蛋白质组学领域的科学家运用质谱技术开创了许多种新型的蛋白质组学研究方法(多图)

   日期:2019-09-11     来源:分析测试百科网    浏览:97    
核心提示:蛋白质组学,是以蛋白质组为研究对象,研究细胞、组织或生物体蛋白质组成及其变化规律的科学。这个概念最早是在1994年,由MarcWikins首先提出的新名词。
  蛋白质组学(英语:proteomics,又译作蛋白质体学),是以蛋白质组为研究对象,研究细胞、组织或生物体蛋白质组成及其变化规律的科学。这个概念最早是在1994年,由MarcWikins首先提出的新名词。
 
  蛋白质组(Proteome)一词,源于蛋白质(protein)与基因组(genome)两个词的组合,意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”,即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质组学本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征,包括蛋白质的表达水平,翻译后的修饰,蛋白与蛋白相互作用等,由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生,细胞代谢等过程的整体而全面的认识。

  1994年澳大利亚的MarcWikins首次提出蛋白质组(Proteome)的概念,1997年,PeterJames(就职于有欧洲MIT之称的瑞士联邦工学院(ETH))又在此基础上率先提出蛋白质组学的概念。基因组学和蛋白质组学的概念又进一步催生了各种各样的组学(omics),如代谢组学、脂质组学、糖组学等,使系统生物学成为可能。
 
  在蛋白质组学研究领域,有很多做出了杰出贡献的科学家。中国的蛋白质组学的著名学者大家都已比较熟悉,比如CNHUPO的组织者和会议上那些著名的大会报告、邀请报告的演讲人。本文列举了国外的蛋白质组学牛人大咖,虽然蛋白质组学是应用学科,但纵观下文众位大咖,各个在质谱学上的造诣都甚为了得,他们在质谱上改硬件、写软件、造流程、设计质谱适应的报告离子,开创了一种又一种新型的蛋白质组学研究方法。
 
  是的,没有什么不好启齿的。1994年蛋白质组学概念诞生之前,“质谱无用论”曾一度在科学界蔓延:“用其它方法就能解决问题,干嘛要用这么贵的质谱?”
 
  1994年后,蛋白质组学对质谱提出了越来越多的要求:灵敏度、分辨率、离子化方式、碎裂方式、采集速度、数据处理、动态范围……可以说,质谱技术的迅猛发展,和蛋白质组学界科学家们水涨船高的要求密不可分。虽然蛋白质组学的科学家们对当今的质谱还是不够满意,还在继续激励着各大质谱仪器公司提升性能,但质谱今日的发展已经涵盖了我们所要探索的各个领域,生命科学、临床、环境、食品、药品、材料、石油、化工、地质、核工业……
 
  在大家一哄而上,发展定量的、符合标准要求的、第三方测试的、临床测试的一系列质谱时,请稍微停下脚步想一想:如果我们不从科学研究的角度,去研究那些现在尚不能被广泛应用的“阳春白雪”的、“科学幻想”的质谱尖端技术,我们如何能做出划时代的原创工作?我们又如何在下一轮科学质谱用于标准化测试时赢得哪怕10%的竞技场?
 
  1、Ruedi Aebersold
 
  
       1954年9月12日出生于瑞士,母校是巴塞尔大学,现在苏黎世ETH系统生物学研究所。
 
  RuediAebersold与LeroyHood一起于2000年在美国西雅图创办了系统生物学研究所(ISB),促进了包括蛋白质组学在内的多种组学的发展。(日本也于2000年在东京建立了系统生物学研究所,中国的系统生物学重点实验室依托于中科院上海生命科学研究院,建于2006年。)Aebersold所发表的论文总被引次数超过了5万次。
 
  RuediAebersold对蛋白质组学的最大贡献是发明同位素标记技术(ICAT)做蛋白质组定量,最早发表于1999年Nature。后来Ruedi还发明了子离子标记定量iTRAQ和DIA(非数据依赖的采集Dataindependentacquisition)技术。
 
