光合磷酸化过程

大家好，本周为大家介绍一篇本课题组发表在ACS Chem. Biol.上的文章，Insights into Phosphorylation-Induced Protein Allostery and Conformational Dynamics of Glycogen Phosphorylase via Integrative Structural Mass Spectrometry and In Silico Modeling1。变构调节在自然界中广泛存在，可以用于调控细胞过程。糖原磷酸化酶（GP）是第一个被鉴定出的与变构调节相关的磷酸化蛋白。GP是一个分子量约196kD的同源二聚体蛋白，是糖代谢中重要的组分，也是2型糖尿病及癌症的靶点。AMP结合以及Ser14的磷酸化介导了GP的变构调节，使其构象从非活化的T-state GPb（未磷酸化状态）转变为活化的R-state GPa（磷酸化状态）。即使目前X-射线晶体学法解析出了GP的原子级蛋白结构，但受限于较大分子量，其结构动态性的检测较为困难，因此与GP变构调节相关的结构动态变化过程仍较为模糊。核磁共振（NMR）谱及分子动力学（MD）模拟等是探究蛋白质结构动态性的常用方法，但NMR分析存在分子量上限，且样品消耗量大，MD模拟的时间尺度和力场准确度有限。质谱（MS）法具有快速、灵敏的特点，是蛋白质结构、动态性以及构象变化分析中强有力的一款技术。氢氘交换质谱（HDX-MS）通过监测蛋白骨架酰胺氢原子与溶液中氘的交换来反映蛋白质构象动态性，因此适用于探究由配体、蛋白结合或共价修饰引起的蛋白质构象变化。同时，多个软件实现了由HDX-MS数据计算保护因子（PFs）和吉布斯自由能，从而提取残基水平的蛋白动态性信息。此外，在先前的工作中2, 3，我们整合了native MS和top-down方法（native top-down，nTD-MS技术），成功实现了多个蛋白复合物的一级序列到高阶结构等多方面信息的检测（包括测序、翻译后修饰、配体结合、结构稳定性、朝向等）。整合多种结构质谱法（整合结构质谱法）可以有效填补传统生物物理法中结构到动态性联系中的空缺，更好地表征变构调控现象。本文整合了HDX-MS、nTD-MS、PF分析、MD模拟以及变构信号分析检测了磷酸化介导的GP变构调控的结构和动态性基础，为GP的变构调控过程提供了见解。根据X-射线晶体学结构报道（图1a），T-state GPb转变为R-state GPa时，二聚体界面中N-末端尾部、α2、cap’（图1b）以及tower-tower helices区（图1c）发生了明显的结构重排，导致催化位点开放，从而底物磷酸吡哆醛（PLP）可以结合。尽管有晶体学报道，但与变构调控关联的构象动态性仍有待探寻。图1.（a）磷酸化介导T-state GPb（PDB：8GPB）向R-state GPa（PDB：1GPA）的构象转变；亚基相互作用界面：（b）C端区域和（c）tower-tower helices，GPb为蓝色，GPa为绿色。首先我们通过nTD-MS进行了检测。如图2a、b，谱图中观察到了GPb的单体和二聚体信号，其中二聚体为主要形式；GPa除了单体和二聚体外，谱图中还存在少量四聚体，但仍以二聚体为主要形式。当增加sampling cone（SC）电压时，GPb、GPa保留了其二聚体形式（图2c、d）。随后我们选择离子（29+）并在trap池中进行了碎裂（图2e、f、g、h），谱图低质荷比区GPa的碎片相对峰强度较GPb高，说明GP的二聚体互作界面较为稳定，且GPb亚基结构较GPa稳定。nTD-MS不仅能够探究GPb、GPa的结构差异，也能够为接下来的HDX-MS实验做好前期样品质量检查工作。图2.不同活化条件下GPb、GPa的nTD-MS谱图。（a、b）SC=40V；（c、d）SC=150V；（e、f）SC=150V、trap=100eV；（g，h）SC=150V、trap=200eV。左侧为GPb，右侧为GPa。随后我们进行了HDX-MS实验。图3a中展示了五个时间点的HDX heat map。图3b为通过PyHDX软件计算产生的PF值。其中N-端（1-22）以及tower helix前的loop区域（256-261）的氘代值较高、PF值较低，说明这些区域较为柔性或是结构较为无序。此外我们发现，tower-tower helices（262-276）区域的氘代值较低、PF值较高，表明helices的旋转可能是由前端可塑性铰链区触发的，而非helices本身的变形和重塑引起的，这些发现在晶体结构数据中均有吻合之处。除这两个区域外，GPa和GPb基本保持了稳定的整体结构。而从1μs原子级MD模拟计算得到的均方根波动（RMSF）和溶剂可及表面（SASA）中我们也发现（图3c），这两个区域数据与HDX-MS信息有所吻合，但MD模拟中部分区域未和HDX-MS相吻合的区域可能跟序列覆盖不足相关。图3. （a、d）GPb和GPa在不同标记时间下的氘代热图并映射到结构中（PDB: 1GPA）。（b、e）基于HDX-MS数据计算得到的PF值并映射到晶体结构中。（c、f）MD模拟中RMSF和SASA值并映射到结构中。从氘代差异图（图4a）中可以看出，4个区域呈氘代降低趋势（红色方框），多个区域呈氘代上升趋势（蓝色方框）（GPa-GPb）。而PF差的变化趋势与氘代变化趋势基本一致（图4b）。由数据可知，N-端和tower-tower helices的变化说明磷酸化介导的变构稳定了这两个区域，α1-cap-α2区域的动态性轻微下降。除此之外多个区域（尤其是tower-tower helices序列后的区域）均表现为PF值下降，说明相比于GPb，GPa催化位点附近的区域动态性增强了。接下来我们根据HDX kinetic plot特征将其进行了分类，并详细讨论了所属区域的变化。图4.（a）GPa-GPb HDX-MS的氘代差异图。（b）GPb到GPa PF的变化。 首先是N-端和C-端的变化（图5）。N-端残基1-22表现氘代下降，这说明N-端具有一定可塑性。受N-端区域磷酸化和结构变化影响，C-端区域也产生了一定的变化。此外，残基30-50（cap区）和残基111-117（α4back-loop）区表现氘代下降，而103-109（α4front）表现氘代上升。根据晶体结构推测，cap区和α4back-loop的氘代变化受N-末端变化影响，原有的残基相互作用被打破，形成新的残基间相互作用，同时这两个区域也经历了结构重排，因此表现出较明显的氘代变化。残基88-99（β2-α3）和残基125-141（β3-L-α6）氘代上升。总的来说，磷酸化使得cap′/α2界面互作增强了，同时磷酸化基团和精氨酸残基的静电相互作用是cap区产生变化的主要原因，而α1和α2起到锚定作用，其相对位置基本保持不变。图5.GPb（a）和GPa（b）的N-端和C-端区域的局部结构和HDX动力学曲线（c）。 此外，tower-tower helices（α7，残基262-278）区的变化同样值得关注（图6）。250s loop是表面暴露区域，未与其他区域发生接触，其氘代下降可能是因为自身结构的收缩。而肽段262-267和268-274氘代下降提示该区域可能发生了低周转率或强互作的结合反应。280s loop区氘代值上升。这些变化均说明，tower-tower helix的角度的改变不仅影响了二聚体界面结构，而且还影响了其靠近催化位点的周围区域。因此我们结合晶体结构推测，磷酸化和N-端相对位置的改变，使250s loop自身结构收缩，从而打破了Tyr262' -Pro281和Tyr262-Tyr280′之间的相互作用，导致两个亚基的tower helices发生相对滑动，倾斜角度增加。图6.GPb（a）和GPa（b）tower helix区域的局部结构和HDX动力学曲线（c）。 最后是催化位点、PLP结合位点和糖原存储位点的变化情况（图7）。催化位点周围多数区域均表现氘代上升趋势。我们推测，随着Pro281、Ile165和Asn133间的相互作用被打破，Arg569与Ile165、Pro281、Asn133间的互作也随之打破，因此催化位点和PLP结合位点周围的残基溶剂可及性上升，局部区域结构变得更为灵活，催化位点开放并转变为活化构象。糖原储存位点位于GP表面，距离催化位点30Å，除了α23（残基699−708）外，HDX-MS在糖原存储区没有观察到明显的变化。图7.GPb（a）和GPa（b）的催化位点和PLP（橙色）结合位点的局部结构和HDX动力学曲线（c）。结合以上所有数据，我们对磷酸化调节的动态机制进行了推测（流程图1）。磷酸化后，N-端尾部残基与acidic patch的互作被打破，也导致N-端尾部的有序化以及C-端尾部的无序化以及伴随的其他结构变化。通过在pSer14和Arg69和Arg43′之间形成新的盐桥，N-端残基被重定位，随之带来的是Asp838和His36′间的盐桥断裂。随着三级和四级结构的转变，250s loop收缩并发挥类似“门环”的作用，当其收缩时，Tyr262′-Pro281与Tyr262-Tyr280′之间的相互作用、276-279区与162-164区之间的氢键也被打破，导致tower helix发生相对滑动，tower-tower helices之间的作用被打破，同时将结构变化传递到催化位点。最后，280s loop和催化位点以及PLP结合位点附近的残基松动，通往催化位点和底物磷酸盐识别位点的通道打开，酶得以活化。流程图1.GP变构调节过程中，被打破（蓝色）或新形成的（红色）关键残基相互作用。 本文整合nTD-MS、HDX-MS、PF分析和MD模拟检测了GP磷酸化变构调节过程的结构和动态基础，通过该整合结构手段揭示了GP构象柔性、局部动态性以及长程变构调控构象变化中值得关注的信息。各个方法具有各自的优势，但也在一定层面存在局限，我们期待将HDX-MS信息与计算模拟信息进行更深度的整合以实现二者对蛋白质结构更精确的分析。撰稿：罗宇翔编辑：李惠琳原文：Insights into Phosphorylation-Induced Protein Allostery and Conformational Dynamics of Glycogen Phosphorylase via Integrative Structural Mass Spectrometry and In Silico Modeling李惠琳课题组网址：https://www.x-mol.com/groups/li_huilin参考文献1.Huang, J. Chu, X. Luo, Y. Wang, Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Li, H., Insights into Phosphorylation-Induced Protein Allostery and Conformational Dynamics of Glycogen Phosphorylase via Integrative Structural Mass Spectrometry and In Silico Modeling. ACS Chem. Biol. 2022.2.Li, H. Nguyen, H. H. Ogorzalek Loo, R. R. Campuzano, I. D. G. Loo, J. A., An integrated native mass spectrometry and top-down proteomics method that connects sequence to structure and function of macromolecular complexes. Nat. Chem. 2018, 10 (2), 139-148.3.Li, H. Wongkongkathep, P. Van Orden, S. L. Ogorzalek Loo, R. R. Loo, J. A., Revealing ligand binding sites and quantifying subunit variants of noncovalent protein complexes in a single native top-down FTICR MS experiment. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2014, 25 (12), 2060-8.

2016年12月19日，上海生科院生理大楼2楼报告厅，来自全国各地的200多位植物生理专家齐聚一堂，共同庆祝沈允钢先生90华诞并召开2016长三角光合作用学术研讨会。本次盛会由上海市植物生理与植物分子生物学学会、中科院上海生科院植物生理生态研究所光合作用与环境生物学实验室承办，浙江省植物生理与植物分子生物学学会和江苏省植物生理学会协办。 沈允钢先生，植物生理学家。1927年出生于浙江杭州，1951年毕业于浙江大学农业化学系，同年8月，被分配到中国科学院上海实验生物研究所植物生理研究室工作，任研究实习员。20世纪50年代末，沈允钢先生在殷宏章先生的领导下，着手探讨光合作用机理研究，着重进行光合磷酸化的机理研究。1961年，他与合作者完成了光合磷酸化量子需要量的测定，结果表明在光合电子传递还原一个辅酶II等电子受体的同时无论合成一个腺三磷与否都需要利用4-6个光量子，这证实腺三磷合成和光合电子传递是偶联在一起的。这一结果被殷宏章先生带到1961年在莫斯科召开的第五届国际生化学会议的光合作用专题组中发表，得到了与会代表的认可。沈允钢等人在世界上首先发现了光合磷酸化过程中存在着高能中间态，比美国科学家Jagendorf等早发表一年，这一发现引起了国际同行的重视，在文献中被多次引用。Jagendorf等的后续研究证明这种高能中间态就是Mitchell提出的化学渗透假说中的跨膜质子梯度，为化学渗透假说提供了最早的直接证据，该学说于1978年获诺贝尔化学奖。沈允钢等的光合磷酸化高能态的发现，使光合磷酸化机理研究迈进了大大一步，受到了国际科学界的高度评价。1980年沈允钢先生当选为中国科学院学部委员（院士）。 沈允钢先生为我国植物生理研究做出了巨大的贡献，他实事求是、平易近人、踏实笃定、治学严谨的作风影响着一代又一代的光合人，他的一言一行激励着一批又一批的后备科研工作者，也激励着我们为各位科研工作者提供更好的技术服务。泽泉科技全体同仁恭祝沈允钢先生福寿安康、松鹤长春！ 在九十华诞庆典之后召开了2016长三角光合作用学术研讨会，与会专家就光合作用研究的进展、沈允钢院士的光合作用研究历程等内容做了报告交流。 本次研讨会，泽泉科技向广大与会专家介绍了植物光合作用测量的全方位解决方案，并展示了德国WALZ气体交换光合仪GFS-3000、双通道调制叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100、光纤式放氧仪等产品。很多与会专家到泽泉展台就仪器的使用以及更新换代进行了深入的交流，对泽泉科技的产品和服务表示充分肯定。

蛋白质磷酸化是在激酶催化下将磷酸基团转移到底物蛋白质上的可逆过程，是能够调控蛋白质结构与功能且参与细胞内信号转导的重要翻译后修饰，在植物的生长、发育、环境适应以及作物的产量和品质调控中发挥着重要作用。深度解析磷酸化蛋白质组，是探讨磷酸化如何参与这些生物学过程以及筛选与作物重要农艺性状相关的关键磷酸化靶点的有效手段。然而，与动物相比，植物磷酸化蛋白质组的深度解析在技术上更具挑战性。这是由于植物细胞具有致密的细胞壁和大量的色素以及其他次生代谢物。前者增加了蛋白质提取的难度，而后者干扰了磷酸肽富集的效率和特异性。 中国科学院遗传与发育生物学研究所汪迎春研究组通过探索一系列的实验条件，研发出高效的植物磷酸化蛋白质组学新技术。该技术的主要特点是利用脱氧胆酸钠高效抽提植物蛋白，同时消除常规方法中导致样品损失和灵敏度降低的两个步骤，即在蛋白酶消化前的样品净化和在磷酸肽富集前的脱盐处理，在色素与其他干扰分子共存的情况下进行高特异性、高灵敏度地磷酸肽富集。 科研人员应用这一方法，在拟南芥、水稻、番茄和衣藻等绿色生物的组织中高效纯化磷酸化蛋白质组（单针质谱可鉴定约11,000个磷酸位点）。由于该技术主要面向高等植物及其他绿色生物（如衣藻），且操作简便，降低了实验所需的人力和试剂费用，因此命名为GreenPhos。GreenPhos可定量分析不同植物的磷酸化蛋白组，分析深度深、定量重复性高，有望成为植物磷酸化蛋白组学的通用技术。研究人员应用该技术，深度解析了拟南芥响应不同时长盐胁迫的差异磷酸化蛋白质组，发现了包括剪接体蛋白和一些激酶响应盐胁迫的磷酸化事件。 11月27日，相关研究成果在线发表在《分子植物》（Molecular Plant，DOI：10.1016/j.molp.2023.11.010）上。研究工作得到国家重点研发计划与中国科学院战略性先导科技专项的支持。中国科学院植物研究所的科研人员参与研究。GreenPhos工作流程及多种绿色生物磷酸化蛋白质组鉴定结果

在国家自然科学基金的大力支持下(项目资助号：21021004)，中国科学院大连化学物理研究所邹汉法研究员在磷酸化蛋白质组分析技术方面获得新进展，相关成果发表在最近一期的Nature Protocols上(2013，8，461-480)。(http://www.nature.com/nprot/journal/v8/n3/abs/ nprot.2013.010.html)。　　固定化金属离子亲和色谱(IMAC) 是磷酸化蛋白质组学研究中最常用的磷酸化肽段富集技术之一，常规的IMAC使用的螯合基团有三羧甲基乙二胺、次氨基乙酸、亚氨基二乙酸等，在螯合铁、镓等金属离子后可用于磷酸肽的富集。其缺点是特异性不高，在富集磷酸肽的同时也富集了一些酸性肽。研究人员发现了磷酸酯锆或钛表面与磷酸肽之间的高特异性相互作用，并利用这一相互作用建立了以磷酸基团为螯合配体的新一代固定化金属离子亲和色谱技术。实验表明，该新型IMAC对磷酸肽富集的特异性优异，可以有效避免酸性肽段的非特异性吸附。与传统的IMAC相比较，其对磷酸肽的富集能力提高3-10倍，从而大大提高了蛋白质磷酸化分析的检测灵敏度和鉴定覆盖率。该新型IMAC方法自2006年发表首篇论文以来，已在Mol. Cell. Proteomics, J. Proteome Res., Anal. Chem.等蛋白质组学与分析化学权威期刊发表论文20余篇，其中2007年发表在Mol. Cell. Proteomics的一篇论文已经被引用110余次。采用该方法为核心技术进行了人类肝脏蛋白质磷酸化的规模化分离鉴定，建立了迄今为止国际上人类肝脏蛋白质磷酸化的最大数据集 (Mol. Cell. Proteomics，2012，11，1070-1083)。

大家好，本周为大家介绍一篇发表在J. Am. Chem. Soc.上的文章，Transient Structural Dynamics of Glycogen Phosphorylase from Nonequilibrium Hydrogen/Deuterium-Exchange Mass Spectrometry，文章作者是英国埃克塞特大学的Jonathan J. Phillips。　　变构调节指在蛋白质的正构位点上的变化通过蛋白质内部传递，最终影响到变构位点的结构，从而调整白质功能。理解蛋白质功能转换背后的特定结构动态变化对于分子生物学和药物发现领域至关重要。尽管变构现象自从提出以来已有广泛的研究，但是关于信号如何在蛋白质内部长距离传递的具体机制仍然不甚清楚。很大程度上是由于缺乏能够在时间和空间上高分辨率测量这些信号的生物物理方法。糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase，GlyP)是研究变构调节常用的标准蛋白，GlyP与II型糖尿病和转移性癌症的治疗密切相关。GlyP作为一种典型的变构酶，其活性受磷酸化修饰、多种天然配体和药物的调控。本文旨在通过开发和应用非平衡毫秒级氢/氘交换质谱(neHDX-MS)技术，来精确定位GlyP在变构激活和抑制期间的动态结构变化。这项技术能够提供蛋白质在毫秒时间尺度上的局部结构动态信息，有助于揭示变构调节过程中的瞬态结构特征，从而为理解蛋白质的动态行为和设计变构调节剂提供重要的结构信息。　　作者首先确定了能够完全激活或抑制GlyP的条件。25 mM 的AMP能实现GlyPb的最大激活(图1A)。32 mM咖啡因足以完全抑制GlyPa(图1B)。并且观察到50ms内AMP和咖啡因能够达到最佳激活/抑制状态(图1C和1D)。　　图1.糖原磷酸化酶b的变构激活和糖原磷酸化酶a的抑制。　　随后作者通过neHDX-MS捕捉由AMP引起的GlyPb变构激活过程中的局部结构扰动。通过激活过渡态与未激活和激活状态之间的HDX差异，作者将这些肽段分成了七个类群。其中重点值得关注的类群是c、d(其他类群对应区域及趋势不在此详细介绍)，因为他们的HDX行为与未激活和激活时的稳定态都有明显差异，这些局部区域的结构变化是过渡态的独特体现(图2A)。其中，c类群主要涵盖了tower helix区(图2B)，说明该区域在从未激活到激活状态的过渡态中，表现出相较于前后二者皆较高的动态性。d类群涵盖活性位点，说明活性稳点结构在因结合发生了结构稳定化现象。为了从原子水平理解这些瞬态结构变化，研究人员使用了一种基于Energy Calculation and Dynamics(ENCAD)的方法，Climber，来模拟从非活性状态到活性状态转变过程中的过渡态内部作用变化。结果显示，tower helix在激活过程中经历了氢键先断裂后形成的变化，这与观察到的HDX增加相一致(图4A)。　　图2.GlyPB中表现不同结构动力学行为的类群。　　图3.局部区域HDX动力学。　　图4.GlyP在活性和非活性状态之间的结构插值。　　随后作者探讨了咖啡因如何通过变构抑制影响GlyPa的结构动态。同样作者也比较了抑制过渡态与未抑制和抑制状态之间的HDX差异，分成了七个类群。在这几组类群中，仅有m表现出较未抑制和抑制状态都较明显的氘代上升趋势(图2C、图3C&D)。m区域涵盖了tower helix区(图2D)，说明该区域在未抑制状态到完全抑制状态的过渡阶段内，发生了局部去结构化现象。此外，在280s loop和250′ loop区域也表现出类似的瞬时去稳定化现象。结合AMP激活实验中的现象表明，尽管咖啡因和AMP作用于GlyP的不同位点，但它们都可能通过类似的变构路径(即tower helix的去稳定化)来引起GlyP的变构调节，从而实现对该蛋白功能的调控。同样在Climber分析中，可以观察到对应区域发生了氢键重排，与neHDX-MS结果呼应(图4B)。　　本文讨论了GlyP的变构调节中间态涉及的局部结构动态变化，并通过毫秒级neHDX-MS揭示了这些变化。结果表明激活和抑制过渡态都涉及到tower helix的氢键断裂和局部结构重排，这是两个途径的共同特点。本研究的亮点在于开发了一种新的neHDX-MS方法，能够在毫秒时间尺度上观察蛋白质的变构结构动态。这种方法不仅对理解GlyP的变构机制具有重要意义，而且可以广泛应用于不同蛋白质的变构研究，为理解蛋白质的变构调节提供了新的视角和工具。　　撰稿：罗宇翔　　编辑：李惠琳　　文章引用：Transient Structural Dynamics of Glycogen Phosphorylase from Nonequilibrium Hydrogen/Deuterium-Exchange Mass Spectrometry　　参考文献　　Kish, M. Ivory, D. P. Phillips, J. J., Transient Structural Dynamics of Glycogen Phosphorylase from Nonequilibrium Hydrogen/Deuterium-Exchange Mass Spectrometry. J. Am. Chem. Soc. 2023, 146 (1), 298-307.

