文/Rohan Thakur

神奇的高分辨率質(zhì)譜由質(zhì)譜技術(shù)推動的自上而下蛋白質(zhì)組學(xué)正在崛起

文/Rohan Thakur

近幾年來，為了深入了解蛋白質(zhì)翻譯后修飾如何引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生不同的變化，蛋白質(zhì)組學(xué)的研究已經(jīng)主要集中在對完整蛋白質(zhì)的研究。蛋白質(zhì)變體（Proteoform）是指由一個基因所產(chǎn)生的各種蛋白質(zhì)，這些變體可能具有不同的生物學(xué)功能。翻譯后修飾如糖基化或磷酸化，可能會改變蛋白質(zhì)的功能特性，并與人類多種疾病有重要關(guān)聯(lián)。因此，這些關(guān)聯(lián)就成為跨領(lǐng)域研究人員的研究熱點。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的葛瑛教授實驗室利用高分辨率和超高分辨率質(zhì)譜儀進行多學(xué)科研究。

圖1 葛瑛教授在實驗室使用Solarix進行研究

利用質(zhì)譜技術(shù)，可以將蛋白質(zhì)特定的突變體與相應(yīng)的生物學(xué)活性相關(guān)聯(lián)，從而理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。為了更好地研究疾病在分子和細胞水平上的機制，在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中經(jīng)常使用尖端的高分辨率質(zhì)譜。自下而上蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)是目前使用最廣泛的技術(shù)，但是它不能像自上而下技術(shù)一樣，提供蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的整體信息。自上而下技術(shù)能夠直接分析整個蛋白質(zhì)，而且通過保持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性，利用基于質(zhì)譜的自上而下組學(xué)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)翻譯后修飾位點并且保持蛋白全序列全覆蓋，同時還可以對特定的變異蛋白進行定量。正是通過這種定量，提高了質(zhì)譜數(shù)據(jù)的生物相關(guān)性，使蛋白質(zhì)變體可作為疾病的生物標(biāo)志物來檢測。

自上而下蛋白質(zhì)組學(xué)案例研究——葛瑛教授實驗室

葛瑛教授的實驗室位于麥迪遜市的威斯康星大學(xué)化學(xué)系，實驗室的主要工作是利用基于質(zhì)譜技術(shù)的自上而下蛋白組學(xué)方法，研究心血管疾病的分子細胞機制。該實驗室專注于采用高分辨質(zhì)譜技術(shù)進行自上而下蛋白組學(xué)研究，以獲得有力的數(shù)據(jù)。作為該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，葛教授的目標(biāo)是使用尖端的儀器將自上而下蛋白組學(xué)技術(shù)推向主流科學(xué)領(lǐng)域。

能夠使用卓越的質(zhì)譜設(shè)備是葛教授研究的基礎(chǔ)，她提出：“像布魯克這樣的公司正在從事一項出色的工作，優(yōu)化自上而下蛋白組學(xué)技術(shù)工具。以前自上而下技術(shù)的挑戰(zhàn)在于儀器的能力，而現(xiàn)在我們要做的是把這些技術(shù)與生物學(xué)和醫(yī)學(xué)更好地結(jié)合。目前，自上而下蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)仍然具有挑戰(zhàn)性，大多數(shù)質(zhì)譜儀都是為自下而上技術(shù)設(shè)計的。隨著這些專為自上而下技術(shù)而設(shè)計的質(zhì)譜儀的應(yīng)用，我們實驗室可以針對這些挑戰(zhàn)提出解決方案，并幫助大家適應(yīng)自上而下方法。”

應(yīng)對挑戰(zhàn)的先進解決方案

盡管自上而下蛋白組學(xué)技術(shù)作為一種分析技術(shù)非常強大有效，但是尚未被大多數(shù)常規(guī)實驗室采用。在這種方法變得完善之前，蛋白質(zhì)溶解度的問題必須得到解決。葛教授的實驗室正在開發(fā)新的自上而下質(zhì)譜兼容的表面活性劑，它可以有效溶解所有的蛋白質(zhì)類型。樣品制備是另一個阻礙許多實驗室采用這種技術(shù)的難題，而葛教授正致力于幫助蛋白質(zhì)組學(xué)研究領(lǐng)域的同行們克服這些局限性，并堅信隨著儀器設(shè)備的進步，這些問題終將得到解決。

