臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)研究方法綜述
摘 要
糖蛋白,作為翻譯后產(chǎn)物的一個(gè)重要組成部分,在各種生物過程中扮演著關(guān)鍵角色,比如信號傳導(dǎo)和免疫反應(yīng)。糖基化異??赡軐?dǎo)致糖蛋白的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化,這與多種疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。因此,探索蛋白質(zhì)糖基化可以揭示疾病表現(xiàn)背后的機(jī)制,并為創(chuàng)新的診斷和治療策略鋪平道路。然而,由于糖基化含量低和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)的研究充滿了挑戰(zhàn)。最近基于質(zhì)譜的臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展提高了我們在臨床樣本中識別異常糖蛋白的能力。在這篇綜述中,我們旨在提供臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)方法和應(yīng)用的基礎(chǔ)原理和最新進(jìn)展的全面概述。此外,我們討論了糖蛋白在各種疾病中的典型特征、潛在功能和機(jī)制,如腦部疾病、心血管疾病、癌癥、腎臟疾病和代謝性疾病。此外,我們強(qiáng)調(diào)了臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)未來發(fā)展方向的潛在途徑。這篇綜述中提供的信息將增強(qiáng)對臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)方法和疾病理解,并促進(jìn)病理機(jī)制的闡明以及新的診斷生物標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)。
引 言
生命科學(xué)進(jìn)入了后基因組時(shí)代,并啟動(dòng)了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃。蛋白質(zhì)組學(xué)涉及在整體水平上研究細(xì)胞、組織或生物體蛋白質(zhì)組的組成和變化,并闡明生物體中所有蛋白質(zhì)的表達(dá)模式和功能模式。然而,翻譯后修飾(PTMs)增加了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,增強(qiáng)了功能,細(xì)化了調(diào)節(jié),并增加了特異性。糖基化,作為真核生物蛋白質(zhì)最豐富和最多樣化的形式,指的是將糖鏈附著到生物分子(蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核糖核酸)上的復(fù)雜過程,這是一個(gè)關(guān)鍵的修飾,可以在這些基本生物分子的產(chǎn)生過程中或產(chǎn)生后發(fā)生。它由糖基轉(zhuǎn)移酶催化,主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)和高爾基體中。超過一半的人類蛋白質(zhì)組分是糖基化的,包括美國(US)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)的腫瘤生物標(biāo)志物(如前列腺特異性抗原[PSA]和甲胎蛋白[AFP])。因此,糖蛋白在各種生理和病理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,凸顯了它們在復(fù)雜生物系統(tǒng)中的重要性。蛋白質(zhì)糖基化可以分為O-糖基化、N-糖基化、OGlcNAcylation、C-mannosylation、糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定等。在這篇綜述中,我們重點(diǎn)關(guān)注兩種最常研究的糖基化。N-糖基化發(fā)生在天冬酰胺上的Asn-Xxx-Ser/Thr/Cys(Xxx為任何不同于脯氨酸的氨基酸)基序上,有三個(gè)主要的N-糖鏈類型(高甘露糖型、混合型、復(fù)雜型),而O-糖基化發(fā)生在羥基上,主要是蘇氨酸和絲氨酸,有八個(gè)O-糖核心結(jié)構(gòu)(從核心1到核心8)(圖1A)。深入糖基化領(lǐng)域,糖蛋白質(zhì)組學(xué)已成為蛋白質(zhì)組學(xué)的一個(gè)專門子領(lǐng)域,專注于在蛋白質(zhì)組水平上識別和表征糖基化事件。因此,臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)已成為糖蛋白質(zhì)組學(xué)的一個(gè)子領(lǐng)域。在此,我們將糖蛋白質(zhì)組學(xué)定義為將先進(jìn)的糖蛋白質(zhì)組技術(shù)與其他尖端技術(shù)相結(jié)合,分析臨床樣本,旨在尋找糖蛋白、糖肽、糖位點(diǎn)和糖鏈的異常表達(dá)。
臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)的目標(biāo)是將基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用,從而在各種疾病的預(yù)防和治療方面取得重大進(jìn)展。臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)研究面臨眾多方法學(xué)挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)糖基化的低豐度、復(fù)雜性、微宏觀異質(zhì)性和高動(dòng)態(tài)變異性需要使用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(LC–MS/MS)進(jìn)行位點(diǎn)特異性糖基化表征。由于其在高通量和高靈敏度識別糖基化方面無與倫比的優(yōu)勢,LC–MS/MS已成為糖蛋白質(zhì)組學(xué)工具箱中不可或缺的工具。近幾十年來,LC–MS/MS不僅在糖蛋白的復(fù)雜分析中展示了其價(jià)值,而且還鞏固了其在臨床診斷中的重要工具角色。然而,臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域需要在檢測準(zhǔn)確性、靈敏度、進(jìn)行原位實(shí)時(shí)分析的能力、對樣本量的要求更小和檢測速度更快方面進(jìn)行改進(jìn)。因此,臨床樣本處理方法的進(jìn)步、質(zhì)譜技術(shù)的進(jìn)步和分析軟件的改進(jìn)是必要的。近年來,大量的工作致力于開發(fā)相關(guān)方法和技術(shù),以提高糖蛋白質(zhì)組學(xué)研究的質(zhì)量。