仪器信息网讯 近日，中国科学院大连物理研究所生物分子高效分离与表征研究组(1810组)张丽华研究员和张玉奎院士团队，蛋白组组学分析最新成果发表于《自然-通讯》(Nature Communications)上。团队发展了N-磷酸化肽段高选择性富集新方法，并结合肽段的高效分离和高灵敏度鉴定，实现了N-磷酸化蛋白质组的深度覆盖分析。　　与研究相对深入的发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸侧链氨基上的蛋白质O-磷酸化修饰相比，发生在蛋白质组氨酸、精氨酸和赖氨酸上的N-磷酸化修饰，由于P-N酰胺键具有较高的吉布斯自由能，且易发生水解，目前仍缺乏有效的N-磷酸化蛋白质组分析方法，制约了人们对其生物学功能的认识。　　团队研制了具有核壳结构的亚二微米硅球，并通过在硅球表面键合双二甲基吡啶胺双锌分子，在中性条件下实现了N-磷酸化肽段的高效、高选择性、快速富集 通过基于该材料的on-tip富集方法和液质联用分离鉴定的结合，不仅从HeLa细胞中鉴定到3384个N-磷酸化位点(目前最大的哺乳动物N-磷酸化数据集)，而且还发现N-磷酸化位点附近亮氨酸高度表达 建立的N-磷酸化蛋白质组分析新方法不仅为深入研究其生物学功能提供了基础数据，而且也为推动精准医学、合成生物学等领域的发展提供了技术支撑。　　上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院大连化物所创新基金等项目的资助。文章链接：《自然-通讯》(Nature Communications)。

p　　span style="font-family: 楷体,楷体_GB2312, SimKai "回顾2017年，基于质谱的临床研究有一项突破性发现。普渡大学陶纬国教授团队在2017年3月20日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上发表文章称，他们从人体血液中发现2400多种磷酸化蛋白。该发现首次证明了磷酸化蛋白可以作为基于液体活检的疾病标志物，能用于对癌症等重大疾病更早、更精准的非侵入性诊断，为 “液体活检”提供了全新的检测维度。近日，仪器信息网专访了陶纬国。/span/pp style="text-align: center "img title="1.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201801/insimg/a21a903c-0479-4776-9e2a-5b5c719f76fc.jpg"//pp style="text-align: center "strong普渡大学 陶纬国教授/strong/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong磷酸化蛋白突破性发现/strong/span/pp　　通过液体活检来诊断肿瘤和癌症等疾病一直是临床科学家关注的焦点，研究对象多集中在循环肿瘤细胞(CTC)和循环肿瘤DNA(ctDNA)，但是二者都有局限性：由于CTC在血清中的浓度非常低，取少量血液对其检测难度很大 癌症有很多基因突变，而这些突变不一定会显现出来，因此基于ctDNA进行的液体活检的诊断结果只能预测患病的概率，并不能确诊。/pp　　蛋白质磷酸化是调节和控制蛋白质活力和功能的最基本，最普遍，也是最重要的机制，同时，与许多疾病的发生密切相关。在众多肿瘤致病机理中，当前学术界对蛋白质磷酸化机理的研究最为清楚，80%-90%的癌症都跟蛋白质磷酸化有关。因此，许多抗肿瘤药物的研制都着眼于磷酸化蛋白。理论上，磷酸化蛋白作为相关基因突变的表达，在临床上能够帮助医生做出更明确的诊断。但是，有关基于液体活检的磷酸化蛋白研究还很少。此前，有个别报道在血液中发现几十种磷酸化蛋白，均是高丰度蛋白，生物学意义不大。“原因就是磷酸化蛋白一旦从细胞进入血液中就被肝脏分泌的磷酸酶水解了。”陶纬国解释说，“所以虽然磷酸化蛋白跟癌症关系非常密切，但人们无法对其进行检测。”/pp　　陶纬国团队是如何从人体血液中检测到大量磷酸化蛋白的呢?这要从三年前的一篇文献报道说起，当时陶纬国从这篇文章中了解到外泌体和微囊的结构，“当我看到类似于纳米微粒的外泌体、微囊结构时，我认为可能会有磷酸化蛋白被包裹在外泌体中，然后进入血液。如果真是这样，被外泌体包裹的磷酸化蛋白可能会避免被血液中的磷酸酶水解。”于是陶纬国团队对血液中的外泌体、微囊进行了超速离心分离、提取，然后用质谱进行检测。一周以后，实验结果让所有人都惊呆了，他们从中发现了几千个磷酸化蛋白。这个突破性的发现使得临床科学家们今后可以在1毫升血浆里找到几千个磷酸化的位点，并从中筛选出不同疾病的生物标志物。之后，陶纬国团队对乳腺癌病人血清中的磷酸化蛋白做了研究，发现乳腺癌病人体内的磷酸化蛋白与其病症密切相关。/pp　　那么，磷酸化蛋白液体活检何时能够应用临床呢?陶纬国回答说：“虽然现在还不好断言，但我认为3-5年内都有可能。”他进一步解释，随着质谱技术的显著提升，一些原来检测不到的生物标志物现在能够检测了，后面的工作主要是考察重复性有多好，假阳性有多低。/pp　　谈及未来的工作，陶纬国表示，一方面会继续做乳腺癌的磷酸化蛋白生物标志物确认的工作 另一方面也会做其他疾病磷酸化蛋白生物标志物找筛的工作，“还有很多其它疾病，比如阿尔茨海默病、帕金森综合征等，也都是蛋白磷酸化有关。”/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong质谱用于生物大分子检测的思考/strong/span/pp　　陶纬国教授做蛋白组学研究至今已有十几年，用到的研究工具主要是质谱。在攻读博士期间，陶纬国师从普渡大学著名质谱专家Graham Cooks教授。博士毕业后，陶纬国加入了西雅图系统生物研究所，在Leroy Hood教授(自动DNA测序仪发明人)和Ruedi Aebersold教授(著名蛋白质组学专家)课题组继续博士后研究。从那时起，陶纬国就开始了他的磷酸化蛋白质组学检测的研究，“重回普渡教书以后，我的工作基本上是围绕着怎么去提高磷酸化蛋白分析手段来开展的。质谱在我的工作扮演着中心角色，包括方法开发，蛋白生物标志物早筛，全靠质谱来做。”首先是早筛，用质谱(Orbitrap)筛选出相关的生物标志物(磷酸化蛋白) 然后对病人的样本进行检测，用统计学的方法对检测结果进行分类 最后，分析统计学上有意义的、跟病人相关的磷酸化蛋白。/pp　　在过去二三十年里，质谱在生物大分子检测方面有几个重要的技术突破。首先，80年代末90年代初， ESI和MALDI的出现，使质谱能够用于分析生物样品 第二，近十几年来，高分辨质谱的飞跃发展，大大提升生物大分子的分析效率。“我读博士后时(2002年)，很多仪器还是低分辨的，生物样品还是挺难做的，做完一个磷酸化的蛋白，单是数据库检索就要三天，而且，相对来说，得到的数据假阳性高。现在的高分辨质谱解谱很容易，差不多半个小时就够了，假阳性也降低很多。”此外，陶纬国还说到，“UPLC与质谱的结合在技术上是很大的进步，使色谱的分离效率赶上了质谱的速度，现在一个小时能检测到几千个蛋白，非常快。”/pp　　同时，陶纬国也指出了目前利用质谱来检测生物大分子的难点。第一，生物样品基体复杂。“像我们实验室做磷酸化蛋白，它本身丰度就很低，假如样本不经过任何分离的话，谱图上将会只能看到高丰度蛋白。”第二，质谱检测假阳性比较高。“其实还是需要统计学算法方面的开发，来解决假阳性率高的问题，这也是现在很多质谱开发者在做的工作。”/pp　　现如今质谱产品更新迭代非常快，对于质谱工作者来说，是好，也是坏。“新产品的确扫描速度更快了，精度更高。但是，也给质谱工作者带来了不小的压力。特别是像我们这种使用高分辨大仪器的，没有那么多钱换来换去。可是如果你想要紧跟前沿，这些新仪器又十分必要。”陶纬国说，这是目前质谱工作者普遍面临的两难境地。/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong整合临床大数据/strong/span/pp　　2017年，陶纬国作为海外高层次人才被东南大学引进回国。谈及回国的初衷，陶纬国表示，国内拥有更多、更丰富的病人样本，这是他选择回国的原因之一。此外，国内对于高分辨质谱等大型仪器的投入力度也更大，有助于前沿研究的开展。谈到选择东南大学的原因，陶纬国说到：“东南大学的生物医学工程学院有转化医学，有生物，然后又有工程，包括产业化，比较适合我。”/pp　　现在国内，整合医学大数据来服务大健康的概念很热，“在全国，包括南京，都已经有相关工作在开展”。从临床检测这个角度来说，陶纬国希望找到办法来整合DNA检测，microRNA检测，磷酸化蛋白检测几个维度的数据，从而获得更为精准的临床诊断结果。“比如检测一个肿瘤，通过对DNA、mRNA、磷酸化蛋白、糖基检测多维度数据的不断积累，数据会越来越多，结合人工智能、计算机算法，检测结果会越来越精准。 我回来能赶上这个机会也是不容易。”陶纬国如是说到。/pp　　目前，医学大数据的采集方式主要为第二代、第三代测序。“但是，质谱也是很重要的一块儿。”陶纬国指出，“比如乳腺癌，基因突变仅仅代表一种患病的可能性，但是到底有没有癌症还是要通过蛋白检测来确定，所以用质谱来检测蛋白的存在、活性、功能，比基因层面更可靠。所以，质谱检测肯定会慢慢跟上来。”/pp　　陶纬国在东南大学生物医学工程学院的新实验室是电子生物国家重点实验室。对于自己的工作重心，陶纬国表示，现在是过渡时期，未来会逐步将重心转至国内。“国内实验室刚刚开始，看起来前途光明。”/pp　span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong　热衷学界公益事务 出任CASMS主席/strong/span/pp　　作为质谱生物大分子检测方面的专家，陶纬国于2017年6月份当选北美华人质谱学会(CASMS)主席。该学会汇聚了众多顶尖的华人质谱学者，已经成为质谱学界重要的华人力量。在一年一度的“美国质谱年会(ASMS)”期间举行“北美华人质谱学术会议”已经成为CASMS的传统。据陶纬国介绍，CASMS已有二三十年的历史，目前注册人数在800人左右，覆盖了北美地区绝大部分优秀的华人质谱学者。ASMS每年参会人数6000-7000人，相当一部分是华人，中国面孔越来越多。“在美国，有很多华人学者做了非常出色的工作，但他们并没有获得相匹配的影响力和威望。” 陶纬国说，“我们学会的宗旨就是提升华人质谱学者在世界质谱领域的影响力。当然， 中国本身的国际地位的重要性是显而易见的。”/pp　　CASMS的另一个宗旨是促进世界华人质谱界的互相交流。每两年召开一次的“世界华人质谱学术研讨会”是全世界华人的质谱盛会，汇聚了中国内地、台湾、香港、新加坡和北美地区的质谱学者，CASMS是该会议4个主办方之一。2016年，CASMS主办了第六届“世界华人质谱学术研讨会”，这是该会议首次在美国召开，恰逢该会议召开十周年。“我认为非常有意义，促进了两岸三地华人质谱学者的交流合作。我的亲身体会是通过这个会议结识了很多优秀学者，而在此前很多同仁相互间是不认识的。”/pp　　未来，除了重要的线下会议组织工作，陶纬国希望通过加强线上日常交流，来使学会内部联系更为紧密。/pp　　span style="font-family: 楷体,楷体_GB2312, SimKai "strong后记：/strong临床质谱技术被认为是医学诊断的下一个“基因测序”，应用前景被普遍看好。质谱用于临床检验具有灵敏度高、特异性高、重现性好的优点，可在临床多个领域对传统诊断方法学进行替代。陶纬国教授团队的磷酸化蛋白研究进一步提升了临床质谱应用的含金量。基于该研究，临床科学家们将会找到更多可靠的疾病标志物，从而实现癌症等重大疾病的早期发现和精准诊断。/span/pp style="text-align: right "采访编辑：李博/p

近日，The Lancet Rheumatology发表一项研究预测到2050年全球骨关节炎的患病率情况，研究显示，截止到2020年，全球骨关节炎患者增加到5.95亿，约占全球人口的7.6%，增幅高达132%。由此可见，开发针对骨相关疾病的精准无创诊疗技术迫在眉睫，因为它不仅可以连续监测骨代谢、生长、转移、给药和指导手术，而且可以实现骨疾病的高效治疗。然而，设计精准无创的骨疾病诊疗探针是极具挑战的工作。应 用 报 道今年9月，青岛科技大学袁勋教授团队在《Aggregate WILEY》报道了一种新型的金团簇基骨靶向诊疗探针[1]，实现了高时空分辨的体内骨靶向近红外二区（NIR-II）荧光成像和增强的类风湿性关节炎治疗。图1. Au44MBA26-P团簇的体内特异性骨靶向和高分辨率成像该探针的设计关键在于将原子级精确的NIR-II发射Au44团簇的表面进行磷酸化。一方面，Au44团簇的表面磷酸化大大增强了探针的骨靶向能力，使骨主要成分羟基磷灰石对磷酸化前后的Au44团簇探针的理论max吸附量提高了1.36倍，使该团簇探针实现了高对比度和高分辨率的体内骨靶向NIR-II荧光成像（信噪比提升1.4倍，见图1）。图2. Au44MBA26-P团簇对胶原免疫诱导大鼠类风湿性关节炎(CIA)模型的治疗作用另一方面，该团簇探针作为一种新型纳米药物，具有直接的生物效应，可显著抑制脂多糖诱导的小鼠巨噬细胞促炎因子的产生。在II型胶原诱导的大鼠类风湿性关节炎治疗中，该团簇探针表现出优异的抗炎和免疫调节作用，可将破坏的软骨恢复到接近正常状态，比临床治疗药物甲氨蝶呤效果更为显著（图2），且具有良好的肾脏清除率和优良的生物相容性。本研究提出了一种金属纳米团簇基诊疗探针的设计范例，为高分辨率骨靶向荧光成像和类风湿性关节炎治疗提供了新思路。图3.睿光NirVivo-Pro 近红外二区小动物活体荧光成像系统助力科研研究[1]: Phosphorylation of NIR-II emitting Au nanoclusters for targeted bone imaging and improved rheumatoid arthritis therapyhttps://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0142961223001382产 品 推 荐近红外二区小动物活体荧光成像系统NirVivo-Pro 活体荧光成像系统是北京睿光科技自主研发的一款专门用于近红外二区的光学成像系统。该系统可实现高质量荧光图像的采集及图像处理，实时地观察基因在活体动物体内的表达、肿瘤的发生、生长、转移及药物的治疗效果，对同一个动物进行时间、环境、发展和治疗影响跟踪，可用于生命科学、医学研究及药物开发等应用领域。产品特点

p　　近年来，中国基础研究进步明显，在国际顶尖学术期刊上中国科学家发表的高水平学术论文也越来越多，部分研究领域经常会有重大突破性进展。/pp　　《自然》(Nature)、《科学》(Science)和《细胞》(Cell)作为目前国际上最顶尖的学术期刊，每期发表文章数量都很少，发表文章基本也代表了相关领域的顶尖研究成果。此前，青塔已经多次报道2018年前5个月中国高校和科研院所发表的部分CNS文章。/pp　　进入6月份，这种势头依然非常强劲。今天(6月8日)，中国科学家又连发3篇Science，这种情况非常罕见。其中，南京农业大学、中国农科院等合作发表1篇，中科院上海生化细胞所、武汉大学宋保亮研究组与新疆医科大学马依彤合作组等联合发表1篇，中国科学院生物物理所的章新政教授与李梅教授等合作发表1篇。/ppstrong　　南京农业大学、中国农科院等合作发表一篇Science /strongp/pp /pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="01.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/f53f2794-7d86-48b6-8d1e-63d17154be0e.jpg"//pp /pp　　最近，中国农业科学院副院长、中国工程院院士万建民领衔的科研团队系统解析了水稻粳稻与籼稻杂种不育问题及遗传特性，发现自私基因系统控制水稻杂种不育，并影响稻种基因组的分化。该研究有望解决水稻杂种不育难题。相关研究成果6月8日在线发表于《科学(Science)》期刊。/pp　　自私基因是指双亲杂交后，父本或母本中能控制其自身的DNA片段优先遗传给后代的基因。它使亲本自身的遗传信息能更多、更快地复制，并能更多地传递给子代，其遗传不符合孟德尔遗传规律。2017年《科学(Science)》曾报道了小鼠和线虫自私基因的非孟德尔遗传现象。这些研究表明在动物中自私基因驱动了基因组的进化，并影响了物种自身的稳定性。但关于植物的相关研究尚未有任何报道。/pp　　杂交稻对解决我国粮食安全问题作出了巨大贡献。但如何进一步提高杂交稻的产量，急需寻找新的技术途径。研究表明，水稻籼粳亚种间杂交稻比目前的杂交稻能进一步提高单产15%-30%，但籼粳杂种存在半不育的问题，严重制约了籼粳杂交稻产量的提高。万建民院士团队在解决这一难题上取得了突破性进展。/pp　　研究发现，水稻杂种不育性受水稻自私基因位点qHMS7的控制，并发现水稻包含三个紧密连锁的基因ORF1、ORF2和ORF3，其中ORF1基因编码一个未知功能的蛋白 ORF2基因编码一个杀配子的毒性蛋白，以母体效应导致花粉死亡 而ORF3基因编码一个解毒蛋白，以配子体效应保护配子，使携带ORF3基因的花粉可育。在“祖先野生稻-普通野生稻-亚洲栽培稻”的演化过程中，ORF1一直被保留，ORF2从没有毒性功能逐步演变成有毒性功能的类型，ORF3是在普通野生稻中由ORF1基因复制产生，并获得解毒功能，在随后的稻种驯化过程中被选择传递到亚洲栽培稻品种。研究表明，粳稻品种同时携带毒性的ORF2和解毒的ORF3，而南方野生稻只含有无毒性的ORF2，在其杂种F1中，携带南方野生稻基因型的花粉因缺乏ORF3保护而死亡，携带粳稻品种基因型的花粉因有ORF3保护而存活，最终导致后代中没有纯合的南方野生稻基因型个体存在，群体分离不符合经典的孟德尔遗传模式。/pp　　该研究阐明了自私基因在维持植物基因组的稳定性和促进新物种的形成中的分子机制，探讨了毒性-解毒分子机制在水稻杂种不育上的普遍性，为揭示水稻籼粳亚种间杂种雌配子选择性致死的本质提供了理论借鉴。/pp　　该研究由中国农科院与南京农业大学合作完成，并得到中国农科院科技创新工程的大力支持。/pp /ppstrong　　中科院上海生化细胞所、武汉大学等联合发表一篇Science /strongp/pp /pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="2.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/223f4494-8d8c-4656-bc1f-7b00ce4238a0.jpg"//pp　　论文题目为A LIMA1 variant promotes low plasma LDL-cholesterol and decreases intestinal cholesterol absorption(《LIMA1基因变异减少小肠胆固醇吸收并降低血浆低密度脂蛋白胆固醇水平》)(doi: 10.1126)。武汉大学宋保亮教授和新疆医科大学第一附属医院马依彤教授为共同通讯作者，中国科学院上海生化细胞所张莹钰博士、新疆医科大学第一附属医院付真彦博士、武汉大学生命科学学院魏健博士为共同第一作者。/pp　　血浆中“低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)”浓度升高是导致心脑血管疾病的主要风险。LDL-C水平受遗传和饮食双重控制，了解人体LDL-C水平的遗传调控机制是疾病诊治和医药研发的先决条件，而目前只有少数影响LDL-C的基因被鉴定出来。不同种族之间LDL-C的含量及冠心病的发病率有很大差异。/pp　　为揭示新的胆固醇调控基因，宋保亮课题组与马依彤团队合作，在针对新疆人群心脑血管疾病的风险调查中，发现了一个家族性低LDL-C的哈萨克族人家系，通过全基因组外显子测序和基因关联性分析，发现LIMA1基因罕见移码突变(K306fs)与低LDL-C显著相关。深入研究发现，LIMA1特异性表达在小肠上，通过与NPC1L1蛋白(该通路也由宋保亮团队前期工作系统揭示)互作将后者锚定到肌球蛋白Myosin Vb上，从而调控小肠胆固醇的吸收。/pp　　这项研究为降胆固醇提供了新的药物研发靶点。该研究还有助于理解为什么哈萨克族人虽然消耗较多牛羊肉，但心脑血管疾病患病率低于汉族人群。/pp /ppstrong　　中科院生物物理所揭示玉米光系统I的结构与捕光复合物I和II超复合 /strongp style="TEXT-ALIGN: center"img title="3.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/73a19499-eb3e-4e39-953e-3feaee068674.jpg"//pp　　在氧合光合作用期间，光系统II(PSII)和I(PSI)串联操作并紧密耦合以允许有效的光驱动电子传输。两种光系统都是含有核心复合物和外围天线系统的多亚基超分子复合物。在光合作用的工厂中，外围天线由集光组件(LHCs)组成。形成PSI-LHCI复合物的LHCIs(含有Lhca载脂蛋白)与PSI核心相关，而LHCII(含有Lhcb载脂蛋白)大部分与PSII核心相连，构成PSII-LHCII复合物。 PSI或PSII的天线系统具有不同的成分组成，因此具有不同的光吸收性质。红色和远红光分别优先刺激PSII和PSI，并且波动的照射可能导致两个光系统的不均匀激发。/pp　　平衡捕光对高效光合作用至关重要 因此，植物已经在自然环境中不断变化的光照条件下发展了短期和长期的适应。状态转换是在几分钟的时间尺度上发生的短时间响应，并且在光质改变时允许两个光系统之间的能量均衡分布。在状态转换期间，三聚LHCII(由Lhcb1-3的不同组合组成)可逆地被磷酸化和去磷酸化，该过程由质体醌(PQ)的氧化还原状态控制并受叶绿体激酶(STN7)和磷酸酶(PPH1)称为TAP38)在植物中。在状态1中，LHCII主要与PSII相关并将激发能量转移到PSII核心。在有利于PSII激发的光照条件下，PSII的过度激活导致PQ库的减少，STN7激酶的激活以及随后LHCII的N末端区域的磷酸化。一部分磷酸化的LHCII(移动LHCII)在类囊体膜内从PSII横向移动到PSI，形成PSI-LHCI-LHCII超复合物并导致从状态1切换到状态2.移动LHCII作为PSI除了LHCI之外，还增加了向PSI核心转移的能量。在自然光条件下，状态转换对于优化植物生长和适应性是必需的。/pp　　在16-分辨率下的PSI-LHCI-LHCII超复合物的结构揭示了与LHCI相反侧上的PSI核心相关的单一LHCII三聚体，然而蛋白质 - 蛋白质和LHCII和PSI之间的色素 - 色素相互作用尚不清楚。尽管以前已经解决了植物LHCII的晶体结构，但是在这些结构中没有观察到含有磷酸化位点的LHCII的N-末端尾部。关于磷酸化LHCII如何增强其与PSI的相互作用，这仍然是一个未解决的问题。植物PSI-LHCI包括由14个亚基(PsaA至L，PsaN和PsaO)组成的核心复合物和包含4个组成两个异二聚体(Lhca1-Lhca4和Lhca2-Lhca3)的四个LHCI蛋白的外围天线系统。最近的豌豆PSI-LHCI晶体结构揭示了16个亚基的结构和位置，但在这些结构中未观察到两个植物特异性亚基PsaN和PsaO。完整的PSI-LHCI结构应该能够更好地理解PSI-LHCI复合物内的能量转移。/pp　　在这项研究中，来自中国科学院生物物理所的章新政教授与李梅教授团队利用冷冻电镜解析的玉米PSI-LHCI-LHCII的结构，揭示了LHCII和PSI之间的识别位点。 PSI子单元PsaN和PsaO分别在PSI-LHCI界面和PSI-LHCII界面处观察到。 每个亚基通过一对叶绿素分子将激发传递给PSI核心，从而揭示天线与PSI核心之间能量转移的前所未见的路径。这些发现阐明了全新的能量传递路径，让我们能更好地了解光合作用这一重要的生化反应。/pp /pp style="TEXT-ALIGN: right"　　(来源：南京农业大学新闻网、武汉大学新闻网、iNature微信公众号等)/p/p/p/p

