蛋白质全长高精度测序：解锁生命奥秘的“超级钥匙”

蛋白质全长高精度测序：解锁生命奥秘的“超级钥匙”

在生命的微观世界里，蛋白质是当之无愧的“主角”之一。它们如同精密的机器零件，承担着生物体内几乎所有的功能，从构建细胞结构到催化生化反应，从传递信号到抵御病原体入侵。然而，长久以来，完整地测定蛋白质的氨基酸序列——也就是蛋白质全长测序，一直是科学界面临的巨大挑战。但现在，这一难题正被逐步攻克，我们正迈向一个实用化的蛋白质全长高精度测序的新时代。

蛋白质测序的艰难历程

蛋白质测序的历史可以追溯到1967年，当时Edman和Beggs发明了Edman降解法。这种方法虽然在当时是一个巨大的突破，但它只能测定肽链N端的25到50个氨基酸，对于完整的蛋白质序列来说，这只是“冰山一角”，而且成本还很高，这使得它在实际应用中受到了极大的限制。

随着科技的发展，蛋白质质谱技术逐渐兴起并被应用于蛋白质的从头测序。质谱技术的原理是将蛋白质先用酶降解为短的肽段，然后通过质谱仪分析这些肽段，从谱图中识别每个肽段的氨基酸序列，再将这些肽段的序列拼接起来，形成完整的蛋白质序列。然而，这种方法在实践中却困难重重。

首先，拼接序列需要肽段之间有一定的重叠部分，但常用的酶切方法往往无法保证肽段的重合，这就导致了拼接的困难。其次，蛋白质长链的不同部分理化性质差异很大，没有任何一种酶切方案能够兼顾所有部分。最后，肽段从头测序算法的误差很大，对肽段序列的识别错误率高达30%到50%，而且错误主要集中在肽段的两端，而这些地方正是拼接时寻找重叠段的关键部位。这些困难使得蛋白质全长拼接的完整度和准确度长期难以提高。

突破性的MuCS方案

在这样的背景下，暨南大学张弓课题组经过多年的研究和探索，成功研发了一种高稳健性、超高精度的蛋白质全长从头测序方案——MuCS。这一方案的灵感来源于核酸测序领域。在核酸测序的发展历程中，也曾面临类似的序列组装难题，而基因组组装的contig-scaffolding策略成功地解决了这一问题。张弓课题组巧妙地将这一策略移植到蛋白质测序上，开创性地采用了多种非特异性蛋白酶和化学降解法对蛋白质进行切割，每次切割后都进行质谱分析和初步拼接。然后，将多种切割方案的初步拼接结果互相比对，组装成更完整的蛋白质序列框架。接着，再利用这些结果的序列数据进行相互校正，进行精细的补空与纠错。

MuCS方案在测试中展现出了惊人的性能。在对三种不同结构特性的蛋白质进行测试时，研究者故意采用粗放的实验手段，导致质谱数据的质量参差不齐。但即便如此，MuCS每次都能成功拼接出完整的序列，且序列覆盖度和准确率均能达到99%到100%，没有任何错误的序列插入。相比之下，其他蛋白质测序算法如pTA和ALPS，其序列覆盖度、完整性和准确度都远不及MuCS，甚至会错误地插入大量不存在的序列。

更令人振奋的是，MuCS方案在面对困难的膜蛋白时也表现出色。由于膜蛋白的跨膜段难以获得质谱数据，其他方法几乎无法完成拼接，但MuCS依然能够对膜蛋白的其他部分实现稳健和精确的全长拼接。而且，尽管MuCS方案需要进行三次降解和质谱分析，但总成本并不高，操作过程简便，大部分算法还可以自动化运行，这使得MuCS方案具备了极高的可推广性。

开启蛋白质研究的新篇章

高稳健性、超高精度、低成本的蛋白质全长高精度测序方案的出现，无疑将为生命科学的多个领域带来深远的影响。首先，在药物质控方面，通过精确测定药物靶点蛋白的全长序列，可以更准确地评估药物的作用机制和潜在的副作用，从而提高药物研发的成功率和安全性。在抗体工程领域，能够完整地测定抗体蛋白的序列，有助于设计更高效、更特异性的抗体，为疾病治疗提供更有力的武器。

在疾病诊断方面，蛋白质全长高精度测序可以用于检测疾病相关蛋白的变异和异常表达，为疾病的早期诊断和精准治疗提供重要依据。对于法医鉴定来说，通过测定生物样本中蛋白质的全长序列，可以更准确地识别个体身份，为案件侦破提供关键线索。此外，在蛋白质反向工程破解方面，MuCS方案也将发挥重要作用，帮助科学家们更好地理解蛋白质的结构与功能关系，为合成生物学和生物工程等领域提供新的思路和方法。

蛋白质全长高精度测序技术的突破，就像一把“超级钥匙”，为我们打开了深入了解生命奥秘的大门。它不仅将极大地推动基础生命科学研究的发展，还将为医学、药学、法医学等多个应用领域带来革命性的变革。随着这一技术的不断推广和完善，我们有理由相信，未来我们将能够更加精准地解读生命的密码，为人类的健康和福祉做出更大的贡献。