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Nature Communications：尿液蛋白質(zhì)組學(xué)研究新突破——標(biāo)準(zhǔn)操作流程（SOP）與全流程質(zhì)控（QC）體系助力多平臺(tái)尿液蛋白質(zhì)組學(xué)研究

2025.2.24

2025年1月26日，北京航空航天大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院劉超團(tuán)隊(duì)和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所孫偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京理工大學(xué)、北京師范大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所、北京兒童醫(yī)院、北京協(xié)和醫(yī)院、國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、北京大學(xué)、昌平實(shí)驗(yàn)室、深圳灣實(shí)驗(yàn)室、廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Thermo公司、Bruker公司、SCIEX公司等共19個(gè)實(shí)驗(yàn)室/課題組/公司的20個(gè)LC-MS平臺(tái)，在Nature Communications上發(fā)表了題為“Standard operating procedure combined with comprehensive quality control system for multiple LC-MS platforms urinary proteomics”的研究成果。

圖1 文章截圖

研究背景

尿液作為人體排泄物之一，含有豐富的生物信息，尤其是蛋白質(zhì)信息。尿液蛋白質(zhì)組學(xué)研究有助于發(fā)現(xiàn)敏感且非侵入性的生物標(biāo)志物，對(duì)于疾病的早期篩查、診斷及預(yù)后評(píng)估具有重要意義。目前尿液蛋白質(zhì)組學(xué)研究缺乏標(biāo)準(zhǔn)化體系，不同實(shí)驗(yàn)室采用的尿液蛋白質(zhì)組學(xué)分析流程和得到的鑒定深度差異較大，尿液生物標(biāo)志物潛在價(jià)值尚未被充分挖掘，這些都限制了尿液蛋白質(zhì)組學(xué)的廣泛應(yīng)用。

研究方法

為了解決上述問題，研究人員開展了一項(xiàng)涉及20個(gè)LC-MS平臺(tái)的研究（圖2）。研究開發(fā)了MSCohort質(zhì)量控制（QC）體系，提取81個(gè)指標(biāo)用于單針實(shí)驗(yàn)內(nèi)和隊(duì)列實(shí)驗(yàn)間數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和優(yōu)化，并基于該QC體系建立了高通量尿液蛋白質(zhì)組分析標(biāo)準(zhǔn)操作程序（SOP）。通過跨20個(gè)不同LC-MS平臺(tái)的尿液蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)采集和標(biāo)準(zhǔn)混合物種數(shù)據(jù)集驗(yàn)證了該工作流程的穩(wěn)健性、可重復(fù)性和定量準(zhǔn)確性，最后將其應(yīng)用于臨床大隊(duì)列結(jié)直腸癌尿液生物標(biāo)志物的研究，發(fā)現(xiàn)了結(jié)直腸癌尿液生物標(biāo)志物及其相關(guān)的生物學(xué)通路變化。

研究意義

這一研究成果為尿液蛋白質(zhì)組學(xué)的大規(guī)模臨床研究提供了有力支持。通過統(tǒng)一SOP和全流程QC體系的應(yīng)用，不同LC-MS平臺(tái)間的數(shù)據(jù)可重復(fù)性得到了顯著提升，為尿液蛋白質(zhì)組學(xué)在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用提供方法參考。

圖2 研究整體框架圖（來源： Nature Communications）

主要研究?jī)?nèi)容：

01 開發(fā)全面的蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制工具MSCohort

該研究全面總結(jié)和整合了現(xiàn)有的質(zhì)控軟件提取的指標(biāo)，并加入了26個(gè)新的質(zhì)控指標(biāo)，最終形成了81個(gè)質(zhì)控指標(biāo)的集合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的全面和綜合的指標(biāo)提取和質(zhì)控分析（圖3）。該研究開發(fā)的MSCohort質(zhì)量控制工具可以支持DDA和DIA實(shí)驗(yàn)的全流程評(píng)估和優(yōu)化，以及DDA、DIA和PRM多個(gè)實(shí)驗(yàn)間的穩(wěn)定性分析和異常數(shù)據(jù)的篩選，同時(shí)生成全面的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析報(bào)告，幫助用戶快速評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和定位實(shí)驗(yàn)問題。

圖3 MSCohort軟件功能（來源： Nature Communications）

02優(yōu)化和建立尿液蛋白質(zhì)組學(xué)SOP

?????? 為了滿足大隊(duì)列臨床尿液蛋白質(zhì)組學(xué)分析的需求，該研究?jī)?yōu)化和建立了高通量尿液蛋白質(zhì)組學(xué)SOP。該SOP在樣本處理、色譜、質(zhì)譜步驟都優(yōu)化和整合了最優(yōu)策略，包括高通量樣本處理方法、穩(wěn)定高效的毛細(xì)管整體柱色譜體系、高靈敏度高通量的DIA采集方法，和全面系統(tǒng)的質(zhì)量控制體系MSCohort進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估（圖4）。采用此SOP可以實(shí)現(xiàn)：（1）單日可處理近200個(gè)尿液樣本，滿足大規(guī)模分析的需求；（2）在30分鐘的梯度內(nèi)，單個(gè)尿液樣本中能鑒定出超過3000個(gè)蛋白質(zhì)組（無需去除高豐度蛋白質(zhì)）；（3）實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性好，相同肽段在7天內(nèi)的保留時(shí)間偏差小于0.2分鐘。該SOP在短梯度單次運(yùn)行中提供了深度的尿液蛋白質(zhì)組覆蓋度，為大規(guī)模隊(duì)列尿液生物標(biāo)志物的研究奠定了良好基礎(chǔ)。

