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亚微克和纳克级定量蛋白组学方法开发

随着科研技术与知识的发展,蛋白组学在生物研究中成为了越发重要的环节之一。它可以提供生物体系内的全面蛋白信息,例如蛋白表达水平变化、蛋白相互作用网络以及翻译后蛋白修饰。高质量的蛋白组学数据普遍取决于两点——质谱仪器和样品处理。以现有的仪器水平,一个好的实验设计可以在细胞内检测到超过一万种蛋白质的表达水平。不过要达到如此深度的检测,也需要充足的初始样品蛋白量(通常大于100微克)。这样的样品量要求对于很多临床患者样品和无法多次传代的细胞样品都是非常困难的。相反,如果一开始就用亚微克的样品量(小于1微克),多数实验只能检测到两三千种蛋白质。这两三千种蛋白质中的大多数都是细胞中表达水平最高、几乎不参加生物控制过程的基本蛋白比如结构蛋白,在各种生物体系中表达水平相对稳定,一般没有太大的研究价值。那些剩下的六七千种在此情况下检测不到的低表达水平蛋白质则大多与生物控制过程密切相关,比如信号通路和转录控制通路等等,反而是生物研究亟需测量的对象。因此,对于亚微克量蛋白样品的深度定量蛋白组学分析,成为了蛋白组学在干细胞、动物模型、临床研究等诸多领域应用的一大痛点。


为了突破初始蛋白量的下限,世界上许多先进的蛋白组学实验室纷纷发展自己的样品处理流程与平台。其中有些实验室的方法已经能够从亚微克级乃至纳克级样品中测量2000-5000种蛋白质。但是很可惜,这些高灵敏的蛋白组学方法通常包含了实验室自己搭建的复杂仪器,比如微流控芯片等,对在整个蛋白组学领域推广这些方法造成了资金、设备、技术的多方面障碍。



为了找到一个更便捷且能被广泛采用的解决方法,加拿大麦克马斯特大学陆宇实验室重新审视了传统蛋白组学样品处理的流程与弊端。他们首先定量分析了经典蛋白样品处理流程中,特别是对亚微克级样品处理的每一步骤的样品损失。通过这些测量,他们发现,降低样品损失的关键,在于减少处理过程中途换用样品管的次数针对这一发现,他们开发和优化了一种称为NanoTPOT的亚微克和纳克级蛋白样品处理流程,能够兼容所有样品处理步骤的反应条件,包括细胞裂解、蛋白变性酶切以及定量试剂标记等,从而实现样品处理在单一样品管中完成,有效减少了样品损失。运用这种新型的NanoTPOT流程,他们能够从4000个人类HeLa细胞(1微克蛋白量)中定量分析6935种蛋白质,以及从2000个HeLa细胞(0.5微克蛋白量)中定量分析5459种蛋白质,结果明显优于目前国际蛋白组学领域采用同等乃至更多初始样品蛋白量时最多能够达到的4000-5000种蛋白质检测深度。



此外,NanoTPOT样品处理过程可以轻松且低成本的被更多的实验室采用,也不需要大幅度的调整其他实验室原有的样品处理习惯。更重要的是对于珍贵且稀少的临床或细胞样品来说,在尽可能减少样品消耗且保证获取高质量定量蛋白组学数据的同时,可以确保这些样品的最大化利用从而来获取更全面的生物和病理信息。


关于NanoTPOT样品处理方法的成果近期发表于分析化学旗舰期刊Analytical Chemistry


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NanoTPOT: Enhanced sample preparation for quantitative nanoproteomic analysis

Ruilin Wu, Akshat Pai, Lina Liu, Sansi Xing, Yu Lu*

Anal. Chem., 2020, 92, 6235-6240, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c00077


陆宇博士简介

陆宇,加拿大麦克马斯特大学(McMaster University)生物化学系助理教授。本科毕业于复旦大学化学系。2006年于美国西雅图华盛顿大学(University of Washington)化学系取得博士学位,2007-2014年在哈佛大学医学院附属戴纳法伯肿瘤研究所进行博士后训练,2014-2016年在Moderna Therapeutics Inc 担任蛋白组学实验室主任,2016年1月起就职于麦克马斯特大学。


研究领域包括蛋白组学方法开发,蛋白-核酸相互作用,蛋白-蛋白相互作用,核糖核酸转录后调控机理及在相关疾病(肿瘤,神经退行性疾病)中的功能研究。在相关领域发表论文25篇,包括Cell Stem Cell, Nature Communications, Analytical Chemistry 等。


http://yululab.net


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