基于数据非依赖采集的蛋白质组质谱数据解析方法研究进展

数据非依赖采集（DIA）是蛋白质组学领域近年来快速发展的质谱采集技术，其通过无偏碎裂隔离窗口内的所有母离子采集二级谱图，理论上可实现蛋白质样品的深度覆盖，同时具有高通量、高重现性和高灵敏度的优点。现有的DIA数据采集方法可以分为全窗口碎裂方法、隔离窗口序列碎裂方法和四维DIA数据采集方法（4D-DIA）3大类。针对DIA数据的不同特点，主要数据解析方法包括谱库搜索方法、蛋白质序列库直接搜索方法、伪二级谱图鉴定方法和从头测序方法4大类。解析得到的肽段鉴定结果需要进行可信度评估，包括使用机器学习方法的重排序和对报告结果集合的假发现率估计两个步骤，实现对数据解析结果的质控。本文对DIA数据的采集方法、数据解析方法及软件和鉴定结果可信度评估方法进行了整理和综述，并展望了未来的发展方向。     

莱茵衣藻E2泛素结合酶CrUBC23调控油脂积累

【目的】为研究莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)泛素结合酶(ubiquitin-conjugating enzymes,E2)CrUBC23在莱茵衣藻油脂代谢中的作用,为高产油微藻基因工程改良和揭示藻类油脂合成及代谢调控机理奠定基础。【方法】qRT-PCR分析莱茵衣藻在低氮、低磷胁迫下泛素结合酶CrUBC23表达情况;克隆CrUBC23同源基因干涉片段和全长基因,构建RNAi干涉载体和过量表达载体,转化莱茵衣藻并检测生物量和油脂含量;构建CrUBC23-GFP融合表达载体,用农杆菌浸染洋葱表皮细胞进行亚细胞定位。【结果】莱茵衣藻在低氮、低磷胁迫下CrUBC23基因表达量显著增加,增加幅度分别为正常培养的4.98–5.80倍和1.85–5.20倍。RNAi干扰结果显示,转基因藻细胞中性脂含量降低5.5%,总脂含量降低3.16%–17.6%。过量表达结果显示,转基因藻细胞中性脂含量增加8.8%,总脂含量增加4.51%–14.03%。【结论】CrUBC23正向调控莱茵衣藻油脂代谢,该基因定位于细胞核。     

酸胁迫下短乳杆菌NCL912蛋白质的差异表达及其作用

【目的】本文从蛋白质组水平,对本实验室分离的一株高产γ-氨基丁酸的短乳杆菌NCL912(Lactobacillus brevis)在酸胁迫下蛋白质的差异表达及其应激机理进行探讨。【方法】利用双向凝胶电泳技术对pH 5.0和pH 4.0条件下,不含L-谷氨酸钠的培养物的蛋白质组电泳图谱进行了分析,并对酸胁迫下差异表达的蛋白进行了比较。利用质谱检测技术和生物信息学技术对这些差异表达的蛋白进行了鉴定、功能分类和代谢途径分析等。【结果】通过双向凝胶电泳技术,可以得到均匀、背景清晰、分辨率高、重复性好的Lb.brevis NCL912的双向凝胶电泳图谱。对pH 5.0和pH 4.0条件下培养的该菌总蛋白质电泳图谱进行比较,发现有25个差异表达的蛋白点。对这25个差异表达的蛋白进行了质谱鉴定。由于缺乏短乳杆菌NCL912的全基因组,所以其中只有8个蛋白点被质谱鉴定和分析得到。它们分别参与了蛋白质的合成、核苷酸的合成、糖酵解代谢、细胞能量水平的调节等。【结论】酸应激下这些表达蛋白质可通过其相应的功能来保护细胞耐受酸胁迫,从而使菌能够在酸性环境下生存增值。这可能就是Lb.brevis NCL912的酸胁迫应激机理之一。     

