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技术专家
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随着人类基因组计划的完成,因对基因组的解读需求,后基因组时代到来;蛋白质是生命活动的功能执行者,是基因编码的终产物和药物作用于体内的直接靶标,我们期待借助超高分辨质谱技术为依赖的蛋白质组学技术来解读基因组学的天书,让质谱表征的蛋白质组学能够为生命活动提供更加贴近表型的解释。它为疾病致病机理发现、癌症的早期诊断及新型标志物研发、预后预测、精准分型、指导用药、临床样本数字化等均提供了准确全面的信息,为人类的疾病治疗策略、药物开发等提供新方案,是人类对抗疾病、保持健康的又一利器。

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1. 蛋白质组学与癌症的诊断与治疗

基于超高分辨质谱的癌症蛋白质组学分子图谱的全景研究,目前已得到长足的发展,其中中国的蛋白质组学人也作出了非常优异的工作。科学家们试图对癌症患者的样本进行蛋白质组学分析,寻找每种癌症的驱动靶点,并使用特定的药物进行干预治疗。CNHPP团队有许多代表性工作,如2019年发表于Nature的围绕乙肝病毒感染相关的临床早期肝细胞癌患者样本进行蛋白质组学与磷酸化蛋白质组学分析,将患者分为三个亚型,并发现了早期肝癌的治疗靶点SOAT1[1];而发表于Cell的关于肺腺癌的研究,选取了中国人群的103例肺腺癌的癌与癌旁组织,进行蛋白质组学表达谱及磷酸化翻译后修饰谱的表征,发现了aging这一在不吸烟的女性患者显著富集的特征,通过蛋白质组学数据将病人分为三个亚型且可有效指征病人的预后,并发现了HSP90β可作为潜在的诊断标志物[2]。

2.pngFig1. HBV相关的早期肝细胞癌样本多组学分析示意图(点击查看大图)

3.pngFig.2 肺腺癌样本多组学分析示意图(点击查看大图)

 

2. 人类的追求:瘦与长寿

除了我们一直关注的肿瘤的话题,特别是年轻人,总有一个特别关注点,那就是减肥,而随着工业化进程的推进,现代人拥有了源源不断的能量来源,也使得肥胖成为一个全球性的问题。发表于蛋白质组学专业领域杂志MCP上的文章中[3],作者应用TMT定量蛋白质组学技术,揭示了年龄因素及长期、短期高脂饮食对小鼠的影响的研究发现,在短期的高脂饮食组中,差异蛋白主要集中于脂代谢和氧化还原通路,而长期的高脂饮食则使得差异变化的蛋白集中于免疫应答通路及体液调节系统-肾素-血管紧张素系统;值得关注的是,若再引入年龄因素,在高脂饮食与衰老因素的共同作用下,发生了剧烈的蛋白质表达量的变化(155个差异蛋白),主要集中于尿素循环、免疫应答/补体激活、细胞外基质重塑以及细胞凋亡等途径。这也提示我们,随着我们年龄的增长,要更加关注自己体重的变化哦。

4.pngFig.3 各比较组差异蛋白(点击查看大图)

 

随着年龄的增长,许多疾病的风险加大,而衰老本身,也是一个人类关注的永恒的主题。作为神经退行性疾病的阿尔茨海默病(AD),对患者本身及其家庭都会带来较重的负担,故对高危患者的早期识别与诊断尤其重要。发表于衰老领域专业杂志Aging cell的文章[4],作者根据患者的认知障碍程度,将患者分为轻度及重度认知障碍组与对照人群组的与神经元在生物学上有相似之处的血小板样品进行TMT标记的差异蛋白质组学分析,发现四种血小板蛋白PHB,UQCRH,GP1BA和FINC的组合有希望成为判断患者认知能力的生物标志物。

5.jpgFig.4轻度及重度认知障碍组与对照人群组差异蛋白及通路图(点击查看大图)

 

