【講座】詹顯全——Proteoforms在腫瘤中應用


Proteoforms/Protein species這個概念還是比較有意義的。

人類結構基因組測序接近尾聲,人們就從結構基因組學研究轉向功能基因組學研究,即對轉錄組和蛋白質組進行研究。1995年正式提出了”蛋白質組”和”蛋白質組學”的概念,距今已有25年歷史了。

蛋白質組學的主要技術包括蛋白質組的分離技術鑒定技術蛋白質組信息學技術

蛋白質組的分離技術主要有雙向凝膠電泳(2DE)多維液相色譜(2DLC)

蛋白質組的鑒定技術主要是基於質譜(MS)的技術,主要分為肽質指紋(PMF)串聯質譜(MS/MS)分析技術,其用於蛋白質大分子分析的兩大離子源主要有MALDIESI質譜技術發展很快,主要朝向高靈敏度和高通量方向發展。

蛋白質組信息學技術主要是用來構建蛋白質相互作用網絡的相關技術。

蛋白質組的分離技術和質譜技術的不同聯合就形成了各種類型的蛋白質組學分析技術:如2DE-MS和2DLC-MS。2DE-MS又有2DE-MALDI-PMF 和2DE-ESI-LC-MS/MS, 該技術在蛋白質組學研究的頭10-15年是其主要技術,然而常規概念認為2DE的通量不高,即一個2D膠點中一般僅含有1-2個蛋白質,通常一次實驗其通量僅能鑒定幾十到一千個蛋白質,這樣其在蛋白質組學中的地位逐漸被淡化。2DLC-MS主要有iTRAQ or TMT-based SCX-LC-MS/MS and label-free LC-LC-MS/MS, 這就是人們通常說的“Bottom-up”蛋白質組學,該技術在最近10-15年在蛋白質組學中起着核心技術的作用,因為其通量明顯增加,一次實驗其通量可達到幾千到一萬的蛋白質能被鑒定,但該方法鑒定的結果是一個protein group, 實質上鑒定的是編碼蛋白質的基因,而並沒有鑒定到真正意義上的蛋白質,即蛋白質存在形式(Proteoforms或Protein species)。

蛋白質存在形式(Proteoforms)是蛋白質組的基本單元。人類基因大約2萬個,人類轉錄本至少10萬個,每個轉錄本指導核糖體按三聯密碼子決定一個氨基酸殘基來合成氨基酸序列,剛合成出來的蛋白質氨基酸序列是沒有功能的,它必須到達其指定的位置如胞內、胞外,和不同的亞細胞器等,形成特定的三位空間結構,並與其周圍的相關分子相互作用,形成一個復合物(complex)才能發揮其功能作用。從核糖體剛合成出來到其指定的位置過程中有很多的蛋白質翻譯后修飾(PTMs; 據估計人體有400-600種PTMs)。這樣,人類蛋白質組中的蛋白質存在形式(Proteoforms)至少有100萬或甚至達10億(圖1)。

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圖1:Proteoforms的概念及形成模式(Zhan et al, Med One, 2018; Zhan et al., Proteomes, 2019)

如此龐大數量的Proteoforms/Protein species, 如何對其進行大規模的探測、鑒定和定量,是一個至關重要的事情。目前關於Proteoforms的研究有兩套策略:一是“Top-down”MS技術,二是”Top-down”和“Bottom-up”相結合的技術即2DE-LC/MS技術(圖2)。

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圖2:Proteoforms研究技術比較(Zhan et al., Med One, 2018; Zhan et al., Proteomes, 2019)

”Top-down”MS技術能探測、鑒定和定量Proteoforms,獲得蛋白質的氨基酸序列和PTMs信息,然而該技術的通量較低,目前最大通量鑒定到5700個Proteoforms, 對應到860蛋白質。

最近,詹顯全教授團隊發現2DE-LC/MS技術是一超高通量的技術平台,在探測、鑒定和定量Proteoforms方面, 可以鑒定達幾十萬至上100萬的Proteoforms。隨着質譜靈敏度的顯著提高,自2015年以來,詹顯全教授團隊就發現每個2D膠點包含了平均至少50個甚至達幾百個Proteoforms,並且大多數是低豐度的;並在近1-2年來發表了相關論文來全面闡述2DE-LC/MS的新理念和實踐,完全打破了40多年來人們對雙向電泳的傳統認識(即一個2D膠點中一般僅含有1-2蛋白質),為大規模的Proteoforms研究提供了技術基礎。

Proteoforms/Protein species概念的發展極大的豐富了蛋白質組的內涵,是蛋白質組學研究的更高層次, 是國際科學發展的前沿,必將影響着整個生命科學和醫學科學的研究和實踐,有助於發現可靠而有效的疾病標志物,用於深度理解疾病分子機制和決定葯物靶點,或者用於有效的預測、診斷、預后評估。

另外,蛋白質組是表型組的重要成分,是基因組功能的最終執行者,是基因組和轉錄組研究所不能替代的,要實現真正的個性化醫學和精准醫學,蛋白質組學研究是不能繞過去的。


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