DNA 测序是一种确定 DNA 分子中碱基(A、T、C 和 G)顺序的技术，在生物学、医学、法医学和其他领域有着广泛的应用，例如基因组学、遗传学、分子生物学、疾病诊断和个性化医疗。 DNA 测序技术自 1970 年代以来经历了多次革命性的发展，从第一代测序到第二代测序，再到第三代测序。这些测序技术在原理、方法、优势和局限性方面有着显著的差异。本文将对基于这三代测序技术的相关仪器工艺创新进行概述，并比较其特点和应用。　　一、第一代测序仪　　基于桑格测序方法，该方法使用链终止双脱氧核苷酸(ddNTP)生成不同长度的DNA片段，通过电泳分离并通过荧光检测。 代表性仪器是 Applied Biosystems 及其 3730xl DNA 分析仪。 工艺创新主要有自动毛细管电泳、荧光标记和碱基识别算法的开发 。　　a. 自动毛细管电泳：通过向填充有凝胶或聚合物基质的细毛细管施加电场来分离不同长度的 DNA 片段的过程。 DNA 片段根据其大小和电荷在毛细管中迁移，较小的片段比较大的片段移动得更快。 毛细管电泳系统可以自动并行加载、进样、分离和检测多个样品，从而提高 DNA 测序的通量和效率 。　　b. 荧光标记：将荧光染料附着到链终止核苷酸 (ddNTP) 上的过程，用于在测序反应中生成 DNA 片段。 荧光染料根据 ddNTP 的碱基类型(A、T、C 或 G)发出不同颜色或波长的光。 荧光信号由毛细管电泳末端的激光和相机或扫描仪检测 。　　c. 碱基识别算法：分析毛细管电泳产生的荧光信号并确定 DNA 片段中碱基序列的过程。 碱基检出算法使用各种方法来校正信号中的噪声、伪影和错误，例如峰检测、峰对齐、峰归一化、峰反卷积和质量评分。 碱基检出算法以各种格式输出序列数据，例如色谱图、跟踪文件或 FASTA 文件 。　　二、第二代测序仪　　基于大规模并行边合成边测序 (SBS)，它使用修饰的核苷酸或探针，在每个循环后终止 DNA 合成(或允许可逆终止终止子、可切割探针)。 DNA 分子通过聚合酶链式反应 (PCR) 或桥式 PCR 在固体表面或乳液液滴中进行扩增，并通过光学或化学检测进行测序。 代表性仪器主要有Illumina的基因组分析仪、HiSeq和MiSeq平台 罗氏及其 454 平台 以及 Ion Torrent 及其个人基因组机器和 Proton 平台。 工艺创新主要有测序反应的小型化、光学/化学检测方法和核苷酸化学方法。　　a. 测序反应小型化：减少第二代测序仪中 DNA 样本和测序反应的大小和体积的过程，涉及使用微流体装置或显微孔阵列来限制 DNA 分子，并通过聚合酶链式反应 (PCR) 或桥式 PCR 对其进行扩增，减少了所需的 DNA 量并增加了测序反应的密度。　　b. 光学/化学检测方法：测量第二代测序仪中 DNA 合成过程中碱基掺入所产生的光或化学信号的过程，涉及使用荧光标记的核苷酸或探针，根据碱基类型发出不同的颜色或强度。 光学/化学检测方法根据测序平台和化学成分而有所不同，通常遵循以下步骤：　　i. 在测序反应中，DNA 模板与引物和 DNA 聚合酶杂交。　　ii. 测序反应提供标记的核苷酸或探针，它们在每个循环后终止 DNA 合成或允许可逆终止(例如可逆终止子、可切割探针)。　　iii. 根据碱基配对规则将标记的核苷酸或探针添加到DNA模板的互补链上。　　iv. 荧光信号或化学信号(例如 pH 值变化)由高分辨率相机或扫描仪捕获并转换为数字数据。　　v. 通过计算分析信号以确定碱基身份和序列。　　c. 核苷酸化学方法：涉及使用修饰核苷酸或探针影响第二代测序仪中 DNA 合成的过程。 它基于互补碱基配对的原理，其中A与T配对，C与DNA中的G配对。 核苷酸化学方法根据测序平台和化学方法的不同而有所不同，通常遵循以下步骤：　　i. 在测序反应中，DNA 模板与引物和 DNA 聚合酶杂交。　　ii. 测序反应提供经过修饰的核苷酸或探针，它们在每个循环后终止 DNA 合成或允许可逆终止(例如可逆终止子或可裂解探针)。　　iii. 根据碱基配对规则将修饰的核苷酸或探针添加到DNA模板的互补链上。　　通过光学/化学方法检测修饰的核苷酸或探针，然后通过化学或酶促步骤去除或灭活，从而允许下一个循环进行。　　三、第三代测序仪　　基于单分子实时(SMRT)测序，不需要扩增或终止DNA分子。 通过监测将荧光标记的核苷酸或探针掺入互补链的 DNA 聚合酶的活性，对 DNA 分子进行测序。 代表性仪器主要有 Pacific Biosciences 及其 PacBio RS II 和 Sequel 平台 Oxford Nanopore Technologies 及其 MinION、GridION 和 PromethION 平台 以及 Ultima Genomics 及其 Ultima 平台。 工艺创新主要有使用零模波导(ZMW)、纳米孔或纳米通道来限制和观察单个 DNA 分子 使用磷酸化核苷酸或纳米孔接头来实现连续测序 以及使用人工智能来提高碱基识别准确性。　　a. 零模波导 (ZMW)、纳米孔和纳米通道是三种类型的纳米结构，可以限制和观察单个 DNA 分子以进行第三代测序。　　i. ZMW 是金属薄膜中的纳米级孔径，可产生高度受限的光学观察空间。 当激光照射在金属薄膜上时，只有少量的光可以进入ZMW并激发内部的荧光分子。 这样可以检测通过 DNA 聚合酶掺入 DNA 链的单个荧光标记核苷酸或探针。 Pacific Biosciences 在其 SMRT 测序技术中使用 ZMW。　　ii. 纳米孔是膜上的纳米级孔，可在膜上产生电势差。 当 DNA 分子穿过纳米孔时，它会破坏离子电流并产生反映 DNA 碱基序列的特征信号。 纳米孔可以是生物的(例如蛋白质孔)或合成的(例如固态孔)。 Oxford Nanopore Technologies 在其 MinION、GridION 和 PromethION 测序平台中使用了纳米孔 。　　iii. 纳米通道是表面上的纳米级凹槽，为 DNA 分子拉伸和排列创造了一个有限的空间。 当荧光染料应用于 DNA 分子时，可以通过显微镜对它们进行成像，并且可以通过将荧光图案映射到参考基因组来确定它们的序列。 纳米通道可以通过多种方法制造，例如蚀刻、光刻或模制。 Ultima Genomics 在其 Ultima 测序平台中使用了纳米通道。　　b. 磷酸化核苷酸和纳米孔接头是两种类型的修饰核苷酸或探针，可对单个 DNA 分子进行连续测序。　　i. 磷酸化核苷酸是荧光标记的核苷酸，其磷酸基团上连接有可移除的接头。 连接体可防止焦磷酸盐的释放，否则会终止 DNA 合成。 连接子还允许在每个掺入循环后裂解荧光染料，从而可以在多个循环中重复使用相同的 ZMW。 Pacific Biosciences 在其 SMRT 测序技术中使用了磷酸化核苷酸 。　　ii. 纳米孔接头是具有发夹结构和条形码序列的合成寡核苷酸。 这些接头连接到 DNA 分子的两端，形成可以多次通过纳米孔的环状 DNA 分子。 条形码序列允许对同一 DNA 分子的重复读取进行识别和比对，从而提高准确性和共识质量。 Oxford Nanopore Technologies 在其 MinION、GridION 和 PromethION 测序平台中使用 Nanopore 适配器 。　　c. 人工智能是计算机科学的一个分支，它使用机器学习、深度学习、神经网络和其他方法来执行需要人类智能的任务，例如自然语言处理、图像识别、语音识别和决策。 人工智能通过以下方式提高第三代测序中的碱基检出准确性：　　i. 使用来自不同测序平台和化学物质的原始信号和相应序列的大型数据集来训练神经网络。　　ii. 开发可以纠正原始信号中的噪声、伪影和错误的算法，例如信号漂移、同聚物错误、插入/删除错误和碱基修饰。　　iii. 实施可以利用多个来源信息的方法，例如参考基因组、共识序列、质量评分和元数据。　　iv. 优化方法，适应不同的测序条件，例如读长、覆盖深度、测序速度和样品质量。　　d. 用于第三代测序中碱基检出的人工智能方法的一些示例：　　i. DeepNano：一种深度循环神经网络，使用原始电流信号执行碱基识别。　　ii. Guppy：一种基于神经网络的软件工具，使用原始电流信号执行 Oxford Nanopore MinION 读取的碱基识别。　　iii. DeepMod：一种双向循环神经网络，使用原始电流信号进行碱基识别和碱基修饰检测。　　iv. NanoMod：一种卷积神经网络，使用原始电流信号进行碱基修饰检测。　　v. Megalodon：一种软件工具，可使用原始电流信号读取执行碱基识别、碱基修饰检测和选择性剪接检测。　　vi. DeepSimulator：一种深度卷积生成对抗网络，模拟 Oxford Nanopore MinION 从参考基因组中读取的内容。　　vii. Clairvoyante：一种多任务卷积神经网络，使用原始信号强度值对 Pacific Biosciences SMRT 读取执行变体识别。　　viii. IsoPhase：一种深度卷积神经网络，使用原始信号强度值读取执行单倍型感知亚型重建。　　ix. DeepIso：一种深度卷积神经网络，使用原始信号强度值读取进行异构体量化。　　总之，第一代、第二代和第三代测序是DNA的三种不同读取方法，在原理、方法、优势和局限性方面有着显著的差异。第一代测序是基于桑格测序方法，使用链终止双脱氧核苷酸(ddNTP)生成不同长度的 DNA 片段，并通过电泳分离和荧光检测，工艺创新主要有自动毛细管电泳、荧光标记和碱基识别算法的开发。第二代测序是基于大规模并行边合成边测序 (SBS)，使用修饰的核苷酸或探针，在每个循环后终止或可逆终止 DNA 合成，并通过光学或化学检测进行测序，工艺创新主要有测序反应的小型化、光学/化学检测方法和核苷酸化学方法。第三代测序是基于单分子实时(SMRT)测序，不需要扩增或终止 DNA 分子，而是通过监测将荧光标记的核苷酸或探针掺入互补链的 DNA 聚合酶的活性进行测序，工艺创新主要有使用零模波导(ZMW)、纳米孔或纳米通道来限制和观察单个 DNA 分子；使用磷酸化核苷酸或纳米孔接头来实现连续测序；以及使用人工智能来提高碱基识别准确性。这三代测序技术各有优缺点，适用于不同的目标和场景。选择合适的测序技术需要考虑多种因素，例如读长、准确性、速度、成本和样品质量。随着科技的进步，DNA 测序技术仍在不断发展和改进，为生命科学领域带来新的机遇和挑战。

2021年6月7日，FDA宣布加速审批渤健生物（Biogen）单抗药物Aduhelm（Aducanumab：靶向β淀粉样蛋白单抗）上市，用于治疗阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease, AD）源性轻度认知障碍（Mild cognitive impairment, MCI）及轻度阿尔兹海默症。这是自2003年以来，FDA批准的首个阿尔兹海默症治疗新药，也是首个能阻止AD疾病进展的药物。在此之前FDA批准针对AD的药物都属于症状缓解类药物，不会改变病程或潜在的神经变性。因此Aduhelm获得批准上市后，受到了全球各界人士的关注与争论。当然也为无数研究AD疾病的科学家带来了曙光和鼓舞。来自美国和奥地利等地的科学家，将阿尔兹海默症患者的成纤维细胞直接诱导神经元(Induced neurons, iNs)，此神经元模型保留了人类衰老的重要表征，相应结果发表在Cell Stem Cell（IF：20.860）。研究背景研究AD疾病机理或者药效学的科学家往往利用一种模拟AD患者的病理生理学的模型系统。例如可以从AD患者的成纤维细胞生成诱导性多能干细胞（Induced pluripotent stem cell, iPSC），再由iPSC诱导生成神经元，这些神经元在分化的早期阶段，通常会表现出AD的相关表型，例如Aβ生成升高等。但是重新编程为的iPSC衍生的神经元几乎没有其供体年龄的痕迹，因此iPSC相关的细胞再生在尝试模拟年龄依赖性疾病时是一项重大挑战，这意味着用iPSC诱导产生的神经元作为研究年龄依赖性的阿尔兹海默症的模型仍然会有很多不足。研究内容来自美国和奥地利等地的科学家，使用AD患者的成纤维细胞直接转化诱导神经元(iNs)，从而生成了一个与年龄等效的神经元模型：AD患者来源的iNs表现出强大的神经元转录组特征，即具有成熟神经元特性的下调、未成熟神经元特性和祖细胞样信号通路的上调。纵向神经元分化轨迹数据表明AD iNs具有一种应激、细胞周期和去分化为特征的未成熟神经元特性。表观遗传分析揭示了AD iNs存在一种潜在的异常神经元状态，它与恶性转化和年龄依赖性表观遗传损伤有相似之处。而由AD iPSC衍生的神经元，这些神经元没有显示出显著的疾病相关转录组特征，表明成纤维细胞衍生的iNs更接近地反映老年人大脑阶段。进而验证了AD相关的神经元变化是一种年龄依赖型的神经元损伤。全自动Digital Western检测iNs中Tau蛋白Total Tau（TG5）：总Tau蛋白P-Tau Ser396/404：Ser396/404位点磷酸化的Tau蛋白P-Tau Thr212/214：Thr212/214位点磷酸化的Tau蛋白Misfolded Tau：错误折叠的Tau蛋白利用全自动Digital Western技术检测iNs中的不同类型Tau蛋白水平，结果显示了iNs中Tau蛋白不同的异构体分布情况以及不同磷酸化修饰和错误折叠的Tau的表达情况。对不同Tau蛋白的化学信号图谱做进一步分析，发现带有相同颜色的信号峰可以作为总Tau不同来源峰的鉴定。正因为全自动Digital Western是化学发光信号的图谱直接进行峰面积定量，定量后的数值再拟合为Western泳道图，所以真正体现了Western的数字化，及Digital Western！

p　　中科院上海药物研究所徐华强研究员领衔的国际交叉团队经过联合攻关，成功解析了磷酸化视紫红质(Rhodopsin)与阻遏蛋白(Arrestin)复合物的晶体结构，并破解了负责关闭GPCR传导信号的磷酸化密码。7月27日，相关研究成果以封面文章发表于《细胞》杂志。/pp　　生命的功能是依靠信号传导密码来体现或来执行的。G蛋白偶联受体(GPCR)是人体内最大的细胞膜表面受体家族，通过G蛋白和阻遏蛋白这两条主要信号通路，承担着细胞信号转导的“信号兵”的职责。当受到外界信号刺激，GPCR激活G蛋白发出“开放”信号。而“关闭”信号的则来自于磷酸化密码——GPCR尾部一旦被磷酸化，随即将激活阻遏蛋白并与之形成紧密结合为复合物，从而关闭传导信号。因此鉴定与解释GPCR磷酸化密码是当今细胞信号传导领域的重要科学问题。/pp　　据悉，徐华强领衔的交叉团队在2015年成功解析GPCR与阻遏蛋白复合物的完整复合体结构的基础上，对于该结构的尾部高分辨率结构与磷酸化机制展开攻关。/pp　　“我们利用世界上最强X射线激光，看清楚了复合晶体的尾部结构信息，并从中解析了其尾部磷酸化招募并与阻遏蛋白结合的过程。”徐华强将研究过程比喻为生命密码的层层解密，“为了验证磷酸化密码的普适性，我们试验了96%的GPCR蛋白，发现70%-80%GPCR的“关闭”信号都由磷酸化密码控制。”最后通过一系列验证生物学功能验证，GPCR招募阻遏蛋白的磷酸化密码就此破解——GPCR通过其尾部氨基酸的磷酸化招募并与阻遏蛋白结合，同时发现该密码对整个GPCR蛋白组具有普遍性。/pp　　据了解，结构生物学的重大突破往往与同步辐射光源+X射线自由电子激光的组合密切相关。目前全球已有6个这样的组合，分别位于德国、美国、日本、韩国、瑞士和意大利。 “我们非常期待我国自有的重大科技基础设施，如正在建设与推进中的软X射线与硬X射线自由电子激光装置。”徐华强表示，“这些大科学平台能够为科学家提供更先进、丰富的综合实验手段。”/pp　　据介绍，这项研究获得国家“重大新药创制”重大专项、973、先导专项以及国际项目等基金的资助。合作研究机构包括加拿大多伦多大学、斯克利普斯研究所、德国Desy自由电子激光科学中心、德国汉堡超快成像中心、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、上海科技大学和范德堡大学等。/p

2019年9月24日，清华大学李蓬课题组在Cell Reports上发表了题为“The protein phosphatase 1 complex is a direct target of AKT linking insulin signaling to hepatic glycogen deposition”的研究论文，报道了PP1复合物作为营养感知器，独立于GSK3介导胰岛素刺激下肝脏糖原合成的调节机制。胰岛素是机体调节血糖吸收、促进合成代谢(anabolic metabolism)最关键的激素，可以促进糖原、脂肪、蛋白质合成。糖原和脂肪可被用于能量贮存；糖原是最先被机体利用的能量储备：比如在运动时，肌肉糖原可以作为快速的能量来源，供肌肉细胞产生ATP；而肝脏中糖原负责在饥饿或能量缺乏时补充血糖，使之维持稳定浓度。但是糖原代谢里一个长期悬而未决的问题，胰岛素是如何激活糖原合成的？甚至在最新版（第七版）的Lehninger生化教科书中，也只是指出需要一个“insulin-sensitive protein kinase”，但不知其身份。虽然胰岛素-AKT可以通过抑制激酶GSK3、降低糖原合成酶GS磷酸化来促进糖原合成，但是这条调节通路的作用非常有限，因为GSK3的磷酸化位点突变后不影响糖原合成。并且，GSK3调控糖原合成是通过双抑制作用而起作用，目前我们的认识里还缺乏一种主动糖原合成调控的机制。虽然已知胰岛素还通过激活磷酸酶PP1，进而调节多个关键糖原代谢酶，然而由于对phosphatase调节研究的困难，领域内只能猜测却难以发现这个调节PP1磷酸酶的“insulin-sensitive protein kinase”。PP1(protein phosphatase1)对糖代谢具有重要作用，参与调节多个糖原代谢酶活性，包括GS、GP和GPK。PP1全酶由一个催化亚基(PP1c)和一个调节亚基(PPP1R)组成。已知PPP1R3家族作为特殊的一类调节亚基可以把PP1靶向到糖原代谢过程，该家族包括7个成员，PPP1R3a-g。尽管一些研究表明PPP1R3成员参与调节肝脏糖原合成和积累，但是具体的机制究竟是如何呢?针对这个问题，李蓬团队首先通过生物信息学分析磷酸化蛋白组数据库数据，找到了10个候选蛋白，可能是AKT新的磷酸化底物，同时也参与调节糖脂代谢。随后通过生化实验鉴定出PPP1R3g是AKT一个新的直接底物，同时结合质谱分析发现S79是PPP1R3g的AKT磷酸化位点。其后，课题组发现在胰岛素刺激下PPP1R3g可以直接被AKT磷酸化，更重要的是发现生理和病理条件下的胰岛素信号与PPP1R3g磷酸化水平密切相关。更进一步地，课题组发现在胰岛素刺激下，PPP1R3g介导糖原合成是不依赖于经典的GSK3途径的。接下来，课题组通过敲除和过表达系统在体研究了PPP1R3g磷酸化的生理功能，发现PPP1R3g磷酸化可以加快葡萄糖清除和提高胰岛素敏感性。在机制上，课题组发现PPP1R3g磷酸化可以提升与p-GS的结合，进而加快PP1c对GS的去磷酸化。同时发现了PPP1R3b可作为PPP1R3g的下游，通过结合从PPP1R3g上解离下来的去磷酸化GS，刺激糖原的合成，从而实现对胰岛素信号的传递。图1. 胰岛素-AKT调控PPP1R3G磷酸化促进糖原合成的新机制本研究回答了本领域近30年一直未回答的问题，为新版的生物化学书籍完善提供重要的一笔（图2）。图2. 经典生化教科书中可修改的一笔。左图为Lehninger Principles of Biochemistry(7th Edition)中提出的位置激酶，右图则是该研究提供的改写该论文中，糖原合成酶和糖原磷酸化酶活性的研究均采用放射性方法，利用放射性标记的葡萄糖作为底物，通过检测放射性活度来计算酶的活性。珀金埃尔默提供了从试剂、耗材到检测仪器的完整解决方案，助力中国科学家取得更大成就。

