蛋白质组学的进化- Emanuel Petricoin教授

Emanuel Petricoin是一名教授和联合主任应用蛋白质组学与分子医学中心“，在乔治梅森大学．他的职业生涯一直致力于推动临床蛋白质组学领域的发展和推进个性化医疗。Petricoin的研究重点是开发尖端的微蛋白质组学技术，识别和发现用于早期疾病检测的生物标志物，开发用于蛋白质-蛋白质相互作用分析的新型生物信息学方法，以及创建用于增加分析检测、药物输送和监测的纳米技术工具。

他是人类蛋白质组学组织(HUPO)，撰写了40多本书章节，并在多家出版物的编委会任职，包括蛋白质组学，蛋白质组学-协议，分子致癌和个性化医学杂志．Petricoin是几家生命科学公司的联合创始人，是40项已提交和公布专利的共同发明人。

莫莉·坎贝尔(MC):在您看来，迄今为止蛋白质组学研究中最令人兴奋的突破是什么?

伊曼纽尔·彼得罗安(EP):除了质谱(MS)技术的进步，比如获得诺贝尔奖的工作Koichi田中，约翰芬以及其他矩阵辅助激光解吸/电离(MALDI)和电喷雾，我认为自动化和计算分析软件包以及蛋白质组学中出现的整体工作流程构建非常令人兴奋，并真正推动了该领域的发展;特别是在临床蛋白质组学中，人们希望看到蛋白质组学有真正的临床影响。

蛋白质组学的基础技术必须适应临床应用，从低通量和笨拙的研究技术，到产生高可重复性和低样本处理成本的实验的高速和大容量技术。这还没有完成——它还在发展中。

其次，我认为对多重反应监测和选择性反应监测和基于面板的检测的爆炸性兴趣是令人兴奋的，使用三重四元技术和其他新的三重高分辨率质谱设备。这直接涉及到临床蛋白质组学领域，在该领域中，测量谨慎的面板或谨慎的标记将作为临床决策支持工具，早期检测工具以及患者治疗反应的监测工具等非常有用。参考标准和标准操作程序(SOP’s)的发展也对该领域产生了巨大的影响。

我认为最令人兴奋的第三个领域是(继续从蛋白质发现到蛋白质面板的主题)强大的蛋白质阵列技术和新型的多路复用、基于组织形态学的蛋白质组学分析的发展。在蛋白质组学中，我们现在正与地理空间时代交叉，不仅仅是蛋白质有多少，而是它在组织和细胞中的确切位置。

我们发明了反相蛋白阵列技术十多年前在我们的实验室里，这项技术在世界范围内的应用、临床应用和制药公司的利益中出现了爆炸式的增长。在我参与的所有蛋白质组学技术中，逆相蛋白阵列技术是加速最快的，真正对患者、治疗选择和结果产生影响。我们正在超越发现，进入监管环境中可靠的临床测量。

MC:您的研究是利用最前沿的微蛋白质组学技术探索个性化医疗。请您多介绍一下这些技术的发展，以及它们在蛋白质组学研究中有什么好处?

EP:绝对的。我们在蛋白质组学领域面临的困境之一是，蛋白质组学领域没有类似聚合酶链反应(PCR)的技术可以用于常规扩增低丰度蛋白质。在基因组学领域，我们可以推测，聚合酶链反应技术催化、激发甚至开启了基因组学革命。无法放大低丰度分子意味着蛋白质组学领域已经落后于基因组学。在蛋白质组学中，你的样本中有什么，你就能得到什么。

我提出这一点的原因是，在临床蛋白质组学和精准医学领域，我们面临着艰巨的挑战，即在我们的样本中既要有极少量的材料，又要开发多种分析方法。在这个领域，我们想要测量许多不同的蛋白质分析物，这对医生和制药公司来说非常有趣，因为它们是许多药物化合物的目标，例如肿瘤学中的激酶抑制剂。因此，这些分析物的丰度极低，而且一开始只有几百个细胞，这是有问题的。

过去的蛋白质组学领域只是更多地由研究驱动，因此可以奢侈地从实验开始，在培养箱中培养数万亿细胞作为MS实验或其他蛋白质组学技术的输入是常规的。然而，这种奢侈在精准肿瘤学和临床蛋白质组学领域并不存在。在这些区域，你只剩下非常少量的细胞作为输入因为输入通常是外科活检。与10年前相比，病理学家进行诊断所需的材料数量急剧下降，因此蛋白质组学的压力越来越大，需要达到这一标准，并采用更小的活组织切片进行蛋白质组学分析。

精准肿瘤学领域正在爆发专门针对蛋白质而非基因的治疗方法。那么，我们如何在患者样本中有效地测量这些药物靶点，在能够使用这些信息进行治疗指导，分层和创建预测标记的支持下，当我们在活检样本中只有几百到1000个细胞时?我们必须开发微蛋白质组学技术来满足临床空间的需求，因为临床空间不会适应我们，从患者的角度来看也不应该适应。

