■ 采訪(fǎng) /王彥文 受訪(fǎng) /丁 琛
精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的實(shí)現(xiàn),離不開(kāi)蛋白質(zhì)組的發(fā)展,因?yàn)榈鞍踪|(zhì)組能夠更加直觀地反映我們身體的狀況。
提到精準(zhǔn)醫(yī)療,很自然聯(lián)想到的一個(gè)詞是基因測(cè)序,基因是生命的遺傳密碼,很多疾病都可以從基因?qū)用娴玫浇忉尯椭委?。然而,人?lèi)個(gè)體的性狀并不是只由DNA決定的,根據(jù)現(xiàn)代生物學(xué)的中心法則,遺傳物質(zhì)的編碼信息是從DNA,通過(guò)RNA,最終翻譯成蛋白質(zhì)來(lái)體現(xiàn)的,蛋白質(zhì)才是生命活動(dòng)的最終執(zhí)行者。蛋白質(zhì)組能夠更加直觀地反映我們身體的狀況,因此,精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的實(shí)現(xiàn),離不開(kāi)蛋白質(zhì)組的發(fā)展。
一直以來(lái),蛋白質(zhì)組的發(fā)展,無(wú)論是基礎(chǔ)研究還是技術(shù)應(yīng)用都相對(duì)不夠成熟,這也導(dǎo)致了蛋白質(zhì)組一直被遮擋在基因組巨大的光環(huán)后。2001年,第一個(gè)人類(lèi)基因組草圖被描繪出來(lái);2014年,蛋白質(zhì)組草圖繪制完成。蛋白質(zhì)組的發(fā)展整整落后了基因組13年。無(wú)論是美國(guó),還是中國(guó),都把基因組作為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的核心,以致于在很長(zhǎng)一段時(shí)間中,蛋白質(zhì)組學(xué)被稱(chēng)為“功能基因組學(xué)”,甚至“后基因組學(xué)”,當(dāng)作基因組學(xué)的一部分而存在。
和基因組相比,蛋白質(zhì)組要更加復(fù)雜,我們每個(gè)人的身體中只有一套基因組,蛋白質(zhì)的數(shù)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基因的數(shù)量。同一個(gè)基因,通過(guò)不同的剪接、翻譯后修飾等可以形成多個(gè)不同的蛋白質(zhì),在不同的組織中、不同的生理?xiàng)l件下,蛋白質(zhì)組的成分都是不同的。細(xì)胞中蛋白質(zhì)的含量差距非常大,對(duì)于一些低豐度的蛋白質(zhì),現(xiàn)在的技術(shù)很難檢測(cè)到,此外,蛋白質(zhì)無(wú)法像基因組那樣進(jìn)行擴(kuò)增,所以要實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)組測(cè)序的全覆蓋是很困難的事情。如果不能做到深度覆蓋,就無(wú)法像基因組那樣去全面地了解健康和疾病狀況下身體的差異。蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)展的局限性,很大程度是受到技術(shù)發(fā)展的滯后性的影響。復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院丁琛研究員說(shuō),15年前,他開(kāi)始做蛋白質(zhì)組研究的時(shí)候,要對(duì)一個(gè)樣本中的蛋白質(zhì)完全進(jìn)行檢測(cè)可能需要小半年的時(shí)間。丁琛研究員一直深耕在蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域,致力于發(fā)展蛋白質(zhì)組學(xué)新技術(shù)和新方法、蛋白質(zhì)組的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究和高維度關(guān)系的解析。
“最近幾年,技術(shù)滯后的問(wèn)題已經(jīng)在逐漸解決了,現(xiàn)在,質(zhì)譜儀已經(jīng)能夠在一天之內(nèi)完成一個(gè)樣本1萬(wàn)多種蛋白質(zhì)的檢測(cè),覆蓋程度已經(jīng)非常接近轉(zhuǎn)錄組。
“最近幾年,技術(shù)滯后的問(wèn)題已經(jīng)在逐漸解決,現(xiàn)在,質(zhì)譜儀已經(jīng)能夠在一天之內(nèi)完成一個(gè)樣本1萬(wàn)多種蛋白質(zhì)的檢測(cè),覆蓋程度已經(jīng)非常接近轉(zhuǎn)錄組。”丁琛研究員介紹說(shuō),“當(dāng)下,蛋白質(zhì)組測(cè)序的瓶頸在于測(cè)序通量不夠,還不能像基因組那樣實(shí)現(xiàn)大通量測(cè)序?!?/p>
