Intact Protein Quantitation Using Pseudoisobaric Dimethyl Labeling

Jun 30, 2016 - Top-Down Proteomics: Ready for Prime Time? Bifan Chen , Kyle A. Brown , Ziqing Lin , and Ying Ge. Analytical Chemistry 2018 90 (1), 110...
2 downloads 11 Views 10MB Size
Subscriber access provided by University of Sussex Library

Article

Intact Protein Quantitation Using Pseudo-isobaric Dimethyl Labeling Houqin Fang, Kaijie Xiao, Yunhui Li, Fan Yu, Yan Liu, Bingbing Xue, and Zhixin Tian Anal. Chem., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.analchem.6b01388 • Publication Date (Web): 30 Jun 2016 Downloaded from http://pubs.acs.org on July 5, 2016

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

Analytical Chemistry is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Analytical Chemistry

Intact Protein Quantitation Using Pseudo‐isobaric Dimethyl Label‐ ing  Houqin Fang‡, Kaijie Xiao‡, Yunhui Li, Fan Yu, Yan Liu, Bingbing Xue, and Zhixin Tian*    School  of  Chemical  Science  &  Engineering  and  Shanghai  Key  Laboratory  of  Chemical  Assess‐ ment and Sustainability, Tongji University, Shanghai 200092, China    Supporting Information 

ABSTRACT:  Protein structural and functional studies rely on complete qualitative and quantitative information of pro‐ tein species (proteoforms); thus, it is important to quantify differentially expressed proteins at their molecular level. Here  we report our development of universal pseudo‐isobaric dimethyl labeling (pIDL) of amino groups at both the N‐terminal  and lysine residues for relative quantitation of intact proteins. Initial proof‐of‐principle study was conducted on standard  protein myoglobin and hepatocellular proteomes (HepG2 vs. LO2). The amino groups from both the N‐terminal and ly‐ sine were dimethylated with HXHO (X=13C or C) and NaBY3CN (Y=H or D). At the standard protein level, labeling effi‐ ciency, effect of product ion size and mass resolution on quantitation accuracy were explored; and a good linear quantita‐ tion  dynamic  range  up  to  50‐fold  was  obtained.  For  the  hepatocellular  proteome  samples,  33  proteins  were  quantified  with  RSD≤10%  from  one‐dimensional  RPLC‐MS/MS  analysis  of  the  1:1  mixed  samples.  The  method  in  this  study  can  be  extended  to  quantitation  of  other  intact  proteome  systems.  The  universal  “one‐pot”  dimethyl  labeling  of  all  the  amino  groups in a protein without the need of pre‐blocking of those on the lysine residues is made possible by protein identifica‐ tion  and  quantitation  analysis  using  ProteinGoggle  2.0  with  customized  databases  of  both  precursor  and  product  ions  containing heavy isotopes. 

  INTRODUCTION  Systematic  and  accurate  quantitation  of  differentially  expressed proteins in physiological and pathological con‐ ditions  has  always  been  an indispensable  yet  challenging  goal  of  mass  spectrometry  (MS)  based  proteomics.1‐4  Sta‐ ble  isotope  labeling  (SIL),  either  in  vitro  or  in  vivo,  is  among  one  of  the  most  common  methods  in  protein  quantitation5,6,  which  so  far  has  mostly  been  carried  out  at the peptide level.   Early in 1999, Aebersold  and co‐workers  developed  iso‐ tope‐coded  affinity  tags  (ICATs)7,  where  all  cysteines  in  enzymatic  peptides  were  labeled  with  light  and  heavy  ICATs,  respectively.  Relative  quantitation  is  achieved  through  abundance  ratio  of  paired  peptides  in  the  MS  spectra. The advantage of this method is that it can enrich  low  abundance  peptides  using  biotin  on  the  tags,  and  therefore  big  dynamics  range  of  quantitation  is  possible.  Other  than  ICATs,  proteolytic  18O  labeling8,  isobaric  tags  for  relative  and  absolute  quantitation  (iTRAQ)9,  tandem  mass  tags  (TMT)10,  and  among  others  have  also  been  of‐ ten reported. Besides aforementioned in vitro methods, in  vivo  metabolic  labeling  method,  such  as  SILAC  (stable 

isotope  labeling  by  amino  acids  in  cell  culture)11  is  also  popular. In SILAC, cells are grown in culture media lack‐ ing  standard  essential  (auxotrophic)  amino  acid(s)  but  supplemented with a non‐radioactive, isotopically labeled  form of that amino acid. Variant forms of SILAC including  Super‐SILAC12,13, spiked‐in SILAC14,15 and Neucode SILAC16  have  thereafter  been  reported.  SIL  procedure  could  be  labor  intensive  and  isotopic  reagents  are  often  quite  ex‐ pensive.  Reductive  dimethylation  of  primary  amines  on  lysine  and  N‐terminal  using  formaldehyde  (HCHO)  and  sodium  cyanoborohydride  (NaBH3CN)  has  proven  to  be  simple, yet cost‐effective and powerful.17,18 With its intro‐ duction  in  1928  and  thereafter  evolution  19‐22,  reductive  dimethylation  in  its  current  form  (in  terms  of  using  HCHO  and  NaBH3CN)  was  first  used  for  peptide  quanti‐ tation  in  200323.  In  order  to  get  isotopic  pairs  in  the  MS  spectra  with  fixed  mass  difference  to  facilitate  down‐ stream  data  interpretation  and  MS‐level  quantitation,  a  variety  of  blocking  strategies  of  the  lysine  amino  group  (such  as  guanidination)  has  been  developed24,25.  Hybrid  labeling using dimethylation and SILAC to reach 6‐plex26  and  5‐plex  isotopic  dimethyl  labeling27  have  also  been  reported.  MS/MS  level  quantitation  with  isobaric  or  1|P a g e