癌症有没有可能在早期就被诊断?体检可不可以只抽一微升血… … 近年来，精准医学概念的兴起，也将其背后分析化学和生命科学交叉的这片“隐秘地带”逐渐引入公众视野。　　分析化学的迅速发展为生命科学提供了更多想象空间，很多待解的难题，因为分析化学的介入找到新的解决路径。比如，通过利用色谱技术纯化中药，将有毒物质马兜铃酸进行分离。　　那么，分析化学是如何推动生命科学发展的，国内分析化学的发展有何新的趋势?具体而言，它在精准医学方面有哪些应用?如何解决国产仪器产业化发展难题，推动我国从分析化学大国走向分析化学强国?　　著名色谱分析化学家、中国科学院院士张玉奎，谈及分析化学发展的最新趋势及仪器产业化方面的思考。　　分析化学的转向　　“一般讲上个世纪是化学的世纪，而这个世纪是生命科学的世纪，大家研究的重点是研究人、研究生命科学。化学也转向了以生命科学为研究重点，我们现在已经把蛋白质组学的定性定量，转向精准医学和重大疾病的发展。”　　张玉奎院士说，分析化学已经无孔不入，任何一个新兴的科学都少不了分析化学，也服务于生命科学，为它提供研究方法和手段。　　比如，人的蛋白组学的磷酸化。这个磷酸化有两种，一种是氧磷酸化，一种是氮磷酸化，氧磷酸化比较稳定。这块可以用来研究磷酸化和各种癌症的直接关系，也就是在磷酸化和去磷酸化的过程中，癌症形成了病及康复的过程。　　但是，关于氮磷酸化的研究却非常少，因为它不稳定，遇到酸就分解，样品非常难处理。“所以生物学界就给我们提出这个问题，我们就合成了一个分子，它有两个新的中心，专门抓氮磷酸化，用这个办法就可以把磷酸化保存下来，抓住鉴定，研究它的生物功能。”　　张玉奎院士谈及，生物学上对这个磷酸化研究早了20多年，但依然对它了解较少。而分析化学上介入之后，很快就解决了这个“卡脖子”的难题。　　这就是分析化学服务生命科学的一个典型例子。　　实际上分析化学可以为生命科学做很多事情，张玉奎院士团队的很多工作也都是为生命科学的研究来发展方法和技术。当然，生命科学的发展也对分析化学提出了更高的要求，张玉奎院士认为，分析化学发展的新趋势可以用“三高”来概括。其一，高灵敏度，需要检测到很多非常微小的变化，这也是需要永远追求的目标 其二，高选择性，要排除其他单位的干扰 其三，高通量，测算速度要快，满足大批量检测需求。这是分析化学或者测量学发展的新趋势。　　除此之外，质谱、色谱的联用也是一个重要的发展方向。“我们现在有个色谱公司，现在已经在苏州搞了一个分公司，推动色谱和质谱联用。这其中涉及几万种蛋白，色谱是把它分离开，然后质谱一个一个告诉你都是什么东西。”张玉奎院士表示。　　驱动精准医学　　去年9月，国家层面着眼于“十四五”时期加快科技创新的迫切要求，提出了“四个面向”，即“坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康”。这为科技创新指明了方向。　　面向生命健康也成为分析化学研究的一个重要方向。作为色谱领域的领军人物，张玉奎院士告诉《每日经济新闻》记者，自己所在的分离分析重点实验室一共有大约600人，他们都在干一件事，那就是分离分析。“现在我们朝着大健康方向发展，除了技术之外，我们还要建立大的数据库。因为你只有对健康人的统计，对各种疾病进行统计，才能够知道变化趋势是哪里。”　　中国工程院詹启敏院士此前曾公开表示，临床疾病治疗的现状主要有两个问题，一是疾病诊断大多在中晚期，死亡率很高，尤其是癌症 二是治疗的被动性和盲目性，疾病的发生往往是内因和外因相互作用的结果，遗传背景、变异免疫和内分泌改变导致细胞、分子改变，进一步导致组织器官病变造成疾病发生，而患同种疾病的不同病人针对相同的治疗方法会出现不同的临床愈后。因此，临床上要进行不同表型的分型，并找到分子标志物。　　这就是精准医学临床发展的需求。正是在这样的背景下，蛋白质组学从上世纪90年代进入大众视野以来，其在肝癌、胰腺癌、糖尿病等疾病早期诊断、治疗和分型等精准医学领域的作用受到越来越多的关注。　　张玉奎院士表示：“所有重大疾病，包括癌症，大家过去认为是基因在变化，现在看来实际上是基因里蛋白的变化。这可以用来诊断疾病，同时还可以诊断疗效。这样一来，诊疗过程就会更为精准。”　　蛋白质组学技术的快速发展，也驱动了精准医学的发展。特别是精准医学涉及的精准测量、精准定性、精准定量等都需要分析化学提供研究方法的支撑。　　比如，尿液跟踪检测。从你健康的时候起一直到病发连续检测你的尿液，录入专门的数据库。长时间跟踪就会发现你的尿液里的蛋白是朝着哪种疾病发展，然后进行及时调整，持续跟踪你的健康。　　再比如，怎么判断一个人是抑郁症还是郁闷。我们就发现，得了抑郁症有两个蛋白它表达特别高。所以，这两个蛋白就有可能是抑郁症的一个标记，如果它高了就考虑是得了抑郁症了，就要赶快做心理上的纾解。　　“这就叫蛋白质组学驱动精准医学，它为精准医学提供了一个工具或研究方法，它能够让诊疗更精准一点，治病依据更加充分一点。”张玉奎院士表示。　　单元部件是新方向　　值得一提的是，经过几代人从0到1的艰苦探索，中国已经是色谱、分析化学大国，从发表论文、申请专利和从业人员来看都是世界首位。　　不过，张玉奎院士认为，我国依然还不是分析化学强国。“因为很多重要的设备，高端的消耗品还依赖国外进口。接下来，还要更加注重自主研发、仪器研制及产业化发展，朝着分析化学强国迈进。”　　值得注意的是，他所在的中国科学院大连化学物理研究所分离分析重点实验室(以下简称大连化物所分离分析实验室)在产学研方面已经取得不小的突破。比如，大连化物所在色谱产业化方面，拥有国内一流的液相色谱生产企业大连依利特。　　就在去年，色谱分离技术的第三代研究者之一——汪博士团队，通过海创人才长三角创业服务中心引进并落地嘉兴南湖，所创办的浙江博颐生物将致力于基于新型分离材料的生物提取和生物合成新技术的产业化。令人欣喜的是，浙江博颐生物与苏州纳微科技以及大连化物所梁博士等为代表的第三代，所开发的高效色谱填料和色谱柱已经可与国外部分最新产品相媲美。　　色谱原本只是个分析工具，而现在已经很多人把色谱制备拿来做生物医药的分离、纯化，并且取得令人欣喜的成效。张玉奎举例，自己的“弟子”梁鑫淼团队在当地政府的支持下，在南昌搞了一个达87米的大装置，用五基色谱来纯化生中药。他已经把张伯礼院士开的“清肺排毒汤”，经过分离纯化，把马兜铃酸这个有害物质拿掉，把四个有效成分进行富集，最后变成了粉末，制成胶囊。　　“现在国际上对马兜铃酸的要求是零检出，但是我们中药天生就含有这个元素。过去中医上没有办法，就采取控制剂量的方法，不让你中大毒，实际上这是很危险的。”他表示，通过这种分离纯化的手段，困扰多年的中药出口难题也得以解决。　　再说到质谱。目前国内还是以进口为主，比如大连化物所生物楼里有40余台质谱，其中一台就是200万~300万元，成本高昂。不过，大连化物所分离分析重点实验室已经开始自己制造质谱，“去年疫情期间国外设备进不来，我们的质谱还卖出去30台。”　　张玉奎院士表示：“我们希望把质谱做大，还联合投资公司一起在杭州落地了一个公司，希望借此推动它的产业化。我们的目标就是临床质谱，解决临床问题，所以希望把它做成一个大产业。”　　质谱可以用于公共交通的防爆检测，也可以用来做肺结核筛查，还可以用于手术麻醉剂量的控制等方面。张玉奎院士认为：“将来质谱发展到临床，可以整个推动我们大健康朝前走，就不是说癌症怎么治疗，而是怎么预防癌症，怎么健康地活着。”　　目前，大连化物所分离分析重点实验室质谱和色谱都可以实现自主研制。近年来，国家政策层面大力支持下，国产仪器已经形成一定的规模。但是距离真正实现产业化，达到跟国外竞争的水平，还有个过程。从基础研究到产业方向、资金、技术实力、用户认可度等方面，国产仪器都还需要进一步改善。　　张玉奎院士认为，国产仪器要想真正达到国际先进水平，应该重点朝着单元部件的方向发展。首先就应该去解决部件问题，而不是都来做整机，这样研发力量就会分散，造成资源浪费。而是要走差异化路线，这个部件一批人生产，另一个部件另外一批人生产，然后再组装成一个整机，这样就会形成一种高质量发展的机制。　　“单元部件的高质量研究，应该成为今后的重头。”张玉奎院士认为，各研发机构集中精力做好一件事，这样才能形成中国特色的产业化。

蛋白组学脱胎于人类基因组计划中的功能基因组学，是研究细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白质的学科，“全景式地研究在各种特定情况下的蛋白质谱”。（贺福初，中国蛋白质组计划，中国科学基金，2002，264-268）蛋白组学的实验过程高度依赖优化的样品前处理。其中，蛋白消解和质谱分析这两步之间的处理过程对整体分析质量和灵敏度有着非常重要的影响。一种名为StageTips的关键技术于2003年由南丹麦大学蛋白质组学领域著名学者Matthias Mann首次报道，并因其高效和简便而在蛋白组学研究中得到广泛使用。许多研究机构根据自身课题特点开发了StageTips的应用规程。StageTips是一种填充了Empore膜片的微量移液管。其全称是“Stop and go extraction tips”，喻意为蛋白分解产生的肽被Empore膜片拦截，然后由适当的溶剂释放出来。这个过程中，盐份去除，肽得到纯化和浓缩，或者预分馏。Empore膜片由高分子纤维网固定住的功能颗粒构成，同时具有极佳的物理特性（如柔软、致密）和化学特性（如高保留因子），使StageTips特别适用于LC/MS分析之前处理肽溶液样品。膜片中功能颗粒种类的多样性使StageTips具有多种不同性能，可以根据应用内容有多种选择，并可以在一支StageTips中组合使用。a - 单层Empore膜片的StageTips（放大图中为Empore膜片材料结构示意） b – 多层膜片的StageTips ；图1 StageTips外观Empore相对于用松散颗粒制成的产品有多种优势，包括：颗粒填充致密无沟流；无需筛板；洗脱体积小；容量可由增加膜片层数而扩大。图2. Empore StageTips 质量控制：这些数据显示SDB-RPS StageTips 在不同批次和同一批次内测试结果的良好可重复性和可靠性，证实生产工艺的优越性。应用实例一美国著名医院Mayo Clinic 于2020 开发了基于StageTips和临床质谱的 新冠病毒快速诊断方案，可以达到和PCR相似的精度。----------------------------------------------------------------------------------------------------图3. Mayo Clinics 新冠病毒高通量检测方案：基于StageTips 和OrbiTrap LC-MS。应用实例二高通量磷酸化蛋白质组学检测----------------------------------------------------------------------------------------------------DNA转录成mRNA要再翻译成具有特定氨基酸序列的蛋白质才能在体内发挥功能，其中大部分蛋白质往往还需要经过化学修饰才能具备真正的活性，这种修饰称为翻译后修饰（PTM）。翻译修饰的过程，就是在蛋白质氨基酸序列中添加特定氨基酸或改变特定化学官能团的过程，进而改变蛋白质的结构。已有实验证明有三百多种潜在的PTM类型，并且同一个蛋白质可能在多个位点发生修饰，这就促成了蛋白结构和功能上的多样性。在众多的PTM类型中，磷酸化修饰（Phosphorylation modification）的蛋白占到了所有蛋白质约三分之一，是最普遍的修饰类型之一。会影响到细胞内信号转导、细胞结构、细胞增殖、凋亡、转录、代谢过程以及调控病原微生物的适应能力等等，所以在不同细胞中，蛋白磷酸化水平会呈现不同的差异，特定位点的磷酸化程度可能从小于1%到大于90%。图 4. StageTips 用于高通量磷酸化蛋白质组学检测磷酸化蛋白质组学是研究这个蛋白质磷酸化修饰的重要方法之一。如图四所示，通过采用基于StageTips的高通量蛋白质组学样品制备方法，相对于传统样品制备方法来说，所需要的检测样品少了10倍，检测时间减少3倍，但定量化磷酸化位点增加了3倍，极大了提高了研究效率。高碱性条件下的分馏可大大提高蛋白质检出率。相比于传统的方法，比如离线HPLC 泵，或者散装填料装的Tips，Empore C18 Stage Tips 更为高效，同时成本更低。图五显示的数据表明通过StageTips 在高碱性条件下的分馏样品处理，蛋白质检出量增加了50%，同时蛋白质覆盖率提高了10%。图5: HeLa细胞系用 Empore C18 StageTips在高碱性条件下进行分馏处理可大大增加蛋白质和多肽的检出水平Empore还具有自身优势，其中可供选择的功能颗粒和应用如下表所示。【说明】Empore最早由3M公司生产，2019年，莱伯泰科从3M公司收购了Empore的生产线，由旗下CDS公司全面掌握生产工艺并生产和销售。收购之后，许多将Empore作为关键材料的高科技产品得以继续生产。

p style="line-height: 1.5em text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-align: justify "日前，黄超兰课题组及合作者的最新成果，利用新型绝对定量质谱法解析T细胞受体(TCR)磷酸化修饰动态全过程，揭示了CD3ε 的新型信号转导及其在CAR-T细胞治疗中的应用。相关成果近日发表在《Cell》。/spanbr//pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 193px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/c9be87de-7748-4400-ab38-28fab92a68ad.jpg" title="黄超兰.png" alt="黄超兰.png" width="600" height="193" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify "strongspan style="text-align: justify "　　2020年7月29日，北京大学医学部精准医疗多组学研究中心黄超兰团队，中科院上海生化与细胞所许琛琦团队、美国加州大学圣地亚哥分校惠恩夫团队，联手在Cell上发表了题为“Multiple signaling roles of CD3ε and its application in CAR-T cell therapy”的论文，该研究通过开发基于质谱的绝对定量蛋白质组新方法，揭示了T细胞受体-共受体(TCR-CD3)复合物酪氨酸在不同抗原刺激下的动态磷酸化修饰全貌，解析了不同CD3链ITAM结构域磷酸化特征的奥秘，从中发现了其中一条亚基CD3ε的单磷酸化新功能，有望助力于设计全新的CAR-T疗法。/span/strong/pp style="text-align: justify "strongspan style="text-align: justify "/span/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 245px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/b6abe943-5c1a-4258-8d80-ee14ae449013.jpg" title="high light.png" alt="high light.png" width="600" height="245" border="0" vspace="0"//pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　TCR-CD3复合物在T细胞的发育、激活及对病原的免疫反应中起着决定性作用。这一重要作用来自于CD3链胞内端的免疫受体酪氨酸激活基序(Immunoreceptor tyrosine-based activation motif-ITAM)。而ITAM的多样性功能主要取决于其结构域的酪氨酸(Tyrosine)磷酸化，比如招募SYK激酶家族蛋白ZAP70进而激活下游的信号传导。另外，ITAM的功能也被广泛应用在对嵌合抗原受体(CAR)的研究中。其中CD3ζ亚链便常用于构建CAR-T细胞疗法抗肿瘤活性，但其他CD3链的功能和对于CAR的设计也还有很多未知。/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　strong深入探索 CD3 ITAM的酪氨酸动态磷酸化模式可为全面理解不同CD3链的功能提供核心信息。/strongTCR-CD3受体复合物有10个ITAM结构域分布着20个磷酸化位点，在时间分辨率下实现对全部磷酸化位点的同时定量分析在技术上极具挑战性。为了直观比较不同TCR刺激下的磷酸化模式，精确绘制出TCR所有酪氨酸磷酸化的动态过程，黄超兰团队开发了一种新颖的绝对定量方法Targeted-IP-Multiplex-Light-Absolute-Quantitative Mass Spectrometry(TIMLAQ-MS)。区别于目前报道的蛋白组绝对定量手段，不需要加入同位素重标的合成肽段，而是巧妙地利用串联质量标签(TMT)，设计将6个标准样品和4个分析样品混合起来作为内标。标准样品为不同浓度梯度的合成非重标磷酸化/非磷酸化CD3肽(A)和从未经抗原刺激的T细胞中通过IgG抗体免疫沉淀下来的背景蛋白(B)的混合物 用数据依赖采集(Data-dependent acquisition, DDA)结合平行反应监测(Parallel reaction monitoring, PRM)的方式获得抗原刺激下，TCR-CD3免疫沉淀(IP)复合物中不同酪氨酸位点的磷酸化/非磷酸化在不同时间点的定量结果。strongTIMLAQ 成功绕过了以前的定量方法中通常使用的同位素重标记肽，既节约了成本，又有效降低了方法的复杂性和数据采集误差，进一步提高了定量准确性，最终可完全实现在一次测量中对不同时间点全部ITAM磷酸化修饰的绝对定量，描绘TCR-CD3复合物的酪氨酸动态磷酸化修饰全貌。/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 492px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/17408230-fe19-4e90-a93b-06bbeea1254b.jpg" title="111.png" alt="111.png" width="600" height="492" border="0" vspace="0"//pp style="line-height: 1.5em text-align: center "基于TIMLAQ-MS法的CD3 ITAM磷酸化修饰鉴定/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　strong利用这一方法鉴定到在不同的TCR刺激条件下，CD3各亚基主要表现为双磷酸化修饰模式，而唯独CD3ε呈现出单磷酸化修饰模式。/strong前研究表明，双磷酸化的ITAM与激酶家族蛋白ZAP70有很强的结合而激活下游信号传导，而单磷酸化的ITAM则表现出很低的结合性。strong本文中这一特殊的新发现驱使作者进一步深入探索CD3ε在TCR通路中的新潜在功能。/strong结果显示，单磷酸化的CD3ε可通过专门募集抑制性Csk激酶减弱TCR信号传导，strong说明TCR中既有激活基元又有抑制基元，总体呈现为一种自制的信号传导机制。/strong作者团队进一步深入研究，发现一旦将CD3ε细胞质结构域整合到第二代CAR中，CD3ε的ITAM结构域可以通过募集Csk减少CAR-T细胞因子的产生，而CD3ε的BRS结构域则可以通过募集p85促进CAR-T细胞的持久性。总体而言，将CD3ε应用于CAR的设计可显著提高CAR-T细胞的抗肿瘤活性。/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　strong　从一个重要的基础生物学问题开始，为解决问题而开发一个新颖方法，得到新发现，再深入探索生物学功能，最后有望贡献在治疗方法上。黄超兰教授，许琛琦教授和惠恩夫教授作为本文的共同通讯作者，完美地演绎了不同交叉领域共同合作而产生的精彩结果。/strong/ppstrong/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 338px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/e5f4a9aa-d6b8-4604-a6a5-28e0177de6e9.jpg" title="222.png" alt="222.png" width="600" height="338" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify "span style="text-align: justify "　　黄超兰教授是北京大学医学部精准医疗多组学研究中心主任，北京大学医学部基础医学院长聘副教授，北京大学生命科学联合中心研究员，曼彻斯特大学荣誉教授。近年来，黄超兰教授带领团队积极开发基于质谱的蛋白质组学新方法，实验室拥有国际领先的仪器、技术和方法，致力于为生物学和临床研究中遇到的难题提供最有质量保证的全面蛋白质组和质谱技术手段。 仅从2015年至今，黄教授在高影响因子的杂志上就发表了近50篇文章 (目前已累计发表SCI论文80余篇)，不但自己开发最前沿的质谱技术(迄今为止，课题组研发的单细胞蛋白质组技术，在单一体细胞中鉴定的蛋白数量是全球领域最高水平)，更发挥了强大的合作力量，以她高超的质谱技术助力了众多科学家的科研发展。曾协助美国普林斯顿大学教授，美国科学院外籍院士颜宁课题组，利用质谱技术有效分析了ACAT1蛋白周围游离的脂质，为ACAT1作用底物的鉴定提供了最为直接有效的证据，相关工作发表在Nature上sup1/sup。最重量级的是协助中科院院士，西湖大学校长施一公教授利用高分辨交联质谱技术对剪接体复合物的成分和相互作用进行准确鉴定，促进了剪接体复合物在冷冻电镜上的超高分辨率结构鉴定，相关工作发表在两篇Science上sup2，3/sup。/span/pp style="text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em "strongspan style="text-align: justify "北京大学医学部精准医疗多组学研究中心/span/strongspan style="text-align: justify "，在“双一流”的支持下，正式成立于2018年6月，为北京大学医学部直属二级单位。黄超兰教授担任中心主任。中心主要基于临床医学热点和难点问题，通过临床医学，创新技术和基础学科的交叉，开展协同创新研究和研发，攻克医学重大难题。/spanspan style="text-indent: 2em "以重要的临床问题为根，利用前沿的高通量多组学技术（基因、转录、蛋白、翻译后修饰、代谢、微生物）和人工智能分析手段，结合临床信息，打造成规模化专业化的临床生物标志物（包括疾病预防，诊断，机制，疗效和药物靶点）开发、验证和标准化的创新平台。/span/pp style="text-align: justify "span style="text-align: justify "br//span/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　原文链接：a href="https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.018" target="_blank"https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.018/a/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "br//pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　　参考文献：/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "　span style="font-size: 14px "　sup1 /supQian et al., Nature, 2020 581(7808):333-338/span/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "span style="font-size: 14px "　　sup2/sup Yan et al., Science, 2015 349(6253):1182-1191/span/pp style="line-height: 1.5em text-align: justify "span style="font-size: 14px "　　sup3 /supWan et al., Science, 2016 351(6272):466-475/span/ppbr//p

仪器信息网讯 2010年11月5日，2010年全国有机质谱学术会议进入大会报告环节。大会邀请的10个大会报告涉及生命科学、食品、环境及能源等领域，其中6个报告关于蛋白质组学及磷酸化蛋白质组学研究，1个报告关于食品中外源性化学物质研究，1个报告关于新药早期临床研究，1个报告关于石油组学研究，1个报告关于MALDI质谱成像技术的新进展。　　从大会报告分布的领域可以看出，蛋白质组学尤其是修饰蛋白质组学是目前有机质谱研究的热点及前沿 食品、药物等对于人们生命安全有重大影响的领域也是有机质谱的重要应用领域之一 而有机质谱最早应用的领域石油，在经历了数年的“沉寂”之后，再一次成为推动有机质谱技术发展的推动力。以下笔者对10个大会报告做简短的概述，以飨读者!　　蛋白质组学及修饰蛋白质组学研究厦门大学赵玉芬院士　　如今，蛋白质组学研究在全世界各地如火如荼展开，但是据报道，在美国食品药品监督管理局(FDA)批准的蛋白质相关产品中尚无一例能够在临床上通过质谱方法检测蛋白质来诊断疾病的实例。中国科学院北京基因组研究所刘斯奇研究员(孙海丹博士代做报告)在报告中指出，为了使蛋白质组学真正应用到临床，随着质谱技术在扫描速度、质量精度、分辨率、裂解方式及定量动态范围等方面的改进，近几年来，蛋白质组学研究已有了如下改变：(1)从广谱蛋白质定性研究转向定量蛋白质研究 (2)从广谱研究转向以锁定特定目标物的蛋白质组学研究 (3)从蛋白质组研究转向转录后修饰蛋白质组研究。对于蛋白质的定量而言，有标记的定量方法和非标记的定量方法。标记的定量方法是指同位素标记相对和绝对定量(iTRAQ)技术 而无标记的定量方法则包括基于色谱峰面积定量方法、以及利用二级离子信号的强度进行的MRM(多反应监测)检测等。尤其是MRM检测以前在小分子方面应用很多，近几年也被广泛地应用于大分子检测上。去年在加拿大的HUPO会议上就是iTRAQ技术占主流，而在今年悉尼的HUPO会议上铺天盖地的都是MRM和SRM(选择反应监测)技术，由此也可以大家已经把蛋白质定量的焦点转移到MRM及SRM上来。此外，刘斯奇研究员的报告中还提及，目前，世界各地实验室存在同类蛋白质定量不一致的情况，是否是因为制备材料不同、方法不同、仪器不同等原因导致结果不一致?科学家们倡议不同实验室联合，对样品的制备及分析过程实现标准化，以便使得蛋白质研究真正走向临床。中科院生物物理所杨福全研究员 中科院大连化物所邹汉法研究员　　正如刘斯奇研究员报告中所介绍的，目前，修饰蛋白质研究成为蛋白质研究的又一重点。大会报告中5位专家的报告都涉及到磷酸化蛋白质的研究。中科院生物物理所杨福全研究员介绍了目前磷酸化蛋白组学研究进展，其指出，蛋白质磷酸化是一种蛋白质翻译后修饰，磷酸化蛋白质分析的最大挑战是其含量较低及其离子化效率相对低，因此磷酸化蛋白质富集策略在质谱分析中很重要。目前，用于磷酸化蛋白质的富集策略有固定化金属亲和色谱(IMAC)、金属氧化物亲和色谱(MOAC)、化学衍生富集(PAC)等，研究证明单一的富集方法效果不好，而几种富集方法的串联和并联使用的策略，以及色谱预分离-富集串联的策略则有比较好的效果。而在磷酸化蛋白质鉴定和修饰位点分析中，主要的技术手段包括MALDI-TOF-MS和ESI-MS-MS等 而定量磷酸化蛋白质组学技术包括基于质谱技术的定量策略和基于同位素标记的定量策略。 中国科学院北京基因组研究所孙海丹博士 Wisconsin –Madison大学的李灵军教授　　厦门大学赵玉芬院士则介绍了基于稳定同位素质谱技术在磷酸化蛋白激酶的反应机理的研究 中科院大连化物所邹汉法研究员介绍其研究的两种磷酸化蛋白质富集材料磷酸酯锆和磷酸酯钛在提高磷酸化蛋白质富集效率方面的作用 Wisconsin –Madison大学的李灵军教授则介绍了通过标记和非标记蛋白质定量方法研究两种环境致病的疾病的研究 北京大学生命科学学院的纪建国教授则介绍了神经性疾病磷酸化蛋白质的动态表达的变化。军事医学科学院的杨松成教授 北京大学生命科学学院的纪建国教授　　在此大主题下，来自军事医学科学院的杨松成教授介绍了MALDI质谱成像的新进展。上个世纪80年代，基质辅助激光解析电离新型离子源发明，1997年，美国Vanderbilt大学Caprioli教授首次报道了利用MALDI质谱成像，直接从大鼠的脑下垂体和结肠组织获得了蛋白质和多肽的生物分子图像，开创了分子成像组织学的新领域。目前，这项技术先前主要应用在蛋白质、多肽研究，现在又扩展到小分子如脂质和药物研究。其与现在广泛使用的放射自显影技术相比，具有不需要标记和探针、质谱成像时非靶向的、质谱成像可检测代谢物与药物、可以对整体动物组织进行成像等优点，其将在生物医学的基础研究中发挥作用。杨松成教授还指出，质谱成像技术除了MDLAI外，还有DESI(解析电喷雾离子化)和SIMS(二次离子质谱)，未来质谱成像技术将在仪器和样品前处理技术上改进，并向三位图像发展。　　新药早期临床研究北京协和医院临床药理中心的江骥教授　　药物研究一直以来都是质谱的重要应用领域，来自北京协和医院临床药理中心的江骥教授则从新药早期临床研究对质谱技术的需求角度进行了介绍。江骥教授表示，新药研发的成本越来越高，特别是在进入二期和三期临床研究中，费用更是惊人。如果能在一期临床或更早之前就能判断新药的安全性与有效性，则可以大大地节约新药开发成本。因此，“微剂量”或者“0周期临床试验”的临床研究方法被西方国家权威机构所采纳。这种方法的好处是在 不会导致太大安全性问题的前提下可以获得直接来自于人体内药物代谢试验的第一手信息。这对于了解药物在人体内的安全性、有效性以及药物代谢情况，提高研究效率，降低研究风险成本，缩短研究周期具有重大意义。在这种情况下，人们对微量药物探测技术提出了更高的要求，除了同位素标记的正电子发射断层(PET)技术外，高灵敏度的LC-MS/MS及AMS(加速器质谱)成为了必然采用的方法。此外，由于当前的新药开发除小分子化合物外还包括生物制剂和中药制剂，这些则需要用到特殊的电离技术、高分辨质谱技术以及对海量药物代谢数据的处理和分析能力。　　食品中外源性化学物质研究中国检验检疫科学研究院食品安全研究所的杨敏莉博士　　食品中外源性化学物质是指在农产品种植、养殖、加工等过程中加入的化学品，或因环境因素引入的有害化学物质，包括农药兽药残留、真菌毒素、包装材料中的有害化学物质、食品添加剂及重金属等。国际和我国对食品中外源性化学物质的限量日益严格，给检测提出了挑战。中国检验检疫科学研究院食品安全研究所的杨敏莉博士介绍了食品中外源性化学物残留确证技术研究、食品中未知添加物质的筛查技术研究、车载气相色谱/质谱仪应用研究、有机质谱痕量分析质量控制技术研究等四方面介绍了有机质谱在食品检测中 的应用。同时杨敏莉博士对应用于食品检测的质谱技术提出了需求展望：不同公司检测参数统一、数据库接口开放、更易于维护、电离效率改善、高选择性和灵敏度、复杂基质直接分析。　　石油组学研究中国石油大学(北京)重质石油国家重点实验室的史权教授　　质谱技术发展与石油化学有着紧密的联系，1942年美国加州大西洋炼厂购买了一台美国联合电力公司的CEC-21-101型低分辨单聚焦质谱计，这是世界上第一台用于有机分析的商业质谱仪，因此可以说石油化学工业是有机质谱的最早用户。中国石油大学(北京)重质石油国家重点实验室的史权教授介绍到，据文献报道，上世纪八十年代，石油分析遇到的挑战——石油极性大分子的组成分析，当时的技术GC、LC、NMR、MS等技术都不能解决这个问题，石油分析的发展遇到了瓶颈，而此时生命科学研究兴起，同时石油公司也认为该做的研究工作都已完成，从而导致了一大批质谱学家转到了生命科学领域。　　但是到了上世纪90年代， FT-ICR-MS(傅里叶变换-离子回旋共振质谱)的分辨率超过了磁质谱，于是有人尝试用该质谱技术用于石油重组分研究，但是在石油分析最关心的杂原子含S、N、O等杂原子烃类化合物的分析还是难有突破。2000年时，诺贝尔奖金获得者发现化石燃料可以在ESI电离源中电离，这给从事石油分析的研究人员带来了信心。随后，科学家们在此基础上，利用FT-ICR-MS做了大量的研究工作，提出石油组学的概念。2007-2009年，世界上各大石油公司如阿美石油、美孚、壳牌、中石化等相继购买了FT-ICR-MS进行石油组分分析。目前，我国最高端的FT-ICR-MS 是9.4T FT-ICR-MS。最后，史权教授认为，有机质谱技术将在有机地球化学(石油成因机理、成藏过程)、采油过程化学(石油开发过程中的界面化学)及石油转化化学(石油组学、分子炼油)等三方面发挥重要作用。　　注：有关2010年全国有机质谱会的后续报道，敬请关注仪器信息网资讯栏目!