圖4 尿液蛋白質(zhì)組學(xué)SOP的采用策略（來源： Nature Communications）

03 跨20個(gè)LC-MS平臺(tái)尿液蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)分析和對(duì)比

該研究在全國(guó)19個(gè)單位的20個(gè)LC-MS平臺(tái)進(jìn)行了尿液蛋白質(zhì)組采集和分析，涵蓋了Orbitrap、timsTOF和ZenoTOF等主流蛋白質(zhì)組質(zhì)譜平臺(tái)。其中10個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用統(tǒng)一的SOP（U01-U10），另外10個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用每個(gè)實(shí)驗(yàn)室各自常用的樣本采集方法（M01-M10）。結(jié)果證明，當(dāng)采用統(tǒng)一SOP后，不同LC-MS平臺(tái)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在尿液QC樣本中表現(xiàn)出更高的靈敏度和可重復(fù)性。不同平臺(tái)間鑒定數(shù)目一致性和蛋白質(zhì)定量的Pearson相關(guān)性顯著提升（圖5）。

圖5 來自20個(gè)LC-MS平臺(tái)的尿液蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)分析結(jié)果（來源： Nature Communications）

04 多平臺(tái)蛋白質(zhì)組定量和生物標(biāo)志物檢測(cè)性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證統(tǒng)一SOP條件下不同平臺(tái)的蛋白質(zhì)組定量和生物標(biāo)志物檢測(cè)性能，研究團(tuán)隊(duì)制備了混合物種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，其中Human、Yeast、E.coli在兩組中的理論比例分別為1:1，1:2，4:1。結(jié)果證明，在統(tǒng)一SOP的條件下，3個(gè)LC-MS平臺(tái)（Lumos，Exploris 480，timsTOF Pro 2）可以達(dá)到高度的鑒定一致性和定量準(zhǔn)確性。其中Human蛋白質(zhì)被認(rèn)為是兩組間表達(dá)無差異蛋白質(zhì)，Yeast和E.coli蛋白質(zhì)被認(rèn)為是兩組間表達(dá)有差異蛋白質(zhì)。3個(gè)平臺(tái)的差異蛋白質(zhì)判別性能AUC在0.93-0.99，具有較高的準(zhǔn)確度（圖6）。

圖6 來自3個(gè)LC-MS平臺(tái)的混合物種數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)分析結(jié)果（來源： Nature Communications）

05應(yīng)用于多平臺(tái)結(jié)直腸癌尿液蛋白質(zhì)組研究

為了驗(yàn)證以上尿液蛋白質(zhì)組學(xué)SOP的泛化性能，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用該SOP在不同平臺(tái)進(jìn)行結(jié)直腸癌（Colorectal cancer，CRC）生物標(biāo)志物研究。研究共包含80例CRC疾病樣本和80例健康對(duì)照（Health control，HC）樣本，分別在3個(gè)LC-MS平臺(tái)（Lumos，Exploris 480，timsTOF Pro 2）采集。結(jié)果顯示，在每個(gè)平臺(tái)鑒定尿液蛋白質(zhì)總數(shù)均超過6600，在三個(gè)平臺(tái)鑒定尿液蛋白質(zhì)總數(shù)目超過8000。三個(gè)平臺(tái)鑒定結(jié)果具有較高的一致性，差異蛋白質(zhì)Pearson相關(guān)性大于0.95，并顯示出一致的疾病模式。最后，篩選了5個(gè)CRC生物標(biāo)志物組合，在三個(gè)平臺(tái)的AUC值分別為0.933，0.881，0.894，均具有較高的判別性能（圖7）。

圖7 來自3個(gè)LC-MS平臺(tái)的結(jié)直腸癌隊(duì)列數(shù)據(jù)分析結(jié)果（來源： Nature Communications）

綜上所述，該研究開發(fā)了全面系統(tǒng)的蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系MSCohort和高通量尿液蛋白質(zhì)組SOP，并驗(yàn)證了不同LC-MS平臺(tái)產(chǎn)生的尿液蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)表現(xiàn)出高靈敏度和高可重復(fù)性。為多中心、多平臺(tái)、高通量、大隊(duì)列樣本的尿液蛋白質(zhì)組分析提供了質(zhì)量保障。該研究為2024年倡議的中國(guó)尿計(jì)劃和世界尿計(jì)劃（World Urine Project）研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

北京航空航天大學(xué)博士生劉響為論文第一作者，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所孫海丹副研究員和北京航空航天大學(xué)博士生侯鑫行為共同第一作者。

該研究課題受到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、北京市醫(yī)學(xué)研究機(jī)構(gòu)公益類改革發(fā)展試點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)創(chuàng)新基金、北京市自然科學(xué)基金-大興創(chuàng)新聯(lián)合基金的資助和支持，項(xiàng)目得到了中國(guó)生物醫(yī)學(xué)信息中心，國(guó)家人口與健康科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的支持和幫助。

文章全文：

Liu X, Sun H, Hou X, et al. Standard operating procedure combined with comprehensive quality control system for multiple LC-MS platforms urinary proteomics. Nature communications, 2025, 16(1): 1051. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39865094/

nature 蛋白質(zhì)組學(xué)尿液 communications

中國(guó)尿計(jì)劃工作組

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