ACS Paragon Plus Environment

Analytical Chemistry

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

pseudo‐isobaric labeling could be achieved through com‐ binatorial isotopic labeling of both the C‐ and N‐termini.   For  isobaric  dimethyl  labeling,  several  isobaric  peptide  terminal  labeling  (IPTL)  strategies  have  been  developed.  Isobaric  Lys‐C  peptides  could  be  obtained  through  cross  succinylation  (H4  vs.  D4)  and  dimethylation  (D4  vs.  H4)  of  the  N‐terminal  and  C‐terminal  amino  groups.28  Enzymatic  18O2  labeling  of  the  C‐terminal  carboxylate  and  dimethyl  D4  labeling  of  the  N‐terminal  primary  amine  together  with  guanidination  blocking  of  lysine  amines  provides  at  least  10‐fold  linear  quantitation  and  enables finding of  124  differentially  expressed  proteins  in  hepatocellular  carcinoma  (HCC)  with  more  than  2‐fold  differences.25  Besides  duplex  labeling,  Thiede  et  al.  also  developed  a  triplex  labeling  using  combinatorial  N‐  and  C‐terminal  dimethyl  labels  of  CH3+13CD3,  CHD2+13CH2D,  and  13CD3+CH3,  respectively,  which  was  successfully  demonstrated  through  temporal  profiling  of  HeLa  cells  incubated  with  the  kinesin  Eg5  inhibitor  S‐Trityl‐L‐ cysteine.29   Besides  isobaric  fragment  ions  containing  different  number of heavy isotopes for relative quantitation, pseu‐ do‐isobaric  fragments  ions  containing  different  type  of  heavy isotopes (such as 13C vs. D) could also be resolved in  high‐resolution  mass  spectrometers  and  used  for  relative  quantitation.  Peptides  with  pseudo‐isobaric  labels  nor‐ mally  could  not  be  resolved  in  MS  spectra,  and  thus  are  co‐selected for MS/MS fragmentation to produce MS/MS  spectra, where small pseudo‐isobaric fragment ions could  be resolved. For pseudo‐isobaric dimethyl labeling, Zhang  et  al.  labeled  two  different  groups  of  Lys‐C  peptides  at  both  the  N‐terminal  and  C‐terminal  lysine amino  groups  with  (‐13CD2H)4  vs.  (‐CD3)4,  respectively.  The  subtle  total  mass  difference  between  the  labelled  pseudo‐ isobaric  peptide  pairs  is  11.688  mDa,  and  these  two  pep‐ tides are normally not resolved in their MS spectra; small  a‐, b‐ and y‐ions (up to y6) with a mass difference of 5.84  mDa, however, were all resolved using 60 K resolution. A  good linearity (R2=0.999) across a 100‐fold dynamic range  for  BSA  digests  and  a  strong  correlation  (R2  =  0.887)  of  differentially  expressed  proteins  in  Hca‐F  and  Hca‐P  cell  lines were finally obtained.30 Yates et al. applied a similar  method  in  a  MudPIT  experiment  and  accurately  meas‐ ured  the  protein  levels  of  the  cystic  fibrosis  transmem‐ brane conductance regulator.31       The  bottom‐up  proteomics  procedure  has  high  throughput  and  sensitivity  in  protein  quantitation  at  the  peptide level, but it may inherently not be able to quanti‐ fy  a  protein  (gene  product)  with  multiple  proteoforms  (protein species) where likely only one species is of inter‐ est under certain condition.32 Therefore, protein quantita‐ tion at the protein species level, i.e., the top‐down prote‐ omics  procedure,  is  essential  for  molecular  level  under‐ standing  of  proteoforms,  especially  identifying  combina‐ torial amino acid variation and post‐translational modifi‐ cations33.  So  far,  a  few  top‐down  SIL  studies  have  been  tried for intact protein quantitation. Smith and coworkers  first applied SIL to top‐down quantitative proteome anal‐

Page 2 of 14

ysis of E. coli and S. cerevisiae using cell culture with iso‐ topically  labeled  amino  acids;34‐36  protein  abundance  change  associated  with  cadmium  (Cd2+)  stress  response  was  precisely  measured.34  With  15N‐labeling  using  (15NH4)2SO4  and  15N‐labeled  histidine,  leucine,  and  tryp‐ tophan in cell culture of S. cerevisiae, Kelleher, et al. suc‐ cessfully  quantified  231  metabolically  labeled  (14N/15N)  protein  pairs.37  In  2007,  Mann  and  coworkers  extended  their  SILAC  from  peptide  to  protein  quantitation;38  they  showed  that  Grb2,  a  28  kDa  signaling  protein,  could  be  quantified  with  an  average  standard  deviation  of  6%.  Hung & Tholey first demonstrated intact protein quantifi‐ cation  using  tandem  mass  tag  (TMT)  labeling;39  six‐plex  TMT was used to quantify a standard protein mixture and  nice linear range of 10‐fold (10:1 –  1:10) was achieved. De‐ spite  initial  success,  top‐down  quantitation  approaches  still  face  quite  a  few  issues,  such  as  isotopic  envelope  broadening  of  heavy  labeled  proteins  due  to  incomplete  labeling  38,40  and  amino  acid  conversion40,41,  non‐specific  labeling and side reactions39.  Here  we  report  our  attempt  of  top‐down  quantitation  using  reductive  dimethylation. All primary  amino  groups  (N‐terminal and lysine) in intact proteins are labeled with  pseudo‐isobaric (CDH2)2 and (13CH3)2 without blocking,  which  is  made  possible  by  our  unique  database  search  using  iMEF42  and  ProteinGoggle  2.043  where  customized  databases of both precursor and product ions with isotop‐ ic labels could be built. Our first proof‐of‐principle study  of  pIDL  was  carried  out  using  a  standard  protein,  myo‐ globin. Effect of mass resolution and size of product ions  on  quantitation  accuracy  as  well  as  achievable  quantita‐ tion  dynamic  range  were  explored.  Besides  myoglobin,  the  quantitative  capability  of  the  approach  was  also  demonstrated with the intact proteomes from hepatocel‐ lular cell lines. The results show that pIDL is also a simple,  cost‐effective,  yet  powerful  quantitative  strategy  for  top‐ down  proteomics,  which  should  make  promising  contri‐ bution to structural and functional study as well as clini‐ cal application of protein species. 

  EXPERIMENTAL SECTION     Chemicals  and  Reagents.  Formaldehyde  (HCHO)  (Product  #  F8775,  37%  w/w  in  H2O),  sodium  cyanoboro‐ hydride  (Product  #  42077,  NaBH3CN),  ammonia  solution  (Product  #  320145,  28%  v/v  in  H2O),  sodium  acetate  (Product  #  71185,  99%),  sodium  cyanoborodeuteride  (NaBD3CN,  98%,  96% D, cat.  no.190020)  and horse myo‐ globin  (M1882)  were  purchased  from  Sigma‐Aldrich  (St.  Louis, MO, USA). All solvents (such as acetonitrile) used  were HPLC grade and also purchased from Sigma‐Aldrich  (St.  Louis,  MO,  USA).  Formaldehyde  (H13CHO,  20%  w/w  in H2O, 99%  13C, cat. no. CLM‐806‐0) was obtained from  Cambridge  Isotope  Laboratories,  Inc.  (Andover,  MA,  USA). Ultrapure water was produced on site by Millipore  Simplicity System (Billerica, MA).      Preparation of the HepG2 and LO2 proteomes. The  hepatocellular carcinoma (HepG2) and normal (LO2) cells  2|P a g e

