“自顶向下(top-down)”的蛋白质组学--蛋白质变体的规模化鉴定

高分辨率质谱技术的快速发展使得"自顶向下"的蛋白质组学(top-down proteomics)研究逐渐成熟起来.在完整蛋白质水平上研究蛋白质组可以提供更精准、更丰富的生物学信息,特别是对于蛋白质上发生了多种关联性的翻译后修饰的情况.另外,由于基因突变、RNA可变剪接和大量蛋白质翻译后修饰的存在,同一个基因往往最终会产生多个"蛋白质变体"(proteoform),而要准确地鉴定这些蛋白质变体,也离不开"自顶向下"的蛋白质组学.在蛋白质水平上的分离技术、质谱技术与生物信息学技术是完整蛋白质鉴定最关键的三项技术.高效的分离技术是实现规模化蛋白质变体鉴定的前提,有效的质谱碎裂是提供可靠鉴定的核心,而快速准确的质谱鉴定算法则是数据分析效率的保障.本文对这三项技术进行了详细总结,重点集中在生物信息学相关技术上,包括对完整蛋白质的质谱数据预处理、数据库搜索鉴定以及翻译后修饰定位等几个计算问题的讨论.

比较纳升反相色谱-串联质谱与毛细管区带电泳-串联质谱用于自顶向下蛋白质组学（英文）

自顶向下蛋白质组学的一个重要难题是缺乏与质谱可以在线连用并且可以提供高效蛋白质分离的液相分离技术。毛细管区带电泳与纳升反相色谱都可以与质谱在线连用,并且在复杂蛋白质样品分析方面也都有了显著的提升。在这里,我们首次比较了先进的纳升反相色谱-串联质谱与毛细管区带电泳-串联质谱平台用于自顶向下蛋白质组学分析。相对于纳升反相色谱-质谱而言,毛细管区带电泳-质谱可以将标准蛋白质样品的消耗量降低10倍,而且保持与纳升反相色谱-质谱相当的蛋白质信号强度。有意思的是,与毛细管区带电泳-质谱相比,纳升反相色谱-质谱可以获得更高的蛋白质分子的气相价态。这个现象可能是由于反相流动相中的高浓度乙腈使得蛋白质变性的更加充分。从1微克的大肠杆菌蛋白质样品中,毛细管区带电泳-串联质谱可以鉴定到159个蛋白质和513个蛋白质变体,而纳升反相色谱-串联质谱仅鉴定到105个蛋白质和277个蛋白质变体。当将大肠杆菌蛋白质的上样量提高到8微克时,纳升反相色谱-串联质谱可以鉴定到245个蛋白质和1004个蛋白质变体。由于纳升反相色谱-串联质谱具有比毛细管区带电泳-串联质谱更高的上样量与更宽的分离窗口,当蛋白质样品量不受限制时,纳升反相色谱-串联质谱具有明显的优势。但是,在痕量样品分析方面,毛细管区带电泳-串联质谱具有更大的潜力。

基于质谱的TOP-DOWN蛋白质组学技术用于微生物鉴定

采用新型的质谱软电离方法,如基体辅助激光解吸电离(MALDI)和/或者电喷雾离子化(ESI),可获得微生物的质谱图。当微生物经过纯化、分级、富集和色谱分离后,可将ESI与多种质量分析器相结合,进行大规模的不同微生物的蛋白质组学研究。相反,MALDI对盐和其他杂质的耐受能力高,因此,在只对样品进行简单处理的情况下,MALDI可被用作快速检测和鉴定完整微生物的质谱传感器平台的离子源。

CUDA-TP:基于GPU的自顶向下完整蛋白质鉴定并行算法

蛋白质及蛋白质翻译后修饰(post-translational modifications,PTMs)的鉴定是蛋白质组学研究的基础,对整个领域的进一步发展有着十分重要的意义.近年来,质谱设备的快速发展使得获取"自顶向下"(top-down,TD)的高精度完整蛋白质质谱数据成为可能.目前基于TD质谱数据的完整蛋白质鉴定算法虽然在匹配精度、PTM位点的推断上取得了一些成效,但它们运行时间还有很大的不足和提升空间.利用图形处理器(graphics processing unit,GPU)可以将大规模的重复计算并行化,提高串行程序的执行速度.CUDA-TP算法基于通用并行计算架构(compute unified device architecture,CUDA)来计算蛋白质与TD质谱数据的匹配分数.首先,对每一个质谱数据,CUDA-TP利用优化的MS-Filter算法在蛋白质数据库中过滤出其对应的少数候选蛋白质集合,然后通过AVL(adelson-velskii and landis)树加速质谱匹配过程.GPU中的多线程技术被用来并行化谱图网格及最终数组中所有元素的前驱结点的求解.同时,该算法还使用target-decoy策略来控制蛋白质与质谱图匹配结果的错误发现率(false discovery rate,FDR).实验结果表明:CUDA-TP算法能够有效地加速完整蛋白质的鉴定,速度分别比MS-TopDown和MS-Align+快10倍与2倍.到目前为止,这是唯一能够利用CUDA架构来加速完整蛋白质鉴定的研究工作.CUDA-TP源代码公布在https://github.com/dqiong/CUDA-TP.

蛋白质高效分离两维色谱柱的选择优化

为了构建高效的离子交换/反相二维液相色谱(IEC/RPLC)分离平台系统,提高复杂蛋白质样品的分离效率,对色谱柱进行了评价与筛选。通过对实际人肝蛋白质样品的分离效果的比较,选择确定了TSKgelDEAE-5PW弱阴离子交换色谱柱(WAX)作为第一维色谱分离柱;考察了同一规格的10支代表性反相色谱柱(250mm×4.6mm,5μm,30nm,C4、C8或C18),通过评价其对尿嘧啶、硝基苯、萘和芴的分离性能以及对3种标准蛋白质样品的非特异性吸附、对人肝蛋白质样品的WAX馏分的分离效果,最终确定以Jupiter300 C4反相色谱柱作为第二维色谱分离柱。对两维色谱柱的选择优化为蛋白质高效分离二维液相色谱平台的搭建提供了可靠基础。

Orbitrap Fusion Lumos：基于Q-OT-qIT平台的第二代“三合一”超高分辨质谱

Orbitrap Fusion Lumos是基于Q-OT-qIT平台的第二代“三合一”质谱，通过离子入口、离子透镜、四极杆、ETD和真空技术等方面的深度改进，将仪器整体性能优化至极致。配合“三合一”质谱魔法般的功能，Orbitrap Fusion Lumos能够有效应对蛋白质组学和代谢组学最复杂的分析挑战。本文从定性定量极限灵敏度、抗污染性能、翻译后修饰和top-down解析等方面，介绍了第二代“三合一”质谱的性能突破和应用进展。