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1、蛋白质修饰组分析行业发展基本情况一、 蛋白质组学的应用（一）蛋白质组学在基础生命科学中的应用近年来，随着技术手段的快速发展，蛋白质组学已经从简单的蛋白质定性鉴定拓展到涵盖蛋白质定量表达分析、蛋白质翻译后修饰鉴定和定量、蛋白质互作分析、蛋白质复合物成分解析、空间蛋白质组分析、单细胞蛋白质组分析等多个领域。特别是新型蛋白质翻译后修饰领域近年来已取得众多突破性进展，通过高精度质谱分析，研究人员在组蛋白中鉴定出十余种新型的蛋白质翻译后修饰。真核生物的DNA分子在细胞核内围绕着组蛋白形成核小体，而组蛋白上发生蛋白质翻译后修饰改变了局部区域的电荷属性和空间位阻，影响了DNA和组蛋白缠绕的紧密程度，从而影响
2、基因的表达调控。因此新型蛋白质翻译后修饰的发现极大丰富了基因表达调控的机制，即在不改变DNA序列的前提条件下影响基因表达，对生物过程进行调控，甚至影响个体的表型。蛋白质组学在后基因组学时代的另一突破应用是形成了与基因组学互为补充的一门新兴学科，蛋白质基因组学。蛋白质基因组学利用基因组和转录组测序数据生成个性化的蛋白质序列数据库来鉴定包含突变位点的肽段。反之，蛋白质组学数据为基因组信息提供了功能背景，并完善了转录组的信息模型。深度挖掘蛋白质基因组学数据可以帮助研究人员深入理解疾病的发生、发展机理；基因突变对于下游表达产物蛋白质的影响；对疾病在分子水平进行分型，指导临床诊断和治疗；鉴定肿瘤特异性新
3、抗原，为开发肿瘤免疫新疗法提供基础。（二）蛋白质组学在工业领域中的主要应用蛋白质是生命活动的主要承担者，也是疾病发生发展过程中主要的生物标志物。蛋白质组学集成了高通量和高精准度的特性，在生物学、医学、药学等相关产业领域逐渐得到广泛的应用，精准医疗是指以个人遗传信息、临床信息和人群队列信息为基础，应用现代遗传技术、分子影像技术、生物信息技术，结合患者的生活环境和生活方式，实现疾病的精准分类和诊断，并制定具有个性化的疾病预防和治疗方案。自2015年，精准医疗已被确立为我国的国家级发展战略。蛋白质组学结合自身高灵敏度、高通量、高效等特点，在精准医疗中具有广阔的应用前景，致力于在研发、诊断、治疗和预后
4、的全周期价值链中发挥效用。二、 行业市场驱动因素蛋白质组学在生命科学与医学研究和应用中的地位进一步凸显：随着人类等生物体全基因组序列测序的完成和测序技术的成熟，作为生命个体的设计蓝图的基因组中包含的信息已经得到了相对充分的挖掘。随之而来更深入的科学问题集中于相同的基因组为什么会表达出不同的蛋白质组，蛋白质组作为生命功能的最终执行者以何种机制完成生命个体复杂的生理过程以及何种原因导致了病理状态的发生和发展。在后基因组学时代，以蛋白质组学为核心的组学技术正成为生命科学和生物医学研究的核心驱动力之一。突破新药研发效率与成功率瓶颈的驱动：在当前业界主流的药物研发模式下，投入多、周期长、效率低、成功率低
5、是难以克服的行业痛点。很大一部分进入、期临床试验的药物分子无法顺利进入期临床试验；即使是进入期临床试验的药物分子，其、期临床试验结果仍无法对期临床试验结果进行有效预测。这些现象揭示出临床试验设计的缺陷，即缺乏特异性高、对药效有预测性质的生物标志物来挑选最适合的病人入组进行临床试验。帕博利珠单抗（pembrolizumab）的成功关键之一是利用病人肿瘤组织中的PD-L1的表达量作为入组临床试验的筛选标准。考虑到蛋白质与疾病发生发展的直接联系，利用蛋白质组学寻找药敏标志物、优化临床试验设计，使得提高药物研发成功率成为可能。有望解决精准医学发展的困境：基因组学时代的精准医学是以寻找驱动基因突变为基础