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Analytical Chemistry

were  bought  from  the  American  Type  Culture  Collection  (http://www.atcc.org/) and Shanghai Biological Technolo‐ gy  (Shanghai,  China),  respectively.  HepG2  cells  are  main‐ tained in RPMI 1640 medium which is supplemented with  10%  fetal  bovine  serum  (FBS)  and  100  ug/mL  penicillin‐ streptomycin.  LO2  cells  are  maintained  in  Dulbecco's  modified Eagle's medium which is supplemented with 10%  FBS and 100 ug/mL penicillin‐streptomycin.     Both  cell  lines  were  cultured  in  100  mm  culture  dishes  that were placed in a humidified incubator maintained at  37 °C and 5% CO2. Cells were first grown to approximately  80%  confluence.  After  centrifugation  and  washing  with  phosphate‐buffered  saline  (PBS),  the  cell  pellets  were re‐ suspended  in  the  lysis  buffer  (50  mM  Tris‐HCl,  100  mM  NaCl) supplemented with protease inhibitor cocktail and  sonicated for 15 min on ice. The lysate was centrifuged at  14,000g  for  15  min,  and  the  supernatant  protein  mixture  was  collected.  After  protein  concentration  measurement  by  the  BCA  method,  the  mixture  was  aliquoted  into  1.5  mL centrifuge tubes and stored at ‐80 ℃.      Reductive dimethylation of myoglobin and hepato‐ cellular  proteomes.  Stock  solution  of  myoglobin  (5  μg/μL),  NaBH3CN  (600  mM),  NaBD3CN  (600  mM),  and  CH3COONa  (100  mM, pH  5‐6)  were freshly made by dis‐ solving the corresponding powder samples in water. Soni‐ cation  was  used  to  facilitate  dissolving  of  myoglobin.  Stock  solution  of  HCHO  (4%,  w/w),  H13CHO  (4%,  w/w),  and NH4OH (4%, v/v) were freshly made from the corre‐ sponding solution samples.    Pseudo‐isobaric  dimethylation  of  N‐terminal  and  lysine  amino groups with HCHO and NaBH3CN was carried out  using  the  same  protocol  as  reported  for  peptides.18  To  check  the  labeling  efficiency  of  the  peptide  protocol  for  intact  proteins,  dimethylation  of  myoglobin  with  HCHO  and NaBH3CN was first carried out. In a 0.5 mL centrifuge  tube,  5.0  μL  myoglobin  solution  was  added  to  100.0  μL  sodium  acetate  buffer.  After  mixing,  4.0  μL  freshly  pre‐ pared  HCHO  solution  (4%)  was  then  added  followed  by  immediate vortex for 1min. With addition of 4.0 μL stock  solution  of  NaBH3CN,  the  reaction  mixture  was  vortexed  and incubated in a fume hood for 1h at room temperature  (20 ℃). Then, the reaction was interrupted by addition of  4 μL stock solution of NH4OH. For dimethyl labeling with  (13CH3)2  (short  for  13C,Figure  S1A)  and  (CDH2)2  (short  for  D,  Figure  S1B),  the  procedure  was  the  same  as  above  except  that  isotopic  reagents  H13CHO+NaBH3CN  and  HCHO+NaBD3CN were used instead of HCHO+NaBH3CN.  After labeling, pseudo‐isobaric myoglobin with  13C and D  labels were mixed at the ratios of 13C/D=1:100, 1:50, 1:10, 1:1,  10:1,  50:1,  100:1  and  stored  in  a  20℃  freezer  for  subse‐ quent RPLC‐MS/MS analysis.   Two  identical  aliquots  of    HepG2  and  LO2  proteomes  were  labeled  with  (13CH3)2  and  (CDH2)2,  respectively,  using the same reagents and procedure described above.  RPLC‐MS/MS  analysis  of  labeled  myoglobin  and  hepatocellular  proteomes.  Myoglobin  with  dimethyla‐ tion  of  (CH3)2,  (13CH3)2,  and  (CDH2)2  were  first  ana‐

lyzed  separately  using  RPLC‐MS/MS  to  check  labeling  efficiency.  Mixed  myoglobin  with  dimethylation  of  pseu‐ do‐isobaric  (13CH3)2  and  (CDH2)2  was  then  analyzed  in  the  same  way  for  investigation  of  linear  quantitation  range.  For  all  RPLC‐MS/MS  analyses,  labeled  myoglobin  or  hepatocellular proteome (either individual or mixed) was  first  desalted  and  trapped  on  a  4  cm  long  trapping  col‐ umn (360 μm o.d. × 200 μm i.d.) packed with C4 particles  (300 Å, 5 μm). The loading buffer (4.8% ACN, 95.0% H2O,  and  0.2%  FA)  at  a  flow  rate  of  5  μL/min  for  6  minutes.  The  trapped  protein was  separated  on  a  65 cm  long  ana‐ lytical column (360 μm o.d. × 75 μm i.d.) packed with the  same  C4  particles  as  described  above  on  a  Dionex  Ulti‐ mate  3000 RSLC nano‐HPLC system  (Thermo  Fisher  Sci‐ entific). Buffer A is mixture of 95.0% H2O, 4.8% ACN and  0.2% FA; Buffer B is mixture of 95.0% ACN, 4.8% H2O and  0.2% FA. Elution at constant flow of 300 nL/min was con‐ ducted at the following gradient: 1‐15% B for 1 min, 15‐65%  B  for  91  min,  65‐75%  B  for  6  min,  75‐99%  B  for  5  min.  Eluted  proteins  were  detected  online  with  ESI  tandem  mass spectrometry using a Q Exactive mass spectrometer  (Thermo  Fisher  Scientific)  coupled  with  a  nano‐ESI  source.    MS  spectra  were  acquired  in  the  600‐2000  m/z  range using a mass resolution setting of 140 k (m/z 200).  Fragmentation  was  obtained  in  a  data‐dependent  mode  (Top  10)  with  higher‐energy  collisional  dissociation  (HCD). For MS/MS spectra, fixed first mass of m/z 50 was  utilized.  Three  mass  resolution  setting  of  35  k,  70  k  and  140 k was tried for finding of the optimal resolution to be  used. AGC target value and maximum injection time were  placed at 5e5 and 250 ms for both MS and MS/MS scans.  Isolation window and dynamic  exclusion were  set  at  10.0  m/z  and  20.0  s.  Normalized  collision  energy  was  set  at  30.0 %. The temperature of the ion transfer capillary was  set to 250 °C. The spray voltage was set to 2.6 kV.     Protein  identification  and  quantitation.  Protein  identification  and  quantitative  analysis  of  the  RPLC‐ MS/MS  datasets  acquired  above  was  done  with  Pro‐ teinGoggle  2.0. 43  Customized  precursor  and  product  ion  databases  with  dimethyl  labels  ((CH3)2,  (13CH3)2,  and  (CDH2)2) were first built separately with the flat text files  downloaded  from  Uniprot  (http://www.uniprot.org/).  ProteinGoggle  has  the  capability  of  reading  in heavy  iso‐ topes  to  produce  the  corresponding  theoretical  isotopic  envelopes, and Ct and D are used as element‐like symbol  for  13C and D atoms, respectively. Dimethylation of all the  amino  groups  on  the  N‐terminal  and  lysine  was  treated  static,  i.e.,  as  fixed  modification.  The  search  parameters  for  protein  identification  are  as  follows.  For  precursor  ions, IPACO, IPMD, and IPAD are 40%, 15 ppm, and 100%,  respectively;  for  product  ions  the  corresponding  values  are  20%,  15  ppm,  and  50%,  respectively.  IPACO,  IPMD,  and  IPAD  are  short    names  of  isotopic  peak  abundance  cutoff,  isotopic  peak  m/z  deviation,  and  isotopic  peak  abundance  deviation,  respectively.  For  datasets  from  analysis  of  mixed  13C‐  and  D‐labeled  myoglobin,  proteins  were  first  searched  against  the  13C  database  to  find  all  3|P a g e

