белках и возможные пути метаболизма
Условия масс-спектрометрического детектирования
Выход из колонки был подсоединен к электро-спрейному источнику ионизации. Напряжение на капилляре 4000 В, давление на небулайзере 30 psi, скорость осушающего газа 9 л/мин, температура 250 °С. Maсс-спектрометр Amazon ETD фгикег) функционировал в режиме AutoMS(2) — автоматической фрагментации ионов. Данный режим предполагает циклическую работу: на первой стадии цикла происходит получение общего MS-спектра с последующим получением фрагментных спектров наиболее интенсивных родительских ионов. Общий спектр снимался в диапазоне m/z 300-1200 Да. Спектры дочерних ионов снимались для 2 наиболее интенсивных родительских ионов в диапазоне масс 100-1400 Да. Maсс-спектры регистрировали при помощи программы trapControl V 7.0 (Br^er DaltonŒ GmbH, Германия). Последующую первичную обработку проводили в программе DataAnalysis V 4.0 (Br^er DaltonŒ GmbH, Германия).
Идентификация белков и пептидов
Идентификацию белков и пептидов проводили с помощью программ MASCOT Distiller (Matrix Science, Англия) и BioTools V 3.2 (Br^er DaltonŒ GmbH, Германия) в базах данных SwissProt. При этом использовали следующие параметры поиска в программе Mascot MS/MS Ion Search при обработке спектров гидролизата: точность определения массы — 0.1 Да, точность определения фрагментных ионов — 0.8 Да, возможные модификации — Cyano (AM = 24.99 Да).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Синильная кислота или ее натриевая и калиевая соли могут попадать в организм при ингаляции, оральной или накожной экспозиции. Синильная кислота является слабой кислотой (рКа 9.22) и в организме в основном существует в форме HCN. Период полужизни в организме в свободном виде составляет меньше часа. Синильная кислота в основном трансформируется в менее токсичный и более устойчивый метаболит, тиоцианат (SCN). При взаимодействии цианидов с белками по ди-сульфидным связям происходит образование SCN и SH-групп (рис. 1) [8].
После инкубации белка с цианистым натрием или калием и последующим трипсинолизом в МАЛДИ-масс-спектрах был выявлен только один сигнал, отсутствующий в контроле, — сигнал с МН 999.44 Да (рис. 2). Данный пептид может входить в состав сывороточного альбумина человека, модифицированного CN по Cys-34. Следует отметить, что в результате гидролиза в присутствии трипсина должен образовываться пептид с аминокислотной последовательностью А1а-Ьеи-Va1-Leu-I1e-A1a-Phe-A1a-G1n-Tyr-Leu-G1n-G1n-CysCN-Pro-Phe-G1u-Asp-His-Va1-Lys (фрагмент 21-41). В щелочной среде образовавшийся SCN-адцукт приводит к неспецифичному для трипсина разрыву пептидной связи с образованием пептида с ^концевым модифицированным цистеином (рис. 1, путь метаболизма 1) [9]. Таким образом, при гидролизе сывороточного альбумина в присутствии трипсина следует ожидать образования именно пептида Cys-Pro-Phe-G1u-Asp-His-Va1-Lys (34-41 фрагмент).
ИДЕНТИФИКАЦИЯ АДДУКТОВ СЫВОРОТОЧНОГО АЛЬБУМИНА ЧЕЛОВЕКА... 41
960.56
-960
CrwPFEDHVK
999.44
1149.61
960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140
Рис. 2. МАЛДИ-масс-спектры триптических гидролизатов сывороточного альбумина человека. а — контроль, б — инкубированный с CN
б
а
Для подтверждения был проведен тандемный МАЛДИ-масс-спектрометрический анализ. К сожалению, полученные спектры имели небольшое количество фрагментных сигналов, и их недостаточно для достоверного восстановления аминокислотной последовательности.
