基于金属有机骨架材料富集翻译后修饰肽段的研究进展

＊杨世庶 张璇

（河南师范大学化学化工学院 河南 453007）

蛋白质磷酸化和糖基化是重要的翻译后修饰方式，在细胞过程和蛋白质功能调控中发挥重要作用。目前已研究的分离和富集磷酸化肽段的方法有：免疫共沉淀法、亲和色谱法、化学衍生法和液相色谱法，用于糖基化肽段的富集的方法有：硼酸富集法、肼化学富集法、凝集素亲和富集法、亲水作用富集法。尽管上述方法在传统的富集中应用广泛，但其材料大多需要进行修饰，过程复杂且没有展现出极佳的富集效果。

金属有机骨架材料（Metal-organic Frameworks，MOFs）是由无机金属离子或金属簇与二齿或多齿配体相连接形成的一类具有多孔道的晶体材料[1]，其比传统材料表现出更高的选择性、灵敏度和可重复性，可用于磷酸化肽、糖肽的富集。本文综述了近年来用MOFs富集磷酸化肽段和糖基化肽段的研究进展。

1.MOFs用于磷酸化肽段的富集

蛋白质磷酸化是生物体内普遍存在的调节，目前人类部分疾病是异常的磷酸化修饰所导致的，因此研究蛋白质磷酸化至关重要。

(1)固定化金属离子亲和色谱法(IMAC，Immobilized Metal Affinity Chromatography)

IMAC是通过磷酸基团和固定化金属阳离子之间的螯合和静电相互作用来富集磷酸化肽。Deng等人[2]报道了一种二元MOFs，表示为Fe3O4@PDA@Zr-Ti-MOF，通过后合成方法，首先将Zr基MOFs以PDA为连接体修饰在Fe3O4纳米粒子上，再将四氢呋喃与Fe3O4@PDA@Zr-MOF反应，将Zr原子部分替换为Ti原子，最终形成Fe3O4@PDA@Zr-Ti-MOF。用其富集后，从人唾液中检测到34个单磷酸化肽和10个多磷酸化肽如图1（a）所示。

图1 a.Fe3O4@PDA@Zr-Ti-MOF用于富集磷酸化肽[2]；b.Fe3O4@PDA@mTiO2@PEI-ZIF-8用于富集磷酸化肽[3]；c.SPIOs@PVPPEI@MOF@Arg用于富集磷酸化肽[4]

(2)金属氧化物亲和色谱法(MOAC，Metal Oxide Affinity Chromatography)

金属氧化物表面金属阳离子和磷酸基团之间的可逆路易斯酸碱相互作用为磷酸化肽的吸附提供了有利的驱动力。Ding等人[3]报道了一种纳米材料Fe3O4@PDA@mTiO2@PEI-ZIF-8，通过将聚乙烯亚胺与ZIF-8的锌金属中心连接来制备PEI-ZIF-8，随后对介孔二氧化钛改性的亲水性磁性纳米球修饰合成。用其处理后，从唾液样品中鉴定出16个磷酸化肽如图1（b）所示。

(3)胺基亲和色谱法(Amine-based Affinity Chromatography)

由于氨基和磷酸基团之间的非共价相互作用，使氨基可作为有效的结合配体用于磷酸化肽的富集。Wu等人[4]通过外延生长和合成后修饰的组合策略，合成了SPIOs@PVP-PEI@MOF@Arg如图1（c）所示。胺基和磷酸基之间的强非共价相互作用使磁性MOFs展现出富集磷酸化肽的高效性能，从脱脂牛奶中鉴定出19种强度相当的磷酸化肽如表1所示。

2.MOFs用于糖基化肽段的富集

蛋白质糖基化，作为一种最常见且重要的翻译后修饰方式，在基因表达、细胞信号转导和免疫应答等方面扮演着重要的角色如表2所示。

表2 MOFs和MOFs复合材料选择性富集糖基化肽的性能

(1)原始MOFs

原始的MOFs是通过自我组装而构建的，无需其他基团的额外修饰。Li等人[5]使用ZrCl4和二元配体（间苯二甲酸和对苯二甲酸）制备了UiO-66-COOH。用其处理人血清消化物，从中鉴定出255种N-糖肽来自93种不同的糖蛋白如图2（a）所示。