圖2 布魯克道爾頓公司執(zhí)行副總裁Rohan Thakur博士

圖3 布魯克Maxis II ETD

圖4 布魯克Impact II

葛教授指出：與十年前的質(zhì)譜設(shè)備相比，今天所用的設(shè)備的功能和性能可以說是驚人的。尤其是對于高分辨率數(shù)據(jù)的采集能力不可同日而語。很快，越來越多的質(zhì)譜實驗室將適應(yīng)自上而下技術(shù)，因為隨著質(zhì)譜技術(shù)的不斷進步，自上而下蛋白組學(xué)技術(shù)將越來越容易被接受。

葛教授的實驗室為從事自上而下蛋白組學(xué)研究，使用了三種關(guān)鍵設(shè)備：solarix XR（傅里葉變換質(zhì)譜，F(xiàn)TMS），Maxis II和 Impact II（Q-TOF），分別提供不同的優(yōu)勢。自她學(xué)術(shù)生涯的開始，葛教授就使用了FTMS，它無與倫比的超高分辨率和高靈敏度，使它成為自上而下方法表征大蛋白最先進的手段。

“新一代質(zhì)譜讓人震驚，我們非常幸運能同時擁有Q-TOF（Impact II and Maxis II）和FTMS （solarix XRTM）；我們使用Q-TOF來完成常規(guī)和高通量蛋白質(zhì)組學(xué)分析，每天可以完成的工作是十年前難以想象的。這些儀器幾乎沒有閑置的時間，幾乎是每周七天，每天24小時的工作，從而為我們提供了相當(dāng)大量的數(shù)據(jù)。有了如此先進的設(shè)備，最主要的瓶頸現(xiàn)在正在被攻克。

葛教授對蛋白質(zhì)組學(xué)的關(guān)注源于對分子如何作為一個系統(tǒng)相互作用的研究，以闡明細胞系統(tǒng)在健康和疾病中的作用。葛教授實驗室的質(zhì)譜儀器現(xiàn)在是學(xué)校蛋白質(zhì)組學(xué)研究的主要工具。該團隊的工作性質(zhì)要求極端的高分辨質(zhì)譜技術(shù)，而Q-TOF驚人的變異蛋白分析能力，使得完整的蛋白質(zhì)能夠從復(fù)雜的蛋白質(zhì)混合物中被檢測出來，有助于疾病的生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)，同時FTMS為解析大蛋白提供了極限分辨率（XR），從而保證自上而下蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的成功。

葛教授開創(chuàng)了一項研究的先河：“自上而下的蛋白質(zhì)組學(xué)以及質(zhì)譜的研究人員在很大程度上依賴于儀器的質(zhì)量。儀器能力在學(xué)術(shù)生活中發(fā)揮的作用如此重要，優(yōu)秀的儀器可以提高生產(chǎn)力，并最終加速我們職業(yè)生涯的成功！” LP

本文作者系布魯克道爾頓公司執(zhí)行副總裁。

布魯克道爾頓公司的執(zhí)行副總裁，Thakur博士擁有超過20年的質(zhì)譜經(jīng)驗，包括14年的質(zhì)譜開發(fā)經(jīng)驗并在離子光學(xué)領(lǐng)域擁有多項專利。在加入布魯克之前，他曾在Thermo公司擔(dān)任過全球營銷主管負責(zé)質(zhì)譜解決方案，并在一家醫(yī)藥研發(fā)機構(gòu)做了2年藥物研發(fā)主管。Thakur博士從堪薩斯州立大學(xué)化學(xué)系獲得博士學(xué)位并在羅格斯大學(xué)進行博士后研究，在那里他的工作涉及到使用高分辨率質(zhì)譜分析證明開環(huán)苯代謝物——DNA和蛋白質(zhì)加合物的形成。