有三種主要的策略用于探索糖蛋白質(zhì)組,每種策略都提供了對糖蛋白結(jié)構(gòu)和功能的獨(dú)到見解(圖1B)。首先,自上而下策略主要用于研究整個(gè)糖蛋白,包括重組糖蛋白和單克隆抗體(mAbs)。它可以呈現(xiàn)整個(gè)糖蛋白的一般特征,但不能提供糖基化的詳細(xì)信息。其次,中間策略將焦點(diǎn)縮小到糖蛋白的亞單位或更長的糖肽。與自上而下策略相比,它可以確認(rèn)更完整的序列和糖型位置。第三,自下而上策略是在臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)中最常用的策略。通過分析化學(xué)或酶法釋放的糖鏈,可以獲得糖蛋白質(zhì)組上所有糖鏈的組成和結(jié)構(gòu)信息,但可能會丟失糖位點(diǎn)信息。盡管分析裸露的糖肽或截短的糖肽可以識別糖位點(diǎn)和糖鏈占據(jù)的程度,但它不提供關(guān)于天然糖鏈組成和結(jié)構(gòu)的信息。位點(diǎn)特異性糖基化分析對于理解糖蛋白中糖基化的功能意義至關(guān)重要。它可以通過分析完整的糖肽(IGPs;帶有N/O-糖鏈的糖肽)來實(shí)現(xiàn),因此這種方法已成為臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)的主流。
這篇綜述提供了臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展的全面概述和討論,特別關(guān)注用于分析位點(diǎn)特異性糖基化或IGPs的尖端方法。在分析過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)取得了顯著進(jìn)展,包括臨床樣本的準(zhǔn)備、IGPs的富集,以及通過LC–MS/MS和專業(yè)軟件檢測IGPs。這些進(jìn)展已經(jīng)徹底改變了糖蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域,使研究人員能夠在單一實(shí)驗(yàn)中識別數(shù)百到數(shù)千個(gè)糖位點(diǎn)或IGPs。不同類型的糖基化在生理和病理過程中可能發(fā)揮不同的作用。N-糖基化可以影響蛋白質(zhì)的折疊、穩(wěn)定性、溶解性、免疫原性、半衰期和藥物屬性,并且廣泛參與細(xì)胞識別、細(xì)胞粘附、細(xì)胞轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)、信號傳導(dǎo)、免疫反應(yīng)等生理過程。O-糖基化在蛋白質(zhì)分泌、聚集、相分離、免疫原性和半衰期中發(fā)揮著不可或缺的作用,并且廣泛參與細(xì)胞-細(xì)胞相互作用、跨膜受體激活、病原體結(jié)合和免疫細(xì)胞調(diào)節(jié)等多種生理功能。因此,蛋白質(zhì)N/O-糖基化異常變化與多種疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。
臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)方法和技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了其在各種疾病中的應(yīng)用,如腦部疾病、心血管疾?。–VDs)、癌癥、腎臟疾病和代謝性疾病。通過對人類尿液、血液、腦脊液(CSF)、病理組織等臨床樣本中存在的生化化合物的細(xì)致檢查,LC–MS/MS促進(jìn)了對各種疾病診斷和理解的突破。其能夠提供對健康和疾病分子基礎(chǔ)的精確和全面的洞察,突出了LC–MS/MS在推進(jìn)科學(xué)研究和臨床實(shí)踐方面不可或缺的作用。最近的進(jìn)步導(dǎo)致了糖蛋白質(zhì)組技術(shù)在臨床診斷和治療干預(yù)的整個(gè)譜系中的應(yīng)用。這種尖端方法在識別疾病生物標(biāo)志物、探索病理代謝物和開發(fā)專門針對糖基化過程的疫苗方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。例如,在腎臟疾病的背景下,研究發(fā)現(xiàn)不規(guī)則的糖基化模式與腎臟疾病的進(jìn)展之間存在顯著聯(lián)系。具體來說,異常的糖基化與推動(dòng)腎臟疾病的機(jī)制密切相關(guān),突出了精確的糖基化模式在維護(hù)腎臟健康中的關(guān)鍵作用,并為靶向治療策略鋪平了道路。
在這篇綜述中,我們總結(jié)并討論了臨床糖蛋白質(zhì)組學(xué)中的新興趨勢,以說明該領(lǐng)域如何從專注于識別糖基化底物的研究轉(zhuǎn)向研究特定機(jī)制和疾病狀態(tài)。這篇綜述概述了糖蛋白質(zhì)組技術(shù)的基本原理和邏輯,并進(jìn)一步調(diào)查了這種尖端技術(shù)對科學(xué)領(lǐng)域的當(dāng)前貢獻(xiàn),強(qiáng)調(diào)了其在轉(zhuǎn)變不同疾病診斷和治療方面的能力。通過全面的討論,這篇綜述強(qiáng)調(diào)了糖蛋白質(zhì)組學(xué)在增強(qiáng)我們對多種疾病的理解和管理中的關(guān)鍵作用,最終導(dǎo)致更好的患者結(jié)果。這種探索不僅揭示了糖蛋白質(zhì)組學(xué)的潛力,還強(qiáng)調(diào)了其在持續(xù)追求醫(yī)學(xué)進(jìn)步中的重要性。
圖1:臨床糖蛋白組學(xué)方法與疾病概述
- 上一篇:糖肽和糖蛋白分離富集方法精要必看 2024/11/9
- 下一篇:磷酸化蛋白/磷酸化肽段富集與分離方法研究最新進(jìn)展 2024/11/9