基于质谱检测的相关色谱技术在阿尔茨海默病诊断中的应用

随着世界老年人口的急速增长,阿尔茨海默病发病人数也逐年增多,已成为继心脑血管疾病和恶性肿瘤之后威胁人类健康的“第三大杀手”。疾病的诊断和治疗同等重要,阿尔茨海默病诊断通常依靠典型的临床特征、神经影像技术以及检测疾病相关的生物标志物等。近些年来蛋白质组学和质谱技术迅速发展,可以利用这些技术寻找到与疾病相关的特异性的蛋白质分子作为早期诊断的生物标志物。本文就此进行了综述,主要包括基于蛋白质组学的诊断标志物的筛选和基于质谱检测的色谱技术在阿尔茨海默病诊断中的应用,引用文献34篇。     

基于生物质谱的定量蛋白质组学研究进展

随着蛋白质组研究和生物质谱技术的发展,大规模的蛋白质组相对定量和绝对定量已经成为了解生命活动进程、疾病发生发展过程以及生物标志物筛选和验证的重要策略,并形成蛋白质组学研究领域的一个重要分支：定量蛋白质组学.综述了近年来定量蛋白质组学的研究进展,并对其中的关键技术进行讨论.     

完整糖基化肽段的富集与质谱解析新技术研究进展

蛋白质糖基化是生物体内最重要的翻译后修饰之一,在蛋白质稳定性、细胞内和细胞间信号转导、激素活化或失活和免疫调节等生理过程和病理进程中发挥重要作用。而异常的蛋白质糖基化往往和多种疾病的发生发展密切相关,目前应用于临床检测的多种肿瘤生物标志物大多属于糖蛋白或者糖抗原。因此在组学层次系统分析蛋白质糖基化的变化对阐明生物体内糖基化修饰的调控机理和发现新型疾病标志物都非常重要。基于质谱的蛋白质组学技术为全面分析蛋白质及其修饰提供了有效的分析手段。在自下而上的蛋白质组学研究中,由于完整糖基化肽段同时存在性质各异的肽段骨架和糖链结构、糖肽的相对丰度和离子化效率较低以及糖基化修饰有高度异质性等特点,完整糖肽的分析比其他翻译后修饰更加困难。近年来,为了更全面、系统地分析蛋白质糖基化,研究人员发展了一些新技术,包括完整糖肽的富集技术、质谱的碎裂模式和数据采集模式、质谱数据的解析方法和定量策略等等,大力推进了该领域的研究水平,也为研究蛋白质糖基化相关的生物标志物提供了技术支持。该篇综述主要关注近年来基于质谱的糖蛋白质组学研究中的新进展,重点介绍针对完整N-和O-糖基化肽段的富集新技术和谱图解析新方法,并讨论其在肿瘤早期诊断方面的应用潜力。     

基于稳定同位素标记和平行反应监测的蛋白质组学定量技术用于肝癌生物标志物的筛选和验证

肝癌是全球第五大恶性肿瘤,其五年生存率极低,及早地发现与诊断对肝癌的临床治疗具有重要意义。通过结合体外稳定同位素标记的蛋白质组学相对定量技术和基于平行反应监测的靶向蛋白质组学定量技术,建立了一种癌症生物标志物的筛选和验证方法。该方法被用于肝癌组织的差异蛋白质筛选和后期验证,共筛选到70个在癌组织中显著变化的蛋白质,并对其中7个蛋白质进行了验证。所验证的蛋白质包括已在临床使用的肝癌标志物甲胎蛋白(AFP)和文献报道的潜在肝癌生物标志物热休克蛋白(HSP90)、脂肪酸结合蛋白5(FABP5)和乙醇脱氢酶4(ADH4),说明了该方法的可靠性。该文所筛选的差异蛋白质可以为肝癌生物标志物研究和临床验证提供参考;该方法还可用于其他癌症样品的差异蛋白质筛选和验证。     

福尔马林固定石蜡包埋组织切片蛋白质组分析方法与应用研究进展

福尔马林固定石蜡包埋(Formalin-fixed and paraffin-embedding,FFPE)是最常见的临床组织保存技术,FFPE组织具有标准化的制备流程、易于存储、标本量大、包含较完整的临床回顾性信息等特点,而成为疾病生物标志物发掘的良好载体。近年来,基于临床FFPE组织的特点,发展了系列蛋白质组学研究方法,包括样本制备、消解、分离到蛋白质质谱鉴定等多个领域,总体呈现出微量、高灵敏度、高通量的技术特点,并已成功用于肿瘤精准医学等临床蛋白质组研究。该综述将对FFPE组织切片样本的蛋白质组学方法,以及其在肿瘤研究中的应用进行概述,从而为临床精准医学蛋白质组学的研究提供借鉴思路。     