  RuediAebersold曾获HUPO含金量最高的成就奖,他本人也经常是HUPO世界大会的分会主席或大会特邀报告人。Aebersold还获得包括美国质谱协会(ASMS)大奖在内的许多专业大奖。Aebersold教授是瑞士人,1983年在巴塞尔大学生物中心获得细胞生物学博士学位。从那时起,他成为华盛顿大学和不列颠哥伦比亚省的教员,直到2000年,他共同创立了西雅图的系统生物学研究所(在华盛顿大学)。2004年,他接受了苏黎世瑞士联邦理工学院生物技术研究所(ETH)的全职教授一职,2005年1月,他的研究小组成为新成立的分子系统生物学研究所的第一个组成部分。
 
  2、Mathias Mann
 
  
       1959年10月10日出生于德国,在哥廷根大学学习数学和物理。他于1988年在耶鲁大学获得博士学位,在获得Nobel奖的约翰•芬恩(JohnFenn)的团队中工作。
 
  德国马普研究所的MathiasMann,Mann发表的论文有多篇都在蛋白质组学领域被引用次数前10位,不少被引用次数都上千次。
 
  MathiasMann在蛋白质组学最大的贡献是发明了蛋白质组体内标记技术SILAC,这种技术也是公认的应用最为广泛的蛋白质组学定量标记技术。Mann后又开发了MaxQuant和Perseus等系列搜库、鉴定、定量和下游数据分析软件。
 
  MathiasMann在哥廷根大学学习数学和物理,于1988年在耶鲁大学获得博士学位,曾在获得Nobel奖的约翰•芬恩(JohnFenn)的团队中工作。MatthiasMann是被引用最多的德国研究人员,H指数超过200,超过200,000次引用(谷歌学术)。Mann实验室是基于质谱的蛋白质组学技术和应用的领导者,20多年来一直处于该领域的前沿。除了在马普所生物化学研究所的团队,MatthiasMann还是哥本哈根诺和诺德基金会蛋白质研究中心(NNF-CPR)蛋白质组学项目主任,他也是临床蛋白质组的负责人。
 
  多年来,MatthiasMann教授的实验室与布鲁克深度合作,开发PASEF技术,实现更快速度、更高灵敏、更强大的鸟枪法蛋白质组学分析。最近,他们又在此基础上与ZuerichETH的RuediAebersald教授、BenCollins博士以及多伦多大学的HannesRoest教授合作,在timsTOFPro上开发出最新的DIA技术,称为DIA-PASEF,获得更快、更深的蛋白组学覆盖。
 
  3、John Yates III
 
 
  美国Scripps研究所,主要贡献是:发明蛋白质组学的Shotgun(鸟枪)法,并开发了SEQUESTMS/MS数据库检索软件,同时和ThermoFisher合作,在LCQ质谱做蛋白质组学的质谱上广泛安装SEQUEST,导致了质谱大规模地用于蛋白质组学而不是其它如电泳等技术。迄今,更多从事组学研究的人习惯于用LC-MS/MS而不是跑胶来进行大规模的shotgun,同JohnYates开创的这一蛋白质组学流程非常相关。当然,SEQUEST主要使用的是DDA采集(数据依赖的采集),随着计算机技术的进步数据处理能力的提升,Ruedi后来提出了DIA。如果说Ruedi是蛋白质组定量方面的先驱,那JohnYates就是大规模生物标志物发现方法的开创者。
 
  Yates于1980年和1983年分别取得缅因大学学士和硕士学位,1987年取得弗吉尼亚大学博士学位,87-92年曾分别在美天主教大学和加州理工大学工作,1992-2000年一直在西雅图的华盛顿大学工作,2000年后在圣地亚哥LaJolla的Scripps研究所工作。国内的董梦秋研究员是从Yates教授处回国的。
 
  4、Steven Gygi
 
  
       Steven Gygi 博士获得犹他大学药理学和毒理学博士学位,当时从事小分子质谱研究。1996年,他到西雅图的华盛顿大学Ruedi处从事博士后研究。2000年,Gygi博士进入哈佛医学院,加入细胞生物学系。目前,他是两个质谱中心的主任(Taplin生物质谱中心,赛默飞多路复用Multiplexing蛋白质组学中心)。
 
