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蛋白质组测序也迈入千元时代?

蛋白质组测序也迈入千元时代?

人类生命的蓝图是三十亿碱基对组成的人类基因组。1000美元基因组测序,让人都觉得有些疯狂,然而有研究者认为千元测序蛋白质组也将成为现实。

日前,来自亚利桑纳州立大学(Arizona State University)的 Stuart Lindsay 和他的同事们在纳米孔DNA测序技术的基础上,让单链肽段穿过纳米孔,纳米孔两边的电极可记录每个氨基酸通过时产生的电信号。他们使用一种机器学习算法,让电脑能够识别代表不同氨基酸的特征信号。这些信号可以作为可靠的指纹,帮助人们鉴别氨基酸的种类,以及氨基酸发生的微妙改变。因此开发了能够精确鉴定氨基酸的蛋白单分子测序技术。相关研究论文刊登在了近期出版的《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上。

从基因组到蛋白组

蛋白对于细胞的生长、分化和修复至关重要,它们能够催化化学反应,抵御疾病,具有各种各样的重要功能。自今年1月份Illumina让“1000美元基因组”成为现实,研究者们将眼光转向了蛋白质组测序的研究。

与线虫等简单生物相比,人类的基因数相对较少,不过科学家们鉴定的人类蛋白已经超过了十万,而且不少人认为这些蛋白只是冰山一角。有限的基因数为何能形成如此大量的蛋白呢?这是因为蛋白能通过多种机制发生改变,选择性剪切和翻译后修饰就是其中两个关键的过程。

在这项研究中,研究人员将一对金属电极分隔在约两纳米的孔洞旁边,当线性穿过这种纳米孔的时候,每一个氨基酸都会完成一个电回路,并发出相应的电信号。而这样的电信号可以帮助人们判断,通过纳米孔的是哪一个氨基酸。

这一技术称为recognition tunneling,原本是Lindsay等人开发的DNA单分子测序技术。“大约两年前,我们的一次实验室会议提出,可以尝试将这一技术用于氨基酸测序,”Lindsay说。与DNA的A、G、C、T相比,用recognition tunneling鉴定组成蛋白的二十种氨基酸实际上是一个更大的挑战。

蛋白质单分子测序技术具有巨大的应用价值,可以帮助人们检测被选择性剪切或翻译后修饰改变的微量蛋白。而这些蛋白往往是疾病研究所追寻的目标,用其他技术很难检测得到。

PCR能够将样品中微量的DNA快速扩增,但在蛋白研究领域还没有这样的技术,Lindsay强调。在这种情况下,能进行单分子水平上进行检测的recognition tunneling,“将给蛋白质组学研究带来一场彻底的变革”。

这项研究为人们展示了一个,快速测序单个蛋白分子的低成本方法。据Lindsay介绍,该技术通过大约50种不同的信号特征来鉴定氨基酸,不过绝大多数鉴别只需要不到10个信号特征。

值得注意的是,recognition tunneling不仅能够高度可信的鉴定氨基酸,区分翻译后修饰的蛋白(肌氨酸)及其前体(甘氨酸),还能够鉴别被称为对映体的镜像分子,以及质量相同但序列不同的分子。

千元蛋白组?

Lindsay的研究指出,可实现千元基因组测序的工具,也可以最终帮助人们完成千元蛋白质组测序。事实上,Lindsay认为这一里程碑离我们并不遥远。

目前,这一技术还需要使用复杂的实验室仪器——扫描隧道显微镜STM。不过Lindsay和他的同事正在开发一个可以快速鉴定氨基酸和其他分析物的新设备,以便将低成本的蛋白质组测序真正推广到临床。

该技术不仅可以用来在临床上测序蛋白质和检测新生物指标,还有望给医疗领域带来彻底的改变,在单分子水平上精确监控患者对治疗的应答情况。

延伸阅读:

Nature:千元基因组的幕后推手

原文检索:

Yanan Zhao, Brian Ashcroft, Peiming Zhang, Hao Liu, Suman Sen, Weisi Song, JongOne Im, Brett Gyarfas, Saikat Manna, Sovan Biswas, Chad Borges& Stuart Lindsay. Single-molecule spectroscopy of amino acids and peptides by recognition tunnelling. Nature Nanotechnology, 06 April 2014; doi:10.1038/nnano.2014.54


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