基于ICP-MS的蛋白质定量方法*

蛋白质组学已经成为生命科学研究中最为活跃的领域之一。研究蛋白质的生物功能,不但需要高通量的鉴定蛋白质,还需要定量分析动态变化的蛋白质,即定量蛋白质组学研究。蛋白质的定量研究有助于发现新的生物功能,并可以用于疾病的预警和药物靶点的发现。现有的定量蛋白质组学研究主要利用同位素标记结合生物质谱（电喷雾电离质谱ESI-MS,基质辅助激光解吸电离质谱MALDI-MS）技术而实现。近年来电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）作为ESI-MS和MALDI-MS的补充,越来越多地应用于蛋白质的定量分析,特别是蛋白质的绝对定量分析。ICP-MS是检测生物分子中痕量元素的理想工具,具有灵敏度高、动态范围广,不易受基体的影响等优点。本文将讨论基于ICP-MS的分析方法,及其在蛋白质定量分析和免疫分析中的部分成功应用。     

多重反应监测(MRM):靶标蛋白质定量的新方法

多重反应监测(multiple reaction monitoring,MRM)是针对靶标分子的一种质谱分析技术.该技术采用三重四级杆质谱仪,检测靶标分子的母离子和子离子的质谱响应信号,从而获取较灵敏和高重现性的定性和定量信息,近年来在蛋白质组学领域得到了广泛应用.与全谱性的蛋白质组学分析不同,MRM注重有限目标的蛋白质定量测定,因此,它在蛋白质分析检测领域中的应用极有发展潜力.在临床检验中,酶联免疫吸附测定(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)是蛋白质定量分析的常规技术,但是ELISA在多重蛋白质生物标志物的测定方面具有一定限制.随着蛋白质组学的深入进行,MRM的定量分析优势可否应用于临床检测已提至日程,世界范围内多个研究团队一直致力于推动这一领域的发展,也取得了令人瞩目的成就.本文简单介绍了MRM技术的原理、优势及发展前景等,同时,对其在蛋白质组学研究及临床应用中的潜力进行了讨论.     

基于质谱的单细胞蛋白质组学分析方法及应用

细胞是生命体的最小组成单位,遗传及外部环境等因素使单细胞异质性广泛存在于众多生物体中。传统的生物学实验获得的结果多是大量细胞的平均测量值,因此在单细胞层面开展研究对于精确理解细胞的生长发育以及疾病的诊断与治疗至关重要。而作为重要的细胞和生命活动的执行者,蛋白质由于其不具备扩增特性,且种类繁多、丰度低、动态分布范围宽,与核酸等其他生物大分子相比,其单细胞组学研究相对滞后。而在所有的检测手段中,荧光检测以及电化学分析方法具有极高的灵敏度,但是囿于其研究通量有限,以及电化学活性依赖,很难成为普适性的单细胞蛋白质组学研究方法。质谱分析作为传统蛋白质组学中最为核心的研究技术,由于其高灵敏、高通量、结构信息丰富等特点,在单细胞蛋白质组学研究中独树一帜。该文综述了近年来基于质谱的单细胞蛋白质组学研究中的代表性方法,根据质谱分析前蛋白质分离方式的差异,将其分为基于毛细管电泳分离、液相色谱分离和无分离手段的直接检测3类方法,在介绍研究现状的同时对这些方法在细胞通量、蛋白质鉴定数目、灵敏度以及方法应用方面进行了总结与比较。最后,基于目前研究中面临的挑战以及发展趋势对基于质谱的单细胞蛋白质组学的研究前景进行了展望。     

醛类标志物的化学衍生化色谱-质谱分析方法进展

人体接触环境中的化学污染物会导致多种疾病,包括癌症、糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病(阿尔茨海默症、帕金森病等)等。作为一类具有高反应活性的亲电化合物,醛类(包括外源性醛类或环境污染物暴露后产生的内源性醛类)可与人体中多种重要生物分子形成共价修饰产物而产生毒害作用。暴露组研究自2005年被首次提出以来一直是一个前沿热门领域,暴露组研究可绘制生物标志物与疾病风险之间的复杂关系,因此,所有生物标志物的可测量的和特征性的变化共同构成了暴露组研究的关键基础。醛类是化学暴露组的主要成分之一。由于醛类化合物自身物理化学性质和样品大量基质干扰存在,对它们进行分析和表征特别困难。醛类化合物的分析检测方法主要有传感分析法、电化学法、荧光成像、色谱法、质谱法、色谱-质谱联用法等。基于色谱-质谱的分析技术已成为化学暴露组研究的主要方法之一。化学衍生化,特别是稳定同位素标记衍生化(亦称化学同位素标记)结合液相色谱-质谱(LC-MS)技术能够解决靶向和非靶向代谢组和暴露组分析工作中的诸多问题。化学衍生化联合色谱-质谱的分析策略是复杂体系中醛类精准分析非常重要的解决方案之一。特别是近5年,基于化学衍生化的色谱-质谱分析方法开发与应用已成为醛类分析方法中的热点和亮点。该文主要总结与评述了近5年基于化学衍生化的气相色谱-质谱(GC-MS)和LC-MS最新进展,重点关注生物基质(血液、尿液、唾液、生物组织等)中醛类暴露标志物的分析方法进展。通过探讨标记小分子醛的各种衍生试剂、定性/定量分析方法及应用价值,评述醛类暴露标志物不同分析方法的优缺点以及未来发展趋势,为暴露组学、代谢组学、脂质组学的整合发展和环境生态健康研究提供一定的帮助。为了阐明外源性和内源性醛类化合物在生理和病理事件中所起的复杂作用,需要大力改进研究醛组学(aldehydome)的分析表征技术和工具。随着更先进的质谱仪的研发和使用,以及高效色谱分离和不断进步的生物信息学手段,并同时伴随着单细胞分析、质谱成像的兴起,未来的醛类暴露组分析方法会具有更高的灵敏度、更高的分析通量,更有希望筛选鉴定未知醛类化合物并发现新的暴露组生物标志物。     