同样发表于Aging cell的文献对衰老的蛋白质组学研究中的标志物和通路进行综述[5],在对血浆、血清、尿液、唾液及多种组织的研究中,共鉴定到232种年龄相关的蛋白,对这蛋白进行富集分析,其主要集中于胰岛素样生长因子(IGF)通路、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、缺氧诱导因子1(H1F1)、细胞因子信号通路、叉形头转录因子O亚型(FOXO)代谢通路、叶酸代谢通路、晚期糖基化终末产物(AGE)以及其受体 (RAGE)的代谢通路等。这些通路许多都已证明与衰老相关,如IGF1通路,其激活的下游MAKP通路以及PI3K通路汇聚靶点mTOR都会影响细胞的生长、分化等功能,并最终影响人类的衰老、寿命。

6.jpgFig.5衰老相关蛋白富集通路分析(点击查看大图)

 

3. 未来已来:质谱技术在生物大分子临床检测中的应用

在各个领域的疾病的基础研究及临床检测中,基于质谱的定量蛋白质组学均可作为一个强劲的工具,为人类关注的健康主题开展研究,探究其治病机制、寻找更可靠有效的治疗手段等;而除基础研究外,质谱大分子检测技术也直接走向临床,造福患者。如依赖超高分辨质谱检测的类胰岛素生长因子IGF1的案例,IGF1是一种人体内的激素,其与胰岛素有着相似的功能,可参与并维持血糖水平,并与生长激素一起促进骨骼和组织的生长。IGF1检测可用于临床诊断生长发育迟缓的青少年儿童及用药后评价。质谱对于检测IGF1突变的检测优于免疫法,且不受制于抗体的产品,使得质谱法对IGF1的检测逐渐成为金标准。利用Transcend II TLX-4与Orbitrap超高分辨质谱连用的方法,使得对IGF1的超高通量的精准定量成为可能。

7.pngFig.6 IGF1检测流程图(点击查看大图)

 

面对新冠大流行的局面,RT-qPCR技术以其超高的灵敏度成为新冠病毒检测的金标准;而面对日益增长的检测需求,RT-qPCR也出现了如试剂短缺等问题。质谱仪器同样具备超高的灵敏度,使用质谱来辅助新冠病毒检测的方法也应运而生。2020年发表于AC的文章中[6],研究人员利用超高分辨质谱的PRM的采集模式,对来自新冠病毒的NP蛋白和S蛋白的特异的靶标肽段,在模拟的体液复杂样品体系中进行定量, 结果显示检测所需病毒颗粒的滴度约为2 × 105个病毒颗粒/mL, 使其成为一种有吸引力的替代RT-qPCR的检测方法。

8.pngFig.7 SARS-CoV-2靶标肽段PRM分析工作流程示意图(点击查看大图)

 

参考文献:

[1] Jiang Y, Sun A, Zhao Y, et al. Proteomics identifies new therapeutic targets of early-stage hepatocellular carcinoma[J]. Nature, 2019, 567(7747): 257-261.

[2] Xu J Y, Zhang C, Wang X, et al. Integrative proteomic characterization of human lung adenocarcinoma[J]. Cell, 2020, 182(1): 245-261. e17.

[3] Plubell D L, Wilmarth P A, Zhao Y, et al. Extended multiplexing of tandem mass tags (TMT) labeling reveals age and high fat diet specific proteome changes in mouse epididymal adipose tissue[J]. Molecular & Cellular Proteomics, 2017, 16(5): 873-890.

[4] Yu H, Liu Y, He B, et al. Platelet biomarkers for a descending cognitive function: A proteomic approach[J]. Aging cell, 2021, 20(5): e13358.

[5] Moaddel R, Ubaida‐Mohien C, Tanaka T, et al. Proteomics in aging research: A roadmap to clinical, translational research[J]. Aging Cell, 2021, 20(4): e13325.

[6] Cazares L H, Chaerkady R, Samuel Weng S H, et al. Development of a parallel reaction monitoring mass spectrometry assay for the detection of SARS-CoV-2 spike glycoprotein and nucleoprotein[J]. Analytical chemistry, 2020, 92(20): 13813-13821.

 

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