HUPO 2021关注，4D蛋白质组学的热点新应用

景杰学术｜报道

3月8日-12日，第17届US HUPO年会（US HUPO 2021）如期召开。本次大会由威斯康星大学麦迪逊分校葛瑛教授、芝加哥大学赵英明教授等领衔组织。包括贝勒医学院秦钧教授、美国田纳西州圣裘德儿童研究医院彭隽敏教授、贝勒医学院章冰教授、约翰斯·霍普金斯大学张会教授、加利福尼亚大学洛杉矶分校平琲琲教授、耶鲁大学刘延盛教授、加州大学尔湾分校黄兰教授、西奈山伊坎医学院王培教授、中山大学李惠琳教授、威斯康星大学麦迪逊分校李灵军教授、匹兹堡大学医学院时毅教授、明尼苏达大学陈悦教授、中科院上海药物所黄河研究员、普渡大学陶纬国教授等一批在全球具有卓越声望的华人科学家出席此次大会。

作为近年来蛋白质组学领域的热点技术，4D蛋白质组学在此次大会中也备受关注。诸多4D新技术的重磅应用成果与技术突破，展现了4D蛋白质组学的卓越分析性能及广阔的发展应用前景。

“高通量”技术在基因测序领域已经得到了充分的发展，而在蛋白质组学方面仍有所欠缺，这也是制约了蛋白质组技术大规模应用的主要原因。随着近年来色谱、质谱等方面的突破，尤其是结合timsTOF Pro系统和Evosep One色谱系统的4D高通量蛋白质组学分析技术，实现了前所未有的高可靠性和高通量。Evosep技术的高通量、高稳定性以及4D-蛋白质组学独特的选择性和灵敏度等优势，使临床蛋白质组学在无偏差的深度分析方面取得了实质性的进步。

图. Evosep one+timsTOF pro高通量蛋白组分析系统

1、牛津大学纳菲尔德分校医学院的Roman Fischer教授团队，运用4D高通量蛋白质组学研究了数百个来自不同程度患病的COVID-19患者血浆样品、健康人群以及患有其他疾病（如败血症）患者的血浆样本。单次检测只需10~20分钟，即可在血浆样本中检测出超过350种蛋白质，实现了高通量、高可靠性的生物标记物发现 [1]。

2、来自OmicEra的研究人员运用4D高通量蛋白质组学技术，以每天60个样品的分析速度，完成了对31名COVID-19患者的720个血清样本检测。全部实验仅用时12天，成功定量分析了502种蛋白质，发现其中116种蛋白质在表达水平上出现显著变化 [2]。

单细胞分析技术正在给生物学领域带来革命性的变化，但其应用目前还主要局限于成像和深度测序。蛋白质是细胞功能的主要执行者，因此，通过基于质谱的蛋白质组学技术对单个细胞进行深入研究具有很高的价值和互补性。之前发展的基于化学标记的单细胞方法通过将几十、数百个细胞引入MS分析，间接地实现提高鉴定深度的目的，但单细胞的直接分析尚未达到回答生物学问题所需的灵敏度、鲁棒性和定量准确性要求。

2021年初，Matthias Mann教授团队发表论文，展示了无偏差定量分析的真单细胞4D蛋白质组学方案，可以用于解决许多单细胞生物学和病理生物学中的重要问题 [3]。研究人员开发了一个强大的工作流程，结合小型化样品制备、极低流速色谱法和新型捕获离子迁移率质谱仪（timsTOF Pro）的优势，使蛋白鉴定的灵敏度提高了10倍以上。

4D单细胞蛋白质组学能够准确而可靠地表征单个FACS分离细胞中的蛋白质组及其含量变化，可以很容易地应用到组织材料的超高灵敏度分析，包括翻译后修饰和小分子的研究中。据悉，布鲁克公司计划在2022年初推出单细胞专用的timsTOF系统。

图. 4D单细胞蛋白质组学工作流程示意图

3月9日的US HUPO研讨会上，布鲁克发布了PaSER软件v.1.1。PaSER （Parallel Search Engine In Real-time）是一款基于GPU计算的蛋白质组学数据库实时搜索软件。在实验完成后，就可以“实时”获得肽段和蛋白质的鉴定结果，比常规的数据采集能更快地监测数据质量并获得检测结果，实现4D高通量蛋白质组学分析。

除了性能增强之外，PaSER 1.1还增加了4D数据的可视化功能，包括MOMA特征和搜索结果的可视化。淌度辅助质量对齐（MOMA）分析是4D蛋白质组学分析的中一个强大功能，在常规3D-蛋白质组学中无法区分的共洗脱同分异构体，可以利用精确的CCS值实现淌度分离，从而得到同分异构体的鉴定结果。

与传统的3D蛋白质组学相比，离子淌度分离维度的引入，使4D-蛋白质组学可以准确并高度重复地测定每一个被检测到肽段的离子迁移率，并获得碰撞截面（Collision Cross Section, CCS）信息。CCS值的准确、稳定测量，为肽段的检测提供了多一维的信息。采用CCS值进行母离子的匹配和分析，能够有效提高匹配的准确性。

近日Matthias Mann团队、Theis团队合作发表最新研究成果，文章通过4D-蛋白质组学对大规模肽段的碰撞截面（CCS）进行测量，同时结合了机器学习（Machine Learning）的优势，实现了对来自任何生物体中、任何肽段的CCS值的预测。而除了时间和精确质量外的第四维CCS信息，可以使多肽的鉴定又多了一个定性的参数，从而使得多肽的鉴定更可靠 [4]。

图. 用TIMS和PASEF进行大规模肽段CCS测量

4D蛋白质组学在技术上的革命性突破已成为蛋白质组学深入发展的强劲引擎。景杰生物自2019年行业首创“4D蛋白质组学”分析，到2021年，实现4D蛋白组分析类型的“全覆盖”。短短两年，景杰生物4D蛋白质组学已经完成了超万例样本的高性能检测，赢得了行业与客户的高度认可，牢固占据行业的领军地位。

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参考文献

[1] Roman Fischer, et al, 2021, High-Throughput Proteomics During a Pandemic. Genetic Engineer & Biotech News.

[2] Philipp Emanuel Geyer, et al., 2021, High-resolution longitudinal serum proteome trajectories in COVID-19 reveal patients-specific seroconversion. Medrxiv.

[3] Andreas-David Brunner, et al, 2021, Ultra-high sensitivity mass spectrometry quantifies single-cell proteome changes upon perturbation. Biorxiv.

[4] Florian Meier, et al., 2021, Deep learning the collisional cross sections of the peptide universe from a million experimental values. Nature Communications.