功能脂质组质谱分析

近年来,鉴于脂质在疾病发生发展过程中的重要作用,功能脂质组研究受到广泛关注.质谱技术是功能脂质组分析的主要手段,本文将介绍用于功能脂质组分析的质谱技术,概述国内功能脂质组质谱分析的研究进展,并提出问题和展望,以期可以在现有方法上进行改进提高,用以发现更多的功能脂质,进而用于发展疾病生物标志物及治疗靶标以及研究疾病机理等,并期待推进功能脂质组学研究的发展.     

Clinical perspectives of high-resolution mass spectrometry-based proteomics in neuroscience: exemplified in amyotrophic lateral sclerosis biomarker discovery research

Biomarker discovery is a central application in today's proteomic research. There is an urgent need for valid biomarkers to improve diagnostic tools and treatment in many disorders, such as the rapidly progressing neurodegenerative disorder amyotrophic lateral sclerosis (ALS) that has a fatal outcome in about 3 years and yet no curative treatment. Screening for clinically relevant biomarkers puts high demands on high-throughput, rapid and precise proteomic techniques. There is a large variety in the methods of choice involving mainly gel-based approaches as well as chromatographic techniques for multi-dimensional protein and peptide separations followed by mass spectrometry (MS) analysis. This special feature article will discuss some important aspects of MS-based clinical proteomics and biomarker discovery in the field of neurodegenerative diseases and ALS research respectively, with the aim to provide a prospective view on current and future research aspects in the field. Furthermore, examples for application of high-resolution MS-based proteomic strategies for ALS biomarker discovery will be demonstrated with two studies previously reported by our group. These studies include among others, utilization of capillary liquid chromatography-Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (LC-FTICR-MS) for advanced protein pattern classification in cerebrospinal fluid (CSF) samples of ALS patients as well as highly sensitive protein identification in minimal amounts of postmortem spinal cord tissue and laser micro-dissected motor neurons using FT-ICR-MS in conjunction with nanoflow LC coupled to matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight tandem mass spectrometry (LC-MALDI-TOF-TOF-MS).     

高通量蛋白质组学分析研究进展

基于质谱的蛋白质组学技术已经日趋成熟,可以对细胞和组织中的成千上万种蛋白质进行全面的定性和定量分析,逐步实现“深度覆盖”。随着生物医学日益增长的大队列蛋白质组学分析需求,如何在保持较为理想的覆盖深度下实现短时间、快速的“高通量”蛋白质组学分析已成为当前亟需解决的关键问题之一。常规的蛋白质组学分析流程通常包括样品前处理、色谱分离、质谱检测和数据分析。该文从以上4个方面展开介绍近10年以来高通量蛋白质组学分析技术取得的一系列研究进展,主要包括:(1)基于高通量、自动化移液工作站的蛋白质组样品前处理方法;(2)基于微升流速液相色谱与质谱联用的高通量蛋白质组检测方法;(3)利用灵敏度高、扫描速度快的质谱仪实现短色谱梯度分离下蛋白质组深度覆盖的分析方法;(4)基于人工智能、深度神经网络、机器学习等的蛋白质组学大数据分析方法。此外,对高通量蛋白质组学面临的挑战及其发展进行展望。总而言之,预期在不久的将来高通量蛋白质组学技术将会逐步“落地转化”,成为大队列蛋白质组学分析的利器。     

Review of a current role of mass spectrometry for proteome research

This review is intended to give readers a snapshot of current mass spectrometry for proteomics research. It covers a brief history of mass spectrometry proteomic research, peptidomics and proteomics for biomarker search, quantitative proteomics, proteomics with post-translational modification and future perspective of proteomics.     