6、的模式。但越来越多的证据表明，基因组学鉴定到的数量庞大的基因突中只有少数的突变被证明是驱动基因突变。而依据驱动基因突变成功研发的靶向治疗药物，在带有此突变基因的病人群体中的治疗有效率依然不高。单纯以基因突变进行疾病诊断的模式仍存在一定不足，间接导致了当前精准医学的发展困境。导致疾病发生的三个内在因素中，基因突变直接引起疾病发生的比例有限，而很大一部分致病因素是由蛋白质表达量异常及蛋白质修饰异常引起的。因此，为应对精准医学当前所面临的困境，突破口之一就是在蛋白质组与蛋白质修饰组的维度上深刻理解疾病的精准状态，并进一步用于精准诊断与生物标志物驱动的精准新药开发。三、 基于质谱的蛋白质组学的应用和前
7、景（一）基于质谱的蛋白质组学蛋白质组学在21世纪取得了重要进展，包括质谱和X射线晶体学等成像方面新技术的出现，以及免疫检定试剂方面的生物化学方法创新，使得可以分离特定的蛋白进行进一步的研究。近些年高分辨率质谱（MassSpectrometry，MS）迅速发展，成为了蛋白质组学领域的核心技术。此外，质谱法是基于蛋白质和肽段科学分析进行生物标记物的发现的黄金标准。质谱仪是指一系列在行业中用于分子、化学和材料分析的仪器。质谱的检测使用基于同一个检测原理的一系列仪器：即通过读取离子的质量电荷比来识别物质。这些质谱仪在设计、IP和功能上在不同细分市场上有很大的不同。质谱分析是一种测量离子质荷比（质量-电
8、荷比，m/z）的分析方法，其基本原理是使样品中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。（二）基于质谱的蛋白组学的应用蛋白质是生理功能的执行者，蛋白质组学分析能够反映生命体在生理或病理情况下的变化。蛋白质组学的发展对体外诊断、筛选药物靶点、微生物、农业等各个方面有重要的意义。1、蛋白质组学在医学中的应用精准医疗是通过基因组、蛋白质组等前沿技术，精确寻找疾病的原因和治疗的靶点，并对一种疾病的不同状态和过程进行精准诊断，最终实现对于特定疾病和
9、特定患者进行个性化精准治疗的目的，提高疾病诊治与预防的效益。蛋白质组学在疾病生物标志物的筛查、疾病的诊断、靶点的识别、药物的选择等方面能够发挥重要的作用。2、蛋白质组学在微生物中的应用通过对同一致病菌不同菌株的蛋白质研究可以对菌株进行分类，蛋白质组的研究结果可以对基因组的研究结果起补充和修正作用。在整体水平上比较病原菌和非致病菌的蛋白质组分析，以及在各种环境下致病菌蛋白质组的变化，可以研究致病菌株的毒力因子。蛋白质组与免疫杂交的方法结合研究宿主对病原菌的体液免疫和细胞免疫应答。通过细菌蛋白质组与宿主多克隆血清的杂交反应，发现新的抗原决定因子，可以应用于疫苗开发和诊断分析。对抗性菌株和敏感菌株进
10、行蛋白质组分析，找到差异蛋白可以对细菌的耐药机制进行研究，为新药研究提供线索。分析对抗菌药物有不同反应的细菌的蛋白质组来寻找新的抗菌药物，筛选新的靶点。3、蛋白质组学在农业上的应用蛋白质组学在作物生长发育、药用植物研究、遗传育种、逆境胁迫、病虫害防治、兽医疾病诊断和治疗等方向发挥作用。植物蛋白质组学的研究有助于了解非生物胁迫的伤害机制、植物对非生物环境的适应机制、生物之间的相互作用机制、植物激素的调节作用等。例如，利用农作物发育过程中各器官、组织的变化状态，可以进行农作物新物种的培育；经常处于恶劣环境的作物可以在环境胁迫下产生相应的抗体蛋白，利用蛋白质组学发现这些特定环境下的抗体蛋白，可以提高
11、作物的抗逆性；作物生长过程中会与一些微生物相互作用，作物自身会产生某些特殊的蛋白应对，蛋白质组学的研究可以发现这些蛋白，帮助获得对抗病能力更强的品种。四、 蛋白质组学未来发展趋势后基因组学时代的生命科学研究的聚焦方向之一是研究基因功能和基因表达调控机制。以CRISPR技术为代表的基因编辑技术已日趋成熟，通过对接受基因编辑的个体的蛋白质组进行系统分析，研究人员可以更深层次阐明该基因表达产物对个体的影响。蛋白质组分析发现的新型组蛋白修饰，使得研究人员得以研究和阐释从细胞代谢到基因表达调控的新机制，成为表观遗传学未来研究重点。未来聚焦方向之二是探索人体免疫系统。近年来人们逐渐意识到自身的免疫系统对于