  Gygi 实验室的研究围绕开发和应用基于质谱仪的蛋白组学领域的新技术,其中包括对多种蛋白质特性的系统的、蛋白质组范围的测定,这些特性有:表达水平、修饰状态、结构、定位、功能和相互作用。该实验室致力于开发和应用各种细胞环境中的蛋白质表达和蛋白质磷酸化修饰的快速、敏感、定量和多路分析技术。2014年,Gygi领导科学家们在质谱分析的基础上,开发了一种全新的蛋白质组学技术——QTV。这一技术能够在病毒感染的过程中,对宿主和病毒蛋白的实时动态进行系统性定量分析,展现病毒与宿主的具体互作过程。这一技术发表在Cell杂志上。2015年,在发表于Cell杂志上的另一篇论文中,Gygi和WadeHarper领导的一个研究小组着手捕获及编写人类蛋白质组中所有蛋白质复合物的目录,构建出了一张他们称作为BioPlex网络的图谱。利用高通量的亲和纯化及质谱法,他们研究了超过10%的人类蛋白质组。BioPlex是一个蛋白质相互作用网络,由2,500多个不同的免疫沉淀实验组成,以不同的人类蛋白质作为诱饵。该网络覆盖超过9,000种蛋白质,是迄今发表最大的蛋白质互作网络。此外,还改进了串联质量标签(TMT)等样品多路复用技术,以便使用高分辨率质谱法同时分析多达16个蛋白质组学样本。
 
  5、Richard D. Smith
 
  
       美国太平洋西北国家实验室,1990年首次用三重四极杆质谱Top-down(自顶而下)分析完整蛋白。
 
  史密斯于1971年获得洛威尔技术学院化学学硕士学位,1975年在犹他大学获得物理化学博士学位。太平洋西北国家实验室(PNNL)蛋白质组学研究主任,生物科学部首席科学家和巴特尔研究员。研究兴趣广泛涉及先进方法,仪器和信息学能力的开发和应用及其在生物研究中的应用,特别是蛋白质组学和代谢组学。从20世纪70年代开始,Smith发表了关于多个主题的同行评审论文,包括质谱法、电子回旋共振质谱法、离子-分子反应、分子器件、超临界流体等。这些早期工作使他被认为是国际公认的质谱和分离技术专家,他的研究推动了医学和环境分析领域的仪器学以及生物化学领域取得了进步。
 
  史密斯博士是在PNNL的NIH生物医学技术资源中心和在美国能源部高通量蛋白质组学中心的主任。他是华盛顿州立大学,犹他大学和爱达荷大学化学系的兼职教员。史密斯博士在国家和国际科学会议上发表了350多篇邀请或全体讲座,并且是700多种出版物的作者或共同作者。史密斯博士拥有37项专利,并获得了12项R&D100大奖,入选有史以来R&D100发明40强,荣获2003年美国化学学会分析化学奖,美国质谱学会质谱杰出贡献奖(2013),R&D杂志2010年度科学家;MarcelGolay奖(2019)。
 
  Smith曾获得的R&D100奖项如:毛细管电泳电喷雾电离质谱(1988年);超临界流体溶液快速膨胀过程(1988年);RapidMicrodialyzer快速微透析仪(1998年);MICLEAN/MICAREProcess(1998年);电动离子漏斗(1999年);开发FT-MS蛋白质组快车(2003年);超灵敏的点喷雾离子化质谱源和接口(2009);微芯片上的离子迁移谱(2010);组合正交的淌度和质量评价技术(2015);用纳喷雾离子源(SPIN)进行亚周围环境压力下的离子化(2015);无损离子操控结构(SLIM)(2017)。
 
  6、Donald F. Hunt
 
  
       DonaldHunt是弗吉尼亚大学化学和病理学教授,美国艺术与科学学院院士。他以在质谱领域的研究而闻名,开发了电子捕获负电子质谱(ETD),在FT-MS方面做出许多贡献。
 
  在将近半个世纪的职业生涯中,DonaldF.Hunt一直是质谱领域的先驱。Hunt发表了3,500多篇文章,培养了100多名研究生和博士后进入学术领域,并在质谱领域处于领先地位,此外还教授14,000多名医学预科学生。他的杰出贡献是:开发质谱仪器和方法来分析蛋白质,对蛋白质组学和质谱学领域产生了巨大影响。Hunt于1968年来到弗吉尼亚大学,成为开发利用质谱研究生物有机分子技术的先驱。质谱学起源于物理化学,但Hunt和其他一些先驱者表明,这些工具也可以应用于生物,并最终用于生物医学用途。
 