Поскольку удалось выявить только один сигнал, отсутствующий в контроле, эксперимент был повторно проведен с использованием масс-спектрометра с методом ионизации "электроспрей". Результаты полностью согласуются с полученными с помощью МАЛДИ-масс-спектро-метра. После обработки спектров с помощью про-
граммы Mascot удалось идентифицировать пептид с массой MMo 998.43 Да, модифицированный CN. С помощью тандемной масс-спектрометрии удалось восстановить аминокислотную последовательность, используя программный пакет BioTools V 3.2 (рис. 3).
В работе [8] было показано, что цианиды не могут взаимодействовать со свободными сульф-гидрильными группами сывороточного альбумина быка. Нам удалось выявить только аддукт с Cys-34, который является единственным свободным цис-теином в молекуле сывороточного альбумина человека.
Abs.lnt.M000
ь b-18
У у-17 у-18
40-I 20 п
■с*
(241.30 2+) у-17 4 481.593'
147.300
ГУ'1......
■
ll 29*290......
ь <i У-171'
,...2ЖШ.....<249"74 2+>
i b 2 V 4 498.473
383.430 УЗ
502.430
498.473
481.593
- ST уд "(249 ji) - - - - - ->--1-7^4
736.653 Ъ-18 6 (368.83 2+)
627.440 774.560
.....I У 6
1—Г"
1ПП
'—г~
9ПП
1—Г~
зпп
'—Г"
4ПП
■—Г~
ЯПП
■—Г"
finn
'—Г"
7ПП
1—Г"
ЯПП
1—Г"
qnn
m/z
Рис. 3. Фрагментый масс-спектр пептида Cys-Pro-Phe-Glu-Asp-His-Yal-Lys, обнаруженного в триптическом гидролизате сывороточного альбумина человека, инкубированного с CN (программа ВюТооЬ)
42
Я. А. ДУБРОВСКИЙ, Е. А. МУРАШКО, М. Ю. КОМБАРОВА и др.
Данный результат может быть связан с тем, что в нашей работе мы использовали сывороточный альбумин человека, выделенный из донорской плазмы крови. Особенностью выделения является высаливание сульфатом аммония и преципитация фракции 70 % от насыщения сульфатом аммония ледяным этанолом. Таким образом, получается электрофоретически чистый нативный сывороточный альбумин. Сульфгидрильная группа Cys-34 активно участвует в осуществлении транспортной функции сывороточного альбумина и может кова-лентно присоединять различные соединения, такие как глутатион, аминокислоту цистеин и другие низкомолекулярные соединения со свободными сульфгидрильными группами. Взаимодействие Cys-34 с цианидами может объясняться наличием в нативном альбумине пула занятого какими-либо соединениями цистеина. Эти соединения могут вытесняться цианидами по известным механизмам.
Отсутствие других модифицированных пептидов можно объяснить тем, что одним из возможных путей метаболизма присоединенного цианида является образование свободного тиоцианата и переход цистеина в дегидроаланин (рис. 1).
На ранней стадии хронического отравления неорганическими цианидами появляются головные боли, головокружение, общая слабость, ослабление памяти, бессонница, боли в области сердца, одышка, сухость в горле, диспепсические явления, усиленная потливость, что не всегда удается ассоциировать с отравлением. Высокая скорость выведения неорганических цианидов из организма затрудняет химико-токсикологический анализ. В связи с этим идентификация аддуктов с легкодоступными белками крови человека, в частности ад-дуктов сывороточного альбумина человека с цианидами, приобретает значимость в практической работе врачей гигиенического профиля и профпато-логов по экспертизе связи заболеваний с воздействием вредных факторов производственной среды.
В результате проделанной работы было показано, что разработанные ранее методы для обнаружения SCN-аддуктов с белками крови для ВЭЖХ-МС-МС могут быть успешно использованы на времяпролетных масс-спектрометрах с МАЛДИ-источником.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Li B., Schopfer L.M., Hinrichs S.H. et al. Matrixassisted laser desorption / ionization time-of-flight mass-spectrometry assay for organophosphorus toxicants bound to human albumin at Tyr411 // Anal. Bio-chem. 2007. V. 36. P. 263-272.
