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【讨论篇】定量蛋白质组学:在基础科研和医疗应用中的机遇与挑战

已有 502 次阅读 2018-12-4 10:54 |个人分类:蛋白质组学|系统分类:论文交流


最近有科学家讨论近十年来质谱为基础的蛋白质组学技术的发展,反思现有的挑战和局限,并探讨当前的问题以及定量蛋白质组学在分子系统生物学、临床研究和个性化医疗中的未来应用。

蛋白质构成细胞主要分子机制,是生物分子药物主要的靶向目标。它们被组织起来在不同的功能模块和信号网络中,协同起来调控细胞功能以及确定表型。传统的研究蛋白质的生化方法有倾向于相对较小的高质量蛋白质子集中,其中主要以抗体为基础的检测方法。在过去的二十年里,基于LC-MS/MS的方法质谱分析已经成为一种可信及几近详尽的定性和定量生物样品中蛋白质方法,并对阐明细胞中信号转导和蛋白的动态变化过程提供了极大的帮助 且对蛋白质在不同细胞状态下的相互作用,以及改善了科学家对疾病诊断和分子机制的认识。

总的来说,基于LC-MS/MS的蛋白质组学可以揭示定量蛋白质组的状态,从而提供了深入了解相关细胞或组织生物化学状态。此篇主要讨论重要的概念和发展并探讨了蛋白质组学技术的现状和定量蛋白质组学未来在分子系统生物学中,分子生物学临床研究以及个性化医疗的应用。


蛋白质组学手段的演变



蛋白可以从各种生物体中提取包括细菌、细胞、组织和体液,并酶解成多肽后进行LC-MS/MS检测。串联质谱可以用不同的方式采集数据,最为广泛的是非目标方法(也成为鸟枪法或DDA),虽然此法相对简单且可以应用于任意的样本,而无需事先对样本进行任何了解,所以获得的数据可能会有一定随机性而丢失部分信息。相比之下,高度一致的方式采集靶向肽段碎片离子信息,虽会提高准确度和灵敏度,但被限制于一个相对较小范围内。而数据独立采集(DIA)以较为系统的一致性的方式对样本中所有可检测的碎片离子中获取数据,但是由于肽段离子解析窗口较大(m/z 维度),因此使最终得到的数据比其他两种数据获取方式变的更为复杂。



蛋白质组学(LC-MS/MS)手段在分子生物学和细胞生物学领域应用


蛋白质并不是孤立的分子而是具有三维结构的物质,并且协同其他蛋白质分子一起参与调控各种生命活动,它们的空间结构和模块构成与其表达水平同样重要。因此基于LC-MS/MS的蛋白质组学方法结合生物化学手段,对于研究蛋白质组的结构单位有很大帮助作用。



图中是相关的4种方法

  1. AP-MS(Affinity Purification Mass Spectrometry)通过特异性抗体纯化目标蛋白或带有标签的蛋白,然后进行LC-MS/MS检测鉴定出与该蛋白直接或者间接相互作用的蛋白。

  2. 当然另有化学交联的方法用于研究蛋白复合体拓扑结构,酶解交联的蛋白复合体后,交联一起的肽段可以通过质谱进行检测,找到蛋白互相作用的大概位置。

  3. 还可用“Size-exclusion chromatography+质谱”手段,发现被共同洗脱下来的蛋白复合体。

  4. 最近有新的手段比如BioID方法不仅可以捕获稳定的蛋白复合体还能找到前面3种方法不能发现的瞬时蛋白相互作用状态,通过在感兴趣的目的蛋白上加上生物素标签,然后富集生物素标签蛋白并进行质谱检测其附近相互作用的蛋白。

蛋白质组学(LC-MS/MS)手段在个性化医疗中应用

在个性化医疗方面,对特定蛋白质和代谢物水平周期性的检测,可以提前通过药物,饮食或者医疗经验干预阻止疾病进程。虽然免疫测定是传统的蛋白分子标记检测方法,靶向蛋白质组学的应用有较多的优势,比如检测速度快,高通量以及分析特异性,所以此方法是作为分析候选生物标记物的最佳选择。


在过去二十年中,我们目睹了质谱仪器、数据获取方法以及分析策略的迅速发展,此外,定量蛋白质组学对生物学和临床导向有很大的贡献,然而,目前的仪器操作方法,数据采集和数据分析都需要高度专业的知识和技能。许多实验室平台和公司设施都朝着开发更为可靠的自动化分析流程,使定量蛋白质组学不仅适合于专业质谱实验室,还适合其他学术界、医院与工业的普通分子生物学实验室。


楼主按:质谱平台发展这些突飞猛进,全国都有大量的平台可以提供相关的质谱服务,但是客观来看,质谱手段也有诸多技术方面的不足,也不能一次性解决全部的问题,科研工作者不可将其视为尚方宝剑无所不能。应把质谱作为辅助性技术手段,在研究分子机制过程中,投石问路,找到自己的兴趣点。质谱数据的分析也是十分关键,建议除了依靠外包公司和技术平台之外,科研工作者最好懂一些编程语言例如R和Python,为更深一步挖掘蛋白质组数据。


原文链接


AIMS---蛋白质谱服务商,提供快速便捷的 LC-MS/MS 蛋白定性/定量检测。(官网建设中)



http://blog.sciencenet.cn/blog-3402731-1149770.html

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1 郑永军

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