只做转录组测序有些单调？加个蛋白组研究吧！

想让研究内容更丰富，研究再拔一拔高度，那就分析分析蛋白组！

为什么？

蛋白质是生命功能的执行者，直接体现生命活动的多样性和复杂性。蛋白质组学是指在大规模水平上研究蛋白质的特征，蛋白组研究可以反映、注释和表征特定表征或疾病相关的蛋白质，为预测、诊断、治疗和预防医学应用发展奠定基础。

如果说基因组学是研究基因可以接受什么任务，转录组学是研究基因即将执行什么任务，蛋白组学就是研究基因正在执行什么任务。

人类的基因组有2万多个基因，由于转录过程的可变剪接，约有10万个转录物，而翻译过程的调控也存在多样性，翻译的肽段会进行空间折叠和修饰，最终产生100万种蛋白形态。因此蛋白组研究能反应更直接、更丰富、更复杂、更有针对性的问题。

01 蛋白组研究的特点

① 特异性

不同组织不同时期蛋白组可能存在较大差异。

② 复杂性

蛋白数目远大于基因，蛋白翻译后修饰调控和互作使机制研究更复杂。

③ 直接性

蛋白是基因功能的执行者，直接调控生命活动和性状。

02 蛋白组研究内容

蛋白质表达时间和定位；产生速率、降解速率和稳态丰度；修饰；亚细胞水平的移动；参与的代谢途径；蛋白质与其它分子间的相互作用。

03 蛋白组研究应用领域

（一）基础医学/生物医药领域

① 诊断标志物发现：

筛选和鉴定疾病特异的生物标记分子，作为疾病诊断的重要证据。

② 治疗靶点挖掘：

识别与健康或疾病相关的蛋白质作为潜在治疗或预防靶点，分析蛋白质靶点的可药性，针对靶点设计和开发新药。

③ 新药研发：

一方面可以研究候选药物成分，另一方面可以联合转录组信息分析药物作用机理和毒理，筛选有效药物，改进药效和药物安全性。

④ 调控机制研究：

研究蛋白质之间、DNA/RNA与蛋白质之间的相互作用，分析基因之间的协同和拮抗作用，理解生物网络和系统生物学。

⑤ 蛋白质结构研究：

针对未知蛋白质或多肽，分析其氨基酸序列并预测空间结构，以及研究其功能作用，改进基因注释，发现新基因功能等。

（二）其他领域

①农林

抗逆胁迫机制，生长发育机制，育种保护研究等。

②畜牧业

肉类及乳制品等品质研究，致病机理研究等。

③微生物

致病机理，耐药机制，病原体-宿主相互作用研究等。

口说无凭，拎一篇转录组和蛋白组联合分析的好文出来瞅瞅~

猴痘病毒感染的多组学特征分析

标题：Multi-omics characterization of the monkeypox virus infection[1]

影响因子：14.7

杂志：Nat Commun

发表时间：2024年8月8日

研究对MPXV感染的原代人成纤维细胞的转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白质组特征进行了深入的多组学分析（蛋白组研究使用了DDA-label free的技术），以深入了解病毒与宿主的相互作用。除了预期的免疫相关通路的扰动外，从多组学分析中还发现了HIPPO和TGF-β通路的调控；根据宿主和病毒蛋白的动态磷酸化，发现MAPK是MPXV感染细胞中差异磷酸化的关键调节因子。该研究多角度的数据集突出了MPXV干扰的基因和信号通路，丰富了目前人们对痘病毒的了解。

图1 MPXV感染原代人包皮成纤维细胞的多组学分析。a-g：感染MPXV的HFFs在感染后（h.p.i）0、6、12或24小时进行转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白质组的分析。b, d, f：在MPXV感染后的特定时间内显著改变的宿主转录物（b）、蛋白质（d）或磷酸化位点（f）的数量。c, e, g：散点图描绘了MPXV感染的HFFs和相应时间点的mock对照之间转录本（c）、蛋白（e）或磷酸位点（g）的丰度倍数变化。

