Conventional 'bottom-up' proteomics, in which mass spectrometry is used to analyse peptide mixtures made by tryptic digestion of target proteins, is a powerful way of characterizing complex proteomes. However, the technique has limitations when considering different protein isoforms and combinations of post-translational modifications. The 'top-down' approach is generally thought to be impractical because of the limitations of mass spectrometry and difficulties with automation. A new top-down system presented here avoids these problems by using a four-dimensional separation system that achieves greater proteome coverage than conventional methods. A proof-of-principle experiment shows that the method is capable of identifying previously undetected isoforms and isoform-specific post-translational modifications caused by cellular senescence. A full description of the human proteome relies on the challenging task of detecting mature and changing forms of protein molecules in the body. Large-scale proteome analysis1 has routinely involved digesting intact proteins followed by inferred protein identification using mass spectrometry2. This ‘bottom-up’ process affords a high number of identifications (not always unique to a single gene). However, complications arise from incomplete or ambiguous2 characterization of alternative splice forms, diverse modifications (for example, acetylation and methylation) and endogenous protein cleavages, especially when combinations of these create complex patterns of intact protein isoforms and species3. ‘Top-down’ interrogation of whole proteins can overcome these problems for individual proteins4,5, but has not been achieved on a proteome scale owing to the lack of intact protein fractionation methods that are well integrated with tandem mass spectrometry. Here we show, using a new four-dimensional separation system, identification of 1,043 gene products from human cells that are dispersed into more than 3,000 protein species created by post-translational modification (PTM), RNA splicing and proteolysis. The overall system produced greater than 20-fold increases in both separation power and proteome coverage, enabling the identification of proteins up to 105 kDa and those with up to 11 transmembrane helices. Many previously undetected isoforms of endogenous human proteins were mapped, including changes in multiply modified species in response to accelerated cellular ageing (senescence) induced by DNA damage. Integrated with the latest version of the Swiss-Prot database6, the data provide precise correlations to individual genes and proof-of-concept for large-scale interrogation of whole protein molecules. The technology promises to improve the link between proteomics data and complex phenotypes in basic biology and disease research7.

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.

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 Adeno‐associated viruses (AAVs) are common vectors for emerging gene therapies due to their lack of pathogenicity in humans. Here, we present our investigation of the viral proteins (i.e., VP1, VP2, and VP3) of the capsid of AAVs via top‐down mass spectrometry (MS). These proteins, ranging from 59 to 81 kDa, were chromatographically separated using hydrophilic interaction liquid chromatography and characterized in the gas‐phase by high‐resolution Orbitrap Fourier transform MS. Complementary ion dissociation methods were utilized to improve the overall sequence coverage. By reducing the overlap of product ion signals via proton transfer charge reduction on the Orbitrap Ascend BioPharma Tribrid mass spectrometer, the sequence coverage of each VP was significantly increased, reaching up to ∼40% in the case of VP3. These results showcase the improvements in the sequencing of proteins >30 kDa that can be achieved by manipulating product ions via gas‐phase reactions to obtain easy‐to‐interpret fragmentation mass spectra.