图2 a.UiO-66-COOH用于富集糖基化肽[5]；b.MIL-101(Cr)-maltose用于富集糖基化肽[6]；c.MG@Zn-MOFs用于富集糖基化肽[7]

(2)化学修饰MOFs

化学修饰是PSM（Post-synthesis Modification）的一种有用方法。Liu等人[6]合成了MIL-101(Cr)-maltose，母体MIL-101(Cr)-NH2用硝酸叔丁酯和叠氮基三甲基硅烷在四氢呋喃中处理，形成叠氮化物官能化的MIL-101(Cr)-N3，然后通过1-丙炔基-邻麦芽糖的点击反应获得MIL-101(Cr)-maltose。在血清中使用富集了对应的65个糖蛋白的111个糖肽和115个N-糖基化位点如图2（b）所示。

(3)MOFs的衍生复合材料

不同组分之间的协同效应有助于构建MOFs从而更适用于糖肽分离。Yang等人[7]通过将Zn-MOFs（ZIF-8）如图2（c）所示，晶体涂覆在磁性石墨烯表面上，合成了MG@Zn-MOFs，用其富集后，在人血清消化物中鉴定出517种N-糖肽和151种糖蛋白如表2所示。

3.MOFs用于磷酸化肽段和糖基化肽段的同时富集

在自然界中，不同的翻译后修饰方式常常共存，可能会存在一种蛋白质同时被磷酸化和糖基化从而传递生物信号的情况，因此需要开发同时富集磷酸化肽和糖肽的材料。

IMAC/MOAC和硼酸亲和层析（BAAC，Boronic Acid Affinity Chromatography）的组合被提出用于同时富集磷酸化肽和糖肽。

Deng等人[8]通过逐步修饰制备L-半胱氨酸修饰的MOFs材料，即mMIL-125@Au@L-Cys。如图3a所示由于L-半胱氨酸改善了亲水性及MOFs对Ti-O中心的强亲和力，使所获得的材料表现出很好的性能，从β-酪蛋白和HRP中分别鉴定出来自55个磷酸化蛋白的175个磷酸化肽和来自35个糖蛋白的81个N-糖肽。

图3 a.mMIL-125@Au@L-Cys用于富集磷酸化肽和糖基化肽[8]；b.Fe3O4@SiO2@(Zr-Ti-MOF)10-NH2用于富集磷酸化肽和糖基化肽[9]

最近，Zhang等人[9]制备了Fe3O4@SiO2@(Zr-Ti-MOF)10-NH2。如图3b所示由于Zr-O团簇和Ti-O团簇及对甘氨酸的强亲和力，使其显示出对磷酸化肽的高选择性，同时氨基具有好的亲水作用可用于糖肽富集，从小鼠脑中鉴定了397种磷酸化蛋白中的918种磷酸化肽和127种糖蛋白中的141种N-糖肽如表3所示。

表3 MOFs和MOFs复合材料同时富集磷酸化肽和糖基化肽的性能

4.结语与展望

本文综述了近几年金属有机骨架材料用于富集翻译后修饰肽段中磷酸化肽段和糖基化肽段的研究进展，总结了目前文献报道的各种MOFs及MOFs复合物，并讨论了其展现出的富集效果，其中Fe3O4@PDA@Zr-Ti-MOF在富集磷酸化肽时展现出更为良好的富集性能，MG@Zn-MOFs在对糖基化肽的富集中展现出较高的灵敏度和选择性，Fe3O4@SiO2@(Zr-Ti-MOF)10-NH2在对磷酸化肽和糖基化肽的同时富集中表现出很好的性能。但现阶段大多数研究表明，新型纳米材料只能单一富集其中一种蛋白，下一步应创新发展一种便捷高效的富集方法，同时实现对糖基化肽和磷酸化肽的鉴定，并进一步拓展MOFs应用于临床疾病的磷酸化蛋白/糖基化蛋白的检测。