p style="text-indent: 2em "strong仪器信息网讯 /strong2018年11月24日，由中国质谱学会（中国物理学会质谱分会）、中国化学会质谱分析专业委员会和中国仪器仪表学会分析仪器分会质谱仪器专业委员会联合主办，中国广州分析测试中心、中山大学承办，广东省分析测试协会及广东省质谱学会协办的“2018年中国质谱学术大会”（CMSC 2018）在广州东方宾馆隆重开幕。本次会议主题为：中国质谱新时代。来自十多个国家地区的质谱技术与应用方面的专家学者、质谱厂商及相关用户共1900余人参加了本次会议，会议规模相比往届再攀新高。仪器信息网作为合作媒体对本次大会进行系列报道。br//pp style="text-indent: 2em "本次大会为期2天半(11月24日-26日)，共邀请12个大会报告并开设主题为生命科学与医学、质谱新方法新技术、仪器研发与基础理论、环境与食品、地球科学及材料与能源、临床质谱等多个分会场。会议同期还设置了青年论坛专场和学术墙报展示，以促进我国质谱分析技术的快速发展，展示我国在该领域取得的成绩及增进同行间的学术交流。/pp style="text-indent: 2em "大会首日的生命科学与医学的分组报告会上，北京生命科学研究所董梦秋教授、东南大学陶纬国教授、美国威斯康星大学李灵军教授、北京师范大学谢孟峡教授等重量级专家分享前沿科学成果。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/2eb70c26-536e-4641-a771-b53a630386eb.jpg" style="" title="Axianchang.jpg"//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/d91be019-bc8e-4aa0-b6d3-b3d087503476.jpg" title="Bxianchang.jpg" alt="Bxianchang.jpg"//pp style="text-align: center "报告会现场br//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/c66402c2-248f-4a30-a031-e01573041590.jpg" style="" title="dongmenxia.jpg"//pp style="text-indent: 2em text-align: center "北京生命科学研究所教授董梦秋/pp style="text-indent: 2em text-align: center "报告题目：Quantitative Phosphoproteomics analysis Revealed Longevity Mechanisms in C. elegans/pp style="text-indent: 2em "董梦秋带领课题组以线虫为模型，研究关于衰老的基础生物学问题，同时开发了基于质谱的蛋白质组学技术。她提到，线虫领域对衰老的研究起源于1993年发现胰岛素信号通路可调节寿命。目前，线虫领域较少涉及磷酸化蛋白质组学的研究，因此已鉴定的磷酸化位点相对较少。基于此，董梦秋在报告中分享了其在线虫磷酸化蛋白组学研究的实验过程，包括鉴定磷酸化位点及蛋白肽段的软件使用体会。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/22f347fc-b4d1-4beb-bdce-119e254d8502.jpg" title="taoweiguo.jpg" alt="taoweiguo.jpg"//pp style="text-indent: 2em text-align: center "东南大学生物医学工程学院教授陶纬国/pp style="text-indent: 2em text-align: center "报告题目：开发外泌体蛋白临床质谱的前景和挑战/pp style="text-indent: 2em "针对蛋白磷酸化中的难点问题，陶纬国课题组研发了以质谱检测为中心的高通量新技术，利用该技术发现激酶的直接底物和磷酸蛋白的直接上游激酶，并致力于通过开发外泌体蛋白作为疾病指标分子进行医疗检测。会上陶纬国也分享了基于此研究的一些实际医疗案例。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/9d0d1492-2d3e-4457-bab8-3faa433aa867.jpg" title="lilinjun.jpg" alt="lilinjun.jpg"//pp style="text-indent: 2em text-align: center "美国威斯康星大学教授李灵军/pp style="text-indent: 2em text-align: center "报告题目：Sweetening the Process of Biomarker Discovery in Alzheimer' s Disease(AD): Development of Improved Chemical Strategies for Probing Glycosylation patterns in AD/pp style="text-indent: 2em "李灵军在报告中主要介绍了关于促进阿尔兹海默症（AD）中生物标志物的相关研究。AD是一种渐行性神经退行疾病，截至2017年，中国的AD患者位居全球第一，数据为900万人。李灵军在报告中讲述了其基于HOTMAQ方法开展高通量目标蛋白的绝对定量以及生物标志物验证的研究进展。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/7deaa47b-70e8-483b-bb0b-82fdf527e8cd.jpg" title="xiemengxia.jpg"/br//pp style="text-indent: 2em text-align: center "北京师范大学教授谢孟峡/pp style="text-indent: 2em text-align: center "报告题目：硝酸化多肽磁纳米富集材料的制备及应用研究/pp style="text-indent: 2em "蛋白质磷酸化是最为广泛的翻译后修饰之一，但因为蛋白质磷酸化动态可逆且磷酸化蛋白丰度低，很难从复杂生物中直接检测磷酸化蛋白。谢孟峡在报告中讲述了磷酸化蛋白富集方面的研究进展，包括两种功能化磁纳米粒子，前者能有效富集磷酸化肽段，后者能特异性富集络氨酸磷酸化肽段。两者均能应用于生物样品中，为发现生物体系中相关痕量疾病标志物提供了基础材料，并能应用于磷酸化蛋白质组学研究中。/ppbr//p

遗传性视网膜营养不良（Inherited retinal dystrophies, IRDs）是可导致进行性视网膜退化的遗传缺陷性罕见疾病，常见的IRD相关基因缺陷超过200种。近几年，眼科领域的基因治疗临床试验项目数量激增，包括基因替换、基因编辑和基因沉默多个技术方面。2017年美国FDA首次批准了视网膜Voretigene Neparvovec基因疗法（Luxturna, Spark Therapeutics），用于治疗RPE65.1双等位基因突变引起的罕见眼科疾病，称为Leber先天性黑蒙。这个里程碑意义的决定为眼科疾病基因疗法打开了大门。目前大部分临床研究疗法目标是通过导入正常功能基因，从而恢复缺陷基因编码蛋白质的正常表达。在非临床研究和临床研究中，检测转基因目的蛋白表达是基因疗法开发的一个关键方面。 目前，有多种技术可实现目的蛋白表达定量检测包括配体结合法(Ligand binding assay，LBA)如酶联免疫吸附方法（ELISA）、液相色谱-质谱（LC-MS）、流式细胞术、蛋白质免疫印迹（Western Blot）和组织染色技术。每种技术都有各自优势和局限，如目的蛋白为分泌性表达，可采用ELISA方法检测细胞培养上清液或体液系统中目标蛋白含量；如目的蛋白不能分泌表达，可采用Western Blot或质谱方法；如需要检测细胞膜蛋白，可采用流式细胞术；如要确定蛋白质在细胞和组织内分布，可采用免疫荧光检测。 在体内和体外模型中研究基因治疗产物与治疗靶点的相关作用机制和效应，选择生物相关性模型来检测目的基因表达和生物学活性非常重要。对于眼部疾病可探索选择临床前研究模型如细胞系模型、人诱导多能干细胞（hiPSC）衍生的视网膜类器官疾病模型、啮齿动物和非人灵长类动物等，根据生物学相关性和测定时间可在不同阶段综合选择特异性评估模型。眼部疾病细胞模型案例1：iPSC衍生视网膜色素上皮细胞（RPE）中低丰度大分子量蛋白质表达检测 从三名Stargardt病人皮肤活检样本产生多个iPS细胞系，这些患者都携带一个致病性ABCA4基因变异。采用RNA-Sep和Digital WB分析正常对照和患者细胞衍生的RPE。这个细胞模型与活检组织相比，可用于评估难以检测的非表达变异体，患者来源的细胞可能更密切地反映患者体内发生的剪接和编辑事件，可用于病人药物敏感性研究，指导临床试验。采用全自动Digital WB技术分析pABCA4蛋白质表达，制备了20 μg 总蛋白 dRPE 细胞匀浆，阳性和阴性对照分别是20 μg野生型和 ABCA4 敲除小鼠视网膜匀浆。参考下图，小鼠视网膜（Mouse ret）在野生型(WT)中pABCA4表达丰度很高，敲除（KO）小鼠没有表达。人类对照（NHDF）具有比WT小鼠视网膜更高表观分子量，同时有更高的表达丰度。与对照相比，所有患者细胞系（H、J和S）中均可检测到pABCA4 ，但这些低丰度pABCA4蛋白可能被降解，作为截短蛋白或降解产品形式存在（除S2外）。与mRNA表达谱结果一致，S2细胞系具有相对正常的pABCA4表达水平和修饰后成熟膜蛋白的分子量。本研究利用了Digital WB对低丰度和大分子量蛋白质分析检测能力。案例2：眼角膜内皮细胞信号通路中多重蛋白质表达检测 本研究采用人源和鼠源细胞，分别是敲低了SLC4A11表达水平的原代人角膜内皮细胞（primary human corneal endothelial cells, pHCEnC），即SLC4A11 (SLC4A11 KD pHCEnC)；还有Slc4a11+/+和Slc4a11-/-鼠角膜内皮细胞系（murine corneal endothelial cells, MCEnC），即 Slc4a11-/- MCEnC和Slc4a11+/+ MCEnC。比较转录组学分析揭示了SLC4A11 KD pHCEnC和Slc4a11-/- MCEnC中细胞代谢和离子转运功能抑制以及线粒体功能障碍，导致ATP生产减少。AMPK-p53/ULK1通路激活也表明线粒体功能障碍和线粒体自噬。稳态 ATP 水平降低和随后 AMPK-p53 通路激活提供了代谢功能缺陷和转录组改变之间的联系，以及 ATP 不足以维持 Na+/K+-ATPase角膜内皮泵的证据，这是 SLC4A11 相关角膜内皮营养不良特征性水肿的原因。所以SLC4A11缺陷角膜内皮中分子作用导致内皮功能障碍，是先天性遗传性角膜内皮营养不良 (congenital hereditary endothelial dystrophy, CHED) 和Fuchs 角膜内皮营养不良的主要特征。 下图结果表明SLC4A11缺陷角膜内皮中AMPK-p53 通路激活，采用Digital WB检测信号通路中各蛋白质表达水平。图B说明与 scRNA pHCEnC 对照相比，SLC4A11 KD pHCEnC 中 p53 Ser15 磷酸化水平增加，表明p53转录翻译后激活。图C在Slc4a11-/- MCEnC晚期传代中观察到相似结果（p53 Ser18磷酸化增加，对应于人p53 Ser15）。图C和D结果表明在Slc4a11-/- MCEnC 早期和晚期传代中总 p53 水平增加，代表p53转录激活。进一步研究磷酸化和p53转录激活的激酶，根据报道AMPK介导 Ser15（小鼠中Ser18）磷酸化和p53转录激活，图B和C实验结果也说明AMPKα的Thr172磷酸化增加，AMPKβ1的Ser182磷酸化没有变化。图E和F，与 scRNA pHCEnC 相比，AMPK 另一种下游底物 Unc-51 样自噬激活激酶 1 (ULK1) 在SLC4A11 KD pHCEnC中磷酸化水平(Ser555)增加。综合这些结果表明，ATP水平下降导致AMPK及其下游底物p53 和 ULK1 激活，分别导致转录组改变和线粒体自噬增加。同样，鉴于 SLC4A11 在预防氧化损伤中的作用，SLC4A11 缺失导致线粒体 ROS 产生增加，随后线粒体功能障碍和线粒体自噬增加。此发病机制支持使用Slc4a11-/-小鼠作为SLC4A11相关角膜内皮营养不良的模型，评估各种治疗方法的转化潜力。 基于Digital WB技术的全自动蛋白质表达分析系统Jess可实现化学发光和荧光两种检测模式，是多重蛋白质表达分析有力工具。2022年，ProteinSimple发布了Stellar全自动双色荧光蛋白质表达检测方案，特别适合同步分析细胞信号通路磷酸化蛋白和总蛋白表达，将细胞信号通路研究工具带到一个新高度。iPSC衍生视网膜类器官模型案例1：Digital WB检测iPSC衍生的视网膜类器官中视紫红质表达含量 美国NIH研究人员利用成纤维细胞重编程获得诱导多能干细胞（iPSC），再分化产生视网膜类器官。通过转录组学分析，确定了视网膜类器官发育过程中调节信号，在体外生成了更成熟视网膜，可促进疾病建模和基因治疗研究。本研究采用Digital WB技术揭示了不同培养条件下类器官培养物种视紫红质（Rhodopsin）表达差异。下图结果表明，DHA处理的类器官在32天时视紫红质表达增加了30%，而亚油酸（LA）处理类器官视紫红质表达降低，这表明DHA处理的类器官中视紫红质表达增加不是脂肪酸添加带来的。案例2：AAV基因治疗的RetGC-GUCY2D视网膜类器官疾病模型 Leber先天性黑蒙可由多种不同突变基因导致包括RPE65、CEP29、GUCY2D和CRX等。其中Leber先天性黑蒙1型由GUCY2D基因突变导致，可导致严重视力损害或失明。GUCY2D基因正常拷贝编码了一种鸟苷酸环化酶（RetGC），其是感光器生理学中关键酶之一，视网膜中光敏杆状细胞和视锥细胞使用该酶将光转换为电化学信号。 英国MeiraGTx公司研究人员利用CRISPR/CAS9 技术生成 RetGC 敲除 (RetGC KO) 视网膜类器官，iPSC衍生视网膜类器官分化后，将RetGC KO 视网膜类器官与同一细胞系的野生型类器官进行对比研究。总共设计了四种 AAV 载体来测试RetGC 蛋白在光感受器中的恢复情况，所有载体采用AAV7递送。CMV 和视紫红质激酶 (RK) 两个启动子，并评估了WoodChuck肝炎病毒翻译后调控元件 (WPRE) 影响。采用Digital WB检测6组类器官中RetGC蛋白表达水平。实验结果揭示，与非转导样本组比，所有载体设计均以不同效率产生RetGC蛋白。加入WPRE似乎显示出效力降低趋势，通过其他量化指标验证了这个趋势。 Digital WB相比传统Western blot，只需要几十分之一样本量就可实现类器官等珍贵样本中蛋白质定量检测，而且重复性更高和速度更快，非常适合眼部疾病类器官模型的转基因目的蛋白及相关通路蛋白表达分析。“全自动Digital WB技术是眼部疾病蛋白质表达定量的重要工具 Jess全自动数字化蛋白质表达定量分析系统 (Digital WB) 是Bio-Techne集团旗下蛋白质分析品牌ProteinSimple所有。系统利用毛细管电泳免疫学分析技术，可从微量样品中自动吸取、分离、捕获蛋白质，并通过化学发光或荧光检测目的蛋白含量。针对眼部疾病基因治疗应用技术优势Digital WB技术适合眼科基因治疗体外和体内各种模型中转基因目的蛋白表达定量分析，用于视网膜细胞系、iPSC衍生视网膜色素上皮细胞（RPE）和类器官、小鼠动物模型和非人灵长类动物模型的关键蛋白质分析。适合于基因治疗研发的不同阶段对转基因目的蛋白及相关信号通路蛋白检测需求。满足类器官和视网膜微量样本蛋白质分析需求，Digital WB技术样本量需求是传统Western Blot几十分之一，只需要3 μL样本量就可实现多重蛋白质表达检测，特别适合眼部疾病微量珍贵样本蛋白质分析。Digital WB精准定量检测，传统Western Blot只能满足样本半定量需求，重复性比较差。基因治疗某些目的蛋白表达与临床治疗效果相关联，可作为替代生物标志物，建立量效关系。要求目的蛋白分析检测标准需要提高，要求技术需要经过严格验证，Digital WB可满足这些需求。符合基因治疗产业对自动化标准化和效率的需求，面对行业激烈竞争，需要提升研发效率。Digital WB实现了全自动化和标准化，软件符合FDA 21 CFR Part 11合规性需求。系统3个小时完成一批次蛋白质分析，比传统Western Blot快4倍，大大提高了实验效率，同时减少人力成本。 Digital WB自动化程度高、重复性好、灵敏度高和具有较宽动态检测范围，这些特点满足眼部疾病基因治疗项目不同阶段的目的蛋白定量需求。Digital WB已被国内外知名基因治疗机构采用如Biogen, Sarepta Therapeutics, MeiraGTx，ATGC, Spark Therapeutics，Regenxbio，CRISPR Therapeutics, Editas Medicine, Bluebird bio，杭州嘉因生物、中国食品药品检定研究院等，必将在基因治疗研发阶段、非临床研究和临床研究阶段发挥更大的作用。扫描下方二维码，获取更多关于Digital WB资料参考文献： Gordon, Kathleen Del Medico, Amy Sander, Ian Kumar, Arvind Hamad, Bashar (2019). Gene therapies in ophthalmic disease. Nature Reviews Drug Discovery.MacLaren, R.E. A 2020 vision of ocular gene therapy. Gene Ther 28, 217–219 (2021).基因治疗产品非临床研究与评价技术指导原则（试行）Thilo M. Buck and Jan Wijnholds. Recombinant Adeno-Associated Viral Vectors (rAAV)-Vector Elements in Ocular Gene Therapy Clinical Trials and Transgene Expression and Bioactivity Assays. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 4197.Annemieke Aartsma-Rus, Jennifer Morgan, et at. Report of a TREAT-NMD/World Duchenne Organisation Meeting on Dystrophin Quantification Methodology. Journal of Neuromuscular Diseases. 6 (2019) 147–159Beekman C, Janson AA, Baghat A, van Deutekom JC, Datson NA (2018) Use of capillary Western immunoassay (Wes) for quantification of dystrophin levels in skeletal muscle of healthy controls and individuals with Becker and Duchenne muscular dystrophy. PLoS ONE 13(4): e0195850.Matynia A, Wang J, Kim S, Li Y, Dimashkie A, Jiang Z, Hu J, Strom SP, Radu RA, Chen R, Gorin MB. Assessing variant causality and severity using retinal pigment epithelial cells derived from Stargardt disease patients. Transl Vis Sci Technol. 2022 11(3):33Zhang W, Frausto R, Chung DD, et al. Energy shortage in human and mouse models of SLC4A11-Associated corneal endothelial dystrophies. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2020 61(8):39Brooks et al., Improved Retinal Organoid Differentiation by Modulating Signaling Pathways Revealed by Comparative Transcriptome Analyses with Development In Vivo, Stem Cell Reports (2019)Arifa Naeem, etc. RetGC-GUCY2D retinal organoid disease model for AAV gene therapy development. MeiraGTx LTd