嗜水气单胞菌zntR调控的生理功能及其机制研究

【目的】ZntR是一种金属调控蛋白,可催化锌外排基因的转录激活,防止细胞内二价Zn离子过量,但其对细菌生理功能的影响目前尚不清楚。【方法】本研究构建了嗜水气单胞菌ATCC7966(Aeromonas hydrophila,A.h)的zntR缺失株及补救株,对菌株的生物被膜形成能力、溶血活性、运动能力和响应金属离子胁迫等生理表型进行评估。【结果】敲除zntR基因的菌株对锌和铬离子胁迫敏感、对钴离子胁迫耐受,并且生物被膜形成能力下降、运动能力增强,这些表型在其补救菌株中均能得到恢复。进一步利用DIA定量蛋白质组学技术比较野生株和zntR缺失株的蛋白表达差异,发现ZntR还可能参与双组分系统、细菌的趋化性等代谢通路的调控。【结论】该研究结果可为今后深入探讨zntR转录因子参与细菌生理功能的调控机制提供理论依据。     

饥饿胁迫下家蚕5龄起蚕中的蛋白表达谱及 BmLp-c 6的转录分析

【目的】分析家蚕Bombyx mori受饥饿胁迫后的蛋白质谱变化,探索其耐受饥饿的机理。【方法】以家蚕品种932为实验材料,利用双向电泳和质谱技术检测5龄起蚕经过24 h饥饿胁迫的蛋白质谱差异变化,利用荧光定量PCR技术分析BmLp-c 6的转录表达。【结果】经比对饥饿蚕和正常取食蚕的血淋巴蛋白谱,饥饿蚕有62个特异蛋白点。蛋白点的等电点在4.22~6.98之间,分子量分布在20.81～144.69 kDa间。选取只在饥饿时出现的特异蛋白点No. 7111进行质谱鉴定,根据其氨基酸序列进行引物设计,获得了目的基因BmLp-c 6,经与载体pET-21d(+)连接重组后,成功获得诱导表达。经实时荧光定量PCR分析,当5龄起蚕受到饥饿胁迫影响时,BmLp-c 6基因在血淋巴中大量转录表达,但在中肠中的转录表达水平却极低。【结论】家蚕5龄起蚕在饥饿胁迫下,血淋巴中的蛋白质谱发生变化,BmLp-c 6会大量转录表达。     

与紫云英转脂蛋白AsE246相互作用靶蛋白的筛选及其基因表达特征

【目的】AsE246是我们首次报道的紫云英根瘤特异表达的非特异性转脂蛋白(nsLTP1:non specificlipid transfer protein 1)编码基因。本实验旨在筛选和鉴定与AsE246相互作用的宿主植物靶蛋白,并分析靶基因在共生和胁迫条件下的表达特征。【方法】利用酵母双杂交技术、小范围杂交技术及实时荧光定量PCR,筛选与AsE246的相互作用蛋白,并定量分析靶基因在结瘤与固氮过程中的时空表达特性。【结果】获取一个阳性克隆,其cDNA序列经Blast分析表明:候选靶蛋白是一个DnaJ-like蛋白,该蛋白相应基因命名为AsDJL1。AsE246与AsDJL1在酵母体内确实相互作用。AsDJL1在固氮根瘤中特异性增强表达,在NaCl胁迫下表达水平显著提高,在(NH4)2SO4胁迫下表达水平显著下降。【结论】本实验是筛选与LTP相互作用蛋白的首次报道。获得了直接的实验证据表明互作基因AsDJL1与AsE246具有高度相似的表达特征和功能,为深入研究二者的相互作用及其在共生固氮和应答环境胁迫中的调控机制,提供了一定的工作基础和理论依据。     