这就是我们开发反相蛋白质阵列的根本动机。我们想要开发一种工具来测量非常重要的蛋白质和磷蛋白，这些蛋白质在微小的活检样本中含量极低。这项技术让我们进入了一个临床领域，在此之前，我们对研究人员是关闭的，由基因组学主导，在这个领域，你可以用非常少量的材料测量DNA、RNA和microRNA。反相蛋白阵列技术使我们能够定量地从极少量的临床材料中测量数百种低丰度蛋白和磷蛋白。

我们将这项技术从一项发明发展到临床应用CAP-accredited可在临床试验环境中用于患者治疗决策的分析方法。正是因为它能够测量如此少量的物质，才真正让这项技术蓬勃发展。

MC:为什么把蛋白质作为早期疾病检测的潜在生物标志物很重要?

EP:很多人认为基于基因组的疾病检测是更可取的，因为能够具体测量来自病原体或疾病过程本身的基因组改变、DNA或RNA片段、转录本等。人们喜欢基因组检测方法的原因之一是考虑到基因组DNA或RNA在体内更稳定，不像蛋白质生物标志物那样容易降解。

当然，正如我们所说，我们有非常复杂的方法通过PCR和其他方法来放大这些信号，所以目前有很多基于基因组的诊断测试和早期检测工具正在实施。同样，这一切都与目标分析物的丰度有关。早期检测意味着你试图在疾病通过任何其他方法被发现之前就发现它。没有理由晚发现疾病，我们希望及早发现它，以产生临床差异，但如果你及早发现疾病，这意味着来自患病细胞的分析物的数量将非常低。所以，在分析低丰度分子时，你会遇到一堵技术墙。

然而，蛋白质组学的优势在于，仅仅通过蛋白质在转录到翻译到表达过程中通常所做的事情，就可以实现细胞的自然扩增。在每个细胞中，一种蛋白质的拷贝数量往往比编码它的DNA数量多得多，这使得蛋白质组学成为寻找疾病生物标志物的一个令人兴奋的领域。

第二个原因是，已经有许多FDA批准/批准的检测方法用于测量蛋白质生物标志物的早期检测，并用于各种疾病——这是一个已经很强大的空间。我们有分子，例如用于前列腺癌的PSA，用于心脏病检测的肌钙蛋白，用于糖尿病监测和检测的糖化血红蛋白以及胰岛素监测。胰岛素本身是一种蛋白质。当你开始从哲学角度思考它时，蛋白质组学空间已经“拥有”诊断空间相当长一段时间了，然而这些蛋白质通常是一次测量一个，不被认为是蛋白质组学的多路工具。

我想说，早期检测领域最大的问题始终是生物标志物的特异性表现，而不是敏感性(尽管你希望两者都很好)，因为幸运的是，与其他良性/炎症疾病相比，大多数疾病发生的相对频率较低，这些疾病与致病过程一致，发生的相对频率要高得多。考虑到这一点，你必须有一种针对这种疾病的生物标志物，以减少假阳性。

MC:你能告诉我们更多关于你在开发高通量蛋白质组传感技术和微型生物传感器方面的工作吗?

EP:我们试图做的一件事是用一种与临床相关的方式测量蛋白质。例如，在我们的实验室，我们正致力于识别唾液中用于创伤性脑损伤的新蛋白质生物标志物。

我们已经开发了一些新技术，可以直接应用到例如运动员的牙套中，甚至可能是军队中的战士，这种牙套基本上是由纳米颗粒制成的，当特定的蛋白质与它们结合时，纳米颗粒可以改变颜色。这样，你就可以通过观察口腔护套的颜色变化来检测脑震荡。这项技术还没有准备好，但这是我们正在努力的方向。在临床蛋白质组学中，它不仅仅是发现蛋白质生物标志物，而且还将其测量纳入设备。

与蛋白质组学同时发展的一个领域是样品制备领域。样本制备方面的技术正在推动蛋白质组学领域的发展，同样，蛋白质组学的进步也在推动样本制备领域的发展——它们是不可避免地联系在一起的。在任何科学领域中，总有一个薄弱环节有效地“阻碍了该领域的发展”。在蛋白质组学中，过去最薄弱的环节之一是样品制备方面。以质谱为例，在仪器本身的物理方面已经有了一些发展，以及前期分馏技术的方法，这种技术通常会稀释给定样本的起始蛋白质浓度。分馏不是浓缩。

如果你把纯血清注入质谱仪，你基本上只是对白蛋白进行测序，而如果你事先对血清样本进行分馏，你可以看到大量以前无法检测到的蛋白质。如果你从哲学的角度思考，这些发展都是“样本准备”。然而，问题是这些方法都不是集中的，它们只是分割。我们需要同时进行集中和分馏。很多新技术都在试图做到这一点，例如在该领域出现了新型的“类似折纸”的样品准备技术。例如，你可以取唾液样本或血液样本，然后将其分散在纳米纸吸芯装置上，然后直接放入质谱仪中。这些技术成本也很低。