ACS Paragon Plus Environment

Analytical Chemistry

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

matching b and y ions. For each of these matching prod‐ uct  ion,  experimental  m/z  and  abundance  of  all  the  ob‐ served isotopic peaks (including the mono‐isotopic peaks)  within  IPMD  and  IPAD  tolerance  are  stored  in  a  meta  data  file.  The  corresponding  D‐labeled  mono‐isotopic  peaks for the aforementioned matching b and y ions were  then  searched  in  the  metadata  file  and  quantitative  re‐ sults  were  output  in  a  txt  file.  The  relative  abundance  of  the  paired  pseudo‐isobaric  mono‐isotopic  peaks  of  13C‐  and  D‐labeled  product  ions  was  used  for  calculation  of  observed  ratios  and  relative  quantitation.    For  each  mix‐ ing ratio, the top‐10 IDs with most matching product ions  and  highest  P  Score  were  used  to  calculate  average  ob‐ served ratio and standard deviation. 

  RESULTS AND DISCUSSION Labeling efficiency of protein reductive dimethyla‐ tion.  Labeling  efficiency  of  dimethylation  of  N‐terminal  and  lysine  amino  groups  was  first  checked  with  non‐ isotopic  reagents  HCHO  and  NaBH3CN.  There  are  19  ly‐ sines  across  the  amino  acid  sequence  of  myoglobin;  to‐ gether  with  the  N‐terminal  amino  groups,  there  are  in  total  20  amino  groups  which  should  all  be  labeled  with  (CH3)2.  ESI  MS spectrum  of  the fully labeled  myoglobin 

Page 4 of 14

is shown in Figure 1A of all charge states and the deconvo‐ luted spectrum with z=+1 was plotted in Figure 1B. As can  be  seen  in  Figure  1B,  only  one  major  peak  pattern  was  observed which means dimethyl labeling is nearly quanti‐ tative  given  few  percentage  of  impurity  of  the  isotopic  reagents.  The  minor  peak  pattern  is  proposed  to  be  the  NH3  loss  ion  of  the  major  peak  pattern  on  the  right,  be‐ cause this ion is also observed in the MS spectrum of the  original myoglobin sample (Figure S2) and there is a good  fingerprinting  between  the  experimental  and  theoretical  isotopic envelopes (Figure S3). To check whether this ma‐ jor ion contains 20 (CH3)2 labels as expected, the exper‐ imental  isotopic  envelope  of  charge  state  z=20+  was  first  fingerprinted  to  the  corresponding  theoretical  isotopic  envelope (Figure 1C). A good match was found as IPMDs  of  all  the  observed  isotopic  peaks  are  within  4  ppm  and  the relative abundance of all isotopic peaks are within 17%.  The  exact  labeling  sites  were  further  confirmed  with  da‐ tabase  search  of  the  MS/MS  spectrum  from  HCD  of  the  20+  precursor  ion  against  the  customized  database  with  the 20 dimethyl labels as static modifications. A total of 35  matching  b  and  y  ions  were  found,  and  the  graphical  fragmentation map is shown in Figure 1D.      

  Figure  1.  Dimethyl labeling  efficiency of myoglobin  using  HCHO  and  NaBH3CN. (A)  MS spectrum of  labeled myoglobin  with  different charge states. (B) the deconvoluted MS spectrum in (A). (C) The iEF map, i.e., fingerprinting of the experimental iso‐ topic envelope on the corresponding theoretical isotopic envelope, of the charge state 20+ ion, IPMD (ppm) and IPAD (%) val‐ ues of each isotopic peak are shown. (D) The graphical fragmentation map from database search using ProteinGoggle 2.0, show‐ ing matching b and y ions as well as dimethylation of primary amino groups at the N‐terminal and lysine residues (19 in total).  4|P a g e

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Analytical Chemistry

Similar  quantitative  labeling  efficiency  was  obtained  for  dimethylation  of  (13CH3)2  and  (CDH2)2  using  isotopic  reagents  H13CHO+NaBH3CN  and  HCHO+NaBD3CN.  The  corresponding  full  MS  spectrum,  the  deconvoluted  MS  spectrum,  the  iEF map  of the  20+ precursor  ion,  and the  graphical  fragmentation  map  for  the  HCD  spectrum  of  the  20+  precursor  ion  are  provided  in  Supplemental  Fig‐ ure S4 and S5, respectively. The detailed experimental and  theoretical information for the matching b and y ions are  presented in Table S1 and S2.   To summarize, dimethyl labeling of both the N‐terminal  and  lysine  amino  groups  using  HCHO  and  NaBH3CN  is  almost quantitative under the current reaction conditions.   Effect  of  product  ion  size  on  quantitation  accuracy.  Effect  of  the  size  of  the  product  ions  on  quantitation  ac‐ curacy  was  explored  with  1:1  mixed  13C‐  and  D‐labeled  myoglobin.  Under  140  k  resolution,  the  pseudo‐isobaric  mono‐isotopic  peak  pairs  of  six  product  ions  (including  b2‐1+, b3‐1+, b4‐1+, b5‐1+, b6‐1+, and b7‐2+) were resolved.  All of these six ions contain one pseudo‐isobaric dimethyl  label,  either  (13CH3)2  or  (CDH2)2.  The  corresponding  measured IPMDs, mass difference, and the observed rati‐ os  for  the  paired  mono‐isotopic  peaks  in  the  pseudo‐ isobaric product ions among the top 10 best MS/MS spec‐ tra  with  highest  P  Score  are  listed  in  Table  1.  All  the  ob‐ served ratios from all MS/MS spectra are plotted in Figure  2.  The  IPMD  values  of  the  mono‐isotopic  peaks  are  all  within  4  ppm.  However,  only  the  first  three  ions  (b2‐1+,  b3‐1+  and  b4‐1+)  have  better  agreement  between  the  measured and the theoretical mass difference (5.84 mDa).  For the observed ratios, good average values are obtained  for  all  the  six  product  ions,  although  b5‐1+  has  slightly  higher deviation than the other 5 ions.  Table  1.  Isotopic  Peak  m/z  Deviation  (IPMD,  ppm)  and  Mass  Difference  (ΔM,  mDa)  of  the  Observed  Paired  13 Mono‐isotopic Peaks with Pseudo‐isobaric ( CH3)2 and  (CDH2) 2  Labeling  in  Different  Product  Ions.  The  Mix‐ 13 ing Ratio of ( CH3)2 and (CDH2)2 Labeled Myoglobin is  1:1. The Average Values and the Corresponding Standard  Deviations  are  Calculated  from  the  Top  10  IDs  with  Highest P Scores.  13

