蛋白質(zhì)組的黃金時(shí)代正在來(lái)臨

■ 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。

遮蓋在基因組背后的蛋白質(zhì)組

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。

蛋白質(zhì)組迅速發(fā)展

“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。

蛋白質(zhì)組的應(yīng)用

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。