人類生命的藍(lán)圖是三十億堿基對(duì)組成的人類基因組。1000美元基因組測(cè)序，讓人都覺(jué)得有些瘋狂，然而有研究者認(rèn)為千元測(cè)序蛋白質(zhì)組也將成為現(xiàn)實(shí)。
 

    日前，全美最大最佳的五所“大學(xué)城”之一擁有近130年歷史的Arizona State University（亞利桑納州立大學(xué)）生物設(shè)計(jì)學(xué)院（ Biodesign Institute）的Stuart Lindsay及其團(tuán)隊(duì)同事，在納米孔DNA測(cè)序技術(shù)的基礎(chǔ)上，讓單鏈肽段穿過(guò)納米孔，納米孔兩邊的電極可記錄每個(gè)氨基酸通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)。他們使用一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，讓電腦能夠識(shí)別代表不同氨基酸的特征信號(hào)。這些信號(hào)可以作為可靠的指紋，幫助人們鑒別氨基酸的種類，以及氨基酸發(fā)生的微妙改變。因此開(kāi)發(fā)了能夠精確鑒定氨基酸的蛋白單分子測(cè)序技術(shù)。

    這項(xiàng)研究于四月六日發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志的網(wǎng)站上。

    從基因組到蛋白組

    蛋白對(duì)于細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化和修復(fù)至關(guān)重要，它們能夠催化化學(xué)反應(yīng)，抵御疾病，具有各種各樣的重要功能。自今年1月份Illumina讓“1000美元基因組”成為現(xiàn)實(shí)，研究者們將眼光轉(zhuǎn)向了蛋白質(zhì)組測(cè)序的研究。

    與線蟲(chóng)等簡(jiǎn)單生物相比，人類的基因數(shù)相對(duì)較少，不過(guò)科學(xué)家們鑒定的人類蛋白已經(jīng)超過(guò)了十萬(wàn)，而且不少人認(rèn)為這些蛋白只是冰山一角。有限的基因數(shù)為何能形成如此大量的蛋白呢？這是因?yàn)榈鞍啄芡ㄟ^(guò)多種機(jī)制發(fā)生改變，選擇性剪切和翻譯后修飾就是其中兩個(gè)關(guān)鍵的過(guò)程。

    在這項(xiàng)研究中，研究人員將一對(duì)金屬電極分隔在約兩納米的孔洞旁邊，當(dāng)線性穿過(guò)這種納米孔的時(shí)候，每一個(gè)氨基酸都會(huì)完成一個(gè)電回路，并發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)。而這樣的電信號(hào)可以幫助人們判斷，通過(guò)納米孔的是哪一個(gè)氨基酸。

    這一技術(shù)稱為recognition tunneling,原本是Lindsay等人開(kāi)發(fā)的DNA單分子測(cè)序技術(shù)。“大約兩年前，我們的一次實(shí)驗(yàn)室會(huì)議提出，可以嘗試將這一技術(shù)用于氨基酸測(cè)序，”Lindsay說(shuō)。與DNA的A、G、C、T相比，用recognition tunneling鑒定組成蛋白的二十種氨基酸實(shí)際上是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。

    蛋白質(zhì)單分子測(cè)序技術(shù)具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，可以幫助人們檢測(cè)被選擇性剪切或翻譯后修飾改變的微量蛋白。而這些蛋白往往是疾病研究所追尋的目標(biāo)，用其他技術(shù)很難檢測(cè)得到。

    PCR能夠?qū)悠分形⒘康腄NA快速擴(kuò)增，但在蛋白研究領(lǐng)域還沒(méi)有這樣的技術(shù)，Lindsay強(qiáng)調(diào)。在這種情況下，能進(jìn)行單分子水平上進(jìn)行檢測(cè)的recognition tunneling,“將給蛋白質(zhì)組學(xué)研究帶來(lái)一場(chǎng)徹底的變革”.

    這項(xiàng)研究為人們展示了一個(gè)，快速測(cè)序單個(gè)蛋白分子的低成本方法。據(jù)Lindsay介紹，該技術(shù)通過(guò)大約50種不同的信號(hào)特征來(lái)鑒定氨基酸，不過(guò)絕大多數(shù)鑒別只需要不到10個(gè)信號(hào)特征。

    值得注意的是，recognition tunneling不僅能夠高度可信的鑒定氨基酸，區(qū)分翻譯后修飾的蛋白（肌氨酸）及其前體（甘氨酸），還能夠鑒別被稱為對(duì)映體的鏡像分子，以及質(zhì)量相同但序列不同的分子。

    千元蛋白組？

    Lindsay的研究指出，可實(shí)現(xiàn)千元基因組測(cè)序的工具，也可以最終幫助人們完成千元蛋白質(zhì)組測(cè)序。事實(shí)上，Lindsay認(rèn)為這一里程碑離我們并不遙遠(yuǎn)。

    目前，這一技術(shù)還需要使用復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室儀器——掃描隧道顯微鏡STM.不過(guò)Lindsay和他的同事正在開(kāi)發(fā)一個(gè)可以快速鑒定氨基酸和其他分析物的新設(shè)備，以便將低成本的蛋白質(zhì)組測(cè)序真正推廣到臨床。

    該技術(shù)不僅可以用來(lái)在臨床上測(cè)序蛋白質(zhì)和檢測(cè)新生物指標(biāo)，還有望給醫(yī)療領(lǐng)域帶來(lái)徹底的改變，在單分子水平上精確監(jiān)控患者對(duì)治療的應(yīng)答情況。