  Hunt是超过25项专利和专利申请的共同发明者,曾共同撰写了350多篇学术出版物,并跻身全球130位引用最高的化学家之列。2007年,《国际质谱杂志》为Hunt专门撰写了整版文章,很多科学家的发现论文,有很多工作来源于Hunt早期的创新工作,该文章包括亨特的长篇简介和他的职业生涯对质谱的深远影响。
 
  7、Joshua Coon
 
  
       威斯康星大学化学和生物化学系教授,他特别关注质谱法测量生物分子的分子质量,以及它在蛋白质组学中的应用。JoshuaCoon和JohnSyka(赛默飞)一起,在弗吉尼亚大学DonaldHunt的实验室做博士后时,于2004年发明了电子转移离解(ETD)。更多请见:ETD:将成为蛋白质组学研究的标准方法。
 
  8、NeilKelleher
 
 
  美国西北大学卓越蛋白质组学中心主任。对蛋白质组学的最大贡献是发展了Top-down自上而下的蛋白质组学。
 
  1997年,NeilKelleher在康奈尔大学完成了与TadhgBegley和FredMcLafferty的联合研究生工作,之后他到了哈佛医学院的ChristopherWalsh的实验室。这种高性能质谱和酶学培训,使Neil过去十年中在厄巴纳-香槟大学的独立实验室开展了大量研究。2010年,NeilKelleher课题组搬到了西北大学,课题组主要三方面工作:自上而下蛋白质组学、天然产物生物合成/发现、染色质生物学,并被认为是这三个领域的重要力量。Kelleher博士在推动化学和生物学中高性能质谱技术开发和应用方面取得了成功,他发表150篇文献,H因子为39,培养50名博士生/博士后学员,并通过Web向全球500多个实验室提供ProSight软件。Kelleher团队的核心基于技术开发方面的专业知识,使用傅立叶-变换质谱仪进行复杂混合物分析,用于蛋白质组学和代谢组学的靶向应用。Kelleher博士在生物合成、多肽和非核糖核酸产生的多肽发现方面有独特建树。Kelleher实验室的其他研究包括使用天然的蛋白质来有效检测其翻译后修饰,对染色质和癌症生物学有特殊兴趣。
 
  2009年获得美国质谱学会Biemann奖章;2008年获得美国化学会匹兹堡会议成就奖;2006年获得美国化学会辉瑞奖(酶化学);2006年获得美国化学会Findeis奖(测量科学);2005年获得总统早期职业生涯奖(科学和工程领域)。
 
  9、Kathryn Lilley
 
  
       英国剑桥大学,主要贡献是蛋白质组学定量技术。2018年,KathrynLilley获得HUPO大奖,奖励其在蛋白质组学研究方面的杰出贡献。
 
  Lilley现任剑桥蛋白质组学中心主任。该中心包括Lilley研究小组和CCP中心实验室。CCP是一个国际公认的蛋白质组学中心,致力于开发强大的蛋白质组学技术,适用于各种生物学问题,为CCP的合作者和中心的客户提供新技术。
 
  CCP的研究主要集中在以下几个主题:时空蛋白质组学方法的发展;分析翻译后修饰的变化;为定量蛋白质组学创建强大的分析流程;开发信息学工具以支持上述内容;转录组和蛋白质组之间的关系;空间翻译。
 
  10、Pierre Thibault
 
 
  加拿大蒙特利尔大学,主要贡献为:应用生物质谱和蛋白质组学到细胞生物学
 
  PierreThibault于1988年获得蒙特利尔大学分析化学博士学位,职业生涯始于加拿大国家研究委员会,担任蛋白质化学研究员。2001年至2004年,他就职于卡普里昂制药公司蛋白质分析部。然后,他加入IRIC,在那里他运营蛋白质组学研究组和高级蛋白质组学和化学基因组学分析中心(CAPCA)。皮埃尔•蒂博还是化学系的教授和医学院生物化学系的认证成员。
 
  11、Michael Maccoss
 
  
       MichaelMacCoss的主要贡献是稳定同位素标记技术以及近期的Skyline软件。MacCoss自1994年佛蒙特大学本科时起就一直从事质谱仪器研究。在1995年和1996年的两次暑期实习期间,Mike在Merck研究实验室PatrickGriffin博士的蛋白质质谱实验室工作时,开始对质谱的生物医学应用产生兴趣,他从师于DwightMattews教授获得博士学位,研究开发稳定同位素和质谱方法学,用于测定人体氨基酸和蛋白质代谢。完成学位后,MacCos博士转到Scripps研究所在JohnR.YatesIII教授处做博士后。
 