基于数据非依赖采集的以肽为中心分析算法和软件的研究进展

数据非依赖采集(data-independent acquisition,DIA)是一种高通量、无偏性的质谱数据采集方法,具有定量结果重现性好,对低丰度蛋白质友好的特点,是近年来进行大队列蛋白质组研究的首选方法之一。由于DIA产生的二级谱是混合谱,包含了多个肽段的碎片离子信息,使得蛋白质鉴定和定量更加困难。目前,DIA数据分析方法分为两大类,即以肽为中心和以谱图为中心。其中,以肽为中心的分析方法鉴定更灵敏,定量更准确,已成为DIA数据解析的主流方法。其分析流程包括构建谱图库、提取色谱峰群、特征打分和结果质控4个关键步骤。本文综述了以肽为中心的DIA数据分析流程,介绍了基于此流程的数据分析软件及相关比较评估工作,进一步总结了已有的算法改进工作,最后对未来发展方向进行了展望。     

葱蝇非滞育与夏滞育蛹蛋白的双向凝胶电泳比较分析

【目的】比较分析葱蝇Delia antiqua非滞育与夏滞育蛹的蛋白表达差异, 为进一步揭示昆虫滞育的分子调控机理和昆虫防治提供理论基础。【方法】以非滞育和夏滞育的蛹为材料, 提取总蛋白; 进行双向凝胶电泳和凝胶图像分析, 对并差异蛋白质进行MALDI-TOF MS质谱鉴定, 获得该点的质量指纹图谱; 利用MASCOT软件在NCBI和SWISS PORT蛋白质数据库中进行搜索鉴定。【结果】非滞育和夏滞育蛹的蛋白表达存在显著差异。通过质谱鉴定和生物信息学分析, 13个差异表达的蛋白质分别为胶原蛋白、 纺锤丝组装非正常蛋白6(SAS6)、 5,10-亚甲基四氢叶酸合成酶(MTHFS)、 Bnb蛋白(bangles and beads)及其他功能未知蛋白。【结论】葱蝇在夏滞育时期, 蛹体内的某些蛋白被上调或下调表达。本研究所鉴定的蛋白中, 部分可能是参与滞育相关的蛋白质网络中的成员, 它们可能在抗高温、 染色体分离、 叶酸代谢等生理过程中发挥重要作用。     

酸胁迫下琥珀酸放线杆菌的生理及转录应答

【目的】通过琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC1593对酸胁迫的生理应答和转录组学分析,探究琥珀酸放线杆菌酸胁迫的机制。【方法】测定不同pH对细胞生长、H+-ATPase、细胞内pH的影响;测定酸胁迫前后细胞膜和谷氨酸脱氢酶的变化、谷氨酸对琥珀酸放线杆菌生长的影响;通过RNA-seq测序分析酸胁迫条件下的差异表达基因。【结果】随pH值的降低,细胞生长受抑制,H+-ATPase的活性下降。pH 4.7酸胁迫后,细胞膜受到严重损伤,谷氨酸对酸胁迫后的细胞有保护作用,GDH酶活响应酸胁迫后略有增加。酸胁迫后,39个基因差异表达较为显著,其中49%基因属于应激蛋白、转运蛋白,小部分基因与代谢相关。【结论】本文探究了琥珀酸放线杆菌酸胁迫下的生理及转录应答,研究结果可为寻找增强琥珀酸放线杆菌耐酸性策略提供参考。     

