蛋白质组学技术服务人才壁垒分析.docx

蛋白质组学技术服务人才壁垒分析一、 蛋白质组学技术服务人才壁垒蛋白质组学和蛋白质修饰组学对人才队伍的需求苛刻，不仅需要吸引色谱与质谱分析、蛋白质组学、生物化学、蛋白质化学、表观遗传学、分析化学、生物信息学等多领域的高级专业人才，并且要实现诸多不同专业背景人才的相互融合，才能保证较高的综合服务质量，构建竞争优势二、 蛋白质组学成为新药开发的催化剂生命活动的执行离不开生物大分子，包括核酸、蛋白质、糖、脂等熟知的基因、新冠mRNA疫苗都属于核酸基因序列记录了遗传信息，可以一代代传承而蛋白质则是生命活动的执行分子，通过忠实执行基因序列中的命令，参与了各个生命过程蛋白质合成之后，上面的一些部位往往会被一些化学基团修饰，称之为蛋白质修饰，这种修饰往往会导致蛋白质稳定性、活性的改变就如同中药材的炮制，中药还是原来的中药，炮制后的药效、毒性就会有改变，赋予中药更多的功能，加宽了其配伍的可能性蛋白质的异常，包括其含量的变化，或者蛋白质修饰的变化往往会导致生理功能的变化，疾病甚至癌症的发生，而很多药物的开发的目标就是作用于这些异常的蛋白质或者蛋白质修饰1994年，澳大利亚科学家MarcWilkins首次提出蛋白质组这一概念，蛋白质组（Proteome）是指一个细胞或组织由整个基因组表达的全部蛋白质。

蛋白质组学（Proteomics）是采用大规模、高通量、系统化的方法，从整体的角度分析细胞或组织内动态变化的蛋白质组成成分、表达水平和修饰状态及蛋白质之间的相互作用，目的在于揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律的学科蛋白质组研究对象涉及人体、动物、植物和微生物，可以为疾病标志物的筛选、疾病机制研究、植物抗逆机理研究、发育机制研究等方向提供技术手段，为精准医疗、药物靶点研究、药效分析等提供支持三、 行业市场驱动因素蛋白质组学在生命科学与医学研究和应用中的地位进一步凸显：随着人类等生物体全基因组序列测序的完成和测序技术的成熟，作为生命个体的设计蓝图的基因组中包含的信息已经得到了相对充分的挖掘随之而来更深入的科学问题集中于相同的基因组为什么会表达出不同的蛋白质组，蛋白质组作为生命功能的最终执行者以何种机制完成生命个体复杂的生理过程以及何种原因导致了病理状态的发生和发展在后基因组学时代，以蛋白质组学为核心的组学技术正成为生命科学和生物医学研究的核心驱动力之一突破新药研发效率与成功率瓶颈的驱动：在当前业界主流的药物研发模式下，投入多、周期长、效率低、成功率低是难以克服的行业痛点很大一部分进入Ⅰ、Ⅱ期临床试验的药物分子无法顺利进入Ⅲ期临床试验；即使是进入Ⅲ期临床试验的药物分子，其Ⅰ、Ⅱ期临床试验结果仍无法对Ⅲ期临床试验结果进行有效预测。

这些现象揭示出临床试验设计的缺陷，即缺乏特异性高、对药效有预测性质的生物标志物来挑选最适合的病人入组进行临床试验帕博利珠单抗（pembrolizumab）的成功关键之一是利用病人肿瘤组织中的PD-L1的表达量作为入组临床试验的筛选标准考虑到蛋白质与疾病发生发展的直接联系，利用蛋白质组学寻找药敏标志物、优化临床试验设计，使得提高药物研发成功率成为可能有望解决精准医学发展的困境：基因组学时代的精准医学是以寻找驱动基因突变为基础的模式但越来越多的证据表明，基因组学鉴定到的数量庞大的基因突中只有少数的突变被证明是驱动基因突变而依据驱动基因突变成功研发的靶向治疗药物，在带有此突变基因的病人群体中的治疗有效率依然不高单纯以基因突变进行疾病诊断的模式仍存在一定不足，间接导致了当前精准医学的发展困境导致疾病发生的三个内在因素中，基因突变直接引起疾病发生的比例有限，而很大一部分致病因素是由蛋白质表达量异常及蛋白质修饰异常引起的因此，为应对精准医学当前所面临的困境，突破口之一就是在蛋白质组与蛋白质修饰组的维度上深刻理解疾病的精准状态，并进一步用于精准诊断与生物标志物驱动的精准新药开发四、 蛋白质组学概览（一）基因和基因组学现代生命科学研究的早期，研究人员多从组织水平、细胞水平研究生命现象和生物过程。