基因組學(xué)的迅速發(fā)展,得益于基因測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步。過(guò)去的20年間,質(zhì)譜技術(shù)的高速發(fā)展也極大地推動(dòng)了蛋白質(zhì)組的發(fā)展?,F(xiàn)在,新型的質(zhì)譜儀一小時(shí)可以對(duì)6 000種蛋白進(jìn)行檢測(cè),一個(gè)人類(lèi)組織樣本從進(jìn)入機(jī)器檢測(cè)到出結(jié)果只需要幾個(gè)小時(shí),對(duì)未知蛋白質(zhì)的鑒定、靶向蛋白質(zhì)定量、蛋白質(zhì)降解的研究等都在走向臨床。丁琛研究員介紹說(shuō):“雖然現(xiàn)在蛋白質(zhì)組檢測(cè)的通量還達(dá)不到基因組的水平,但是在檢測(cè)速度以及深度上是完全沒(méi)有問(wèn)題的?!彪S著技術(shù)的進(jìn)步,很多曾經(jīng)只側(cè)重于研究基因組的項(xiàng)目,也開(kāi)始紛紛轉(zhuǎn)向蛋白質(zhì)組學(xué)。
2016年初,美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬啟動(dòng)癌癥“登月”計(jì)劃(Cancer Moon Shot 2020),讓精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)正式落地。蛋白質(zhì)作為生命活動(dòng)的實(shí)際承擔(dān)者和大多數(shù)藥物的治療靶標(biāo),在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中的重要性不言而喻,越來(lái)越多的科學(xué)家呼吁將蛋白質(zhì)組也列入計(jì)劃之中。2016年7月,美國(guó)退伍軍事事務(wù)部(VA)、美國(guó)國(guó)防部(DoD)和美國(guó)國(guó)家癌癥研究所(NCI)三部門(mén)聯(lián)合宣布將基因組和蛋白質(zhì)組作為常規(guī)檢測(cè)手段,對(duì)癌癥患者進(jìn)行個(gè)性化研究。2016年9月,7個(gè)國(guó)家和地區(qū)(澳大利亞、韓國(guó)、中國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、瑞士、加拿大、德國(guó))聯(lián)合宣布加入“癌癥登月計(jì)劃”,合作開(kāi)展大規(guī)模癌癥樣本的蛋白基因組研究。自此,蛋白質(zhì)組學(xué)正式加入“癌癥登月計(jì)劃”。中國(guó)的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng),也包括很多蛋白質(zhì)組的研究,2014年啟動(dòng)的“中國(guó)人類(lèi)蛋白質(zhì)組計(jì)劃(CNHPP)”就試圖在蛋白質(zhì)水平上來(lái)解釋腫瘤的分子機(jī)制。
2006年,NCI和美國(guó)人類(lèi)基因組研究所(National Human Genome Research Institute,NHGRI)聯(lián)合啟動(dòng)了美國(guó)腫瘤基因組圖譜(The Cancer Genome Atlas,TCGA)項(xiàng)目,目的是通過(guò)對(duì)33種常見(jiàn)的癌癥類(lèi)型,超過(guò)11 000種腫瘤的基因組進(jìn)行分析,來(lái)了解腫瘤產(chǎn)生的原因,幫助開(kāi)發(fā)新的療法。隨后,NCI啟動(dòng)了臨床腫瘤蛋白質(zhì)組分析聯(lián)盟(Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium,protein,CPTAC)項(xiàng)目,針對(duì) TCGA項(xiàng)目中的腫瘤樣本,使用標(biāo)準(zhǔn)化的前沿手段在蛋白質(zhì)組層面進(jìn)行分析。蛋白質(zhì)組作為一種動(dòng)態(tài)指標(biāo),能夠更加精準(zhǔn)地反映身體的狀態(tài),對(duì)疾病的發(fā)現(xiàn)和診斷提供直接的依據(jù)。
蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)的大量產(chǎn)出對(duì)數(shù)據(jù)的分析提出了更高的要求,全面分析和處理數(shù)據(jù)成了蛋白質(zhì)組技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。在此背景下,丁琛研究員課題組聯(lián)合北京蛋白質(zhì)組研究中心秦鈞教授課題組、華東師范大學(xué)石鐵流教授課題組建立了國(guó)際上最高效的蛋白質(zhì)組深度覆蓋平臺(tái)和首個(gè)蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)綜合分析云平臺(tái)Firmiana(梧桐樹(shù)),該平臺(tái)現(xiàn)在已有16個(gè)國(guó)家的180多個(gè)實(shí)驗(yàn)室在使用,能夠完成質(zhì)譜原始文件收集、數(shù)據(jù)處理、生物信息學(xué)分析、知識(shí)挖掘的一站式綜合分析,使得蛋白質(zhì)組的研究更加便捷。