product   ion 

IPMD,  C  (ppm) 

IPMD, D  (ppm) 

ΔM  (mDa) 

Obs. ratio  13 ( C/D) 

b2‐1+ 

‐0.4±0.5 

‐0.5±1.5 

5.81±0.07 

(1.1±0.1):1  (1.0±0.1):1 

b3‐1+ 

‐1.0±0.9 

‐0.8±0.9 

5.89±0.06 

b4‐1+ 

‐1.2±0.8 

‐0.7±0.8 

6.06±0.11 

b5‐1+ 

‐3.2±1.2 

‐0.5±0.9 

7.14±0.62 

b6‐1+ 

‐0.1±1.1 

‐1.7±0.7 

4.79±0.73 

b7‐2+ 

‐0.8±1.7 

‐2.7±1.4 

4.22±2.00 

(1.1±0.2):1  (1.3±0.3):1  (1.0±0.1):1  (1.0±0.1):1 

  Effects  of  MS  resolution  on  quantitation.  The  exact  mass  difference  of  the  pseudo‐isobaric  dimethyl  labels  between  (13CH3)2  and  (CDH2)2  is  5.84  mDa.  The  total  mass  difference  between  the  1 3 C‐  and  D‐labeled  

 

  Figure  2.  Effect  of  size  of  pseudo‐isobaric  product  ions  on  quantitation accuracy. The expected ratio is 1:1, i.e., differen‐ tially  labeled  myoglobin  with  (13CH3)2  and  (CDH2)2  was  mixed  at  the  ratio  of  1:1.  The  box  plot  contains  all  the  ob‐ served values for each product ion. 

myoglobin is 5.84*20=116.8 mDa. As the molecular weight  of myoglobin is 16951.99966 Da. There is no resolution of  the  pseudo‐isobaric precursor  ions with our MS  with  140  k resolution (m/z 200). For accurate relative quantitation  using  abundance  of  pseudo‐isobaric  product  ions,  high  enough  mass  resolution  is  needed  to  resolve  the  paired  mono‐isotopic  peaks  to  provide  accurate  peak  position  and distance; on the other hand, higher resolution means  longer  detection  time  and  lower  signal.  So,  a  compro‐ mised  mass  resolution  must  be  found.  To  find  optimal  resolution, 35 k, 70 k, and 140 k to resolve b2‐1+ ion were  investigated  and  compared;  the  measured  results  are  shown in Figure 3. The b2‐1+ ion has one dimethyl label at  the  N‐terminal,  and  the  theoretical  m/z  of  the  paired  pseudo‐isobaric  mono‐isotopic  peaks  with  13C  and  D  la‐ bels are 201.15081and 201.15665, respectively. The theoreti‐ cal  mass  difference  is  5.84  mDa.  The  paired  pseudo‐ isobaric mono‐isotopic peaks are resolved in all the three  mass  resolution;  and  IPMDs  of  all  the  isotopic  peaks  are  within  5 ppm.  In addition,  the measured mass  difference  at  both  70  k  and  140  k  is  relative  good  with  deviation  of  less  than  2%;  while  much  bigger  deviation  (up  to  16%)  was observed  at 35 k. Largely, mass resolution of 140 k is  needed for accurate identification and quantitation.  Achievable  linear  quantitation  range  with  Myoglo‐ bin.  After  finding  the  optimal  MS  resolution  to  resolve  the  pseudo‐isobaric  monoisotopic  peak  pair  and  product  ion  to  provide  accurate  quantitation,  we  further  investi‐ gate the quantitation dynamic range with pseudo‐isobaric  dimethylation.  Seven  RPLC‐MS/MS  datasets  were  ob‐ tained from analyses of the 7 isotopically labeled myoglo‐ bin samples, where (13CH3)2‐ and (CDH2)2‐labeled myo‐ globin  were  mixed  in  a  100‐fold  range  with  7  different  ratios:  1:100,  1:50,  1:10,  1:1,  10:1,  50:1,  and  100:1.  Database  search  and  quantitative  analysis  of  these  datasets  was  carried  out  using  ProteinGoggle,  and  the  quantitative  5|P a g e

ACS Paragon Plus Environment

Analytical Chemistry

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 14

results  were  shown  in  Table  2;  the  observed  log2(13C/D)  ratios (average values and standard deviation) were calcu‐ lated  from  the  paired  mono‐isotopic  peak  abundance  of  the top10 IDs with highest P Scores.   From  the  most  abundant  product  ion  b2‐1+,  a  good  quantitation  linearity  (R2=1.00)  was  obtained  in  the  50‐ fold  range  with  the  five  data  points  of  1:50,  1:10,  1:1,  10:1,  and 50:1 (Figure 4); but, big deviation of the observed ra‐ tio  from  the  corresponding  expected  ratios  was 

 

Figure  4.  Linear  quantitation  dynamic  range  of  myoglobin  using  the  most  abundant  product  ion,  b2‐1+,  in  a  50‐fold  13 range.  Differentially  labeled  myoglobin  with  ( CH3)2  and  (CDH2)2 was mixed at the ratios of 1:50, 1:10, 1:1, 10:1 and 50:1.  The  average  values  and  the  corresponding  standard  devia‐ tions are calculated from the top 10 IDs with highest P Scores. 

