在临床蛋白质组学转化研究

蛋白质生物标志物在疾病的早期发现和他们的角色

近年来,生物标志物的发现拥有先进我们理解诊断疾病,如癌症和冠心病,监测其进展,预测复发和支持治疗治疗的识别。

虽然遗传标记可以表明风险增加或预期开发某些疾病,遗传标记本身并不意味着疾病的存在。表型标记蛋白表达水平变化等需要这样做。

临床蛋白质组学研究着重于发现蛋白质生物标记物被誉为“下一步前进”的早期检测、诊断和治疗疾病。

在这篇文章中,加里Kruppa蛋白质组学的副总裁力量Daltonics,探索蛋白质组学方法如何帮助实现终极目标的预防和改善疾病的治疗。

蛋白质组学,生物标志物的下一代吗?

利用蛋白质组学方法研究蛋白质表达的变化在细胞培养和组织样本已经导致许多潜在生物标志物的发现。然而,有许多障碍在这些生物标记物的验证。

一般来说,一个生物标志物用于疾病的早期检测,它需要在一个容易被发现和验证采样矩阵,如尿液或等离子体。生物标记验证还需要临床研究涉及数百,或者更常见的,有超过一千的病人。

等离子体常常被作为样本的选择,从全身血液循环和等离子体可能包含在病变组织差异表达的蛋白质。然而,等离子体还包含许多很高的丰富蛋白质所需的正常生理功能,如血清白蛋白和血红蛋白。这些蛋白质丰度高干扰的能力标准的蛋白质组学方法检测蛋白生物标记从相对少量的病变组织分泌到血液。

而先进的蛋白质组学方法可以检测和量化大约5000蛋白质从人类细胞培养在合理的时间~ 90分钟的样例中,相同的方法只适用于人血浆检测200 - 300蛋白,通常的丰度高。

此外,即使是一个90分钟的运行时间所需的成千上万的样品验证生物标志物太长了。高效液相色谱(HPLC)和质谱(MS)仪表必须足够强大来处理许多数以百计的样品没有性能损失。推进,现场需要新颖的方式更快地检测血浆中更多的蛋白质,健壮的高效液相色谱和质谱仪,减少停机时间。

朝着更深的血浆蛋白质组的分析

在过去的十年里,专业仪器供应商大幅投资发展的力量质谱仪的灵敏度和速度。配合这项技术,方法消耗等离子体丰富的蛋白质也有所改善,从而更深层次的血浆蛋白质组的分析。

在标准的自底向上的蛋白质组学工作流,肽洗脱色谱分离的女士,然后被探测到MS / MS(串联女士)。敏感和快速MS / MS鉴定的蛋白质在> 100 Hz现在可能这意味着超过5000种蛋白质可以被识别并量化在一个90分钟的运行从200 ng的蛋白质从人类的细胞培养。¹此外,新的、高性能仪表使量化数以百计的蛋白质在一天100样本/耗尽的等离子体对大样本人群一致的性能。²

到目前为止,大多数生物标志物的发现与数据依赖分析等离子体已经完成(DDA)蛋白质组学。

基于vs DIA

DDA方法,肽来确定选择算法,识别所有的山峰女士频谱峰值强度等,然后使用标准充电状态,质荷比(m / z)等自动计算目标MS / MS鉴定肽。还这样的算法通常使用动态排除列表,这样一旦肽靶向和MS / MS支离破碎,时间不会浪费在瞄准一遍。

DDA方法有优势,肽的质量目标进行识别是已知的和可用于后续识别使用MS / MS数据。然而基于实验有一定的缺陷;算法执行多哈回合选择依赖于数据选择的目标是什么,女士和生物样品的变化以及技术变化之间的运行可能导致肽中选择一个错过了在随后的跑。

这个随机选择的自然肽识别您的实验结果在所谓的“缺失值问题”。数据不完整的能够比较所有的肽的量(因此蛋白质)在所有样本。虽然时间都用在做MS / MS鉴定肽,其余的离子过滤掉,从而导致低效率使用的离子电流。