  MacCoss博士于2004年以基因组科学系的教职员的身份来到华盛顿大学,他的实验室专注于开发和应用基于质谱的技术,对复杂的蛋白质混合物进行定量表征。MacCoss实验室一直积极将这些工具应用于生物学的重要领域,包括但不限于衰老的基础生物学、蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质半衰的测量、转录调控、蛋白质组学、和临床诊断。实验室以其在蛋白质组学软件工具(Skyline)的开发和支持方面的专业知识而广为人知。
 
  12、Albert Heck
 
  
       荷兰Utrecht(乌得勒支)大学,主要贡献:基于质谱的结构生物学
 
  AlbertJ.R.Heck,1964年11月25日生于荷兰戈茨Goes,荷兰Utrecht大学质谱和蛋白质组学领域的教授,荷兰蛋白质组学中心的科学主任。Heck专注于质谱、蛋白质组学的技术开发和应用。Heck发明了TiO2和Ti4+-IMAC的磷酸化肽富集技术。Heck率先使用替代蛋白酶和混合肽碎裂的技术(例如EThcD、UVPD)。他的研究小组还在多细胞生物体中引入了15N标签和具有低成本的二甲基标签。Heck的蛋白质组学研究主要集中在癌症、干细胞和免疫学上。除了蛋白质组学的努力,Heck团队还以其在质谱结构生物学方面的专长而闻名,使用原生质谱(非变性质谱,Native-MS)、交联和/或HD交换质谱法;Heck实验室开发了用于分析完整蛋白质和蛋白质复合物的专用仪器,最近还开发了一种新的高质量数范围Orbitrap,这是自上而下蛋白质组学和原生质谱学的重大突破。通过XlinkX工作流程的开发,他们还促进了蛋白质组宽交联研究。
 
  Heck2013年获得HUPO发现奖,2014年获得欧洲蛋白质组学协会(EuPA)的蛋白质组学先锋奖。2016年,他获得ACSFrankH.Field和JoeL.Franklin(弗兰克•菲尔德和乔•富兰克林)奖。2014年,他当选为EMBO和荷兰皇家科学与艺术学院(KNAW)会员。2017年,Heck获得了荷兰最杰出的科学奖"斯宾诺萨奖"(SpinozaPrize)。2018年,赫克获得国际质谱学会的汤姆森奖章(Thomsonmedal)和克雷布斯奖章(Krebsmedal,FEBS)。
 
  13、Catherine Costello
 
 
  
       美国波士顿大学,HUPO前任主席,主要贡献为:质谱技术发展及应用。
 
  凯瑟琳•科斯特洛于1994年来到波士顿大学。同年,她成立了生物医学质谱研究中心,该中心已成为国际公认的研究中心。她主要在MED生物化学系工作,并在生理学与生物物理学系和化学系担任副职。她的研究侧重于测定具有生物重要性的聚合物的结构和功能,通过洞察同人类疾病相关的分子结构,革命性地改变了生物化学的一个重要领域。她是300多篇科学论文的作者或合著者,在多家主要期刊的编辑委员会任职,并荣获过许多奖项和荣誉,包括当前的AAAS研究员奖和2010年美国化学会的FieldandFranklin奖,这是该领域的最高荣誉之一。
 
  在新方法开发上,特别关注糖生物学,因为碳水化合物及其结合物(糖蛋白、糖脂等)涉及靶向和免疫系统识别、神经系统生长和发育,感染、寄生虫反应、致癌和其他关键过程。这些复杂分子的完全结构表征技术比线性生物聚合物(蛋白质和寡核苷酸)的方法要少得多。最近引入的新型质谱离子化方法以及质量分离和检测手段的迅速发展,使得即使面对复杂的混合物,也能对低至皮摩尔含量的样品进行结构研究。
 
  注:美国科学促进协会(AAAS)是世界上最大的科学协会,成立于1848年,为全世界272个附属协会和科学院提供服务,并出版同行评审的科学期刊《科学》。
 
  14、Alexander Makarov
 
  
Orbitrap的发明人AlexanderMakarov
 
  德国ThermoFisherScientific生物质谱全球研发总监,领导研发Orbitrap质谱仪。
 
日期: 2019-09-11
标签: 蛋白质 蛋白质组学
 
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