  Figure 3. Effect of mass resolution on quantitation accuracy.  Measured  isotopic  peak  m/z  deviation  (IPMD,  ppm)  and  mass  difference  (mDa)  of  the  paired  pseudo‐isobaric  mono‐ isotopic  peaks  in  the  b2‐1+  product  ion  are  investigated  at  mass resolution of 35 k, 70 k and 140 k, respectively. The mix‐ 13 ing  ratio  of ( CH3)2  and (CDH2)2  labeled  myoglobin is  1:1.  The  average  values  and  the  corresponding  standard  devia‐ tions are calculated from the top 10 IDs with highest P Scores. 

observed  when  the  dynamic  range  was  extended  to  100‐ fold. Pseudo‐isobaric product ion pairs were also observed  for b3‐1+ and b4‐1+ in the 50‐fold range; but no good line‐ arity  was  obtained  for  either  of  the  two  ions,  which  should  be  mostly  due  to  their  lower  abundance  as  com‐ pared to that of b2‐1+.  Quantitation  of  hepatocellular  intact  proteome  us‐ ing  pIDL.  The  intact  proteomes  from  the  hepatocellular  HepG2  and  LO2  cell  lines  were  prepared  to  benchmark  the applicability of pIDL for quantitation of intact protein  mixture. Two identical aliquots of HepG2 and LO2 intact  proteomes  were  separately  labeled  with  (13CH3)2  and  (CDH2)2, mixed with 1:1 ratio, and the mixed sample was  analyzed with one‐dimensional RPLC‐MS/MS using HCD  and three technical replicates. After qualitative and quan‐ titative  data  analysis  using  ProteinGoggle,  33  proteins  were quantified at least twice out of the three replicate  

Table  2.  All  observed  paired  pseudo‐isobaric  product  ions  for  relative  quantitation  in  the  50‐fold  range.  Differentially  labeled myoglobin with (13CH3)2 (13C) and (CDH2)2 (D) was mixed at 5 different ratios in a 50‐fold range. The average  values and the corresponding standard deviations are calculated from the top 10 IDs with highest P Scores. N/A means no  experimental data is available.  13

product  ion 

C/D 

1:100 

1:50 

1:10 

1:1 

10:1 

50:1 

100:1 

b2‐1+ 

1:(34.4±12.3) 

1:(47.1±9.2) 

1:(9.0±0.9) 

(1.1±0.1):1 

(12.4±2.4):1 

(49.0±1.0):1 

(35.7±11.5):1 

b3‐1+ 

1:(30.6±6.3) 

1:(32.5±6.1) 

1:(9.1±0.1) 

(1.0±0.0):1 

(16.9±6.9):1 

(33.6±3.7):1 

(25.8±7.1):1 

b4‐1+ 

1:(25.6±7.7) 

1:(25.1±5.1) 

1:(11.5±1.4) 

(1.1±5.1):1 

(18.1±8.2):1 

(23.4±6.6):1 

(25.5±5.5):1 

b5‐1+ 

N/A 

N/A 

1:(20.1±5.1) 

(1.3±6.3):1 

N/A 

N/A 

N/A 

b6‐1+ 

N/A 

N/A 

N/A 

(1.0±0.9):1 

N/A 

N/A 

N/A 

b7‐2+ 

N/A 

N/A 

N/A 

(1.0±1.0):1 

N/A 

N/A 

N/A 

  6|P a g e

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Analytical Chemistry

runs  with  RSD10%. The  detailed  information (including  protein  ID,  accession  number,  sequence  length,  product  ion for quantitation, and average relative abundance ratio  of HepG2/LO2, SD and RSD values) for these 33 proteins  is  provided  in  supplemental  Table  S3.  More  than  60%  of  the proteins are quantified with either b1‐1+ or b2‐1+; and  the  rest  proteins  are  quantified  with  either  b3‐1+,  b3‐2+,  b4‐1+,  b4‐2+,  y1‐1+,  y2‐2+,  y3‐1+  or  y3‐2+.  This  may  indi‐ cate  that  different  proteins  have  both  different  type  and  different  size  of  product  ions  for  best  quantitation,  alt‐ hough  further  investigation  with  more  data  is  essential.  This observation is  different from that of peptides  where  different product ions (a1, b1, y1, a2, b2, y2, y3, b3, y4, y6)  performs  equally  well  for  relative  quantitation.  The  un‐ derlying reason can be that a protein always is fragment‐ ed  into many more product  ions with much lower abun‐ dance than a peptide is, and relative quantitation accura‐ cy  is  strongly  sensitive  to  the  abundance  of  the  product  ion.  Relative  to  LO2,  12  out  of  the  33  quantified  proteins  were  found  to  be  up  regulated  or  down  regulated  in  HePG2 with a threshold of bigger than 2‐fold. The anno‐ tated  MS/MS  spectrum,  the  pseudo‐isobaric  b2‐1+  ion  pair  for  quantitation,  and  the  graphical  fragmentation  map  for  protein  NEDD8_HUMAN  are  shown  in  Figure  5  as an example. 

could  be  resolved  under  both  70  k  and  above  and  their  relative abundance could be used for quantitation. A good  linear quantitation range (R2=1.00) was obtained from the  most  abundant  b2‐1+  ion  in  a  50‐fold  range  with  mixing  ratios of 1:50, 1:10, 1:1, 10:1, and 50:1. The pIDL method was  also  benchmarked  with  hepatocellular  carcinoma  HepG2  proteome  relative  to  that  of  normal  LO2,  and  33  unique  proteins  were  quantified  within  10%  RSD.  Other  than  combination  of  (13CH3)2‐  vs.  (CDH2)2,  pseudo‐isobaric  labels  could  also  be  (13CH2D)2  vs.  (CHD2)2,  and  (13CHD2)2  vs.  (CD3)2  depending  on  the  availability  and  cost  of  the  isotopic  reagents  of  HCHO  and  NaBH3CN.  This  protein  quantitation  method  using  pseudo‐isobaric  dimethyl  labels  on  the  amino  groups,  in  principle,  could  be  extended  to  any  other  pseudo‐isobaric  labels  of  other  functional groups on either protein termini or amino acid  residues.  Accurate  quantitation  of  protein  species  at  the  protein  level  should  facilitate  structural  and  functional  studies  and  eventually  contribute  to  the  related  applica‐ tion, such as development of protein therapeutic drugs. 

  ASSOCIATED CONTENT  

 Supporting Information  The supporting information is available free of charge via  the ACS Publications website at http://pubs.acs.org/.  Supplemental  figures  (5)  regarding  labeling  efficiency  and  observed  ratios,  as  well  as  tables  (3)  about  the  matching  b  and  y  ions  from  13C‐  and  D‐labeled  myoglobin are provided, 43 pages in total.  

  AUTHOR INFORMATION  Corresponding Author  * [email protected] 

Author Contributions 

 

Figure  5.  The  annotated  MS/MS  spectrum  (A),  the  pseudo‐ isobaric b2‐1+ ion pair (A, inset), and the graphical fragmen‐ tation  map  (B)  for  the  quantified  protein  NEDD8_HUMAN.  Dimethyl  labelled  amino  acids  with  amino  groups  are  high‐ lighted with solid red squares. 