沃尔巴克氏菌调控小茶尺蠖和灰茶尺蠖杂交卵孵化

【目的】明确沃尔巴克氏菌Wolbachia对茶尺蠖两近缘种杂交卵孵化的影响及相关机制。【方法】使用2.5 mg/mL四环素浸液处理1 min后的新鲜茶树叶片连续饲喂灰茶尺蠖Ectropis grisescens幼虫3代,建立不携带Wolbachia的灰茶尺蠖种群。通过携带和不携带Wolbachia的灰茶尺蠖成虫分别与小茶尺蠖E. obliqua成虫进行杂交,探究Wolbachia对二者杂交卵孵化的影响。同时利用iTRAQ技术检测并分析携带和不携带Wolbachia的灰茶尺蠖精子蛋白的差异。【结果】与自然携带Wolbachia的灰茶尺蠖相比,去除Wolbachia后的灰茶尺蠖与小茶尺蠖杂交卵孵化率从3.92%显著提高到56.20%,表明Wolbachia诱导胞 质不亲合。精子蛋白差异分析显示,携带和不携带Wolbachia的灰茶尺蠖的精子蛋白中,共有128个蛋白显著差异表达,其中KEGG数据库注释到45个差异蛋白富集到鞘脂类代谢、唾液分泌、溶酶体、鞘脂信号通路和鞘糖脂生物合成等106个通路中,其中鞘脂类代谢通路中与神经酰胺合成相关的神经酰胺酶和磷酸酯酶显著上调表达。【结论】共生菌Wolbachia通过胞质不亲和作用介导了茶尺蠖两近缘种间的合子前生殖隔离,导致杂交卵的孵化率显著下降;Wolbachia可能通过鞘脂代谢通路实现了对雄性精子蛋白的修饰。     

Data-independent acquisition proteomics methods for analyzing post-translational modifications

Protein post-translational modifications (PTMs) increase the functional diversity of the cellular proteome. Accurate and high throughput identification and quantification of protein PTMs is a key task in proteomics research. Recent advancements in data-independent acquisition (DIA) mass spectrometry (MS) technology have achieved deep coverage and accurate quantification of proteins and PTMs. This review provides an overview of DIA data processing methods that cover three aspects of PTMs analysis, that is, detection of PTMs, site localization, and characterization of complex modification moieties, such as glycosylation. In addition, a survey of deep learning methods that boost DIA-based PTMs analysis is presented, including in silico spectral library generation, as well as feature scoring and error rate control. The limitations and future directions of DIA methods for PTMs analysis are also discussed. Novel data analysis methods will take advantage of advanced MS instrumentation techniques to empower DIA MS for in-depth and accurate PTMs measurements.     

Identification of three novel salicylate 1-hydroxylases involved in the phenanthrene degradation of Sphingobium sp. strain P2

Five sets of large and small subunits of terminal oxygenase (ahdA1[a-e] and ahdA2[a-e]) and a single gene set encoding ferredoxin (ahdA3) and ferredoxin reductase (ahdA4) were found to be scattered through 15.8- and 14-kb DNA fragments of phenanthrene-degrading Sphingobium sp. strain P2. RT-PCR analysis indicated the inducible and specific expression of ahdA3, ahdA4, and three sets of genes for terminal oxygenase (ahdA1[c-e] and ahdA2[c-e]) in this strain grown on phenanthrene. The biotransformation experiments with resting cells of Escherichia coli JM109 harboring recombinant ahd genes revealed that AhdA2cA1c, AhdA1dA2d, and AhdA1eA2e can all function as a salicylate 1-hydroxylase which converts salicylate, a metabolic intermediate of phenanthrene, to catechol in cooperation with the electron transport proteins AhdA3A4. The first two oxygenases exhibited a broad range of substrate specificities such that they also catalyzed the hydroxylation of methyl- and chloro-substituted salicylates to produce their corresponding substituted catechols.     

Improving SWATH-MS analysis by deep-learning

Data-independent acquisition (DIA) of tandem mass spectrometry spectra has emerged as a promising technology to improve coverage and quantification of proteins in complex mixtures. The success of DIA experiments is dependent on the quality of spectral libraries used for data base searching. Frequently, these libraries need to be generated by labor and time intensive data dependent acquisition (DDA) experiments. Recently, several algorithms have been published that allow the generation of theoretical libraries by an efficient prediction of retention time and intensity of the fragment ions. Sequential windowed acquisition of all theoretical fragment ion spectra mass spectrometry (SWATH-MS) is a DIA method that can be applied at an unprecedented speed, but the fragmentation spectra suffer from a lower quality than data acquired on Orbitrap instruments. To reliably generate theoretical libraries that can be used in SWATH experiments, we developed deep-learning for SWATH analysis (dpSWATH), to improve the sensitivity and specificity of data generated by Q-TOF mass spectrometers. The theoretical library built by dpSWATH allowed us to increase the identification rate of proteins compared to traditional or library-free methods. Based on our analysis we conclude that dpSWATH is a superior prediction framework for SWATH-MS measurements than other algorithms based on Orbitrap data.     