我们的实验室开发了新型纳米颗粒，就像生物标志物真空一样。它们是笼状分子，你可以用纳米结构来捕获各种类型的蛋白质，然后这些纳米笼打开并将其内容物泄漏到下游检测平台，如酶联免疫吸附试验(ELISA)， MS或蛋白质阵列上。简单地说，开发一种新的样品准备技术可以利用现有的蛋白质组学技术彻底改变蛋白质组学领域。一些例子是Biorad的ProteoMiner™谷神星纳米彗星NanoTrap™伊曼纽尔是公司董事会成员Ceres纳米科学]，以及各种磁珠技术，可作为色谱试剂和/或偶联抗体等靶向捕获。

点击在这里阅读上周对米哈伊尔·萨维茨基博士的采访。

EP:总体而言，HUPO一直寻求成为一个帮助提供结构的组织，而不是规定性的，一个本质上比基因组学领域更加复杂和不同的领域。当我们刚成立HUPO的时候吉尔Omenn而且山姆Hanash和其他早期的蛋白质组学先驱，我们想要找出建设性的方法来帮助整个领域的发展。在蛋白质组学中，有很多不同的技术和方法:蛋白质阵列技术、质谱技术、样品准备技术、基于细胞的技术和基于非细胞的技术以及蛋白质组学的子类，包括乙醇蛋白质组学领域、荧光蛋白质组学领域、脂质组学和脂质荧光蛋白质组学领域。所有这些专业和子专业都有不同的科学家群体，这些科学家本身就是他们自己的小亚群体。HUPO希望有一个整体的组织结构，代表全球不同领域的努力，同时，我们希望尝试开发我所说的“篝火”类型的项目，人们可以聚集在一起，共同参与，推动该领域的发展。

Omenn和Hanash以及其他人帮助我们开始人类血浆蛋白质组计划HUPO帮助赞助和发起的。这是一个巨大的成功，我们可以说，嘿，看，让我们分发一个单一的公共样本，无论你使用什么技术，无论你采用什么MS工作流，你都可以分析这个样本，并将数据存入一个可以共享的中央数据库。这允许一个通用的门户来显示该领域的数据，让人们做比较分析，说这个比这个更好，这就是为什么。

除了召开年度会议，除了主办会议，我认为HUPO试图发展一种总体理念，以确保有特定类型的项目可以开展和联合;例如，参考标准的制定，或该领域的SOP的制定和共享SOP。这些都是HUPO真正开始的东西。

我认为，如果你看看HUPO想要实现的一些基本原则，它们在诸如NIH这样的组织中得到了复制临床蛋白质组学联盟．HUPO为其他国家和政府机构提供了一个展示平台。当他们想要资助国家层面的生命科学研究时，他们会寻找HUPO，因为它是那里的第一个组织，我认为这是一个很好的属性。

MC:由于技术的进步，近年来蛋白质组学领域发展迅速。你认为10年后这个领域会是什么样子?目前阻碍蛋白质组学发展的障碍是什么?

EP:这是个好问题。我想我期待着，或者说想象着，这个领域将不再是关于检测方法，而更多地是关于将这些检测方法缝合到我们日常生活中看到的实际应用中。我的意思是，蛋白质组学检测方法在可穿戴设备中的发展，蛋白质组学检测方法可以感知环境，水，空气，或者植入体内的纳米传感器。

对我来说，如果10年或15年后我去参加一个asm会议或HUPO会议，而重点仍然是经典的蛋白质组学技术本身，那将是非常令人沮丧的。如果蛋白质组学领域仍然只是谈论下一个新的MS，或者一些有趣的软件工具，可以让你更好地测量这个或那个，那么这个领域将会急剧停滞。

该领域必须摆脱仅仅展示新型MS设备的模式。设备需要放在后台，你用它做的事情需要放在前台，就像基因组学领域发生的事情一样。如果蛋白质组学只是关于机器，那么它将永远是基因组学的“可怜的继子”。在会议上，我们希望看到蛋白质组学的应用，例如“我们可以使用这台机器，现在我们可以用它来做这个，我们可以找到这些生物标记物”。

蛋白质组学目前受到限制的另一个方面是缺乏财政投资。基因组学领域已经吸引了大量资金进入他们的领域，也许这是合理的，但我们需要向应用蛋白质组学和临床蛋白质组学领域注入资金。

此外，该领域本身还没有确定或抓住一个具体的“登月”项目。例如，将不会有与人类基因组计划(HGP)相对应的项目，蛋白质组学领域就是没有。“人类蛋白质组”是一个不断波动的信息档案。每种细胞类型都有自己独特的蛋白质组，这取决于细胞的功能，也取决于你在什么时间测量细胞的蛋白质含量。像HGP这样的项目为基因组学吸引了大量的公关和资金投资，因此蛋白质组学将没有一个类似的“登月”项目，这是一个遗憾。

Emanuel Petricoin接受了科技网络科学作家Molly Campbell的采访。188金宝搏备用