为了克服这些问题,数据独立分析(DIA)方法开发,,而不是选择一个离子,所有的离子碎片的质量选择窗口。如果窗户相邻扫描,然后DIA方法是确定性的,原则上每个肽洗脱色谱分离将变得支离破碎。DIA实验的缺点是,许多肽将支离破碎,可以是复杂的,以确定哪些片段的归属,以及来自一个单一的前兆。然而,软件包,可以反褶积是迅速推进,因此DIA实验越来越普遍。

最后一个方法验证生物标记物是有针对性的蛋白质组学,通常被称为多反应监测(MRM)如果进行三重四极仪器,和并行反应监测(人口、难民和移民事务局)如果在仪器上进行高分辨率探测器如四极飞行时间(Q-TOF)和Orbitrap类型仪器。一般来说,这些被称为有针对性的方法使用一个目标列表,包含色谱保留时间m / z每一个目标。只有那些目标选择MS / MS鉴定和定量。也许,探测、量化,并验证更多的蛋白质在等离子体,结合方法代表了一种更好的方法。DIA结合目标蛋白质组分析可以提供更深入的结果。

引入快速、敏感Q-TOF仪器与被困离子流动分离提供了进一步研究。银两实验仪器如力量timsTOF Pro执行以前所未有的速度和灵敏度和MS / MS,此外,提供一个额外维度的分离有助于揭示等压物种洗脱图相同,使用所谓的平行积累serial-fragmentation (PASEF)方法。^我相同的速度和灵敏度优势应用于DIA实验,称为diaPASEF,在这种情况下,额外的流动性维度的结果更有效使用的离子电流,同时也提供了一个额外的色谱维度,可以用在MS / MS数据对齐连接片段前体与高的信心。³

转化的目标蛋白质组学

虽然每天的能力分析100个样本枯竭的等离子体是一个很大的进步,这将是理想的更深的血浆蛋白质组的报道,最好是没有损耗的一步。

正在进行的研究是朝着我们的目标检测和定量超过1000蛋白质在< 30分钟,血浆样品,每个样品在一个合理的成本。如果这个目标可以实现,那么常规纵向监测大量人口的血浆蛋白质组可以用来关联血浆蛋白质组的变化与疾病的发作。这应该使同时为各种疾病生物标志物的发现和验证板。

扩展到多学科组学

以及关注新的蛋白质组学的发展,结合蛋白质组学与代谢组学和基因组学研究,在组学的范畴,将是非常强大的。

众所周知,糖基化和脂质表达模式是大量修改某些癌症和其他疾病。然而,代谢物是一组不同的分子通常需要非常不同的高效液相色谱和质谱方法从蛋白质进行分析。

代谢组学方法也需要广泛发展成为充分,健壮,习惯,和具有成本效益的部署在诊所。

临床研究发现生物标志物的蛋白质组学和代谢组学将会继续,并且只有通过揭露这一领域的发展,多学科的潜在个性化医学研究将被揭示。

引用:

1。在线并行Accumulation-Serial碎片(PASEF)小说困离子流动质谱仪。Meier F,作为广告,科赫年代,科赫H,吕贝克M, Krause M, Goedecke N, Decker J,库辛斯T,公园,贝奇N, Hoerning啊,考克斯J O,曼M;摩尔细胞蛋白质组学。2018年12月,17 (12):2534 - 2545。

2。MaxQuant软件离子迁移率增强的猎枪蛋白质组学,尼基塔•Prianichnikov Heiner科赫朱红色科赫,马库斯吕贝克,拉斐尔Heilig,斯文莱梅尔,罗马费舍尔,尤尔根•考克斯bioRxiv 651760;doi:https://doi.org/10.1101/651760。

3所示。并行积累——串行碎片结合data-independent收购(diaPASEF):与最佳离子附近使用自下而上的蛋白质组学;f·迈耶,a .布鲁纳·m·弗兰克,a .哈,e . Voytik s Kaspar-Schoenefeld m .吕贝克o . Raether r . Aebersold公元前柯林斯,h·l·罗斯特·m·曼;bioRxiv 656207;doi:https://doi.org/10.1101/656207。