质谱蛋白质检测

日前，由弗雷德哈钦森癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center)领导的一个国际研究小组证实了大规模、标准化蛋白质检测的可行性，这是验证疾病生物标志物和药物靶点的必要条件。这项刊登在《自然-方法》(Nature Methods)杂志上的最新论文表明，科学家们开发的一种靶向性蛋白质检测方法具有系统地、可靠地检测人类蛋白质组的潜力。 　　论文主要作者、癌症蛋白质组学专家 Amanda Paulovich 博士和同事们开发的这项技术，可同时准确地检测许多不同样本中成百上千种蛋白质的丰度。来自西雅图、波士顿和韩国等其他地区的实验室重现了人类乳腺癌细胞中 319 种蛋白质的检测结果，证实这种方法可跨越实验室和国界实现标准化。 　　Paulovich 表示：&ldquo 这种方法有潜力彻底改变我们检测人类蛋白质的方式。利用全球资源对所有人类蛋白质进行标准化定量设立一些新标准，无疑将能提高临床研究的可重现性，其将对转化新型治疗和诊断带来巨大的影响。&rdquo 　　作为所有生物功能的执行分子机器，蛋白质掌控着早期疾病和疾病进程的信号传导。探求癌症生物标记物&mdash &mdash 细胞中的蛋白质指纹有可能促使开发出一些测试方法，更早期地检测疾病，早在癌症形成之前鉴别出个体的特殊风险，以及更好地指导患者的治疗。然而没有标准化和可重现的方法来检测它们的水平，验证新发现的候选生物标记物是一件不可能的事情。 　　每个有前景的生物标记物都必须在临床试验中开展进一步的研究，这就要求研究人员能够检测数百到数千个患者样本中每个候选标志物的丰度。由于将任何一种候选标记物转化至临床应用的机率都极其的低，鉴别一种具有临床价值的生物标记物必须对大量的蛋白质进行测试。 　　Paulovich 表示：&ldquo 现在，你还不能对大多数的人类蛋白质进行大规模检测。在我们完成人类基因组测序，获得DNA分子全目录10多年之后，仍然不能够采用一种标准化定量方法在各种通量模式下对人类蛋白质组开展研究。&rdquo 　　为了解决这一问题，Paulovich 和同事们利用了一种称作为多反应检测质谱法(MRM-MS)的敏感性靶向蛋白质检测技术。这种质谱法并非是全新的技术，多年来全球的临床实验室利用它来测量药物代谢产物和与先天性代谢缺陷有关的一些小分子。最近，Paulovich和其他研究人员开始利用它来检测人类蛋白质。 　　采用研究人员开发的这种方法，每天每台仪器能够对最少 20 个临床样本中的 170 种蛋白质进行高度特异性地、精确地、多路定量分析 任何其他的现有技术都没有这种能力。 　　由于质谱技术是针对性的，这意味着研究人员能够调整设备寻找癌细胞或其他样品类型中特殊的蛋白质亚群，相比于非针对性策略，它可以在更低的水平上检测微量血液样本或活检标本中目的蛋白质的存在。 　　研究的主要作者、Paulovich 实验室分析化学家 Jacob Kennedy 说：&ldquo 我们的目标是用这一技术来取代当前采用的一些非常老旧的技术。&rdquo 　　当前，研究人员通常是采用 Western blotting、ELISA 或是免疫组化(IHC)技术来检测临床样本中的蛋白质水平。这些方法往往无法在实验室之间重现结果，从而很难验证适用于临床的候选生物标记物，它们不适用于一次检测大量的蛋白质和样本。 　　Paulovich 和同事们通过分析乳腺癌细胞生成的 300 多种已知蛋白质验证了他们的技术 研究结果表明，MRM-MS 可以重现及扩展以往采用其他技术进行乳腺癌研究所生成的观察结果。 　　该研究证实了，MRM-MS 能够以一种标准化方式一次检测许多的蛋白质，为开展国际性的、有组织的研究工作定量人类蛋白质中的每种蛋白奠定了基础。 　　