2. Гладилович В.Д., Краснов И.А., Подольская Е.П. и др. Идентификация пептидов сывороточного альбумина, модифицированных фосфорорганическими соединениями, с применением методов хроматографии и масс-спектрометрии // Научное приборостроение. 2010. Т. 20, № 4. С. 84-92.
3. Read R.W., Riches J.R., Stevens J.A. et al. Biomarkers of organophosphorus nerve agent exposure: comparison of phosphylated butyrylcholinesterase and phos-phylated albumin after oxime therapy // Arch. Toxicol. 2010. V. 84. P. 25-36.
4. Дубровский Я.А., Подольская Е.П., Войтенко Н.Г. и др. Идентификация алкилированных аддуктов глобина крысы методами масс-спектрометрии // Научное приборостроение. 2010. Т. 20, № 4. С. 77-83.
5. Maisonneuve A., CallebatI., Debordes L., Coppet L. Biological fate of sulfur mustard in rat: toxicokinetics and disposition // Xenobiotica. 1993. V. 23. P. 771-780.
6. Benschtop H.P., Noort D., Van der Schans G.P., De Jong L.P.A. Diagnosis and dosimetry of exposure to sulfur mustard: development of standard operating procedures; further exploratory research of protein adducts // Final report cooperative agreement DAMD 17-97-27002. NTIS number: ADA381035/XAB. 2000.
7. Fasco M.J., Stack R.F., Lu S. et al. Unique cyanide ad-duct in human serum albumin: potential as a surrogate exposure marker // Chem. Res. Toxicol. 2011. V. 24, N 4. P. 505-514.
8. Catsimpoolas N., Wood J.L. The reaction of cyanide with bovine serum albumin // J. Biol. Chem. 1964. V. 239. P. 4131-4137.
9. Jacobson G.R., Schaffer M.H., Stark G.R., Vanaman T.C. Specific chemical cleavage in high yield at the amino peptide bonds of cysteine and cystine residues // J. Bi-ol. Chem. 1973. V. 248, N 19. P. 6583-6591.
Научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека ФМБА России
(Дубровский Я.А., Мурашко Е.А., Комбарова М.Ю., Бабаков В.Н., Радилов А.С.)
Институт аналитического приборостроения РАН, г. Санкт-Петербург (Дубровский Я.А., Подольская Е.П., Краснов Н.В.)
Институт токсикологии ФМБА, г. Санкт-Петербург (Подольская Е.П.)
Контакты: Дубровский Ярослав Александрович, [email protected]
Материал поступил в редакцию 25.12.2012
H£EHTH®HKAUHfl A^AYKTOB CMBOPOTOHHOTO AHbBYMHHA HE.HOBEKA.
43
IDENTIFICATION OF CYANIDE ADDUCT WITH HUMAN SERUM ALBUMIN USING MASS-SPECTROMETRY
Ya. A. Dubrovskiy1,2, E. A. Murashko1, M. Yu. Kombarova1, E. P. Podolskaya2'3, V. N. Babakov1, N. V. Krasnov2, A. S. Radilov1
1 Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Saint-Petersburg 2Institute for Analytical Instrumentation of RAS, Saint-Petersburg 3Institute of Toxicology FMBA of Russia, Saint-Petersburg
MALDI mass spectrometry was used to identify cyanide adducts with human serum albumin. Peptide with MH 999.44 Da was detected in the tryptic digestion of human serum albumin, incubated with cyanide (sodium and potassium salts). As a result SCN adduct at Cys-34 are formed. The sequence Cys-Pro-Phe-Glu-Asp-His-Val-Lys was confirmed by HPLC-MS-MS analysis on ion trap.
Keywords: MALDI-TOF, ion trap, serum albumin, cyanide
