深层蛋白质组项目提供了人类复杂性的图集

生物学的一个主要难题是，虽然人类基因组包含大约 20,000 个基因，但许多相对原始的生物体——包括普遍研究的线虫 —— 具有几乎相同数量的基因。

如果不是基因本身，是什么导致了这两个物种之间复杂性的巨大飞跃?

一个答案可能在于蛋白质组学领域，该领域侧重于识别和定义构成单个细胞的蛋白质构件。人类基因不是为一种目的编码一种蛋白质，而是像强大的压缩文件，其中一个基因可以编码数百种不同的蛋白质，每种蛋白质在体内执行精确的功能。

多达 95% 的人类基因都具有这种称为选择性剪接的能力。

今天(3 月 24 日)发表在《自然生物技术》 杂志上的 一项 新研究 概述了一种量化人类蛋白质组和人体产生的大量蛋白质变体的元尺度方法。蛋白质组学是生物学的基石，也是理解蛋白质功能障碍如何导致疾病的先驱。

在威斯康星大学麦迪逊分校生物分子化学教授兼莫格里奇研究所研究员 Joshua Coon 的带领下，研究团队开发了一种称为“深度蛋白质组测序”的方法，该方法提供了标准蛋白质组学中出现的蛋白质的前所未有的表征实验。

该项目使用了六种不同的人类细胞类型和六种蛋白酶——将蛋白质分解成更小的片段(肽)的酶，这些片段作为实验检测的原材料。然后，该团队采用不同的质谱分析方法分析了这些肽，质谱分析是识别蛋白质的领先技术。

研究人员从 17,717 个不同的蛋白质组中鉴定出超过 100 万种肽。从这些数据中，他们能够检测到这些样本中所有单个蛋白质的大约 80% 的序列——与仅对约 20% 的蛋白质进行测序的标准方法相比有了很大的提高。

实现这一更完整的图景是蛋白质组学的圣杯。

“在质谱和蛋白质组学领域，检测样本中所有蛋白质的目标一直存在，然后对所有存在的单个蛋白质进行完全测序，”Coon 说。“但我们真的没有检测到整个蛋白质，只是检测到其中的一小部分。”

“这项研究产生的数据代表了迄今为止收集到的最深入的蛋白质组学图谱，”Coon 补充道。“这些方法和资源为全面绘制蛋白质多样性图奠定了基础，有望促进未来的研究工作。”

研究团队创建了一个名为deep-sequencing.app的在线公开资源 ，科学家可以在其中查询任何基因并检查与该基因相关的相应肽和蛋白质修饰。

该项目主要由国立卫生研究院赞助，得到了德国马克斯普朗克生物化学研究所、加拿大多伦多大学和澳大利亚加文研究所研究小组的主要投入。Pavel Sinitcyn 是马克斯普朗克研究所的科学家，现在是 Coon 实验室的博士后和 Morgridge 跨学科博士后研究员，他领导了一个项目的海量数据分析工作，该项目在 10 年内生成了超过 5 TB 的数据。在多伦多，调查员 Benjamin Blencowe 提供了选择性剪接方面的专业知识。

科学家们对选择性剪接对蛋白质多样性的贡献有多大存在分歧，主要是因为该过程很难在蛋白质水平上检测到。Coon Lab 项目是第一个专门针对实际蛋白质中剪接事件证据的项目。他们发现，在基因表达的 RNA 阶段检测到的大多数可变剪接也存在于蛋白质中。

“我认为这些知识告诉我们，是的，这些关于剪接的想法——允许细胞为了不同的目的而拥有这种蛋白质库——现在得到了验证。这是我们第一次能够测量并证明它，”库恩说。

在马克斯普朗克研究所期间，Sinitcyn 在计算质谱领域世界领先的生物信息学小组 Jurgen Cox 的实验室工作。Sinitcyn 开发的软件解决方案能够检测质谱数据中单个氨基酸变异和选择性剪接的证据。

“我们正在处理来自不同来源的超过 5 TB 的数据，因此我们的第一个问题是找到一种方法来解释产生误报的高概率，”Sinitcyn 说。“但第二个问题，也是令人兴奋的问题，实际上是为了证明这个数据集与重要生物学问题的相关性。”