原文检索： 　　Jacob J Kennedy,Susan E Abbatiello,Kyunggon Kim,Ping Yan,Jeffrey R Whiteaker,Chenwei Lin,Jun Seok Kim,Yuzheng Zhang,Xianlong Wang,Richard G Ivey,Lei Zhao,Hophil Min,Youngju Lee,Myeong-Hee Yu,Eun Gyeong Yang,Cheolju Lee,Pei Wang,Henry Rodriguez,Youngsoo Kim,Steven A Carr& Amanda G Paulovich. Demonstrating the feasibility of large-scale development of standardized assays to quantify human proteins. Nature Methods, 08 December 2013 doi:10.1038/nmeth.2763

1月22日，《高通量蛋白质检测关键技术的研究》项目验收鉴定会在中国计量院召开。此次科技基础条件平台项目的验收，得到了科技部、国家质检总局的重视，国家科技部条财司条件处郑健博士，国家质检总局科技司技术发展处姚泽华副处长，计量院段宇宁副院长、科发部及生能环所的相关人员参加了验收会。会议由姚泽华副处长主持，以中国科学院生物物理研究所杨福全研究员为组长的8位专家对该项目进行验收鉴定。 　　近年来，随着生命科学、食品安全等领域需求的不断涌现，蛋白组学的发展非常迅速，已成为各项相关分析技术的必备手段。一直以来，蛋白质组分析技术的发展受限于蛋白质分离手段的滞后，目前完整蛋白质的分离主要依赖于双向电泳和高效液相色谱，不能满足复杂蛋白质混合物的有效分离 FFE技术(反向加样连续自由流电泳)的出现能较好地解决蛋白质组研究的两大难题：蛋白质组的复杂程度和现有检测手段的低通量。 　　《高通量蛋白质检测关键技术的研究》课题建立了以FFE分离方法为核心的高通量蛋白质分离检测技术中最为关键的“高稳定度自由流电泳(HSFFE)”装置，为高通量完整蛋白质的酶解、肽段分离和质谱鉴定接口的大规模系统集成奠定了基础，也是我国第一台自主研发的实用大型地基液相制备电泳装置。该装置通过对自适应高压稳定电源、腔体热交换工艺、速率调整机构、应力同步机构等关键技术的完成，实现了高通量蛋白质制备分离 装置的整体技术水平已达到国际先进水平，其中一些技术方法处于国际领先水平，对于改变我国蛋白质组分离长期以来依靠国外技术装备的现状，将发挥重大作用。 　　科技部条财司郑健博士谈到，科技部一直比较重视科学仪器的自主研发工作，近几年来在科技支撑计划的支持下，我国的科学仪器自主创新已经到了一个新高度。该项目的研究成果改变了我国在蛋白质分离技术研究方面依赖国外进口仪器设备的现状，希望计量院能进一步加强现有产品、现有装置、现有成果的工程化和应用方法的研究。通过大家的共同努力，使下一步我国的仪器创新发展获得更大的进步。 　　姚泽华副处长祝贺项目组出色完成了任务，他谈到，质检总局面临的许多社会问题是突发的、紧急的，又极具推动力的，如：08年的三聚氰胺，推动了国产仪器液相色谱的发展 09年的H1N1流感，又推动了国产的红外测温仪的发展。而计量院在此方面的研制开发一直是非常及时和有效的。该课题是计量院近年来在科学仪器自主研发方面所取得的又一重要成果。希望计量院能够继续研制出更多具有国际领先水平的国产科学仪器装置，为我国进出口的产品贸易提供良好的支撑，满足国家社会更多更广泛的需求。 　　该项目的研制成功不仅增强了我国生命科学的系统创新能力，而且具有普及性强、性能价格比高和市场容积率高的优点，尤其是该系统的结构模块化、系统单元相对独立的特点，有效避免了国外仪器设备固有的售后维修困难问题，具有较好的国内和国际市场需求潜力。

