Abstract Imaging of proteoforms in human tissues is hindered by low molecular specificity and limited proteome coverage. Here, we introduce proteoform imaging mass spectrometry (PiMS), which increases the size limit for proteoform detection and identification by 4-fold compared to reported methods, and reveals tissue localization of proteoforms at <80 μm spatial resolution. PiMS advances proteoform imaging by combining ambient nanospray desorption electrospray ionization (nano-DESI) with ion detection using individual ion mass spectrometry (I 2 MS). We demonstrate the first proteoform imaging of human kidney, identifying 169 of 400 proteoforms <70 kDa using top-down mass spectrometry and database lookup from the human proteoform atlas, including dozens of key enzymes in primary metabolism. PiMS images reveal distinct spatial localizations of proteoforms to both anatomical structures and cellular neighborhoods in the vasculature, medulla, and cortex regions of the human kidney. The benefits of PiMS are poised to increase proteome coverage for label-free protein imaging of tissues. Teaser Nano-DESI combined with individual ion mass spectrometry generates images of proteoforms up to 70 kDa.

Abstract Nuc-MS characterizes histone modifications and variants directly from intact endogenous nucleosomes. Preserving whole nucleosome particles enables precise interrogation of their protein content, as for H3.3-containing nucleosomes which had 6-fold co-enrichment of variant H2A.Z over bulk chromatin. Nuc-MS, validated by ChIP-seq, showed co-occurrence of oncogenic H3.3K27M with euchromatic marks (e.g., H4K16ac and >15-fold enrichment of H3K79me2). By capturing the entire epigenetic landscape, Nuc-MS provides a new, quantitative readout of nucleosome-level biology.

A new Orbitrap-based single ion analysis procedure is shown to be possible by determining the direct charge on numerous measurements of individual protein ions to generate true mass spectra. The deployment of an Orbitrap system for charge detection enables the characterization of highly complicated mixtures of proteoforms and their complexes in both denatured and native modes of operation, revealing information not obtainable by traditional measurement of an ensemble of ions.

Abstract We introduce single-cell Proteoform imaging Mass Spectrometry ( scPiMS ), which realizes the benefit of direct analysis of intact proteins to process 10,836 single cells from the rat hippocampus. This new platform addresses the throughput bottleneck for single cell proteomics using mass spectrometry, boosting cell processing rates by >20-fold in the field. We identified 169 proteoforms <70 kDa from single brain cells and classified 2758 of them as neurons, astrocytes or microglia cell types.