Simultaneous Proteomic Discovery and Targeted Monitoring using Liquid Chromatography, Ion Mobility Spectrometry, and Mass Spectrometry

使用液相色谱法、离子迁移谱法和质谱法同时进行蛋白质组学发现和靶向监测

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作者:Kristin E Burnum-Johnson, Song Nie, Cameron P Casey, Matthew E Monroe, Daniel J Orton, Yehia M Ibrahim, Marina A Gritsenko, Therese R W Clauss, Anil K Shukla, Ronald J Moore, Samuel O Purvine, Tujin Shi, Weijun Qian, Tao Liu, Erin S Baker, Richard D Smith

Abstract

Current proteomic approaches include both broad discovery measurements and quantitative targeted analyses. In many cases, discovery measurements are initially used to identify potentially important proteins (e.g. candidate biomarkers) and then targeted studies are employed to quantify a limited number of selected proteins. Both approaches, however, suffer from limitations. Discovery measurements aim to sample the whole proteome but have lower sensitivity, accuracy, and quantitation precision than targeted approaches, whereas targeted measurements are significantly more sensitive but only sample a limited portion of the proteome. Herein, we describe a new approach that performs both discovery and targeted monitoring (DTM) in a single analysis by combining liquid chromatography, ion mobility spectrometry and mass spectrometry (LC-IMS-MS). In DTM, heavy labeled target peptides are spiked into tryptic digests and both the labeled and unlabeled peptides are detected using LC-IMS-MS instrumentation. Compared with the broad LC-MS discovery measurements, DTM yields greater peptide/protein coverage and detects lower abundance species. DTM also achieved detection limits similar to selected reaction monitoring (SRM) indicating its potential for combined high quality discovery and targeted analyses, which is a significant step toward the convergence of discovery and targeted approaches.

文献解析

1. 文献背景信息

  • ​标题/作者/期刊/年份​​:

    • 标题:Simultaneous Proteomic Discovery and Targeted Monitoring using LC-IMS-MS

    • 作者:Kristin E Burnum-Johnson等(美国太平洋西北国家实验室团队)

    • 期刊:Molecular & Cellular Proteomics(IF=6.100,蛋白质组学领域权威期刊)

    • 年份:2016年(技术方法类研究,时效性中等,但LC-IMS-MS技术近年仍为热点)。

  • ​研究领域与背景​​:

    • 领域:​​蛋白质组学分析技术​​,聚焦发现式(discovery)与靶向(targeted)蛋白质检测的整合。

    • 争议点:传统发现式质谱(如DDA)覆盖广但灵敏度低,靶向质谱(如SRM/MRM)灵敏度高但通量有限,二者难以兼顾。

  • ​研究动机​​:

    • 填补空白:开发一种能​​同步实现广谱蛋白质鉴定和靶向定量​​的方法,解决传统“先发现后验证”流程的低效问题。

2. 研究问题与假设

  • ​核心问题​​:如何通过LC-IMS-MS技术整合发现与靶向监测,提升蛋白质组分析的覆盖度和灵敏度?

  • ​假设​​:在LC-IMS-MS平台中,通过引入重标肽段(heavy labeled peptides)作为内标,可同时实现非标记(discovery)和靶向(targeted)检测。

3. 研究方法学与技术路线

  • ​实验设计​​:技术开发类研究,结合液相色谱(LC)、离子迁移谱(IMS)和质谱(MS)的多维分离检测。

  • ​关键技术​​:

    • ​LC-IMS-MS联用​​:利用IMS的离子淌度分离增强峰容量,减少离子干扰。

    • ​重标肽段策略​​:将合成同位素标记肽段(靶向目标)掺入样品,与非标记肽段(discovery目标)同步分析。

  • ​创新方法​​:

    • 首次在​​单次分析​​中实现发现与靶向监测(DTM),无需分步实验。

4. 结果与数据解析

  • ​主要发现​​:

​                      覆盖度提升​​:DTM比传统LC-MS多鉴定20-30%的肽段(图2数据),尤其低丰度蛋白检出率提高。

                      ​​灵敏度接近SRM​​:靶向监测的检测限达fmol级,与金标准SRM相当(表1)。

                      ​​定量准确性​​:重标肽段校正后,定量变异系数(CV)<15%(优于非标DDA)。

  • ​数据验证​​:通过标准蛋白混合物(UPS1)和复杂生物样本(如血浆)验证性能。

  • ​局限性​​:

    • 依赖预先设计的重标肽段(需已知目标蛋白序列)。

    • IMS校准和数据处理复杂度较高。

5. 讨论与机制阐释

  • ​机制解释​​:IMS的离子淌度分离减少了离子共洗脱干扰,提升信噪比;重标肽段提供内标校准,增强定量可靠性。

  • ​与既往研究对比​​:

    • 支持:与传统DDA相比,DTM显著提升低丰度蛋白检测(呼应2014年Mann团队对DDA局限性的批评)。

    • 突破:首次实现单次分析中“发现+靶向”的融合,优于传统分步策略(如2010年Aebersold的SRM建议)。

  • ​未解决问题​​:如何扩展至无预先信息的全新靶点?未来需开发动态重标肽段设计算法。

6. 创新点与学术贡献

  • ​理论创新​​:提出“同步发现与靶向”(DTM)新范式,挑战蛋白质组学“分步分析”传统。

  • ​技术贡献​​:LC-IMS-MS流程可推广至代谢组学、翻译后修饰分析等领域。

  • ​实际价值​​:

    • 加速生物标志物筛选(如癌症早期诊断),减少验证周期。

    • 为临床蛋白质组学提供高性价比解决方案(单次实验成本低于分步策略)。


​总结​​:该文献是蛋白质组学技术的重要突破,通过LC-IMS-MS整合多维分离与标记策略,为高通量精准蛋白质分析提供了新工具,后续研究可探索其在个性化医疗中的应用。

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