12、治疗癌症等复杂疾病的巨大潜力，也成功研发了包括PD-1抗体、CAR-T细胞疗法等以激活自身免疫系统为基础的创新疗法。然而免疫系统仍然有很多未知领域亟待探索，其中以探究不同免疫细胞亚型的功能最为关键。蛋白质组学可以对从血液或组织中分离富集的不同的免疫细胞亚型进行分析，找到在各种免疫细胞中被特异激活的信号通路，为后续确定其功能提供数据支持。未来聚焦方向之三是研究人体稳态和与人体共生的微生物组。越来越多的研究证据表明，肠道中的微生物群不仅提供了人体必需的维生素，也参与维持人体稳态和免疫系统以及影响病人对特定药物的敏感度。由于肠道微生物菌群包含数量庞大的各类细菌，蛋白质组学中的分支宏蛋白质组学可以通过
13、混合样本中的蛋白信息进行种属溯源，从而获得每个种属细菌中蛋白表达量的具体信息。研究人员通过比较不同个体或者相同个体不同生理状态下的宏蛋白质组，从而研究肠道菌群对于人体健康和疾病的影响。未来聚焦方向之四是通过单细胞蛋白质组学进一步理解生命过程。得益于微流控技术、无损样本处理和超高灵敏度质谱等技术发展，近年来以质谱为基础的单细胞蛋白质组学已实现在单个细胞水平鉴定超过1，000种蛋白的技术水平，在生殖细胞发育、肿瘤异质性、肿瘤微环境和特殊形态细胞分析等领域发挥了重要的驱动作用。随着质谱灵敏度的进一步提升，单细胞蛋白质组学有望对构成组织的细胞进行精准分群、绘制每个细胞亚群的蛋白表达谱并深入理解细胞之间
14、的相互作用以及病灶组织的形成机理。在后基因组学时代，精准医学发展的突破口之一是以蛋白质组学数据为基础，通过结合多组学数据实现多维度分析临床样本、全面理解疾病机理以及发现包括诊断标志物、药敏标志物、抗药标志物、预后标志物在内的满足不同临床需求的蛋白质生物标志物。精准医学的未来转型升级将给蛋白质组学企业，特别是兼具生物标志物鉴定和相应伴随诊断试剂开发的企业带来巨大的市场机遇。创新型药物涵盖两个重要的内容，包括靶点的创新和作用机制的创新。转化医学是将基础医学研究和临床治疗连接起来的一种新的思维方式，通过对临床样本进行以蛋白质组学为核心的多组学分析，以期发现新靶点及全面认识疾病机理，从而开发创新型药物
15、。利用蛋白质组学对大规模临床样本的蛋白组和修饰组进行深度挖掘，不仅可以在病灶组织中寻找到异常表达的蛋白质作为潜在的药物靶点，还可以通过比较病灶组织和正常组织之间蛋白质表达谱和修饰谱的区别，分析疾病发生机理。在此基础上，研究人员可以对药物作用机制进行更合理、有针对性的设计，如根据病灶组织中免疫相关蛋白质分子的指标设计药物，激活自身免疫系统；针对多靶点的药物组合，克服肿瘤异质性、减少抗药性发生的几率等。以蛋白质组学为核心的转化医学在未来将会带来新的药物研发思路和模式，进一步提高创新药物研发的效率和成功率。临床蛋白质组学泛指所有以临床样本为分析对象的蛋白质组分析，其分支之一是在大队列人群中进行生物标
16、志物的验证。蛋白质生物标志物一般是由发现性蛋白质组分析从相对少量的样本中鉴定而来，但后续验证工作是在几百甚至上千人样本的大队列分析中完成。以质谱为基础的靶向蛋白质组学在这类大队列分析上具备通量、灵敏度和特异性的明显优势。基于在生物标志物验证中的独特优势，靶向蛋白质组学被顶级期刊自然方法评选为2012年年度方法。随着精准医学和转化医学的快速发展，越来越多新发现蛋白质生物标志物的验证工作，将为靶向蛋白质组分析带来巨大的市场需求。针对经过验证、通过审批后的生物标志物，靶向蛋白质组学能够迅速开发相应的临床诊断方法，通过检测病人样本，为医生进行诊断和用药提供数据支持。此外，生物标志物的临床检测的未来发展趋势之一是多通路检测，即在单次检测中包含多个生物标志物，达到全面了解病理状态的目的。与传统的免疫组化和酶联免疫吸附等临床检测方法相比，靶向蛋白质组分析可以在相同灵敏度的基础上，发挥高特异性的优势，提高多通路检测的准确性。五、 蛋白质组学的市场空间在