2月8日，国际知名学术刊物Nature Communications在线发表了韩家淮教授课题组的最新研究成果“RIP1 Autophosphorylation Is Promoted by Mitochondrial ROS and Is Essential for RIP3 Recruitment into Necrosome”，揭示了活性氧簇(ROS)通过直接特异地氧化受体相互作用丝氨酸/苏氨酸激酶1(RIP1)上的三个关键的半胱氨酸，进而特异地增强RIP1在S161上的自磷酸化，从而促进坏死小体的形成和程序性细胞坏死的发生。　　程序性细胞坏死是一种高度受调控的细胞死亡方式，它参与到机体的多种病理过程中，因而受到学术界的广泛关注，比如细菌和病毒感染，或者动脉粥样硬化等无菌损伤导致的炎性病变。程序性细胞坏死在生理病理上的重要性决定了它在调控上的复杂性。因此，尽管关于它的机制研究被频繁报道，仍然有许多重要的科学问题尚未解决。其中，线粒体ROS在程序性细胞坏死中的作用和分子机制，是近20年内该领域一个长期存在且有争议的问题。另一个长期存在的问题是，RIP1作为程序性坏死通路上的核心蛋白，它的激酶活性是行使功能所必需的，但是RIP1的激酶活性在程序性细胞坏死中起了什么样的作用仍然未知。　　韩家淮教授课题组的这项研究表明，这两个科学问题是相关联的。研究人员利用质谱技术首次证实，RIP1通过其上的三个关键的半胱氨酸(C257，C268和C586)直接接受ROS的氧化调控，进而增强激酶活性，发生第161位丝氨酸(S161)的自磷酸化。他们证实了RIP1的激酶活性在程序性细胞坏死中的主要功能是自磷酸化S161，且S161就是人们长期寻找的RIP1上与坏死相关的功能性磷酸化位点。坏死小体的形成是程序性细胞坏死发生的必要复合物，而S161的磷酸化是RIP1有效募集RIP3形成有功能的坏死小体所必需的。由于ROS的产生依赖于坏死小体里的RIP3的功能，因此ROS介导了程序性坏死通路里的正反馈调控。　　韩家淮教授课题组的研究阐明了ROS促进程序性细胞坏死的分子机制，回答了领域内长期存在的两个科学问题，对全面解析程序性坏死机制并协助疾病治疗具有重要意义。　　张荧荧和苏晟为该论文的共同第一作者。该项研究得到了973计划和国家自然科学基金委员会重点和重大研究计划项目的经费支持。　　论文原文链接：http://www.nature.com/articles/ncomms14329

生物大分子除了具有传统结构生物学可以解析的有序部分，还经常伴随着高度无序性的区域，而后者被发现可以参与到凝聚相的形成（biomolecular condensation），是几乎所有无膜细胞器形成的基础。解析这些无膜细胞器的组装模式，对于理解其在重要生物学过程及疾病发生中的功能是极为重要的。然而由于大分子凝聚相组成的多样性、无序性和动态性，解析其分子组装基础尤其是在细胞原位水平的相互作用机制极其困难。近年来逐渐发展成熟的冷冻电子断层扫描成像技术（cryo-electron tomography， ET）结合冷冻聚焦离子束减薄技术（cryo-focused ion beam milling）、冷冻光电镜关联技术（cryo-correlative electron and light microscopy, CLEM），与经典的定量质谱学结合，使得相分离无膜细胞器在细胞原位水平的高分辨率可视化成为可能。2023年4月27日，欧洲分子生物学实验室（EMBL）Julia Mahamid课题组的张潇洁博士和Mikhail M. Savitski课题组Sindhuja Sridharan博士等在Cell杂志发表了题为Molecular mechanisms of stress-induced reactivation in mumps virus condensates 的研究论文。该研究利用cryo-ET、质谱定量分析及细胞生物学方法，首次揭示了在宿主细胞处于应激状态时，持续性感染的腮腺炎病毒是如何通过其在宿主细胞内的复制工厂这一凝聚相来实现激活的分子机制。该研究是由一个意外的发现引起的。在细胞响应外界压力（如氧化、热休克、渗透应激条件等）时可以在数分钟内快速形成一种典型的无膜细胞器即应激颗粒。研究人员在利用cryo-CLEM 及cryo-ET对细胞原位水平的应激颗粒进行电镜成像时，意外的多次观察到实验所使用的HeLa细胞内有成团存在的直径约20纳米的螺旋形纤维结构。经过近两年时间的生化分离尝试、结构解析（subtomogram averaging）及质谱分析，研究人员惊奇的发现细胞不知何时意外感染了腮腺炎病毒，而这些螺旋形纤维结构其实是病毒的核衣壳（表征病毒复制工厂的位置）。病毒持续地存在于HeLa细胞中，却对细胞的增殖速度没有可见的影响。而当细胞处于应激状态时，这些病毒的复制却被诱导上调。图1 | 细胞应激状态下持续性感染的腮腺炎病毒复制增强。（A）意外发现的持续性腮腺炎病毒（MuV）感染模型（G3BP1为应激标记蛋白）。（B）氧化应激条件下复制水平上升。（C）免疫荧光染色观察到病毒复制工厂在应激条件体积增大、数目减少。（D）将复制工厂（VF）凝聚相形成的主要组分即磷酸化蛋白的基因转染细胞后观察到的复制工厂的类似液态属性。为了理解细胞应激导致腮腺炎病毒激活的机制，研究人员首先利用免疫染色及光学显微镜观察这些持续性感染的细胞在受到应激处理时会发生怎样的变化。结果显示随着细胞处理时间的延长，应激颗粒逐渐形成，而病毒复制工厂这一微米尺度的细胞内结构的体积也逐渐变大，同时数目减少。进一步研究发现病毒复制工厂类似应激颗粒，也是具有类似液态属性的凝聚相，由其主要组分高度无序的磷酸化蛋白（phosphoprotein）介导形成。这些复制工厂在细胞受到应激处理时呈现动态性，小的凝聚体可以融合形成更大的凝聚体。图2 | 细胞应激引发病毒复制工厂中蛋白作用网络的变化。（A）应激条件下病毒的磷酸化蛋白（标记为P）的磷酸化水平增高。（B）同时，病毒聚合酶蛋白（标记为L）的溶解度下降。（C）AlphaFold2建模及同源比对表明磷酸化位点可能影响病毒聚合酶复合体的稳定性。随后，研究人员利用质谱定量系统分析了在细胞应激状态下，病毒及宿主细胞蛋白质组的变化，包括蛋白表达水平、磷酸化水平和溶解水平等。虽然病毒蛋白在细胞内水平未明显变化（胞外水平检测到上升），有趣的是在磷酸化蛋白的多个位点的磷酸化水平有明显的上调，同时与其相互作用的病毒RNA聚合酶的溶解水平明显降低（可能更多的进入其复制工厂凝聚相）。AlphaFold2建模及同源比对表明这些磷酸化位点刚好位于病毒磷酸化蛋白与其RNA聚合酶的结合位点处。后续的蛋白质密度梯度离心、免疫亲和纯化、突变体分析等实验表明，该磷酸化水平的升高的确与病毒聚合酶复合物在细胞应激状态下的稳定性升高相关。另外，与对应条件下病毒活性的上调相一致，宿主免疫响应水平明显下调。图3 | 腮腺炎病毒复制工厂及其核衣壳蛋白在应激条件下的形态及构象变化。（A）复制工厂在较短时间应激处理时的形态（cryo-ET图像分割；湛蓝色为核衣壳纤维）。（B）随应激时间延长，复制工厂和核衣壳纤维形态的变化，及相互作用蛋白富集。（C）对短时间应激时分离的核衣壳纤维进行亚断层平均（subtomogram averaging）产生的松散（绿色；分辨率4.5 Å）和紧凑（橙色；分辨率6.3 Å）两种构象。分离试验中对核衣壳纤维进行肝素处理使其伸直用于数据分析。（D）对较长应激时细胞原位的伸直的核衣壳纤维进行亚断层平均仅鉴定到松散的构象（分辨率6.5 Å）。最后，研究人员利用cryo-ET对应激处理不同时间点的病毒复制工厂分别进行了细胞原位成像及结构解析（subtomogram averaging）。结果显示随着应激时间的延长，细胞内病毒复制工厂变的更加拥挤，与病毒核衣壳相互作用的分子更加富集，并有趣的伴随着核衣壳螺旋形纤维由弯曲到伸直的形态变化（伸直形态被报道与慢性肌炎相关）。较高分辨率的结构分析表明，其弯曲的形态对应着紧凑和松散两种组装构象，而伸直的形态则几乎都是松散的构象。后者使得核衣壳上缠绕的病毒基因组RNA及核衣壳蛋白的羧基端无序结构（IDR）更容易暴露出来，完成其与病毒复制相关的功能，从而进一步支持应激状态下病毒复制的上调。图4 | 该研究提出的相分离的腮腺炎病毒复制工厂在应激条件下激活的工作模型。综上，该研究整合了前沿的细胞原位cryo-ET、cryo-CLEM、AlphaFold2建模、质谱定量、光学成像等，跨空间尺度地分析了持续性感染的腮腺炎病毒的复制工厂这一凝聚相的应激变化。这为未来进一步探索应激条件下引起这些分子事件的信号通路、以及腮腺炎病毒持续性感染与慢性疾病发生的关联等提供了基础。重要的是，该研究表明细胞原位cryo-ET与这些技术的整合，有望带来很多结构细胞生物学的新发现。该研究由欧洲分子生物学实验室（EMBL）Julia Mahamid课题组和Mikhail M. Savitski课题组完成，Christoph W. Mueller课题组提供了帮助，德国马普所分子细胞生物学与遗传学分所 （MPI-CBG）Christina Eugster Oegema 提供了RNA定量数据，Anthony A. Hyman及实验室提供了重要建议和帮助。

2008年8月18日，服务科技，世界领先的赛默飞世尔科技在2008年人类蛋白质组大会(HUPO 2008)上推出新的蛋白质组学工作流程解决方案，以及两个Thermo Scientific软件升级包。不久前推出的Proteome Discoverer 软件平台是一个综合性的、可拓展软件平台，可以对蛋白质组的数据进行定性和定量分析，作为Proteome Discoverer 的补充，新加入的部分将进一步升级Thermo Scientific Proteome Dynamics。　　Proteome Dynamics是一套完整的蛋白质组解决方案，包括试剂，样品制备试剂盒和操作流程，质谱仪和具有特定功能的生物软件，以方便识别，定量和定性鉴定蛋白质。推出新品包括以下几个方面　　• 自动化的磷酸化肽段工作流程—一套完整可自动化分析磷酸化肽段的操作流程　　• SIEVE™ 1.2---主要对软件中无标记差异分析部分进行升级。基于液相色谱质谱数据比较对蛋白和肽段的变化进行衡量和鉴定　　• ProSightPC™ 2.0—拓展了业界领先的自上而下的鉴定能力，支持所有高质量准确度的串联质谱实验的蛋白鉴定和表征　　在过去的十年里，蛋白质组学领域大步发展，它对生物和医药领域的尖端科技产生了深远的影响。Thermo Fisher一直致力于蛋白质组科学的发展，打破了传统定性蛋白质组分析，转向更高级的定量蛋白质组，因而创造了蛋白质组动态研究蓝图。　　新型自动化磷酸化肽段分析流程将Thermo Scientific技术与Pierce磷酸化肽段富集试剂盒、Kingfisher Flex 磁珠纯化系统和LTQ Orbitrap™ XL ETD 杂交质谱仪结合起来，可以完全实现对磷酸化肽段进行分析。致力于构建信号途径的科学家会发现固定化金属和金属氧化物的亲和色谱能够富集磷酸化肽段，然后用质谱对其分析是一个功能强大的技术。然而，样品的复杂度和低通量制备步骤成为一个主要的障碍。新型Thermo Scientific的整合操作流程对这类难题提供了一个简单、有效的解决方案。“样品制备和分析过程的每一部都是经过优化的。”Thermo Fisher Scientific 蛋白质学市场总监Andreas Huhmer说，“该工作流程可以使科学家实现整个过程无缝连接。　　在2008年的人类蛋白质组大会上发布的另一款软件是Thermo Scientific 的SIEVE 1.2。通过比较“健康”或对照组和“疾病”或处理不需要同位素标记的样品的液相色谱质谱数据组，SIEVE可自动对无标记的蛋白和肽段进行差异分析。之前，研究者只能比较成对的数据。然而，在生物标志物发现的研究领域内，观察数据趋势是必须的，SIEVE 1.2 可以实现在单个趋势分析中观察多时间点和剂量点。　　“SIEVE第一次发布后，我们从客户收到反馈的主要问题是SIEVE如何根据时间不同监控蛋白变化，如何更方便的在肽段和蛋白水平上解释其统计结果。”Thermo Fisher Scientific 蛋白质学市场程序经理Amy Zumwalt说，“为了满足这一需求，我们在这个版本中加入了趋势分析功能，并且完全重新构建了用户界面。新的向导界面将使差异实验结果和解释统计结果变得更容易。”　　同样首次发布的软件还有Thermo Scientific 的ProSightPC 2.0，它最初是设计来方便“自上而下”(top-down)蛋白质定性鉴定。而现在可以支持所有高质量精度、高分辨率的串联质谱蛋白实验。ProSightPC 2.0可以实现对高质量精度的二级质谱数据进行高通量分析，无论其来自是“自上而下”(top-down)，“自中而下”(middle-down)，还是“自下而上”(bottom-up)的实验，而且可表征已知的翻译后修饰蛋白(PTM)。“Thermo Scientific 的ProSightPC 2.0是专门面向杂交质谱技术的，现在也可以支持新型LTQ Orbitrap XL ETD质谱的数据。”Andreas Huhmer说，“这给研究人员提供了独一无二的工具，可以对蛋白异构体和变异体的错综复杂的差异进行分析.　　SIEVE采用一种新型图形界面，更易使用，而且重要的是它现在可以对液相色谱质谱的数据文件自动进行分析。而以前在处理数据之前必须手动挑选峰。而现在选择整个色谱图就可以对所有的峰进行自动分析了。　　如需对Proteome Dynamics了解更多信息，请于2008年8月16日至20日访问阿姆斯特丹的HUPO #34展台，或致电800-810-5118或400-650-5118，电邮sales.china@thermofisher.com 或者访问www.thermo.com/orbitrap。　　Thermo Scientific是Thermo Fisher Scientific的一部分，是全球科学服务领域的领导者　　关于赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)　　Thermo Fisher Scientific(赛默飞世尔科技)(纽约证交所代码：TMO)是全球科学服务领域的领导者，致力于帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。公司年销售额超过100亿美元，拥有员工约33,000人，在全球范围内服务超过350,000家客户。主要客户类型包括：医药和生物公司，医院和临床诊断实验室，大学、科研院所和政府机构，以及环境与工业过程控制装备制造商等。公司借助于Thermo Scientific和Fisher Scientific这两个主要的品牌，帮助客户解决在分析化学领域从常规的测试到复杂的研发项目中所遇到的各种挑战。Thermo Scientific能够为客户提供一整套包括高端分析仪器、实验室装备、软件、服务、耗材和试剂在内的实验室综合解决方案。Fisher Scientific为卫生保健，科学研究，以及安全和教育领域的客户提供一系列的实验室装备、化学药品以及其他用品和服务。赛默飞世尔科技将努力为客户提供最为便捷的采购方案，为科研的飞速发展不断地改进工艺技术，提升客户价值，帮助股东提高收益，为员工创造良好的发展空间。欲了解更多信息，请登陆：www.thermofisher.com

大家好，本周为大家分享一篇发表在Nat. Struct.上的文章，Towards a structurally resolved human protein interaction network，该文章的通讯作者是瑞典斯德哥尔摩大学的Petras Kundrotas、Arne Elofsson和欧洲分子生物学实验室的Pedro Beltrao。蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）的表征对于理解形成功能单位的蛋白质组和细胞生物学研究的基础是至关重要的。同时，蛋白质复合物的结构表征是理解蛋白质的功能机制、研究突变的影响和研究细胞调控过程的关键步骤。最近，基于神经网络的方法已经被证明了准确预测单个蛋白质和蛋白质复合物的结构的能力；然而，其在大规模预测人类复杂结构中的应用尚未得到有效测试。在此，本文测试了应用AlphaFold2在预测人类蛋白质相互作用结构上的潜力和局限性，并通过实验提示了界面残基中潜在的调节机制。除此之外，本文还提供了使用预测的二元复合物来构建高阶组装的案例，以此拓展了对于人类细胞生物学的理解。人类蛋白质相互作用的结构预测本文基于AlphaFold2的FoldDock管道对65484对来源于HuRI与hu.MAP V.2.0数据库中实验测定的PPIs的结构进行预测。文章合并了一个pDockQ分数，该分数可以根据置信度对模型进行排序。结果显示，已知相互作用蛋白的pDockQ往往高于随机集；对于hu.MAP数据集显示出平均比HuRI数据集更高的可信度，这表明，高可信度模型集中在具有高亲和力和直接相互作用的蛋白质相互作用区域。实验表明，AlphaFold2可以预测大型复合物中直接相互作用的蛋白对的结构（图1）。图1 | AlphaFold2复合物预测在大规模人类PPIs数据集上的应用影响预测置信度的特征如图1a所示，相较于HuRI和hu. MAP数据库中的蛋白质对，出现在蛋白质数据库（PDB）中的蛋白质对更加富集于高分模型部分。为了更好地理解这种差异，本文首先研究了一个由大型（10链）异质蛋白复合物构建的额外数据集。通过实验，结果显示直接相互作用对与间接相互作用对之间pDockQ分数的差异是显著的，这表明与间接相互作用对相比，即使直接相互作用对是大型复合体的一部分，也往往能够被预测。除此之外，由于HuRI数据库中的许多蛋白质间相互作用很可能是短暂的，而AlphaFold2无法可靠地预测这种相互作用（图2）。图2 | 影响预测置信度的蛋白质和相互作用特征：不同数据集的分析预测的复合物结构在化学交联上的验证化学交联结合质谱分析是一种识别蛋白质对中邻近的活性残基的方法，可以用来帮助确定可能的蛋白质界面。为了确定预测的复合物结构是否满足这种正交空间约束，本文获取了528对具有预测模型的蛋白质对的残基对的交联集合。在此章节中，文章提供了多个案例证明了化学交联验证的有效性（图3）。图3 | 对于预测复合物模型的化学交联支持复合物界面上与疾病相关的错义突变与人类疾病相关的错义突变可以通过多种机制改变蛋白质的功能，包括破坏蛋白质的稳定性、变构调节酶活性和改变PPIs。为了确定预测结构的有效性，本文汇编了一组位于界面残基上的突变，这些突变之前曾被实验测试过对于相应相互作用的影响。文章使用FoldX预测突变时结合亲和力的变化，并观察到破坏相互作用的突变强烈影响了结合的稳定性；另外，本文就在一系列生物学功能中具有界面疾病突变的蛋白质网络簇进行了举例说明（图4）。图4 | 蛋白质复合物界面残基的疾病突变蛋白质复合物界面的磷酸化调节蛋白质磷酸化可以通过改变修饰残基的大小和电荷来调节结合亲和力来调节蛋白质的相互作用，将磷酸化位点定位到蛋白质界面可以为它们在控制蛋白质相互作用中的功能作用产生机制假说。本文使用了最近对人类磷酸化蛋白质组26的鉴定，在高置信度模型中鉴定出了界面残基上的4,145个独特的磷酸化位点。实验表明，某些界面可能受到特定激酶和条件的协调调控。虽然不是所有界面上的磷酸位点都可能调节结合亲和力，但这一分析为特定扰动后的相互作用的潜在协调调控提供了假设（图5）。图5 | 界面残基上磷酸化位点的协同调控来自二元蛋白质相互作用的高阶组装蛋白质既能够同时与多个伙伴相互作用组成更大的蛋白复合物，又能够在时间和空间上分离。这也反映在文章的结构特征网络中，即蛋白质可以在群体中被发现，如蛋白质相互作用全局网络视图所示（图6）。由于使用AlphaFold2预测更大的复合物组装可能受到计算需求的限制，文章测试了蛋白质对的结构是否可以迭代结构上对齐。文章在上述网络中覆盖的一组小的复合物上测试了这一过程，并将一个实验确定的结构与预测的模型进行对齐，展示了该过程的潜力和局限性。受测试例子的鼓励，本文定义了一个自动化过程，通过迭代对齐生成更大的模型。总之，文章发现可以迭代地对齐相互作用的蛋白质对的结构来构建更大的组装，但同时也发现了目前限制这一过程的问题。图6 | 对高阶组装的蛋白质复合物的预测结论本文通过一系列的实验评估了应用AlphaFold2预测已知人类PPIs的复杂结构的潜力与局限性。分析结果表明，由亲和纯化、共分馏和互补的方法组合支撑的蛋白质相互作用能够产生更高置信度的模型。文章证明，可以使用模型指标（如pDockQ评分）对高置信度模型进行排序，为大规模PPIs和稳定复合物的详细研究提供支持；而来自交联质谱实验的数据为进一步验证这些预测提供了理想的资源。除此之外，本文用疾病突变和磷酸化数据证明了蛋白质界面的结构模型对于理解分子机制以及突变和翻译后修饰的影响至关重要；最后，文章提出了从预测的二元配合物出发构建更大的组件结构模型的想法。后续仍需要更多的工作来确定确切的化学计量学，设计方法和评分系统来构建如此更大的复杂组件，以及预测具有弱和瞬态相互作用的蛋白质之间的相互作用。参考文献(1) Burke DF, Bryant P, Barrio-Hernandez I, et al. Towards a structurally resolved human protein interaction network [published online ahead of print, 2023 Jan 23]. Nat Struct Mol Biol. 2023 10.1038/s41594-022-00910-8. doi:10.1038/s41594-022-00910-8