  The quantified 33 proteins have a sequence length range  of 24 (HMN13_HUMAN) to 120 (RPRML_HUMAN). Addi‐ tional dimensional pre‐fractionation as well as separation  of  the  hepatocellular  proteomes  is  under  way  for  more  comprehensive identification and quantification.  

  CONCLUSIONS  We  have  extended  simple,  cost‐effective,  yet  powerful  pseudo‐isobaric  dimethyl  labeling  from  peptide  to  intact  protein quantitation. In benchmarking with myoglobin as  model  protein,  two  identical  aliquots  of  myoglobin  were  labeled with (13CH3)2 and (CDH2)2, and pseudo‐isobaric  mono‐isotopic  peak  pairs  of  a  couple  of  product  ions 

ZXT  conceived  the study; HQF  did  the experiment; KJX de‐ veloped  ProteinGoggle  2.0;  HQF,  KJX,  and  FY  analyzed  the  data;  YHL,  YL,  and  BBX  maintained  the  instrument;  HQF  and ZXT wrote the manuscript.  ‡These authors contributed equally. 

Notes  The authors declare no competing financial interest. 

  ACKNOWLEDGMENT   This  research was  financially  supported  by  National  Science  Foundation  of  China  (21575104),  China State Key Basic  Re‐ search Program Grant  (2013CB911203),  Shanghai  Science  and  Technology  Commission  (14DZ2261100),  the  China  “Youth  1000‐talents Program”. 

  ABBREVIATIONS  MS,  mass  spectrometry;  SIL,  stable  isotope  labeling;  ICATs,  isotope‐coded  affinity  tags;  iTRAQ,  isobaric  tags  for  relative  and  absolute  quantitation;  TMT,  tandem  mass  tag;  SILAC,  stable isotope  labeling  by amino acids  in  cell culture;  iMEF,  isotopic  mass‐to‐charge  (m/z)  ratio  and  envelope  finger‐ printing; HPLC, high performance liquid chromatograph  HCD, higher‐energy collisional dissociation; AGC, automatic  gain control; IPACO, isotopic peak abundance cutoff; IPMD,  7|P a g e

ACS Paragon Plus Environment

Analytical Chemistry

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

isotopic peak mass‐to‐charge (m/z) deviation; IPAD, isotopic  peak abundance deviation 

  REFERENCES  (1) Ong, S. E.; Mann, M. Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 252‐262.  (2) Ong, S. E.; Foster, L. J.; Mann, M. Methods 2003, 29, 124‐130.  (3) Tao, W. A.; Aebersold, R. Curr. Opin. Biotech. 2003, 14, 110‐118.  (4) Cox, J.; Mann, M. Annu. Rev. Biochem. 2011, 80, 273‐299.  (5) Bantscheff, M.; Schirle, M.; Sweetman, G.; Rick, J.; Kuster, B.  Anal. Bioanal. Chem. 2007, 389, 1017‐1031.  (6)  Gevaert,  K.;  Impens,  F.;  Ghesquiere,  B.;  Van  Damme,  P.;  Lambrechts,  A.;  Vandekerckhove,  J.  Proteomics  2008,  8,  4873‐ 4885.  (7)  Gygi,  S.  P.;  Rist,  B.;  Gerber,  S.  A.;  Turecek,  F.;  Gelb,  M.  H.;  Aebersold, R. Nat. Biotechnol. 1999, 17, 994‐999.  (8) Yao, X. D.; Freas, A.; Ramirez, J.; Demirev, P. A.; Fenselau, C.  Anal. Chem. 2001, 73, 2836‐2842.  (9) Ross, P. L.; Huang, Y. L. N.; Marchese, J. N.; Williamson, B.;  Parker, K.; Hattan, S.; Khainovski, N.; Pillai, S.; Dey, S.; Daniels,  S.;  Purkayastha,  S.;  Juhasz,  P.;  Martin,  S.;  Bartlet‐Jones,  M.;  He,  F.; Jacobson, A.; Pappin, D. J. Mol. Cell. Proteomics 2004, 3, 1154‐ 1169.  (10)  Thompson,  A.;  Schafer,  J.;  Kuhn,  K.;  Kienle,  S.;  Schwarz,  J.;  Schmidt,  G.;  Neumann,  T.;  Hamon,  C.  Anal.  Chem.  2003,  75,  1895‐1904.  (11)  Ong,  S.  E.;  Blagoev,  B.;  Kratchmarova,  I.;  Kristensen,  D.  B.;  Steen,  H.;  Pandey,  A.;  Mann,  M.  Mol.  Cell.  Proteomics  2002,  1,  376‐386.  (12)  Deeb,  S.  J.;  D'Souza,  R.  C.;  Cox,  J.;  Schmidt‐Supprian,  M.;  Mann, M. Mol. Cell. Proteomics 2012, 11, 77‐89.  (13) Geiger, T.; Cox, J.; Ostasiewicz, P.; Wisniewski, J. R.; Mann,  M. Nat. Methods 2010, 7, 383‐385.  (14)  Monetti,  M.;  Nagaraj,  N.;  Sharma,  K.;  Mann,  M.  Nat.  Methods 2011, 8, 655‐658.  (15) Geiger, T.; Wisniewski, J. R.; Cox, J.; Zanivan, S.; Kruger, M.;  Ishihama, Y.; Mann, M. Nat. protocols 2011, 6, 147‐157.  (16)  Hebert,  A.  S.;  Merrill,  A.  E.;  Bailey,  D.  J.;  Still,  A.  J.;  Westphall, M. S.; Strieter, E. R.; Pagliarini, D. J.; Coon, J. J. Nat.  Methods 2013, 10, 332‐334.  (17) Kovanich, D.; Cappadona, S.; Raijmakers, R.; Mohammed, S.;  Scholten,  A.;  Heck,  A.  J.  R.  Anal  Bioanal  Chem  2012,  404,  991‐ 1009.  (18) Boersema, P.  J.; Raijmakers, R.;  Lemeer,  S.; Mohammed, S.;  Heck, A. J. R. Nat. protocols 2009, 4, 484‐494.  (19) Means, G. E.; Feeney, R. E. Biochemistry 1968, 7, 2192‐2201.  (20) Rice, R. H.; Means, G. E. J. Biol. Chem. 1971, 246, 831‐832.  (21)  Dottavio‐Martin,  D.;  Ravel,  J.  M.  Anal.  Biochem.  1978,  87,  562‐565.  (22) Neil Jentoft, D. G. D. J. Biol. Chem. 1979, 254, 4359.  (23) Hsu, J. L.; Huang, S. Y.; Chow, N. H.; Chen, S. H. Anal. Chem.  2003, 75, 6843‐6852.  (24) Ji, C.; Guo, N.; Li, L. J. Proteome Res. 2005, 4, 2099‐2108.  (25) Yang, S. J.; Nie, A. Y.; Zhang, L.; Yan, G. Q.; Yao, J.; Xie, L. Q.;  Lu, H. J.; Yang, P. Y. J. Proteomics 2012, 75, 5797‐5806.  (26) Wang, F.; Cheng, K.; Wei, X.; Qin, H.; Chen, R.; Liu, J.; Zou,  H. Sci. Rep. 2013, 3, 1827.  (27) Wu, Y.; Wang, F.; Liu, Z.; Qin, H.; Song, C.; Huang, J.; Bian,  Y.; Wei, X.; Dong, J.; Zou, H. Chem. Commun. 2014, 50, 1708‐1710.  (28)  Koehler,  C.  J.;  Strozynski,  M.;  Kozielski,  F.;  Treumann,  A.;  Thiede, B. J. Proteome Res. 2009, 8, 4333‐4341.  (29)  Koehler,  C.  J.;  Arntzen,  M.  O.;  de  Souza,  G.  A.;  Thiede,  B.  Anal. Chem. 2013, 85, 2478‐2485.  (30) Zhou, Y.; Shan, Y. C.; Wu, Q.; Zhang, S.; Zhang, L. H.; Zhang,  Y. K. Anal. Chem. 2013, 85, 10658‐10663.  (31)  Bamberger,  C.;  Pankow,  S.;  Park,  S.  K.;  Yates,  J.  R.,  3rd.  J.  Proteome Res. 2014, 13, 1494‐1501.  (32) Jungblut, P. R. J. Proteomics 2014, 107, 98‐102. 