图2 MPXV感染HFFs多组学分析中的病毒蛋白动力学。感染MPXV的HFFs蛋白质组中病毒蛋白（a）、磷酸化蛋白（c）丰度的二维UMAP。b：病毒蛋白的个例。d：病毒蛋白上磷酸化位点的个例。e：单个病毒蛋白(中)上，病毒磷酸化位点(上)，宿主激酶（在病毒蛋白的磷酸化位点上鉴定的基序）（下）的数量。f：相对于所有检测到的磷酸化位点，病毒磷酸化位点上富集宿主激酶。

图3 MPXV多组学数据集系统分析。a：多组学数据集中有意义数据的综合通路富集分析。b：MPXV感染细胞在不同组学水平激活的差异通路，以及相关调节剂的子集。c：MPXV(本研究)、VACV28和MVA30中显著改变蛋白的基因集富集分析。

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//蛋白组研究技术//

根据研究策略的不同可分为非靶向蛋白质组学和靶向蛋白质组学。

非靶向蛋白质组学：又称发现蛋白质组学，不需要事先了解目标蛋白的信息，能够对蛋白质样本进行全面高通量的定量和鉴定，可以同时检测和分析样本中的多个蛋白质，更关注蛋白质筛选和动力学。

靶向蛋白组学：通过预先选择目标蛋白针对性的分析复杂混合物，进行定量和分析，类似ELISA或Western blot等技术，更侧重于检测目标蛋白质/多肽的绝对定量。

01 非靶向蛋白质组研究技术

数据依赖性采集模式（Data dependent acquisition，DDA）和数据非依赖性采集模式（Data independent acquisition，DIA）是质谱分析中常用的二级质谱数据采集模式。

DDA

在一级质谱的每个时间窗口进行检测循环时，选择性采集信号相对较强的肽段离子进入二级质谱碎裂。因此，DDA无法有效的采集到信号强度较弱的信号离子，限制了检测灵敏度，采集结果具有一定随机性，无法对大量样品完成可重复性的位点分析。

代表性技术：

4D-Label-free：无需化学标签（如同位素）标记蛋白；DDA采集模式；利用四维（保留时间、质何比、离子强度、淌度）分离离子。

DIA

采集所设置的最低强度值以上的所有肽段离子进行二级质谱分析，遗漏的数据少，准确定更高。

代表性技术：

① 4D-DIA：4D和label free蛋白组技术基础上，采用DIA采集模式。

② Astral DIA：基于新一代 OrbitrapTM AstralTM 高分辨质谱仪，结合了四极杆质量分析器（Quadrupole）、轨道阱质量分析器（Orbitrap）以及全新非对称轨道无损质量分析器（Astral）。

DDA和DIA两种质谱数据采集模式各有其利弊。

DDA方法采用较窄的窗口筛选目标离子，减少了干扰离子，可提供较高质量的碎片信息，适合大规模样品的分析；但DDA分析重复性较差，有时候会出现采样不足或数据丢失的情况，即MS/MS信息的覆盖率较低。

而DIA扫描范围更广，重复性好，通量高，可分析低丰度蛋白；但对质谱系统的分辨率要求较高，产生的大量质谱数据造成数据分析困难等问题。

02 靶向蛋白组学

P7k/11k：化学合成并修饰得到DNA适配体（Aptamer），筛选出针对目标蛋白特异性识别的适配体。其能够达到与单克隆抗体相当的亲和力，进而对目标蛋白进行广泛、特异、准确地定量分析。

Olink：基于PEA技术（Proximity Extension Assay，PEA）的靶向高敏微量体液蛋白质组学，通过抗体对目标蛋白特异性识别、结合抗体末端寡核苷酸序列的扩增，实现对疾病与生理过程中血清、血浆等各类体液样本中目标蛋白的定量分析。

PRM：基于LC-MS/MS的靶向蛋白质分析技术，能够对目标蛋白、目标肽段(包括发生翻译后修饰的肽段)进行高选择性、高特异性、高重复性和高准确性检测，实现对目标蛋白/肽段的相对或绝对定量分析。

参考文献

[1] Huang Y, et al. Multi-omics characterization of the monkeypox virus infection. Nat Commun. 2024, 15(1):6778.