这些研究多是基于观察而描述生物学现象和过程，对生命现象的本质涉及较少直到上世纪五十年代DNA双螺旋结构被发现，这一里程碑式的研究成果标志着生命科学研究正式迈进分子生物学时代分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、功能、结构特征及其重要性、规律性的学科，是人类从分子水平揭开生命的奥秘，从被动适应自然界转向主动改造自然界的基础学科作为分子生物学最重要的奠基性成果之一，中心法则揭示了以DNA序列为模板，历经转录、翻译最终实现蛋白质表达的全过程在上述过程中，含有特定遗传信息的一段DNA序列是分子生物学研究的主要对象在现代疾病研究领域，分子生物学最突出的成就是揭示某些疾病与特定基因的异常表达及基因突变密切相关，奠定了疾病的分子生物学基础早期的分子生物学研究往往聚焦于单个基因或蛋白质分子随着研究的深入，人们逐渐认识到生命体是一个复杂的网络系统，仅研究单个生物大分子无法了解生命过程和疾病的发生机理，而只有系统性研究生物大分子才能更深入理解生命现象因此，组学的概念应运而生，即对生物体某一类大分子进行集体表征和定量研究，探究系统层面上生命的奥秘1986年提出的基因组学主要研究基因组的结构、功能、进化、表达特征以及对生物体的影响。

随着基因测序技术的发展和人类基因组的解码，基因组学在过去二十年间积累了大量数据，推动了生命科学深入发展，并在疾病机理研究、疾病诊断、药物开发等方面催生了精准医学的概念和产业化发展二）从基因组学到蛋白质组学经过美国、英国、法国、德国、日本和中国科学家的共同协作，1990年正式启动的人类基因组计划于2005年宣告完成，其宗旨在于测定组成人类染色体（指单倍体）中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的虽然基因组测序工作的完成使得人类对自身基因的理解到达新的高度，但是基因仅仅决定了生物具有某个性状的潜能，而生命体最终的性状是由环境和蛋白质的相互作用而体现紧随人类基因组计划的完成，科学家又进一步提出了后基因组计划，即基因功能研究，而蛋白质组学研究是后基因组计划中的一个重要组成部分以二代基因测序为代表的分子生物学技术已鉴定多达数亿个人类遗传变异，上述信息虽然有助于科学界加深对生命过程、疾病病理的理解，但是上述遗传变异中的绝大部分并未在蛋白质层次上获得功能上的确认因此，绝大多数的遗传信息和表型之间仍缺乏联系的桥梁，而这正是蛋白质组学所研究的领域。

为解决上述问题，研究人员需要获得海量的蛋白质组数据，并对上述蛋白质组数据进行深入挖掘和验证，只有这样才能充分了解遗传变异和表型之间的关系，理解其生物学的意义尽管蛋白质在生命过程中扮演了极为重要的角色，然而相比基因组的研究成熟度而言，蛋白质组目前的研究还不够深入，仍处于早期发展阶段三）蛋白质组学的发展概述蛋白质组的概念于1994年被正式提出，指生物体或生物样本中所有基因表达的蛋白质及其存在方式蛋白质组学是一门致力于研究生物体在特定条件、特定时间、特定空间内全部蛋白质的种类、表达、相互作用、修饰状态的学科在1994年，澳大利亚科学家MarcWilkins便提出了蛋白质组这一概念在2001年，国际人类蛋白质组组织正式宣告成立，进一步推动蛋白质组学研究领域的发展然而在蛋白质组学概念提出后的初期阶段，受到研究手段以及硬件性能的限制，研究发展十分缓慢随着软电离质谱技术以及高分辨率高通量质谱技术的诞生和运用，高通量蛋白质组学研究开始具备必要条件因其检测具有高灵敏度、高分辨率和高通量的优点，质谱技术得到迅速发展并成为蛋白质组学领域的核心技术，推动了人类蛋白质组计划的实施近年来多个人类蛋白质组图谱相继发表，加深了人类对蛋白质组学的理解。

