新一代！4D蛋白质组学2019大事记
景杰学术/解读
离子淌度分离的引入使得蛋白质组学进入了4D新时代。和常规的3D蛋白组相比，新一代的4D蛋白质组学充分利用了第四维离子淌度（ion mobility）的信息，实现了更加specific的匹配，在扩大检测深度的同时提高了准确性，独特的性能使其成为蛋白组学复杂样本深入研究的利器，使得许多其他科学问题与临床运用的探索成为可能。
日前召开的美国ASMS大会上，4D蛋白质组学技术成为了关注的焦点：Thermo公布添加离子淌度的新一代质谱仪登场，Bruker联合Matthias Mann、Ruedi Aebersold和Juergen Cox教授等公布了4D-LFQ的两类解决方案——diaPASEF和MBR-ddaPASEF，引起广泛关注，再一次标志新增离子淌度的4D蛋白质组学是质谱分析的未来趋势。（详情可点击：2019年ASMS大会首日剪影，基于离子淌度的4D蛋白质组技术闪亮登场）。
回首望去，自2018年12月，德国马普生化研究所所长、世界著名蛋白质组学专家Matthias Mann教授在蛋白质组学领域顶级期刊MCP发文，详细介绍了基于timsTOF Pro的4D蛋白质组学更高速度、更高灵敏度、更强大的分析性能。2019年4月，首批全球顶级4D质谱仪正式入驻景杰生物，并开展样本分析工作，代表着4D蛋白质组学在中国的首次落地与商业化。2019年5月，蛋白质组学研究最常用的搜库软件平台之一MaxQuant公布支持4D-LFQ定量的软件新版本，对4D特征匹配的支持带来定量能力的大幅提升。.......2019年短短的半年时间，这一系列从硬件、软件、方法学及商业化层面的突破与进展，纷至沓来，推动着4D蛋白质组学技术的快速发展。
2018年12月，蛋白质组学领域顶级期刊MCP在线发表了德国马普生化研究所所长、世界著名蛋白质组学专家Matthias Mann教授最新的研究成果，详细介绍了基于timsTOF Pro质谱系统的新一代4D蛋白质组学更高速度、更高灵敏度、更强大的分析性能，并展现了其在蛋白质组学领域的强大功能和广泛应用前景。
研究者介绍了整合了四级杆飞行时间、捕获离子淌度（tims）以及同步累积连续碎裂（PASEF）扫描模式的全新质谱技术。Bruker timsTOF Pro以强大而灵活的方式成功地整合了这些模块，不仅实现了基于PASEF操作的shotgun蛋白质组学，也使得许多其他操作模式的探索成为可能。
基于此衍生出的新一代4D蛋白质组学，为蛋白质组学定量的准确性和灵敏度带来了革命性提升，并且极大的减少检测时间和样品量。本篇研究中，30分钟内10ng的Hela细胞能够鉴定到2100个蛋白，而适当增大样品量和梯度时间则可实现单针检测超过6000个蛋白。在提高扫描速度的同时，MS和MS/MS谱图依然保持超高分辨率，这些独特的性能，使其成为蛋白组学复杂样本深入研究的利器，并在转化医学、临床蛋白质组学等研究中具有广泛的应用前景。
2019年3月，在欧洲蛋白质组学协会第十三届年会上，国际著名分析仪器制造商Bruker 4D蛋白组平台timsTOF Pro因在超高灵敏度、高通量4D蛋白质组学研究上的杰出表现，荣膺EuPA最佳技术奖。这一奖授予在工业领域蛋白组学技术商业化上具有杰出贡献的团队。
timsTOF Pro其独有的同步累积连续碎裂PASEF（Parallel Accumulation Serial Fragmentation）技术（图2），可以实现近乎100％的离子利用率。为科学家们提供了深入研究复杂细胞机制的有力工具，促进低丰度并具有重要生物学意义的肽段或蛋白质的发现，或在转化蛋白质组学研究中验证它们。
▲ 同步累积连续碎裂（PASEF）示意图
2019年4月，随国际著名分析仪器制造商Bruker全球执行副总裁 Rohan A. Thakur博士的来访，蛋白质组学与修饰组学分析行业领跑者景杰生物（PTM BIO）与Bruker联合宣布：首批全球顶级质谱仪timsTOF Pro正式入驻景杰生物，并开展样本分析工作。据悉，景杰生物为Bruker timsTOF Pro质谱仪中国区首批用户，由此推动着新一代4D蛋白质组学在中国的快速发展与商业化运用。
依托于4D蛋白质组学检测速度、灵敏度革命性的提升，以及对于整个蛋白质组学技术体系的持续优化，中国蛋白质组学高精度分析必将进一步突破现有瓶颈，加速生命科学和医学领域的科学研究。
▲ 景杰生物4D蛋白质组学质谱平台
真正的4D蛋白组学不但需要以硬件为基础，还需要搜库软件的全面支持方能充分发挥其潜力。2019年5月27日，蛋白质组学研究中最常用的搜库软件平台之一MaxQuant的开发者Jurgen Cox研究组在预印本网站bioRxiv上公布了新版本，详细阐述了MaxQuant对4D特征匹配的支持和由此展现出的定量能力的大幅提升。