基于蛋白質(zhì)組研究技術(shù)上的突破和臨床大數(shù)據(jù)的積累,蛋白質(zhì)組在精準(zhǔn)醫(yī)療方面的應(yīng)用前景也日益清晰,在預(yù)后預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)分子診斷、用藥效果、復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)上,蛋白質(zhì)組展現(xiàn)出其獨(dú)特的作用。以當(dāng)下大熱的免疫檢查點(diǎn)抑制劑PD-1為例,PD-1藥物在多種實(shí)體瘤的治療上展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。2017年,美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)Keytruda可用于治療實(shí)體瘤,前提是患者腫瘤組織需要有“錯(cuò)配修復(fù)缺陷”(dMMR)和“微衛(wèi)星高度不穩(wěn)定性”(MSI-H),然而,對(duì)于dMMR和MSI-H陽(yáng)性的患者,PD-1藥物在一些患者中的治療效果也不盡人意。再例如,赫賽汀是HER-2陽(yáng)性乳腺癌患者的特效藥,但是,即便是HER-2陽(yáng)性的患者,使用赫賽汀的有效率也只有50%。因此,僅僅依靠基因組數(shù)據(jù)而忽略了蛋白質(zhì)組來(lái)對(duì)藥物治療效果進(jìn)行預(yù)測(cè)是不全面的。蛋白作為“一線(xiàn)員工”,和基因并不是一對(duì)一的關(guān)系,僅憑基因組無(wú)法了解蛋白水平的差異,無(wú)法了解有哪些信號(hào)通路在輔助或者拮抗藥物的作用效果。蛋白質(zhì)組的臨床應(yīng)用對(duì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療的重要性不言而喻。
對(duì)簡(jiǎn)單的單基因遺傳病,在基因組的基礎(chǔ)上就可以做出很好的判斷,而那些相對(duì)復(fù)雜的遺傳病,比如高血壓、糖尿病、癌癥等,僅從基因組角度很難進(jìn)行解釋?zhuān)枰嘟M學(xué)的合作進(jìn)行確診。
“未來(lái),蛋白質(zhì)組要廣泛應(yīng)用于臨床可能還需要3~5年?!倍¤⊙芯繂T說(shuō),“當(dāng)下,蛋白質(zhì)組的研究處于一個(gè)加速狀態(tài)。很多產(chǎn)業(yè)園、公司都在投資蛋白質(zhì)組的研究和臨床應(yīng)用,未來(lái)3年,肯定會(huì)有一些臨床實(shí)踐?!钡鞍踪|(zhì)組的研究相對(duì)基因組更加復(fù)雜,蛋白質(zhì)的翻譯過(guò)程,包括翻譯后修飾、蛋白-蛋白相互作用、細(xì)胞內(nèi)定位等都是基因組所沒(méi)有的。受限于現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展水平,蛋白質(zhì)組在臨床上的大規(guī)模應(yīng)用,還未涉及這樣高維度的形式,更多是從蛋白質(zhì)的有和無(wú),量的多和少來(lái)進(jìn)行分析。
“基因組測(cè)序技術(shù)的大規(guī)模臨床應(yīng)用得益于全基因組測(cè)序價(jià)格的大幅度降低,相比基因組測(cè)序,蛋白質(zhì)組測(cè)序的價(jià)格要高,但差距已在逐漸縮小?!倍¤⊙芯繂T介紹說(shuō),“蛋白質(zhì)組測(cè)序價(jià)格的降低是非常值得期待的?!彪S著技術(shù)的進(jìn)步,他相信在3年以?xún)?nèi),肯定會(huì)有大幅度的降低。
未來(lái),基因組和蛋白質(zhì)組都會(huì)成為了解一個(gè)人的重要數(shù)據(jù),基因組提供遺傳背景,蛋白質(zhì)組提供人體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息,兩者共同推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的應(yīng)用。
我們相信,蛋白質(zhì)組研究已經(jīng)在爆發(fā)的前夜!
推動(dòng)人類(lèi)表型組研究領(lǐng)域的發(fā)展未來(lái)(科學(xué))論壇
丁 琛
2008年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),細(xì)胞生物學(xué)博士。畢業(yè)后赴美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院從事生物質(zhì)譜和蛋白質(zhì)組學(xué)博士后研究工作。2012年全職回國(guó)在北京蛋白質(zhì)組研究中心任副研究員、研究員。2014年入選“北京市優(yōu)秀青年人才”。2015年起受聘為復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員。