后基因组时代蛋白质组闪亮登场 中国计量院高通量蛋白质检测技术研究取得重大突破 　　“高通量蛋白质分离检测关键技术研究取得的突破给我们很大鼓舞，但这只是我们大规模系统集成研究的一部分，我们正在着力于系统后续的研究。相信，在不久的将来，这套集成系统将为蛋白质组的分析提供一个完整规范的平台。”谈起不久前通过项目鉴定的《高通量蛋白质分离检测关键技术研究》和取得的成果，中国计量科学研究院生物、能源与环境研究所科学仪器研究室主任刘新志显得踌躇满志。 　　随着全球性的国际人类基因组计划的初步完成，一个以蛋白质和基因调节为研究重点的后基因组时代已经拉开序幕。蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象的直接体现者，对蛋白质结构和功能的研究将直接阐明生命在生理或病理条件下的变化机制。伴随人类基因组研究而发展的蛋白质组学则是研究细胞内各种蛋白质的组成及其活动规律的一门新兴学科。后基因组时代，蛋白质组将成为重点研究方向之一，并将有力推动生物产业的持续性高速发展。 　　“蛋白质组研究是一门极为年轻的科学，从诞生到蓬勃发展也不过七八年历史，我国的研究时间也只有六年而已。但其发展速度非常迅猛，应用范围也非常广泛。”刘新志说。 　　蛋白质组研究对生命科学、化学分析、食品安全、人类健康等诸多领域都有着重要意义。例如，几乎所有的药物都是通过蛋白质发挥作用，蛋白质组学在药学研究中的应用不仅可直接产生新的药物，更重要的是可减少对新药开发研制的盲目性，大大加速和简化新药研制的过程 通过对疾病不同阶段蛋白质组的研究，还可帮助诊断和防治疾病。目前，蛋白质组学已成功用于肿瘤、糖尿病、艾滋病、关节炎等多种疾病的诊断和治疗。 　　“蛋白质组研究的核心技术分为两个部分：蛋白质分离技术和蛋白质鉴定技术。实验数据表明，现阶段依赖质谱分析的蛋白质鉴定技术的发展水平远高于蛋白质分离技术的发展水平。但对大分子、复合物、细胞的分离纯化是进行更详尽的生物鉴定和工程化应用所必需的重要步骤，如果不能快速有效地进行蛋白质分离，后续的鉴定也无法进行。所以，蛋白质组研究的瓶颈来自于蛋白质分离技术的限制。”刘新志打了一个比喻：“蛋白质鉴定技术好比一条宽敞的高速路，但通往这条高速路的必经路——蛋白质分离技术就好比一条小胡同，这条小胡同严重影响了车辆的快速通行。” 　　据介绍，目前蛋白质分离技术主要有两种——双向电泳技术和高效液相色谱技术。“这两种传统技术与生俱来的缺点是很难分解出难溶性蛋白，而且不能分解出不溶性蛋白。要打通这条小胡同，就必须找到一种新的方法、研制一种新的装置，能够有效地分离出难溶性蛋白和不溶性蛋白，并且要实现高通量快速分离。”刘新志介绍。 　　由中国计量科学研究院完成的《高通量蛋白质检测关键技术的研究》课题在解决蛋白质的快速分离技术方面取得了重大突破。研究建立了以反向加样连续自由流电泳(FFE)分离方法为核心的高通量蛋白质分离检测技术中最为关键的高稳定度自由流电泳(HSFFE)装置。“该装置最显著的特点就是解决了两种传统的分离技术所不能解决的问题——从蛋白混合物中有效地分离出可溶性蛋白、难溶性蛋白、不溶性蛋白，实现了对这三种蛋白的完全分离 其次，装置的通量高，速度快，能够满足蛋白质快速分离鉴定的需要。”刘新志说。 　　专家认为，该装置是我国第一台自主研发的实用大型地基液相制备电泳装置，主要指标已经达到国际同类装置的技术水平。同时，该课题的实施具有技术上的前瞻性和集成创新性，对蛋白质组学研究提供了关键的技术支撑。具有自主知识产权的这项成果降低了我国在同类仪器设备上对国外技术的依存度，具有较高的实际应用价值。该装置不仅可以为我国的蛋白质组基础研究提供技术支撑，还可以广泛应用于生物产业的生产环节，如生物制药。同时，还能应用于医学临床，如疾病预防和临床监测。正如一位资深的生物学家所说：“其应用范围几乎可以遍及生物学、生物化学和细胞学的各个领域。” 　　“虽然这套装置本身已经可以作为独立的产品应用于相关领域，但这并不是我们的最终目的。我们的目标是实现以该装置为核心的高通量完整蛋白质分离、酶解消化、肽段分离和质谱鉴定接口的大规模系统集成，以保证蛋白质组的分析可以在一个连续自控的系统中规范化完成。到时候，我们的装置将发挥更大的作用。”刘新志信心十足。