近日，有关NgAgo基因编辑技术首篇论文实验的可重复性受到相关研究者质疑，该论文作者、河北科技大学副教授韩春雨在各类报告上回应这需要“高超的实验技巧”。对此，《中国科学报》记者在采访该领域专家时了解到，所谓“高超的实验技巧”实为实验“标准化”，目前多个实验室的重复实验结果即将出炉。　　最近一个月，许多研究者在网络平台上声称无法重复韩春雨发表论文中的实验。科学网上，多名博主转发研究者的评论，参与了对此事的关注。　　截至发稿前，韩春雨本人并未就此事细节向媒体进行回应。不过，据《中国科学报》记者了解，世界范围内有几家实验室正在对NgAgo-gDNA基因编辑技术的几项实验进行重复，并且已有从未与韩春雨联系过的研究者独立完成了重复实验，即将在学术刊物上发表论文公布结果。　　“韩春雨所说的‘高超的实验技巧’并不准确。”国内一名从事基因技术研究的院士告诉《中国科学报》记者。他推测，无法重复的原因可能是实验过程的“标准化”出了问题，“在细胞生物学的历史上，不能重复的实验时有发生，甚至有时候只是换了一个实验室地点，也得不到相同的实验结果。”　　例如，该院士曾亲历，使用不同生产厂家的血清，也会影响哺乳动物细胞培养。而当年基因克隆时，法国科学家一直无法复制加拿大科学家的实验，最终查明原因竟源于两家实验室使用的水的区别。　　因此，上述院士表示：“韩春雨的实验其他人不能重复不能代表这一结果是假的。”　　目前，已有研究者正在逐步发现“诀窍”。在专门讨论NgAgo的谷歌讨论小组中，一名无法证实身份的研究者“Jan Winter”表示，他因为替换了一项实验材料，取得了重复实验的成功。韩春雨的实验显示，NgAgo能够识别5’磷酸化的ssDNA并利用其作为向导，完成后续的编辑过程，而获得磷酸化的小段DNA是前提。　　这名研究者则是在实验室用激酶磷酸化替代了从厂家直接订购，而取得了重复实验的成功。业内人士分析，磷酸化可能是实验中的技术要点之一。　　哈尔滨工业大学生命学院教授黄志伟课题组向《中国科学报》记者证实，他带领的研究组正在重复这项实验。“结果还要再等一等。”他表示。　　根据《中国科学报》记者调查，针对韩春雨论文的质疑集中在论文中的第四部分结果上，即证明NgAgo能否编辑内源人类基因组。　　今天下午，一位来自印度基因与综合生物学研究所的Debojyoti Chakraborty博士向媒体确认“this system works”(这一系统奏效了)。Chakraborty博士表示，他们使用了NgAgo技术剪辑了海拉细胞中的相关序列，并观测到了细胞中的GFP减少的现象，这初步确认了剪辑技术发生了作用。他同时强调：“要判定韩教授的方法的可重复性，必须要等到基因测序结果出来以后才能下结论。”　　对此，记者从可靠渠道了解到，韩春雨早在论文发表之初，便意识到，这一新技术目前并不稳定，他也一直致力于优化和改进该技术，并曾表示“很有信心”。目前，韩春雨已向相关研究者发放了质粒，用于NgAgo基因编辑技术的进一步研究。

p　　strong仪器信息网讯/strong 2017年5月7日，2017国际分析科学大会(ICAS 2017)第二天上午，仪器信息网编辑的镜头来到了“青年论坛与新技术新方法”分会场。在这里，北京科技大学张学记教授等五位学者带来的精彩报告正有序上演。而在青年身上，中国分析化学的未来也在冉冉升起。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/d7bc7ea2-b3fb-46fc-a3cd-f22f4f1603bb.jpg" title="IMG_8578.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "华中科技大学Mohamed Foda教授主持分会场报告/span/strong/ppstrongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "/span/strong/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/6ae26f6b-724b-4414-8dc8-a3f6dca0a472.jpg" title="IMG_8557.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "In Situ Spectroelectrochemistry of Organic Semiconductors/span/strong/pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "Carita Kvarnströ m, University of Turku, Finland/span/strong/pp　　来自芬兰图尔库大学的Carita Kvarnströ m教授介绍了有机半导体的原位光电化学分析方法，即通过将电化学与光谱方法相结合，全面分析多个电子转移过程及其氧化还原反应。Carita表示，在有机半导体和一维/二维共轭材料中，该方法可研究电荷载流子的工艺和特性。特别在半导体复合材料中，对于整体材料而言，可以通过UV、VIS、NIR、IR、Raman、EPR等不同光谱方法合成参数，研究单个组分性质改变对其形成的影响、共轭聚合物中的电荷载体及石墨烯在不同电解质介质中的氧化还原等内容。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/6fb795f9-7041-49cb-be2b-a546e02023ab.jpg" title="IMG_8585.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongBioanalysis Based on Novel Nanomaterials or Intelligent Interface/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongXueji Zhang, University of Science & Technology Beijing, China/strong/span/pp　　北京科技大学张学记教授介绍了基于新型纳米材料或智能界面的生物分析方法。纳米材料由于具有独特物理化学性质、良好的生物相容性、优越的机械性能及表面易于生物功能化等特点,被广泛应用到生物分析之中。结合纳米材料和智能界面等研究内容，张学记教授在报告中介绍了团队在生物分析化学研究领域所开展的系列工作，如生物功能材料的有序组装、仿生微纳界面、生物传感与功能器件的构建等，分享生物分析全新思路。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/7e4f4fa7-15d7-4443-b127-b270960aacba.jpg" title="IMG_8607.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "Highly Sensitive Biomedical Detection using SERS based Microfluidic Technology/span/strong/pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "Rongke Gao, Hefei University of Technology, China/span/strong/pp　　合肥工业大学高荣科副教授在报告中提出了基于SERS微流控的生物标志物快速免疫检测研究。该方法在基于液滴的微流控系统中嵌入磁棒，通过结合SERS标签，使液滴依次经过产生、免疫反应、免疫复合物分离和液滴裂变的过程，以实现生物标志物的无洗涤免疫测定。由于整个测定可自动进行，只需要最少的样本量。据介绍，该方法有望成为用于早期诊断前列腺癌和其他严重疾病的潜在临床工具。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/478a8a8d-23e6-4e3f-be58-6e26bc1315ba.jpg" title="IMG_8618.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongExploration of Nucleic Acid Modifications by Chemical Labeling–mass Spectrometryanalysis/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongBi-Feng Yuan, Wuhan University, China/strong/span/pp　　核酸胞嘧啶甲基化(5-甲基胞嘧啶，5-mC)作为一个重要的表观遗传标记，在各种细胞过程中发挥关键作用。但是由于目前分析检测手段的限制，对体内甲基化DNA氧化衍生物(5-hmC、5-fC、5-caC)的精确定量分析方法仍然不够成熟。为此，武汉大学袁必锋教授团队建立了一种通过化学标记和LC-ESI-MS / MS分析方法，实现一次性同时分离分析检测细胞中全部三种甲基化DNA氧化衍生物(5-hmC、5-fC、5-caC)。通过对甲基化DNA氧化衍生物的定量分析，为干细胞分化机制的阐明、癌症的风险评估、早期预警和诊断、抗癌药物全新作用通路的发现提供新的实验分析方法。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/e321ccc0-d22d-4f97-91a4-f934594d4183.jpg" title="IMG_8630.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongTwo-dimensional Titanoniobate-based Nanosheets for the Highly Efficient Enrichment and Ambient MS Detection of Phosphopeptides/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongQianhao Min, Nanjing University, China/strong/span/pp　　蛋白质磷酸化是常见的蛋白质翻译后修饰方式之一，长期以来，蛋白质磷酸化综合表征研究受磷酸化修饰的低丰度以及磷酸化多肽的低离子化效率所限制。为解决这一问题，南京大学闵乾昊副教授所在团队构建了基于Fe3O4纳米晶体及纳米晶片(Fe3O4 -TiNbNS)的纳米复合材料，用于磷酸肽的捕获和同位素标记。在初级质谱图中实现了对其磷酸化位点的精确计数的单磷酸化多肽和多磷酸化肽的全面检测，提供了磷酸肽的快速和全面表征。该方法可与商业化ESI质谱仪广泛兼容，具备快速、低成本。高通量等检测特点，在疾病的临床检测当中拥有广泛前景。/p

大家好，本周为大家分享一篇发表在J. Proteome Res上的文章：Defining the Sarcomeric Proteoform Landscape in Ischemic Cardiomyopathy by Top-Down Proteomics[1]，文章的通讯作者是威斯康星大学麦迪逊分校的葛瑛教授。缺血性心肌病(Ischemic cardiomyopathy，ICM)是一种高度异质性的心血管疾病，大多数是由于左心室收缩功能障碍使得流向心脏的血液减少，从而导致氧气剥夺和心肌缺氧。ICM是心力衰竭的主要病因，是造成全球死亡率升高和疾病负担增加的主要因素之一，但其潜在的分子机制还有待深入研究。肌节作为心脏收缩的基本单位，由以肌动蛋白为基础的细肌丝和以肌球蛋白为基础的粗肌丝组成，它们附着在一个Z盘结构上。研究发现肌节蛋白质翻译后修饰(PTMs)和亚型的改变在心脏生理病理进程中扮演着重要角色。基于质谱的Top-down蛋白质组技术是以完整蛋白质为分析对象，可以提供不同表型心脏病蛋白质PTMs和亚型变化等生物信息，但目前还缺乏ICM肌节proteoforms图谱变化的相关报道。因此，作者利用Top-down蛋白质组学技术，在正常和ICM条件下构建了肌节proteoform图谱，并探究其变化对ICM发病机制的影响，从而为人类ICM的研究提供独到的见解。为了揭示ICM的分子变化情况，作者首先利用不同的pH条件，去除心脏功能正常的供体左心室(Left ventricular，LV)心肌组织(donor，n=16)和ICM患者LV心尖组织(ICM，n=16)的胞质蛋白质，对富集到的肌节蛋白质进行LC-MS/MS检测分析(图1)。心尖是在ICM患者进行左心室辅助装置植入手术期间获取的，实验已经证明LV和心尖组织具有相似的肌节proteoform图谱，两者可以进行相互比较。通过去卷积图谱上proteoform的峰强度与同一蛋白质所有proteoforms的总强度之比来进行蛋白质修饰水平的定量，而蛋白质表达的定量则依赖提取离子色谱图(EIC)峰下面积(AUC)的积分来计算。整个实验流程，从样品制备到LC-MS/MS分析，用时不到3h，表明该方法具有快速与高通量的优点。　　图1. 非标记Top-down蛋白质组学的实验流程：对无心脏病史的非衰竭供体(donor，n=16)和ICM患者(ICM，n=16)的LV组织进行肌节蛋白质的提取，然后进行LC-MS/MS分析。Top-down蛋白质组学策略提供了正常供体和ICM心脏组织中的proteoform图谱，如图2所示。作者检测到了许多肌丝蛋白，包括心肌肌钙蛋白I(cardiac troponin I，cTnI)、肌钙蛋白C(troponin C，TnC)、原肌球蛋白(tropomyosin，Tpm)亚型、α-肌动蛋白(α-肌动蛋白)亚型、心室型肌球蛋白轻链2(MLC-2v)、心室型肌球蛋白轻链1(MLC-1v)和心房型肌球蛋白轻链1(MLC-1a)，同时也检测到了多种Z盘蛋白，包括ENH2、肌肉LIM蛋白(muscle LIM protein，MLP)、富含半胱氨酸蛋白2(cysteine rich protein 2，CRIP2)、cypher-5、cypher-6、elfin、calsarcin-1(Ca1-1)和四个半LIM结构域蛋白2(four and a half LIM domains 2，FHL2)(图2)。随后，作者采用碰撞活化解离(CAD)模式对所有检测到的肌节蛋白质进行MS/MS分析，以进一步表征蛋白质。比如，实验结果显示MLC-2v上的磷酸化位点位于Ser19，并且实现了21%的序列覆盖率，这些数据表明Top-down的MS/MS分析可以对完整肌丝蛋白质进行测序，以用于蛋白质的鉴定和表征。　　图2. 正常供体和ICM患者心脏组织中的proteoform图谱。(a)代表性的基峰色谱图(BPC)表明肌节蛋白和Z盘蛋白呈高分辨分离(MLP、CRIP2、cTnT、ENH2、cypher-6、elfin、cypher-5、FHL2、calsarcin-1、cTnI、Tpm、MLC-1V、MLC-1a、MLC-2v、α-actin和TnC) (b)去卷积质谱图显示肌节蛋白和Z盘蛋白的多样性，红色p和pp分别表示单磷酸化和双磷酸化形式的proteoform。　　紧接着，作者对3个正常供体组织样本进行了LC-MS/MS检测，结果表明它们的BPC和总离子色谱图(TIC)，以及质谱信号强度的重现性非常好，证明了该分析方法稳健的重现性。为了比较两组样本间的蛋白质表达水平，作者对来自同一正常供体的组织样本，分别提取50、400、500、600、750、1000和1200 ng的总蛋白质进行LC-MS/MS检测以评估仪器响应线性，结果如图3a所示，它们表现出高度相似的proteoform图谱。图3b展示了代表性肌节蛋白(ENH2、cTnI、α-Tpm、MLC-1v、MLC-2v和TnC)的EIC，通过测定每个EIC的AUC丰度总和，建立了250~1200 ng的相互线性范围。如图3c所示，不同总蛋白量相关性结果的R2均大于0.99，表明该检测方法具有优异的重现性、灵敏度和线性，所以有信心将其用于样本间的蛋白质定量。　　图3. 关键肌节蛋白相互线性范围响应的测定。(a)50、400、500、600、750、1000和1200 ng总蛋白质的BPC，proteoform图谱高度相似 (b)ENH2、cTnI、α-Tpm、MLC-1v、MLC-2v和TnC的EIC(结合同一蛋白质所有proteoforms前3~5个最丰富电荷状态的离子) (c)每个肌节蛋白的AUC与250~1200 ng总蛋白(每个点重复3次)显示出相互线性相关(R20.99)。与正常供体样本相比，作者在ICM组中检测到了cTnI和ENH2的PTM和表达水平的显著变化。在供体和ICM组中，作者检测到了三种主要的cTnI proteoforms，包括未磷酸化的cTnI、单磷酸化的cTnI(pcTnI)和双磷酸化的cTnI(ppcTnI)同样也在两组中检测到了未磷酸化的ENH2和单磷酸化的ENH2(pENH2)(图4a)。与供体组相比，实验观察到ICM组LV组织中cTnI和ENH2表达水平的显著降低(图4b)，同时发现它们的总磷酸化水平在ICM组中也显著降低(图4c)，其中cTnI和ENH2的总磷酸化水平分别降低了35%和34%。此外，为了确定ICM组织中cTnI和ENH2磷酸化水平的降低是否相互依赖，作者对两者磷酸化水平进行了线性拟合，发现cTnI和ENH2磷酸化水平表现出很强的线性相关(r=0.8926，p0.00001)(图4d)。这些发现也与作者先前对肥厚型心肌病(Hypertrophic cardiomyopathy，HCM)患者心脏的研究结果相一致(Ying Ge, et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2020 117(40):24691-24700)，表明可能是由异常的PKA信号通路介导了cTnI和ENH2磷酸化水平的协同降低。　　图4. ICM组中cTnI和ENH2磷酸化水平协同降低。(a)正常供体(蓝色)和ICM(红色)中代表性去卷积质谱图和EIC，红色p和pp分别表示单磷酸化和双磷酸化 (b)cTnI和ENH2表达水平的定量，两组在p0.05时被认为有统计学差异 (c)用mol pi/mol protein计算cTnI和ENH2总磷酸化，水平线代表组内中间值，两组在p0.001时被认为有统计学差异 (d)cTnI和ENH2磷酸化水平间的线性相关性(r=0.8926，p0.00001：线性相关性很强)。　　Tpm是一种细丝相关蛋白，共有几种可以与cTnT和α-actin相互作用以调控肌肉收缩的蛋白质亚型。作者在先前的研究中证实了人类心脏中存在α-Tpm、β-Tpm、和κ-Tpm，其中α-Tpm是表达最为丰富的亚型(Ying Ge, et al. J Muscle Res Cell Motil. 2013 34(3-4):199-210)。在本项研究中，未磷酸化的α-Tpm、单磷酸化的α-Tpm(pα-Tpm)和单磷酸化的κ-Tpm(pκ-Tpm)是主要检测到的TPM亚型(图5a)，而未磷酸化的κ-Tpm、γ-Tpm和skβ-Tpm丰度较低。与正常供体组相比，skβ-Tpm在ICM组中的表达显著降低，而α-Tpm和κ-Tpm在两组比较中无显著变化(图5c)。γ-Tpm的丰度太低，致使很难对其进行准确定量。尽管Tpm亚型的比例变化对心脏功能的影响还不得而知，但skβ-Tpm在ICM组中表达水平的显著降低同样也在先前HCM患者心脏中观察到(Ying Ge, et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2020 117(40):24691-24700)，因此有理由推断skβ-Tpm表达水平的变化可能会改变心脏功能，并使得ICM患者心脏收缩功能受损。除此之外，在正常供体组和ICM组中也都检测到了α-actin的两种亚型：骨骼肌α激动蛋白(Skeletal α-actin，α-SKA)和心脏α肌动蛋白(Cardiac α-actin，α-CAA)，如图5b所示。它们在心肌中共表达，在肌节结构和完整性中具有重要作用。与正常供体组相比，实验观察到α-SKA在ICM组中的表达显著增加(图5d)。结合作者先前观察到α-SKA在非衰竭供体心脏中的表达显著增加(Ying Ge, et al. Anal Chem. 2015 87(16):8399-8406)，实验结果说明衰竭心脏中表达上调的α-SKA可以作为一种有前景的心脏病生物标志物。　　图5. Tpm和α-actin不同亚型的表达。(a)Tpm在正常供体(蓝色)和ICM(红色)中的代表性去卷积质谱图，共鉴定到α-Tpm、β-Tpm、κ-Tpm和γ-Tpm四种亚型，红色p表示单磷酸化和双磷酸化 (b)α-CAA和α-SKA在正常供体(蓝色)和ICM(红色)中的代表性去卷积质谱图 (c~d)依据AUC进行Tpm和α-actin亚型的定量，两组在p0.005时被认为有统计学差异。　　作者也对Z盘蛋白质进行了鉴定和定量，例如MLP和Cal-1。图6a和图6c分别对应两种蛋白质的去卷积质谱图，其中MLP为未磷酸化和单磷酸化形式(pMLP)，Cal-1则表现出多种磷酸化proteoforms，包括单磷酸化(pCal-1)、双磷酸化(ppCal-1)和三磷酸化(pppCal-1)。与正常供体组相比，实验观察到MLP和Cal-1的总磷酸化水平在ICM组中的表达显著增加，分别增加了27%和4%(图6b和图6d)。MLP和Cal-1都与心肌病的发病相关，但目前尚未清楚PTMs如何影响其中的分子机制。本项研究首次揭示了ICM患者中MLP和Cal-1的磷酸化水平增加，但两者的总磷酸化水平呈负线性相关，说明它们不太可能被相同的激酶磷酸化或是在Z盘上有着密切的相互作用。　　图6. MLP和Cal-1在ICM组中的磷酸化水平增加。(b)MLP在正常供体(蓝色)和ICM(红色)中的代表性去卷积质谱图，红色p分别表示单磷酸化的MLP (b)MLP总磷酸化的计算，两组在p0.01时被认为有统计学差异 (c)Cal-1在正常供体(蓝色)和ICM(红色)中的代表性去卷积质谱图，红色p、pp和ppp分别表示单磷酸化、双磷酸化和三磷酸化的Cal-1 (d)Cal-1总磷酸化的计算，两组在p0.05时被认为有统计学差异。基于质谱的Top-down蛋白质组学技术，本研究对供体和ICM心脏组织中的proteoform图谱进行了详细分析，观察到多个蛋白质在表达和修饰水平上发生了显著改变，总的结果在proteoform层面揭示了与晚期缺血性心力衰竭相关的分子变化。值得注意的是，作者发现cTnI和ENH2磷酸化水平在ICM组中协同降低，表明缺血性心力衰竭时PKA信号通路出现异常。此外，在ICM组中也观察到了MLP和Cal-1这两种Z盘蛋白磷酸化水平的显著增加，并且也检测到了ICM组中Tpm和α-actin不同蛋白亚型的表达变化。总的来说，本研究强调了在proteoform水平研究ICM的必要性，有助于揭示ICM的发病进程和开发可行的治疗方案。　　撰稿：陈昌明　　编辑：李惠琳　　原文：Defining the Sarcomeric Proteoform Landscape in Ischemic Cardiomyopathy by Top-Down Proteomics李惠琳课题组网址www.x-mol.com/groups/li_huilin　　参考文献　　1. Chapman EA, Aballo TJ, Melby JA, et al. Defining the Sarcomeric Proteoform Landscape in Ischemic Cardiomyopathy by Top-Down Proteomics. Journal of Proteome Research. 2023, 22 (3): 931-941.

仪器信息网讯，2010年5月15日，蛋白质组数据处理暨全国生物质谱学术交流会”在云南省丽江市召开。会议为期两天，主要讨论了蛋白质组学技术和应用、数据挖掘和生物质谱等方面的现状及其进展。在所有的大会报告中，除一些关于蛋白质组学技术最新研究进展的大会特邀报告外，第一天的专家报告集中讨论了糖蛋白组的最新分析技术与研究进展，第二天的报告集中讨论了蛋白质数据处理技术，包括蛋白质组生物数据库及分析平台的构建、数据统计分析方法的研究等方面。　　蛋白质组数据库被认为是蛋白质组知识的储存库，包含所有鉴定的蛋白质信息。而基于质谱技术的蛋白质组学数据分析，是识别新型生物标记物模式的有效手段。质谱仪检测的数据含有大量潜在信息，因此，建立完善的蛋白质组学数据库，开发实用性强的数据处理软件工具，以及提供良好的蛋白质组数据分析、处理方对蛋白质组学的发展至关重要。在本次大会上，中国科学院计算技术研究所贺思敏研究员、浙江大学生物医学工程与仪器科学学院段会龙教授、国防科技大学机电工程与自动化学院谢红卫教授等专家学者作了关于此方面最新研究进展的报告，本文作简要报道：　　报告题目： 蛋白质组数据分析软件pFind系统新进展　　报告人：中国科学院计算技术研究所贺思敏研究员贺思敏研究员　　pFind系统是中国科学院计算技术研究所自2002年开始持续研发的蛋白质组数据分析软件，可以替代同类国际主流软件，已安装在国内多家蛋白质组学重点研究单位，并在ABRF组织的国际评测以及核心岩藻糖化修饰位点鉴定等科研实战中表现出色。　　贺思敏研究员在报告中首先介绍pFind系统不同于国际同类软件的核心算法设计和系统实现，然后介绍pFind系统近期在开放式修饰类型发现、高精度一级质谱分析、新型碎裂方式串联质谱分析、肽序列从头测序、标记定量分析以及并行加速系统研制等方面的进展，最后介绍了pFind系统的下一步研究设想。　　报告题目：构建心血管蛋白质组生物医学数据库及分析平台　　报告人：浙江大学生物医学工程与仪器科学学院段会龙教授段会龙教授　　心血管疾病是威胁人类健康的主要疾病。以高分辨率质谱技术为基础的心脏蛋白质组研究是发展心血管研究的一个重要方向。段会龙课题组通过对心血管医学和生物学、蛋白质组学和生物医学信息学的多学科交叉研究，构建了心血管生物医学数据库，重点在心血管蛋白质组数据集成、处理和分析，生物医学数据库体系构建、数据共享和发布等诸多关键技术上进行突破。　　该课题组目前已完成了如下工作：　　(1)心血管蛋白质组数据体系结构：构建了以蛋白质组信息为主体的数据库体系结构，以心脏线粒体蛋白质组为基础建立了核心数据集，该核心数据集包含了1663种心脏线粒体蛋白质以及与之相对应的2万7千多个生物质谱谱图。　　(2)心血管蛋白质组数据库搜索引擎：初步建立了数据搜索引擎，可通过蛋白、肽段序列等信息对相应的生物质谱谱图进行检索，实现了与欧洲生物信息学研究所 (EBI) 的IPI蛋白质数据库间的数据关联。　　(3)心血管生物医学数据库平台：研究和开发了相应的数据库网络公共平台。该网络平台的首个版本将在2010年末面向全世界发布，通过对心血管生物医学数据信息和资源的实时共享，服务于全世界心血管研究群体。　　报告题目：大规模蛋白质组研究中的质谱数据定量分析方法　　报告人：国防科技大学机电工程与自动化学院谢红卫教授谢红卫教授　　谢红卫教授利用一系列大规模定量分析的数据集，包括稳定同位素标记和进行重复实验的无标记定量数据，进行了一系列分析和研究，目前取得了很大的结果：　　(1)总结了无标记和稳定同位素标记定量数据分析的典型流程，并且结合实际的数据分析结果，初步研究了各种分析流程优势和问题。　　(2)针对丁来那个信息提取问题，利用重复实验数据集，比较优化了其关键步骤。　　(3)利用实际实验数据，初步研究了同位素分布实验误差和质荷比误差等对定量分析参数选择有重要影响的问题。　　(4)针对定量计算速度慢的问题，提出了索引文件和基于hash表的信息检索方式，将定量计算的时间缩短为原来的1/10。　　(5)设计了一种可逆的色谱保留时间对齐模型，大大缩短了无标记定量数据处理中色谱保留时间对齐的计算复杂度。　　(6)提出了一种以信号强度为参量的差异分布模型，能够提高差异检验的灵敏度。　　(7)开发了无标记定量软件LFQuant、标记定量软件SILVER，已经无鉴定定量分析工具XICFinder。其中SILVER能够支持自定义标记方法，提供了图形化界面。LFQuant速度和定量精度等性能经过了多次优化。　　报告题目：多层次蛋白质磷酸化分析中的数据处理方法研究　　报告人：中国科学院大连化学物理研究所叶明亮研究员叶明亮研究员　　叶明亮研究员在报告中提到，根据研究目的的不同，蛋白质磷酸化的分析可以划分为三个层次：信号转导通路中关键节点蛋白质的磷酸化、生物体内的所有蛋白质的磷酸化(即磷酸化蛋白质组)、生物体内的所有激酶与底物的相互作用(磷酸化调控网络)。不同层次的分析有不同的目的，样品的复杂度也不同，因此需要不同的数据处理方法。　　在节点蛋白质的磷酸化分析方面，为实现对某一感兴趣蛋白质中磷酸化位点的全面分析鉴定，发展了一种基于改进的目标-伪数据库用于数据检索，来高覆盖率、高可靠鉴定简单蛋白样品中的磷酸化位点信息的方法。并且从搜库耗时上，允许用多种低特异性的酶来提高简单蛋白样品的序列鉴定的覆盖度，从而更加全面的鉴定样品的磷酸化位点信息。　　在磷酸化蛋白质组层次上要实现在保持较高可信度和灵敏度的情况下对海量质谱数据以及检索数据进行自动化处理。针对磷酸化蛋白质组学中磷酸化肽段鉴定难，假阳性率高，主要依赖于人工验证的现状，发展了一种结合MS2和MS3图谱以及正伪数据库检索的自动磷酸化肽段鉴定方法。该方法结合了MS2和MS3的鉴定信息，提高了磷酸化肽段鉴定的灵敏度和可信度，可以自动的对磷酸化肽段进行鉴定而无需进一步的人工验证。利用这种方法，结合磷酸肽的多维分析已经可以从人肝组织中鉴定超过8000个磷酸化位点。最近，其课题组还发展了一种基于分类筛选的磷酸化肽段鉴定方法，该方法结合了MS2/MS3方法的高可信度，并且考虑了部分不易发生中性丢失的磷酸化肽段的鉴定，进一步提高了磷酸化肽段鉴定的灵敏度。　　在磷酸化调控网络层次主要是揭示激酶与底物蛋白质上磷酸化位点的对应关系，叶明亮研究员表示，这是该课题组今后研究的一个重要方向，目前已经在与合作者利用生物信息学的方法模拟构建磷酸化网络图。