新版本的MaxQuant软件平台在特征提取、数据校准等很多模块中都做了大幅的调整以适配4D蛋白质组全新的数据格式，并提供了对4D特征数据同样适用的“end-to-end”便捷式搜库解决方案。新增的维度显著增强了匹配的特异性和定量的可靠性，并且在实际样品的检测中极大改善了传统label-free中被广为诟病的missing value的问题。开启4D对齐功能后的可定量蛋白平均每个样品增加了381个，在全部样品中都可定量的蛋白增加了约1000个。4D对齐的效果在血液这种蛋白含量跨度范围很大的样品中会更加明显，可定量蛋白数目增加了90%。
2019年6月，第67届美国质谱年会(ASMS)上，Thermo公布了两款革新性的仪器，来取代原本的QE和Fusion系列平台。Thermo在其新一代质谱中同样加入了基于FAIMS的离子淌度分离，这标志着新增离子淌度分离是质谱分析的未来趋势，蛋白质组学从底层的平台设备层面上全面进入了4D的新时代。
其中新的仪器Orbitrap Exploris，相比于原先的QE系列平台，其主要有两个重大的改进：首先是能够搭载FAIMS(高场非对称波形离子迁移谱)所需的配件并增加了离子淌度的分离维度，这一重要改进能够额外增加10%的蛋白覆盖深度；其次是新型质谱仪在“智能化”上取得了新的进展，能够更有效的采集和鉴定蛋白，操作更加友好。另一款仪器Orbitrap Eclipse，这是在原先Fusion系列三合一质谱仪系列基础上的全面革新，同样可以搭载FAIMS配件和实现离子淌度的分离。此外，其引入了“Real-Time search”的功能，能够进一步提高TMT的深度和定量准确性，还新增了PTCR提高了top-down的检测性能。
2019年6月，同样在第67届美国质谱年会(ASMS)上，Bruker联合Matthias Mann、Ruedi Aebersold和Juergen Cox教授等公布了以timsTOF Pro平台为基础的两类4D-LFQ定量解决方案——diaPASEF和MBR-ddaPASEF，二者均能够在检测通量、深度、准确性上同时获得巨大的提升，引起广泛关注。
4D蛋白质组技术不论对DDA还是DIA的方式，都能够带来革命性的进步。在DDA方面，MBR-ddaPASEF技术通过4D对齐的方式，显著降低了missing value的问题[3]。而在DIA采集模式下，diaPASEF技术能够实现几乎完全的离子利用率，并在检测深度和定量准确性方面有出色的表现。这两种方法都充分利用了第四维ion mobility的信息，实现了更加specific的匹配，在扩大检测深度的同时提高了准确性，体现了4D label-free定量方法的强大能力，并且在大规模队列样本分析中有广阔的应用前景。
一系列的技术突破与发展，让我们看到了新一代4D蛋白质组显著的技术提升和广阔运用前景，将为蛋白质组学与修饰组学分析带来更高的灵敏度和速度。我们也相信，除了4D蛋白质组学，新的4D工作流程，也将会给下一代脂质组学和代谢组学带来革命性的变化。
大样本群组医学研究：4D蛋白质组学可显著提高临床样本中的蛋白定量数目和检测效率。对蛋白鉴定的深度覆盖和快速检测，促进生物标志物的发现与分析分型，为分析数百到数千个样本的大样本群组提供了全新的可能。
高通量修饰组学分析：4D蛋白质组学带来了高的数据采集速读、灵敏度和分辨率，可以用更低的进样量来鉴定到更多的多肽和PTMs，尤其适合复杂PTMs的鉴定和定位。
微量样本蛋白组学运用： 4D蛋白质组学凭借杰出的检测灵敏度，能从较小样品量中获得突出的鉴定效果，为数量有限的待分析细胞如干细胞、免疫细胞等或亚细胞结构（微量样品）等提供了更可靠的数据结果。
参考文献
1.Florian Meier, et al., 2018, Online Parallel Accumulation–Serial Fragmentation (PASEF) with a Novel Trapped Ion Mobility Mass Spectrometer. Molecular & Cellular Proteomics.
2.Nikita Prianichnikov, et al., 2019, MaxQuant software for ion mobility enhanced shotgun Proteomics.BioRxiv.
3. Florian Meier, et al., 2019, Parallel accumulation – serial fragmentation combined with dataindependent acquisition (diaPASEF): Bottom-up proteomics with near optimal ion usage. BioRxiv.
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