《轉》訪上海生物信息技術研究中心副主任謝鷺教授：用蛋白質組學破譯癌症密碼

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近日，在2019中德腫瘤液體活檢及精準治療雙邊論壇上，上海生物信息技術研究中心副主任謝鷺教授做了關於「多組學數據整合技術鑒定代謝生物標誌物」的精彩報告。早在本世紀初，謝鷺教授就已投身蛋白質組學領域，從2007年起，她開始參與了北京蛋白質組學研究中心賀福初院士主導下的各類蛋白質組學領域研究課題，主要承擔蛋白質質譜數據的生物信息學解讀和分析工作。在會後的訪談中，謝鷺教授向我們道出了其從業多年的體會：「用蛋白質組學破譯人類癌症密碼，這著實是一件激動人心的事。」以下為訪談實錄。

問

1、在2014年啟動的中國人類蛋白質組計劃中，您曾參與由秦鈞教授負責的中國人類蛋白質國際合作課題，您的團隊主要負責了哪些內容呢？

答

上海生物信息中心於2014年參與了中國人類蛋白質組計劃的兩項子課題，主要負責蛋白質組學資料庫及展示系統建設。在這期間我的團隊升級更新了由我們原始開發的大型綜合蛋白質翻譯後修飾資料庫SysPTM，以及腫瘤中表達異常的蛋白質分子資料庫dbDEPC，新開發了用於磷酸化蛋白質組數據分析的資料庫軟體PhoSigNet，基於肽段質量的磷酸化位點查詢和鑒定資料庫軟體PhoPepMass，並開發了對腫瘤蛋白質組學及其他組學數據的單組學分析和整合分析軟體OmicsBean-Cancer，獲得了一批軟體著作權。同時，帶著這些資料庫和分析工具，2016年起我帶領團隊有幸參與了中國人類蛋白質組學計劃中肝癌研究數據的生物信息學分析，與其他團隊密切協作，在蛋白質組、磷酸化蛋白質組、轉錄組學數據分析和整合分析方面作了多方嘗試解讀工作。在最終由賀福初院士、錢小紅教授和樊嘉院士擔任通訊作者的中國蛋白質組學領域裡程牌式的Nature正刊文章「Proteomics identifies therapeutic targets of early-stage hepatocellular carcinoma」中起到了生物信息學支持的作用。這也是我多年從事蛋白質組學生物信息分析工作的一項應用性成果。

問

2、組學技術在不斷推陳出新，那麼，目前蛋白質組學研究的主流方法有哪些？各有什麼優缺點？

答

以往，二維凝膠電泳分離結合MALDI-TOF質譜、LC-MS、酵母雙雜交系統（這個是做相互作用的）等都曾是蛋白質組學研究方法的主流技術。不過，目前蛋白質組學研究的主流方法我認為主要是UPLC和高分辨的質譜聯用技術，當然蛋白質晶元技術也可以作為重要蛋白質或相互作用蛋白質的驗證和篩選的一個技術。在每一類下又有很多細分類，如高分辨質譜有很多種類，包括不同的串級模式，碎裂模式，涉及的定量方法也有很多種類，包括無標記定量和標記定量。不同的質譜儀和定量方法組合可以各有優缺點。如三重四級桿串聯質譜在蛋白質的驗證和定量方面能力比較突出，但是分辨力不夠高，對於小分子、未知蛋白質鑒定還是有不足之處。無標記定量勝在簡單易操作，但是對平行操作的條件要求比較嚴格，一般認為不如標記定量準確；而標記定量往往會增加操作步驟和需要額外的標記技巧。化學交聯質譜技術能夠研究蛋白質結構和相互作用，是結構生物學領域近年來非常值得關注的新技術。蛋白質晶元在從複雜樣本（如血清血漿）中篩選和驗證重要蛋白質和相互作用蛋白質方面有一定的優勢，但在通量上和發現新標記物上則比不上質譜。因此實力較強的實驗室會試圖整合蛋白質晶元和質譜技術，實現對蛋白質組的深度鑒定和準確定量，和相應高通量驗證。最後，目前蛋白質組主流的研究方法都離不開計算蛋白質組學的支持，必須同步有高質量的定性定量解讀分析軟體才能保證蛋白質組學數據產出的可信度。

問

3、從基因到蛋白，人類對生命的認識逐漸深入，在您看來，蛋白質組學和精準醫療的關係是怎樣的？

答

從基因組到轉錄組到蛋白質組，遺傳信息的傳遞是呈現放大效應並逐漸影響和表徵表型的。基因最後的功能執行者是蛋白質，蛋白質的差異表達、修飾、相互作用等讓複雜的信號傳遞網路實現精準的調控、反饋和補足等，保證了不同細胞和器官的表型和功能。因此蛋白質組學理論上應該是精準醫療不可或缺的環節。基於蛋白質組學發現的診斷或治療干預的靶標分子往往可以參考直接已知藥物應對，因為FDA批准的藥物中大量是靶向蛋白質分子的。針對蛋白質分子開發診斷或治療手段的方法也比較成熟。這樣可以大大縮短從分子標記物到臨床應用的時間。由於基因組和轉錄組檢測技術更成熟穩定，精準醫療目前的應用大多還是在利用這兩個組學，尤其是基因突變的檢測和分子靶向藥物的使用。不過國家精準醫療項目立項說明中明確了蛋白質組學數據的要求，隨著數據的積累，蛋白質組學在精準醫療方面的應用應該會日漸顯現，優秀的臨床應用範例也會越來越多。當然，這方面也需要廣大的蛋白質組學研究者和臨床醫生的共同推動。

問

4、您認為生物信息學在蛋白質組學研究中起到了什麼樣的作用，您對蛋白質組學數據分析以及蛋白質組學數據與其他組學數據的整合分析方面有什麼建議?