大家好，本周为大家分享一篇发表在Nat. Commun.上的文章：Structure and dynamics of endogenous cardiac troponin complex in human heart tissue captured by native nanoproteomics ，文章的通讯作者是威斯康星大学麦迪逊分校的葛瑛教授。　　蛋白质大多都是通过组装成蛋白复合物来执行特定的生物功能，因而表征内源性蛋白复合物的结构和动力学将有助于生命过程的理解。蛋白复合物在其组装、翻译后修饰(Post-translational modifications，PTMs)和非共价结合等方面是高度动态的，在native状态下通常以低丰度存在，这给研究其结构和动态性的传统结构生物学技术(如X-ray和NMR)带来了巨大的挑战。非变性Top-down质谱(nTDMS)结合了非变性质谱和Top-down蛋白组学的优势，目前已发展成蛋白复合物结构表征的有力工具，可以保留蛋白质亚基-配体间的非共价作用和PTMs等重要信息。然而，由于内源性蛋白复合物自身的低丰度特性，导致对其的分离纯化和检测非常困难，所以nTDMS目前仅限用于过表达的重组或高丰度蛋白质的表征。在本研究中，作者开发了一种非变性纳米蛋白质组学(Native nanoproteomics)技术平台，通过使用表面功能化的超顺磁性纳米颗粒(Nanoparticles，NPs)直接富集组织中的蛋白复合物，然后再利用高分辨质谱表征其结构和动态性。这里选用心肌肌钙蛋白(Cardiac troponin，cTn)异源三聚体复合物(~77 kDa)作为研究对象。cTn三聚体复合物是调节横纹肌肌动蛋白收缩的Ca2+离子调节蛋白，由TnC、cTnI和cTnT这3个亚基组成。其中，TnC是Ca2+结合亚基，cTnI是抑制肌动蛋白-肌球蛋白相互作用的亚基，而cTnT细丝锚定亚基。TnC与Ca2+的结合，以及cTnI 亚基的磷酸化，会共同引起细丝上的分子级联事件，诱导心肌收缩所必需的肌动蛋白-肌球蛋白交叉桥的形成。传统结构生物学技术不能有效捕获cTn复合物高度动态的构象变化，并且先前研究用的cTn复合物是由原核细胞表达的，缺乏PTMs的信息。因此，作者开发了native纳米蛋白组学的方法，以实现对人内源性cTn复合物结构和动力学的全面表征。作者首先使用肽功能化的超顺磁性氧化铁NPs富集了人心脏的内源性cTn复合物，同时优化了非变性蛋白提取缓冲液(高离子强度LiCl溶液，生理pH)。富集到的cTn复合物中的3种亚基的含量比例为1:1:1，真实反应了肌节cTn异源三聚体复合物的组成。作者也发现含有750 mM L-Arg，750 mM咪唑和50 mM L-Glu(pH 7.5)的溶液对蛋白复合物的洗脱效果最好，并且不会破坏亚基间的相互作用。该富集方法具有很好的重现性，proteoforms信息得到很好保留，且可以直接用于化学计量分析。总的实验流程如图1所示，洗脱后的cTn复合物经体积排阻色谱(Sze-exclusion chromatography，SEC)除盐和交换至醋酸铵溶液中，随后对cTn复合物进行多种nTDMS分析：1)在线SEC监测复合物 2)超高分辨傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)表征复合物的化学计量比和proteoforms 3)捕获离子淌度质谱(TIMS-MS)解析调控复合物构象变化中的非共价作用的结构动态性。　　图1. 用于表征人心脏中内源性cTn复合物的native纳米蛋白组学平台。　　为了全面表征内源性cTn复合物，作者使用FTICR-MS进行proteoforms测序和复合物表征。图2展示了native状态下检测丰度最高的cTn复合物的电荷态(19+)，其中包含了4种独特的proteoforms，这些复合物主要带有单磷酸化的cTnT、单磷酸化和双磷酸化的cTnI，以及结合了3个Ca2+的TnC。这些结果表明人cTn复合物在肌节中以结构多样化的分子组成存在，具有高度异质的共价和非共价修饰，可产生一系列不同的完整复合物。　　图2. FTICR-MS分析展示的cTn复合物状态。红色方框中是最高丰度电荷态(19+)的放大谱图，理论同位素分布(红色圆圈)可以与谱图很好叠加，说明结果具有高质量精度(质量偏差在2 ppm 以内)。　　作者接着对cTn复合物进行complex-up分析，以研究复合物的化学计量比及其组成。图3a~3b分别显示的是完整cTn三聚体复合物，以及经CAD碎裂后的蛋白亚基谱图。但这里没有检测到cTnI单体，可能是因为cTnI和TnC在native状态下的亲和力很强，且cTnI单体带的电荷不多，导致其在高m/z区域出峰，所以不易被检测到.随后，作者又对解离出的亚基进行complex-down分析。图3c展示了检测到的cTnT的多种proteoforms：未磷酸化的 cTnT、单磷酸化的cTnT(p cTnT)和 C 端 Lys 截断的磷酸化cTnT(pcTnT [aa 1-286])，CAD碎裂谱图也发现cTnT的C端较N端更易暴露在外界溶剂中。图3e则是cTn(I-C)二聚体的谱图，共检测到6种具有不同数量Ca2+结合和磷酸化的proteoforms。二级谱图可将cTnI的两个磷酸化位点准确定位在Ser22和Ser23，同时发现cTnI序列两端都较内部区域更易暴露于溶剂中。但还无法通过nTDMS准确推断Ca2+结合和磷酸化是如何影响cTn复合物的稳定性。作者在此也没有优化FTICR-MS在非常高m/z范围的离子检测，所以也会遗漏带少量电荷的cTn复合物信息。　　图3.nTDMS表征人心脏来源的cTn复合物。(a~b)完整cTn复合物和经CAD碎裂后的亚基谱图 (c~d)cTnT单体及其代表性的CAD碎裂谱图 (e~f)cTn(I-C)二聚体及其代表性的CAD碎裂谱图。　　人TnC蛋白含有3个钙结合EF-hand基序(结构域 II~IV)。结构域 II与Ca2+结合的亲和力较低，是触发心肌收缩的调控域。结构域 III 和 IV则与Ca2+具有强的亲和力，在心肌舒张和收缩时均始终保持与Ca2+充分结合，但结构域 II只有在收缩时才被Ca2+占据。这里观察到了TnC分别与0、1、2和3个Ca2+结合的情况，通过CAD碎裂也进一步定位了TnC与Ca2+结合的具体氨基酸序列(图4)。研究发现结构域 II的骨架最容易发生碎裂，而结构域 III的骨架最难碎裂。目前结构域 II~IV的序列在UniprotKb中分别对应65DEDGSGTVDFDE76、105DKNADGYIDLDE116和141DKNNDGRIDY152。这里分别将与1、2和3个Ca2+结合的TnC隔离出来进行CAD碎裂(m/z分别为2312、2316和2321)，可以更准确地将结构域 III、II和IV的序列分别定位到113DLD115、141DKNND145和73DFDE76(图4c)，表明非变性纳米蛋白组学方法在定位非共价金属结合方面具有高分辨能力。　　图4.nTDMS定位 TnC与Ca2+结合的结构域。(a)FTICR-MS隔离与不同数量Ca2+结合的TnC单体 (b~c)与两个Ca2+结合的TnC的CAD碎裂谱图，蓝色、红色和黄色方框分别对应结构域 II 、III和IV。　　Ca2+与TnC的结合会对cTn复合物的功能和构象有着很大影响。cTn复合物的核心区维持着构象的稳定，但当Ca2+与TnC发生结合时，其柔性区会经历广泛的构象变化，复合物结构会从“closed”状态转变成“opened”状态，这会促进肌动蛋白和肌球蛋白间的相互作用，最终导致心肌收缩。然而，传统结构生物学技术很难捕获cTn复合物与Ca2+结合时的构象变化。因此，作者使用离子淌度质谱来分析cTn复合物的构象变化。TnC亚基和与Ca2+结合的cTn(I-C)二聚体的淌度分离谱图如图5所示。与0~3个Ca2+结合的TnC的碰撞截面(Collision Cross-Section，CCS)值分别为1853、1849、1829和1844 Å2(图5a~5b)，TnC构象比IMPACT预测的更为紧凑，但cTn(I-C)二聚体的CCS值与预测的非常接近(图5c~5d)。作者推测TnC与两个Ca2+结合会形成更致密的构象，是因为在静息舒张时Ca2+与结构域 III 和 IV充分结合。当第三个 Ca2+与结构域II结合时，TnC转变为“opened”构象，使其N端与cTnI的C端相结合，进而引发心肌收缩(图5e)。cTn(I-C)二聚体与Ca2+结合时的构象变化也是如此(图5f)。　　图5.TnC单体(a~b)和与Ca2+结合的cTn(I-C)二聚体(c~d)的离子淌度分离谱图 (e~f)TnC和cTn(I-C)二聚体与Ca2+结合时的构象变化。　　最后，作者通过添加EGTA来剥离cTn复合物中的Ca2+，以进一步研究Ca2+在维持复合物结构稳定性上的作用。图6b~6c是没有EGTA孵育时的cTn复合物的TIMS-MS谱图。cTn复合物的CCS值与理论预测值非常符合。随着EGTA孵育浓度的增加(25、50和100mM)，Ca2+逐渐被螯合，cTn复合物的结构也越来越舒展，体现在平均电荷态逐渐增加，以及逐渐在较低m/z范围内出峰，这表明cTn复合物构象的稳定性丢失与EGTA浓度的增加相关(图6d~6f)。虽然100mM EGTA孵育也不敢保证Ca2+的完全剥离，并且cTnI的存在又会增强TnC与Ca2+的结合，但TIMS-MS为我们研究cTn复合物与Ca2+结合时的构象变化提供了一种切实可行的分析手段。　　图6.cTn复合物与EGTA孵育时的构象变化。(a)cTn复合物的构象随EGTA孵育浓度的增加发生改变 (b~c)cTn复合物的TIMS-MS谱图 (d~f)cTn复合物与不同浓度EGTA(25、50和100mM)孵育的谱图和CCS分析。　　总的来说，本研究开发了一种可用于内源性蛋白复合物富集和结构表征的非变性纳米蛋白组学方法，以获取其组装、proteoforms异质性和动态非共价结合等方面的生物信息。本文采用的功能化NPs可被灵活设计成选择性结合特定的靶蛋白，在富集和洗脱过程中可以很好保持其近似生理条件下的存在状态。更为重要的是，功能化NPs与nTDMS的整合可以作为一种强有力的结构生物学工具，可以作为传统技术的补充，用于内源性蛋白复合物的表征。　　撰稿：陈昌明 编辑：李惠琳文章引用：Structure and dynamics of endogenous cardiac troponin complex in human heart tissue captured by native nanoproteomics　　参考文献　　Chapman EA, Roberts DS, Tiambeng TN, et al. Structure and dynamics of endogenous cardiac troponin complex in human heart tissue captured by native nanoproteomics. Nat Commun. 2023 14(1):8400. Published 2023 Dec 18. doi:10.1038/s41467-023-43321-z

北京大学化学与分子工程学院教授陈鹏正在实验中。　　作为生物体内含量最多的一类生物大分子，蛋白质是生物功能的主要执行者，在各种生命活动中扮演着关键角色。科学家一直在探索适用于活体环境的蛋白质操纵工具，以实现对目标蛋白质结构和功能的深入研究，这已经成为当今化学生物学领域的前沿热点之一。　　在国家自然科学基金委“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”重大研究计划的资助下，科学家们围绕“蛋白质靶向探针的发现及其在信号转导研究中的应用”取得了多项进展。　　据北京大学化学与分子工程学院教授陈鹏介绍，国内多个课题组通过化学脱笼技术、双光子和近红外调控技术以及靶向小分子探针等策略，实现了细胞内蛋白质的特异激活，并研究了细胞信号转导过程的分子机制。　　在化学脱笼技术方面，陈鹏课题组将非天然氨基酸定点插入技术与生物正交的“化学脱笼”反应相结合，提出了一种理性设计小分子激活剂的全新策略。例如，由蛋白激酶介导的磷酸化是细胞信号转导的关键过程，对绝大多数生理活动都有重要影响，但很多激酶在正常生理及病理条件下的分子机理还不明确。利用小分子激活剂可以在激酶的信号转导研究中获得新的信息。“我们在活细胞内激活‘效应蛋白OspF’，发现这种蛋白使细胞核内的‘磷酸化Erk蛋白’发生了由不可逆去磷酸化介导的‘核质转运’现象。”陈鹏表示。　　近年来，蛋白质光控技术成为研究细胞信号转导的又一有力工具。其中，与紫外光激发探针相比，利用双光子激发的探针可以极大地降低细胞毒性，具有广阔的应用前景。清华大学刘磊课题组以蛋白质化学合成为核心技术，发展了靶向免疫蛋白的光控探针，并使用新发展的蛋白质探针研究了免疫细胞在精确的时空刺激下的定向运动。该探针将为理解和控制活体组织中细胞定位及与定位相关的细胞生命活动提供理想的分子工具。北京大学陈兴课题组则发展了利用近红外光激活并调控细胞信号转导通路的新方法。　　在靶向蛋白质生成与降解方面，华东理工大学杨弋课题组利用天然光敏元件，构建了方便使用的光控基因表达系统。实验中，研究人员利用光对活细胞或活体动物的蛋白质生成水平进行了时间、空间上的精确调控，成功地控制了糖尿病小鼠体内胰岛素的生成与血糖浓度。　　清华大学李艳梅课题组则利用蛋白质可调降解策略，实现了细胞内靶标蛋白质水平的降低，以达到降低其活性的目的。研究人员针对阿尔茨海默氏症相关重要“非酶蛋白Tau”在病人脑中含量异常升高的现象，采用“识别—切割”策略，对细胞内这类蛋白的含量进行调控。　　在超高亮度光激活荧光蛋白质方面，研究人员围绕发展具有更高亮度及转化效率的荧光蛋白突变体这一难点，开展了诸多工作。中科院生物物理所徐涛课题组设计了新型单体光活化荧光蛋白，并成功应用于活细胞的超分辨率显微成像。实验中，研究人员解析了一种目前具有最高光子输出信号的荧光蛋白晶体结构，并发现其在亮度、稳定性、光子负荷等方面具有最佳整体性能，有望作为新的探针应用于超分辨率显微成像中。

仪器信息网讯 2014年10月29日，由国家大型科学仪器中心主办，北京化工研究院分析研究室承办的&ldquo 2014年全国有机质谱学术会议&rdquo 在瓷都江西景德镇盛大开幕，共有来自全国各地的近300位质谱专家、学者参与此次盛会。　　在大会报告环节，9位专家学者就有机质谱技术在生命科学、食品、环境、医药及能源领域的应用分别进行了介绍。南丹麦大学生化和分子生物学系的Peter Roepstorff教授　　首先来自南丹麦大学生化和分子生物学系的Peter Roepstorff教授作了题为《质谱在多肽和蛋白研究中的作用》的报告。据Peter Roepstorff教授介绍，在过去20年，质谱技术被广泛接受，并作为一项关键技术应用于多肽及蛋白质组学研究。除了用质谱进行蛋白质定性及定量研究外，科学家们还利用质谱技术用于蛋白质相互作用与构想研究，以及确证天然生物活性肽结构。报告中介绍了Peter Roepstorff教授小组在上述方面的研究情况。北京大学生命科学院纪建国教授　　北京大学生命科学院纪建国教授则介绍了《蛋白质多磷酸化修饰位点鉴定研究-神经干细胞定向分化信号转导网络的动态蛋白质组学研究》。　　基于质谱的磷酸化蛋白质组学是研究蛋白质磷酸化的有效手段，纪建国教授课题组主要利用实验室开发CATSET方法对大鼠神经干细胞的磷酸化肽段进行分布富集，并结合SILAC定量方法对大鼠神经干细胞分化早期的磷酸化的蛋白质组进行分析。目前的研究结果从整体上展现了蛋白质磷酸化在神经干细胞过程中的动态变化，为研究干细胞分化为神经元的机制提供了有用的线索，为治疗神经退行性疾病和寻找药物靶点提供重要线索和方法。浙江省疾控中心任一平研究员　　浙江省疾控中心任一平研究员介绍了《质谱技术在食品中蛋白质定性和定量中的应用》。据介绍，国家标准规定，乳基婴儿配方食品中乳清蛋白的含量应大于等于60%。至今为止尚未建立各种婴幼儿乳制品中&alpha -乳白蛋白和&beta -乳球蛋白的准确定量和检测方法，导致我国无法对含乳的产品进行质量监测与控制，现有的标准方法只有薄层凝胶法。任一平课题组建立了采用液相色谱-电喷雾-质谱法测定牛&alpha -乳白蛋白的方法，灵敏度、准确度高，重现性好，处理简便，可用于婴幼儿食品和乳制品的牛&alpha -乳白蛋白的定量测定。暨南大学周振教授　　暨南大学周振教授介绍了《TOF-MS研究进展及其在大气污染在线源解析中的应用》。周振教授在报告中首先阐述飞行时间质谱仪(TOF-MS)的研究进展以及在大气污染源解析应用中的可行性和创新性，着重介绍在线单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)和在线挥发性有机物质谱仪(SPIMS)的原理、功能及特点，并介绍了这两种技术在大气源解析中的应用案例。其中，SPAMS能够实时在线快速获取大气颗粒物污染源解析的结果，相对于耗时久、花费高、多种仪器联用的传统PM2.5源解析方法有多种优势。中国石油大学史权教授　　中国石油大学史权教授作了题为《石油及环境样品的高分辨质谱分析：进展与挑战》。自1942年第一台商业有机质谱仪应用于石油炼厂，质谱技术为石油工业发展提供了最有效的手段。近年来，FT-ICR MS技术的出现，让人们可以真正从分子层次上&ldquo 认识&rdquo 石油。史权教授报告中主要介绍了最新的FT-ICR MS技术，以及近年来其在石油及环境样品分子组成分析方面取得的主要进展，分析石油及环境样品分析面临的技术挑战，探讨了高分辨质谱在石油及环境地球化学领域的潜在的应用方向。中科院成都生物研究所分析中心主任周燕研究员　　中科院成都生物研究所分析中心主任周燕研究员介绍了《色质联用技术在中药质量控制中的应用》。报告中介绍对中药多成分多靶点作用的认知体现中药整体观的中药质量控制提出了挑战，化学成分多、结构类型复杂、所含化学成分性质和相对含量差异大、生物活性未能完全阐明等是中药的基本特征，也是影响中药质量控制的主要因素。在所含化学成分之生物活性没有阐明的情况下，进行&ldquo 全成分&rdquo 分析似乎是体现中药整体观的中药质量控制的权宜策略。应用现代色谱联用技术快速表征中药化学成分通常有两个基本思路，即非目标成分表征和目标成分表征。中国医学科学院张金兰研究员　　中国医学科学院的张金兰研究员介绍了《脂质组分析技术的研究和应用》。张金兰研究员在报告中介绍研究采用现代液相色谱联用质谱技术建立了系列的分析方法，分析不同结构特点和体内丰度水平差异大的脂质类化合物，形成了脂质组学分析平台，应用于临床生物样本的分析，探索能够用于临床诊断和预后判断的生物标志物。北京协和医院江骥教授　　北京协和医院临床药理中心江骥教授介绍了《新药临床开发过程中对分析技术的需求》。江骥教授主要介绍了新药研发进入临床研究阶段的重要性。在一个新的候选药物，从进入临床开始，直到通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期临床研究，并获得权威机构的认可，通常需要10年。在整个过程中，90%以上的药物都因为安全性、药效或者药物代谢等原因导致失败。这种失败通常导致数亿元乃至数十亿元的损失。为此，为了提高药物研发的效率、降低药物研发的风险，人们把药物研发的重点逐渐放在了药物早期临床研究的阶段。这个早期临床阶段是指从0期开始到Ⅱa期的阶段。在这个阶段中，集中了大量的、多种的对药物分析，生物标志物分析的需求。军事医学科学院杨松成研究员　　军事医学科学院杨松成研究员介绍了《质谱在抗体-药物偶联物研究中的作用》。抗体-药物偶联物(ADC)是新近发展起来的一类新概念和新型的靶向药物，由于其具备抗体的高特异性亲和力和小分子药物的强药性性能，已成为新一代抗体药物发展的方向和热点。ADC由弹头-强药性的小分子药物、抗体和偶联链三部分组成。ADC是一类生物和化学的高科技产品，其分子量大，超过14万道尔顿，而且结构复杂。在它的研究、生产、应用和储存中，为了确保它的疗效和安全性，它的结构鉴定至关重要，质谱在这方面发挥了特有的作用，报告中介绍了近些年来质谱在ADC研究中的作用。　　在新技术报告环节，11家公司的代表介绍了各自公司最新的质谱产品及相关应用进展。纵观所有的报告，全二维色谱质谱联用技术被反复提及，受到了各大公司的极大关注。其中力可公司、安捷伦公司、Marks公司及天瑞仪器公司的代表分别介绍了各自公司全二维气相色谱质谱联用技术的特点及最新应用案例 而岛津公司的代表则介绍了其全二维液相色谱质谱联用技术的最新应用案例。　　此外，赛默飞公司的代表介绍了Orbitrap技术的进展，以及最近推出的QE Focus在小分子检测方面的应用案例。AB Sciex公司代表介绍了公司在食品安全风险评估检测方面的最新解决方案。沃特世公司的代表介绍了公司最近代谢组学工具软件Progensis QI的优势及特点。PerkinElmer公司的代表介绍了公司两款有机质谱新品AxION iQT及AxION 2 TOF MS的特点及应用案例。布鲁克道尔顿公司的代表则介绍了公司最高分辨质谱solarix XR的硬件特点，以及应用案例。华质泰科公司的代表介绍了直接分析离子源DART的最新应用进展。