金属蛋白质组学研究锌离子匮乏对肺炎链球菌的影响

【目的】研究锌离子缺乏对肺炎链球菌的影响,找到其适应性生长机制。【方法】以肺炎链球菌为模型,利用加锌和不加锌的培养基对细菌进行培养,收集细胞蛋白,采用双向凝胶电泳,结合金属亲和层析和质谱技术鉴定差异表达蛋白,进而通过生物信息学分析蛋白质相互关系,从中找到细菌适应锌离子匮乏条件的关键代谢通路和蛋白。【结果】测定了在限制培养条件下肺炎链球菌的最适生长浓度,建立了锌离子调控蛋白双向凝胶电泳图谱,鉴定到了96个差异表达蛋白斑点,共67个差异蛋白,其中32个表达下调,35个表达上调,锌离子调控蛋白的作用可能主要体现在糖代谢、核酸代谢、氧化还原作用、辅助蛋白质翻译、合成及折叠等方面。建立了锌结合蛋白的差异表达图谱,鉴定到了10个差异表达蛋白斑点,共7个差异蛋白,其中1个表达下调,6个表达上调。锌离子结合蛋白的作用可能主要体现在应对压力、蛋白质折叠和转运、氨基酸代谢等方面。【结论】肺炎链球菌主要通过调控碳水化合物代谢和核酸代谢等多个代谢通路来应对宿主锌金属离子匮乏的环境,从而使自身能够存活并对宿主形成感染。本研究为揭示细菌在宿主环境,特别是金属离子匮乏条件下的适应性生长机制提供理论基础。     

蛋白质组学技术对不同性别中国美利奴细毛羊(军垦型) 皮肤差异蛋白的筛选

旨在了解性别因素对绵羊毛性状的影响。以周岁雄性和雌性中国美利奴羊（军垦型）为研究对象,利用液相色谱-串联质谱联用技术和数据非依赖性采集策略的定量蛋白质组学技术筛选皮肤组织差异表达蛋白,并对筛选获得的差异蛋白进行基因本体（gene ontology,GO）功能注释、京都基因与基因组百科全书（Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG）代谢通路和蛋白互作分析。结果显示,共计筛选获得差异表达蛋白674种,其中,280种蛋白表达上调,394种蛋白表达下调;通过进一步分析发现,与皮肤毛囊发育及羊毛表型相关的差异蛋白有43种,上调差异蛋白30种,下调差异蛋白13种。GO注释结果显示,在分子功能方面,差异蛋白在氧结合、硫酸软骨素结合、亚铁血红素结合、谷胱甘肽过氧化物酶活性和转运活性等37个过程显著富集;在生物过程方面,差异蛋白在细胞氧化解毒作用、肌肉收缩调节、Notch信号通路、钙离子跨膜转运和谷胱甘肽新陈代谢等120个过程显著富集;在细胞组分方面,主要富集在肥大细胞颗粒、细胞核、肌质网状组织和内质网等31个过程。KEGG通路结果表明,这些差异蛋白涉及16条信号通路,其中,MAPK、P53信号通路和羊毛生长发育密切相关。蛋白质网络互作结果显示,COL1A1蛋白与MMP2、SPARC、THBS1等差异表达蛋白联系较为紧密,其可能在羊毛生长发育过程中发挥着关键作用。本研究为揭示不同性别绵羊毛性状的分子机制积累了基础数据。     