From Chemistry to Translational Medicine: The Application of Proteomics to Cancer Biomarker Discovery and Diagnosis

The study of complex protein mixtures and their interactions in cells and tissues has been difficult due to the tedious process involved in their characterization and analysis. The recent emergence of fast‐evolving and state‐of‐the‐art proteomics methodologies has provided a rapid and scalable platform for understanding the comprehensive proteome profiles from complex whole tissues or cells of various biological sources. Therefore, proteomics has been increasingly valuable to examine real‐time changes in protein expression of various tissues or body fluids from patients with various diseases, especially cancer, resulting in the identification of clinically useful biomarkers for diagnosis, prognosis and disease staging. In this review, we focus on potential biomarkers for (1) Helicobacter pylori‐associated gastric cancer, (2) hepatocellular carcinoma (HCC), and (3) renal cell carcinoma (RCC). In addition to the conventional gel‐based proteomics (1‐D or 2‐D gels), we have utilized a more advanced proteomic approach by incorporating stable isotope dimethyl labelling and shotgun proteomics strategy in combination with nanoliquid chromatography and tandem mass spectrometry (nanoLC‐MS/MS) to better characterize the biomarkers in several cancer tissues. By establishing a high‐throughput proteomics platform based on multiple reaction monitoring (MRM), we have successfully detected and analyzed potential protein markers at low concentrations in various normal and tumor tissues. This platform not only highlights the utility of proteomics for biomarker discovery but also can be uniquely applied to disease‐oriented translational medicine for diagnosis of diverse types of cancers and other diseases.     

Proteomics of human cancer tissues and cells

Proteomic analysis of cancer tissues and cells provides valuable information to identify promising targets for cancer diagnosis, prognosis and therapy. Novel strategies have emerged to optimize the workflow of tissue procurement, and tissue and cell selection, and to improve protocols for the extraction of protein from fresh, frozen and paraffin-embedded tissue. Moreover, in the context of advanced approaches to proteomics, mass spectrometry and array-based technologies strongly contribute to protein profiling of cancer tissues and cells.The focus of this review is the methods by which all the steps of a proteomic investigation on human-cancer tissue (from choice of the experimental model to validation of candidate biomarkers) should be performed, paying particular attention to recently developed strategies. The review also presents an overview of the most recent high-throughput proteomic studies in cancer research.     

比较蛋白质组学研究中的稳定同位素标记技术

比较蛋白质组学是指在蛋白质组学水平上研究正常和病理情况下细胞或组织中蛋白质表达变化,以期发现具有重要功能的生物标识物,为疾病的早期诊断提供依据。近年来它正成为蛋白质组学研究的热点和发展趋势。比较蛋白质组学的研究方法和策略有多种,本文就最近几年来稳定同位素标记技术(体内代谢标记技术和体外化学标记技术)在比较蛋白质组学研究中的进展进行综述。     

The expanding field of SILAC

Stable isotope labeling by amino acids (SILAC) metabolically encodes cell populations for protein quantification by mass spectrometry. SILAC was introduced in 2002 and the field of mass spectrometry based proteomics has changed dramatically over the last decade. Increased sensitivity and speed of mass spectrometry instruments coupled with significantly improved mass resolution and precision have led to much higher rates of peptide identification and deeper coverage of proteomic samples. Several proteomics approaches are now available for quantifying proteins and their post-translational modifications, each with their strengths and weaknesses. The simplicity and robustness of SILAC have led to its widespread adoption and new applications have emerged that play to its particular strengths as a metabolic labeling approach.     

基于温敏型材料的固定化酶的制备及其在蛋白质组快速分析中的应用

蛋白质组学通过规模化鉴定、分析从细胞、组织或有机体中提取的蛋白质,从而获得蛋白表达、修饰、组成和定量的变化信息。在目前最为有效的“鸟枪法”蛋白质组学策略中,固定化酶试剂基质常用固相载体材料,该固定化酶试剂在酶解蛋白质时为异相体系,存在固液界面传质阻力和空间位阻,限制了酶解效率和样品处理通量。针对这一技术瓶颈,本研究利用温敏聚合物对外界温度变化的响应能力,制备了一种新型的基于可溶性温敏聚合物的固定化胰蛋白酶试剂。该固定化酶特有的温度敏感特性,使其具有“高温均相酶解,低温异相分离”的特色,且兼具酶切时间显著缩短、酶可重复利用的优势。 BSA 1 min固定化酶解产物肽段的氨基酸序列覆盖率可达94%,高于传统溶液酶解12 h所得覆盖率为(74%)。进一步将该固定化酶试剂应用于HeLa细胞全蛋白质组的酶解,其酶解效果与相同条件下溶液酶解12 h相当。该固定化酶试剂对复杂蛋白质的快速、高效酶解充分证明其在蛋白质组学研究中的应用潜力。