答

如同其他組學，由於數據產出的通量和複雜度，生物信息學在蛋白質組學研究中也是非常重要的。比如在質譜數據產出的上游階段，需要計算蛋白質組工作者針對不同質譜儀的離子化特徵、肽段骨架的解離特徵、定量方法的標記特徵、修飾狀態等開發相應的蛋白質鑒定和定量軟體；在蛋白質功能分析的下游階段，需要生物信息學對蛋白質的結構、理化特性、修飾特徵、相互作用和信號傳遞過程進行詳細解讀，才能更好地對其進行作用機制研究。目前各階段已經有比較成熟的軟體工具，蛋白質組學數據分析可以直接使用，但在開發比較新型的蛋白質組學研究方法時，仍然需要「干、濕結合」，即實驗人員與生信人員同步開發。由於蛋白質組學數據在產出覆蓋度和精度方面相對獨立，蛋白質組學數據與其他組學數據的直接整合併不容易實現，硬性整合反倒容易喪失蛋白質組學數據的優勢。進行一些聯合分析是可行的，比如比較蛋白質組層面的亞型分類與其他層次分類的分子特徵；在信號通路的上下游上考察分子改變發生的組學數據層次，以此梳理調控改變的因果關係；針對不同層次的分子改變考察靶標針對性藥物的易獲取性等。如果要實現蛋白質組學數據與基因組學數據的真正整合，則需要在蛋白質組學數據的產出階段就考慮到針對基因組數據的哪類蛋白質產物，並採用相應的蛋白質種群富集、質譜鑒定技術及生物信息學分析方法。比如早期利用蛋白質基因組學策略進行基因組蛋白質編碼事件的注釋，以及近年利用蛋白質基因組學策略鑒定腫瘤突變的新抗原等，都是蛋白質組學與基因組學整合的應用範疇。

問

5、您認為目前蛋白質組學轉化面臨哪些難題？蛋白質組學研究離臨床應用還有多遠？

答

目前蛋白質組學轉化面臨的難題主要還是在技術瓶頸上。無論是基於質譜還是基於蛋白質晶元的蛋白質檢測技術入門比較高，樣本製備比較麻煩，操作要求高，而最關鍵的是各種檢測的覆蓋度還難以展示基因組翻譯成的蛋白質組全貌，無論是在數量上還是種類上。在檢測速度上也難以匹配基因組和轉錄組。另外蛋白質組學數據的解讀也比較困難。近年來得益於我國蛋白質組研究者、質譜工作者、相關企業的共同努力，蛋白質組在檢測覆蓋度、檢測速度、生物信息學流程平台搭建上已經有了長足進步，但在技術轉化上還沒有達到能夠更新換代甚至是迭代的程度。不過，令人欣喜的是，越來越多的三甲醫院內，在放置測序儀的同時也開始放置質譜儀，這意味著蛋白質組學研究離臨床已經很近，而在近距離研究的前提下，必將大大提速研究成果向臨床的轉化，可以說蛋白質組研究者期盼了多年的臨床應用時代已然是前所未有地接近了。

編者語

在本次訪談中，謝鷺教授為我們詳細地介紹了蛋白質組學的研究概況和應用前景，雖然臨床應用尚需時日，但相信在謝鷺教授這樣的研究者的努力下，那一天已經不遠。

專家介紹

謝鷺教授

謝鷺，博士，研究員，博導。上海生物信息技術研究中心副主任。中南大學湘雅醫學院 醫學博士，美國范德堡大學博士後。曾負責國家精準醫學重點研究計劃、973、863、傳染病科技重大專項、國家自然科學基金、中國人類蛋白質國際合作等多項課題。國內外已發表學術論文超過120 篇。曾獲上海市自然科學一等獎，湖南省科技進步二等獎等。上海市先進工作者。上海市生物信息學會理事，中國生物化學與分子生物學會蛋白質組學專業委員會委員，中國醫學生物技術協會基因檢測分會委員。 研究背景：醫學、實驗腫瘤學；蛋白質組學；生物信息學。研究方向：蛋白質功能研究涉及 定位、定量、翻譯後修飾到相互作用；轉化醫學研究主要從事各遺傳信息水平分子標記物篩選、臨床預後療效等預測模型建立；近兩年研究方向融合於精準醫學領域，從事多組學整合分析、藥物注釋、疾病模型建立等，全面推進精準醫學生物信息研發平台的搭建。總的宗旨是利用生物信息學手段為臨床應用轉化提供理論基礎和軟體工具。

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