New targeted approaches for the quantification of data‐independent acquisition mass spectrometry

The use of data‐independent acquisition (DIA) approaches for the reproducible and precise quantification of complex protein samples has increased in the last years. The protein information arising from DIA analysis is stored in digital protein maps (DIA maps) that can be interrogated in a targeted way by using ad hoc or publically available peptide spectral libraries generated on the same sample species as for the generation of the DIA maps. The restricted availability of certain difficult‐to‐obtain human tissues (i.e., brain) together with the caveats of using spectral libraries generated under variable experimental conditions limits the potential of DIA. Therefore, DIA workflows would benefit from high‐quality and extended spectral libraries that could be generated without the need of using valuable samples for library production. We describe here two new targeted approaches, using either classical data‐dependent acquisition repositories (not specifically built for DIA) or ad hoc mouse spectral libraries, which enable the profiling of human brain DIA data set. The comparison of our results to both the most extended publically available human spectral library and to a state‐of‐the‐art untargeted method supports the use of these new strategies to improve future DIA profiling efforts.     

Absolute Quantification of All Identified Plasma Proteins from SWATH Data for Biomarker Discovery

The current state of proteomics requires a choice between targeted and global discovery methods. A method, that combines targeted and data‐independent acquisition for absolute quantification of all identified plasma proteins, in a single sequential window acquisition of all theoretical fragment ions (SWATH) acquisition run, using a panel of spike‐in standards (SIS), is established and optimized. The absolute quantification (AQ) of SWATH and multiple‐reaction monitoring‐high resolution (MRM‐HR) acquisition methods are compared using the 100 protein PlasmaDive SIS panel spiked into non‐depleted human plasma. SWATH provides equivalent quantification and differentially abundant protein profiles as MRM‐HR. Absolute quantities of the SIS peptides from the SWATH data are used to estimate the absolute quantities (eAQ) for all the proteins in the run. The eAQ values provide similar quantification and differentially abundant protein profiles as AQ and protein area (PA) values. As a proof‐of‐concept, the eAQ method is applied to 12 plasma samples from six non‐small cell lung cancer (NSCLC) patients and the performance of eAQ values versus peak area quantification is evaluated. There is a strong correlation between AQ and peak area ratios producing significant overlap of differentially abundant proteins. This eAQ method can provide quantitative data equivalent to AQ or peak area values.     

相对定量分析异烟肼、链霉素单耐药与多耐药结核分枝杆菌临床分离株的蛋白质组差异

【目的】探讨异烟肼(isoniazid,INH)、链霉素(streptomycin,SM)单耐药结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis,MTB)与INH/SM多耐药MTB蛋白质组差异。【方法】应用i TRAQ结合Nano LC-MS/MS定量蛋白质组学技术,分析临床分离INH、SM或INH/SM耐药MTB与H37Rv标准株间均表达差异蛋白;并以INH/SM耐药MTB与H37Rv比值为对照,相对定量分析单耐药与多耐药MTB蛋白表达差异倍数;运用DAVID 6.7分析差异蛋白生物功能;STITCH 5.0分析差异蛋白与INH和SM相互作用。【结果】与H37Rv标准株比较,58个蛋白在INH、SM耐药与INH/SM耐药MTB间均有表达差异,共同差异蛋白生物功能主要为氧化还原酶活性和转移酶活性;主要参与丙酸代谢信号通路。共同差异蛋白中,与INH/SM耐药MTB比较,Rv2986c和Rv1908c在INH、SM耐药MTB均表达上调1.25倍;Rv3133c和Rv0577则均表达下调0.7倍;生物信息学预测发现以上4种蛋白可直接或间接与INH、SM进行相互作用。【结论】INH、SM单耐药和INH/SM多耐药MTB蛋白表达谱有较大差异,蛋白Rv2986c、Rv1908c、Rv3133c和Rv0577表达水平及相互作用可能与INH和SM耐药有关。