Page 8 of 14

(33)  Zhang,  Z.  R.;  Wu,  S.;  Stenoien,  D.  L.;  Pasa‐Tolic,  L.  Annu.  Rev. Anal. Chem. 2014, 7, 427‐454.  (34) Pasa‐Tolic, L.; Jensen, P. K.; Anderson, G. A.; Lipton, M. S.;  Peden, K. K.; Martinovic, S.; Tolic, N.; Bruce, J. E.; Smith, R. D. J.  Am. Chem. Soc. 1999, 121, 7949‐7950.  (35) Veenstra, T. D.; Martinovic, S.; Anderson, G. A.; Pasa‐Tolic,  L.; Smith, R. D. J. Am. Soc. Mass Spectr. 2000, 11, 78‐82.  (36) Martinovic, S.; Veenstra, T. D.; Anderson, G. A.; Pasa‐Tolic,  L.; Smith, R. D. J. Mass Spectrom. 2002, 37, 99‐107.  (37) Parks, B. A.; Jiang, L.; Thomas, P. M.; Wenger, C. D.; Roth,  M. J.; Boyne, M. T.; Burke, P. V.; Kwast, K. E.; Kelleher, N. L. Anal.  Chem. 2007, 79, 7984‐7991.  (38)  Waanders,  L.  F.;  Hanke,  S.;  Mann,  M.  J.  Am.  Soc.  Mass  Spectr. 2007, 18, 2058‐2064.  (39) Hung, C. W.; Tholey, A. Anal. Chem. 2012, 84, 161‐170.  (40) Collier, T. S.; Hawkridge, A. M.; Georgianna, D. R.; Payne, G.  A.; Muddiman, D. C. Anal Chem 2008, 80, 4994‐5001.  (41)  Collier,  T.  S.;  Muddiman,  D.  C.  Amino  Acids  2012,  43,  1109‐ 1117.  (42)  Li,  L.;  Tian,  Z.  Rapid  Commun.  Mass  Spectrom.  2013,  27,  1267‐1277.  (43) Xiao, K. J.; Yu, F.; Fang, H. Q.; Xue, B. B.; Liu, Y.; Tian, Z. X.  Sci. Rep. 2015, 5, 14755.                                           

8|P a g e

ACS Paragon Plus Environment

Page 9 of 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Analytical Chemistry

 Table of Contents / Abstract Graphics 

 

9|P a g e

ACS Paragon Plus Environment

Analytical Chemistry

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Figure 1. Dimethyl labeling efficiency of myoglobin using HCHO and NaBH3CN. (A) MS spectrum of labeled myoglobin with different charge states. (B) the deconvoluted MS spectrum in (A). (C) The iEF map, i.e., fingerprinting of the experimental isotopic envelope on the corresponding theoretical isotopic envelope, of the charge state 20+ ion, IPMD (ppm) and IPAD (%) values of each isotopic peak are shown. (D) The graphical fragmentation map from database search using ProteinGoggle 2.0, showing matching b and y ions as well as dimethylation of primary amino groups at the N-terminal and lysine residues (19 in total). Figure 1 84x54mm (300 x 300 DPI)

ACS Paragon Plus Environment

Page 10 of 14

Page 11 of 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Analytical Chemistry

Figure 2. Effect of size of pseudo-isobaric product ions on quantita-tion accuracy. The expected ratio is 1:1, i.e., differentially labeled myo-globin with −(13CH3)2 and −(CDH2)2 was mixed at the ratio of 1:1. The box plot contains all the observed values for each product ion. Figure 2 84x85mm (300 x 300 DPI)

ACS Paragon Plus Environment

Analytical Chemistry

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Figure 3. Effect of mass resolution on quantitation accuracy. Meas-ured isotopic peak m/z deviation (IPMD, ppm) and mass difference (mDa) of the paired pseudo-isobaric mono-isotopic peaks in the b2-1+ product ion are investigated at mass resolution of 35 k, 70 k and 140 k, respectively. The mixing ratio of −(13CH3)2 and −(CDH2)2 labeled myoglobin is 1:1. The average values and the corresponding standard deviations are calculated from the top 10 IDs with highest P Scores. Figure 3 84x56mm (300 x 300 DPI)

ACS Paragon Plus Environment

Page 12 of 14

Page 13 of 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Analytical Chemistry

Figure 4. Linear quantitation dynamic range of myoglobin using the most abundant product ion, b2-1+, in a 50-fold range. Differentially labeled myoglobin with −(13CH3)2 and −(CDH2)2 was mixed at the ratios of 1:50, 1:10, 1:1, 10:1 and 50:1. The average values and the corresponding standard deviations are calculated from the top 10 IDs with highest P Scores. Figure 4 84x62mm (300 x 300 DPI)

ACS Paragon Plus Environment

Analytical Chemistry

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Figure 5. The annotated MS/MS spectrum (A), the pseudo-isobaric b2-1+ ion pair (A, inset), and the graphical fragmentation map (B) for the quantified protein NEDD8_HUMAN. Dimethyl labelled amino acids with amino groups are highlighted with solid red squares. Figure 5 84x67mm (300 x 300 DPI)

ACS Paragon Plus Environment

Page 14 of 14