告别质谱分析？新一代蛋白质测序方法诞生 | Nature Biotechnology论文推荐

德克萨斯大学奥斯汀分校研究人员发明了一种新技术，希望将蛋白质测序变得像 DNA 测序一样灵敏、快捷。

一种鉴定单个蛋白质中氨基酸序列（又称蛋白质测序）的超灵敏新方法可以加速癌症和其他疾病的生物标志物研究。图片来源：David Steadman，德克萨斯大学奥斯汀分校

撰文 UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN

翻译 小勺

审校 柳寒石

编辑 戚译引

德克萨斯大学奥斯汀分校（The University of Texas at Austin）的一个研究小组展示了一种比现有技术更灵敏的蛋白质测序新方法，能够识别单个蛋白质分子，而不再一次需要数百万个分子。这一进展可能对生物医学研究产生重大影响，使得开发用于癌症和其他疾病诊断的新的生物标志物更加容易，并增强我们对健康细胞如何发挥功能的理解。

该研究小组 10 月 22 日在《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上发表了他们的概念验证性研究结果。

分子生物学教授、新技术发明人之一 Edward Marcotte 说：“我们基本上创造了一种类似 DNA 测序的技术来研究蛋白质（序列）。”

当六年多以前这个项目启动的时候，Marcotte 和他的同事们最初设想的方法是把二代基因测序技术应用于蛋白质测序。二代基因测序技术使得任何生物的全基因组测序变得快速、准确、经济实惠，不仅加速了生物研究，也让我们所有人都可以在家进行基因检测，了解自己的祖源和疾病风险。

先前基因检测方面的技术进步帮助我们快速而全面地了解了人类健康相关的成千上万个基因，而该项新技术以同样的方式揭开了成千上万种蛋白质的奥秘。在癌症、阿尔茨海默症、心力衰竭和糖尿病等许多疾病中，细胞产生的蛋白质等物质可以充当类似于指纹的独特的生物标志物，更好地检测这些生物标志物能够帮助研究人员了解疾病成因，也能为患者提供更早、更准确的诊断。

目前蛋白质测序的实验室标准是使用一种叫做质谱分析的工具，在许多应用上灵敏度不够高——它需要大约一百万份同样的拷贝才能检测到蛋白质。而且这种方法通量比较低，也就是说它在一个样本中只能检测出几千种不同的蛋白质。

如今，利用这种叫做单分子荧光测序（single molecule fluorosequencing）的新方法，研究人员可以对一个样本中数百万个单独的蛋白质分子同时进行测序。Marcotte 相信随着未来的改进，可以将检测上限提高到数十亿蛋白分子。与现有技术相比，该方法具有更高的通量和灵敏度，因此可以更好地检测疾病的生物标志物，还可能提供一种全新的方式研究癌症等问题。例如，研究人员可以逐个观察细胞，以了解肿瘤如何从一小群相同的细胞演变成一群遗传分化的、各具优劣势的细胞。这些研究将为开发治疗癌症的新方法提供思路。

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论文信息

【标题】Highly parallel single-molecule identification of proteins in zeptomole-scale mixtures

【作者】Jagannath Swaminathan, Alexander A Boulgakov, Erik T Hernandez, Angela M Bardo, James L Bachman, Joseph Marotta, Amber M Johnson, Eric V Anslyn & Edward M Marcotte

【时间】2018.10.22

【期刊】Nature Biotechnology

【DOI】http://dx.doi.org/10.1038/nbt.4278

【链接】https://www.nature.com/articles/nbt.4278 

【摘要】The identification and quantification of proteins lags behind DNA-sequencing methods in scale, sensitivity, and dynamic range. Here, we show that sparse amino acid–sequence information can be obtained for individual protein molecules for thousands to millions of molecules in parallel. We demonstrate selective fluorescence labeling of cysteine and lysine residues in peptide samples, immobilization of labeled peptides on a glass surface, and imaging by total internal reflection microscopy to monitor decreases in each molecule's fluorescence after consecutive rounds of Edman degradation. The obtained sparse fluorescent sequence of each molecule was then assigned to its parent protein in a reference database. We tested the method on synthetic and naturally derived peptide molecules in zeptomole-scale quantities. We also fluorescently labeled phosphoserines and achieved single-molecule positional readout of the phosphorylated sites. We measured >93% efficiencies for dye labeling, survival, and cleavage; further improvements should enable studies of increasingly complex proteomic mixtures, with the high sensitivity and digital quantification offered by single-molecule sequencing.

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