新型蛋白质翻译后修饰类型的发现和确认目前只能依赖于基于生物质谱的蛋白质组分析方法随着蛋白质翻译后修饰的大规模发现和检测分析技术的进一步发展，在组学水平纳入对蛋白质翻译后修饰的分析逐渐成为趋势对于多种修饰类型的研究有助于加深对病理、药理的理解，为生物医药企业进行药物筛选和药效评估打下了良好基础四）蛋白质质谱仪及其分类蛋白质质谱分析是将样品中蛋白质进行离子化后，通过测定蛋白质的分子离子及碎片的质量数，确定样品的相对分子质量的方法目标蛋白质分子经过不同电离方式带电后，样品分子失去电子或被打碎，变为带正电荷的分子离子和碎片离子，按照质量（m）和电荷（z）的比值大小（即质荷比大小）依次排列并被记录下来，由此生成的谱图被称为质谱图基于质谱图，研究者可以获得样本中蛋白质的组成、含量变化以及蛋白质序列等信息作为分析蛋白质的核心仪器，蛋白质质谱仪的基本组成结构是相似的，都包括进样系统、离子源、质量分析器、检测器和真空系统，其中离子源、质量分析器和检测器是核心部分通过将液相色谱和蛋白质质谱仪的进样系统进行串联，可以降低分析样本中蛋白质的复杂程度，极大提高蛋白质质谱仪的性能，使得混合物的蛋白质组分析成为可能，是目前进行蛋白质组学研究的主要方法。

1、进样系统进样系统的作用是把处于常压状态的样品传输到处于真空状态的离子源处，按照不同的样品导入方法可以分为直接进样法和间接进样法蛋白质质谱分析普遍采用液相色谱-质谱联用分析技术，将色谱柱分离的组分导入质谱，可以使混合物的直接质谱分析成为可能，极大地拓宽了质谱仪的使用范围液相色谱是一种针对成分复杂的混合物而开发的有效分离方法利用不同物质的物理化学特性差异，选择合适的分离介质，将高度复杂的混合物分离成为若干个成分相对简单的组分，从而实现混合物中各物质的分离以蛋白质组分析为例，待分析样本中通常可以提取到上万种总蛋白，经过酶的消化处理后得到小分子肽段种类超过数十万，需要先经过液相色谱被分离为数百个组分，大大降低了样本的复杂程度，随后依次进入质谱仪进行分析减少在单一时间点进入质谱的肽段数目，尽量避免共洗脱肽段对质谱解析的不利影响，从而实现在一个时间段内持续分析样本中的肽段，充分发挥质谱的分析能力，提高蛋白质的鉴定深度和数据可靠性2、离子源离子源的主要功能是为样本离子化提供能量，通过物理化学方法使待检测物电离后形成具有不同质荷比的离子束在质谱仪发展的早期阶段，离子源多采用高能量电子轰击而使样本带电，这种离子化方法因而被称之为硬电离。

硬电离产生的带电离子往往具有较高的能量而不稳定，会进一步断裂并产生众多碎片，很容易破坏有机分子中的共价键，因此不太适合用于蛋白质分析ESI（电喷雾电离）以及MALDI（基质辅助激光脱附电离）等软电离方法的发明问世使质谱技术应用于生物大分子的高通量质谱分析成为可能，促进了质谱技术在生物学和临床医学研究中的应用和推广许多科学家因为开发新型离子源而获得了诺贝尔奖，例如发明MALDI的岛津公司田中耕一和发明ESI的JohnB．Fenn共同获得2002年诺贝尔化学奖①ESI的工作原理：含有待分析物质的溶液进入电喷雾探头，通过高电压、高热的毛细管，随着溶剂蒸发，液滴不断雾化而最后生成带电离子ESI离子源可以和液相色谱连用，适合同时鉴定数千蛋白质②MALDI的工作原理：将样品和显著吸收特定光谱的基质分子混合，经过脉冲激光束照射后，样品分子从样品板上脱附而电离MALDI离子源不适合分析蛋白混合物，但是适合较纯的样本，可以实现快速分析3、质量分析器生物样品中蛋白质分子经离子源电离后进入质谱仪，并经电场加速后，形成高速离子束，进入质量分析器质量分析器依照带电离子的质荷比而对其分离并记录各种离子的质量数和丰度，用于后续定性与定量分析。

质量分析器有两个主要的技术参数：质量范围和分辨率质量范围决定了能检测到的离子的范围；分辨率决定了质谱仪获得数据的精密度和对谱图有效解析的能力目前蛋白质组学主流在蛋白质组分析时，多将上述质。