从单细胞到翻译后修饰组学的超高灵敏定量蛋白质组学分析
2026-03-30 来源:本站 点击次数:59
质谱技术驱动的蛋白质组学研究，正朝着更高灵敏度、更优定量精度、更广应用场景快速发展，仪器平台的升级正是核心驱动力之一。近日，Matthias Mann团队与SCIEX合作，在bioRxiv发表最新研究“Scanning DIA on the ZenoTOF 8600 system enables ultrasensitive and quantitative proteomics from single cells to post-translational modifications in a compact platform”，实现了从单细胞蛋白质组学到疾病相关翻译后修饰(PTM)检测的全场景覆盖，兼具超高灵敏度、定量准确性和检测通量，为蛋白质组学从基础研究到临床转化提供了全新工具。经测试，新建方法体系每天可对500个样品的进行高通量分析，在单细胞中可鉴定多达4,700个蛋白质，在混合物种样本基准测试中可实现精准比例的定量，以及利用互补的CID和EAD碎裂方式，在帕金森细胞模型中鉴定与疾病相关的磷酸化修饰等。本研究中所有的非靶向组学质谱数据分析均采用PEAKS Studio 13.1完成。
01--基于ZT Scan DIA 的蛋白质组学定性定量
研究团队基于ZenoTOF 8600，将ZT Scan DIA与传统可变窗口DIA(Zeno SWATH DIA)在进行对比，质谱上机均为250 ng HEK 293T 细胞裂解液，结果统计见Figure 1b-e，可以看出ZT Scan DIA能鉴定到更多肽段和蛋白组，对比同条件下的传统可变窗口 DIA，鉴定深度大幅提升；定量方面，蛋白组水平中位变异系数（CV）低至 2.8%，优于传统DIA的3.4%，且CV＜20% 的蛋白组占比进一步提升。这一结果证实，连续扫描的 ZT Scan DIA 能在相同上样量的情况下，同时实现更深的覆盖度和更精准的定量，解决了传统DIA鉴定与定量的平衡难题。
Figure 1. zenoTOF 8600组件原理及与其他平台性能对比
02--不同通量样本的深度检测结果
蛋白质组学研究对通量和检测深度的需求因场景而异，选用ZenoTOF 8600在全通量范围内开展相关分析(Fig.2a-f)。对于超高通量分析需求，可实现500样本/天(500 SPD)的分析，200 ng K562细胞裂解液可鉴定～4800个蛋白组，20 ng微量样本仍能鉴定～3200个蛋白组，该性能接近前一代ZenoTOF 7600+在60 SPD下的检测深度；酵母样本在500 SPD下也能鉴定～3200个蛋白，证实该平台的性能与物种特异性无关。单细胞蛋白质组学的分析需求对仪器灵敏度的较高，ZenoTOF 8600在单个HeLa细胞中可鉴定3000-4700个蛋白组(中位数约3900），空白对照仅鉴定～300个蛋白，排除了污染/残留的干扰；3个细胞和10个细胞混合样本则分别达到～5300和～6300个蛋白的鉴定，接近复杂样本的检测深度。
03--定量准确性验证
定量准确性是蛋白质组学临床转化的核心要求，团队采用已知比例的人/酵母/大肠杆菌混合物种标准品进行仪器定量准确性的验证(500 ng质谱上样量)，人源蛋白比例固定为50%，酵母和大肠杆菌蛋白占比从5%到45%反向变化，鉴定和定量结果见Figure 3。从Fig.3a-b可以看出，人源蛋白的鉴定数保持稳定，表明检测不受其他基质组成的干扰；Fig.3c的定量比值与理论值高度吻合，人源蛋白log2比值标准差仅0.44，大肠杆菌（最大倍性变化）也仅0.66，无明显系统偏差；结合ZT Scan DIA的蛋白水平CV中位数＜4%，其定量精度已接近三重四极杆的靶向检测水平。
Figure 3. ZenoTOF 8600对混合物种样本的精准定量
04--靶向定量分析应用
ZenoTOF 8600 具有Zeno MRMHR(高分辨多反应监测)靶向模式，提供4种分辨率可选，兼顾选择性和灵敏度(检测结果见Fig.4a-h)。ZT Scan DIA和MRMHR模式下，色谱峰半高宽(FWHM)内可获得≥7个数据点，采样密度充足，保证峰面积积分的准确性。灵敏度低至埃摩尔，在250 ng HEK背景基质中，VVGGLVALR肽段的柱上检测限低至2.7 attomole，线性范围跨4个数量级(R²=0.988)。定量精准，可定量范围内CV中位数仅3.2%，实测浓度与理论值偏差＜20%，中位回收率101.6%，且保留完整MS/MS谱图，可实现分析物确证，降低假阳性。支持在同一仪器上无缝切换发现型DIA和靶向型MRMHR，无需在不同平台重新开发方法，加速从候选物发现到验证的转化流程。
05--双碎裂模式在PTM检测中的应用
翻译后修饰(如磷酸化)的检测存在两大难点：修饰肽段相对于非修饰肽来说往往是亚化学计量的，并且位点定位需要高质量碎裂谱。ZenoTOF 8600的双碎裂模式(CID+EAD) 可以解决这一问题，研究团队以帕金森病关键靶点α-突触核蛋白S129磷酸化(pS129)为模型进行验证(结果见Fig.5a-g)。PFF处理诱导HEK细胞α-突触核蛋白聚集后，pS129磷酸肽在处理组中信号显著升高，对照组几乎无信号，且三次生物学重复检测重现性优异(Fig.5b)，表明高特异性的检测。此外，双碎裂模式下，CID产生完整的b/y离子，实现肽段骨架精准测序，但无法保留磷酸化修饰；EAD产生c/z离子完整保留不稳定的磷酸化修饰，并延伸了C端肽段的覆盖度，实现pS129位点的高置信度定位(Fig.5f-g)。
Matthias Mann教授团队也在文末特别致谢了我司提供了PEAKS软件在数据分析和技术方面的支持。BSI作为PEAKS系列软件的开发者，很荣幸参与到本研究中，在此也感谢研究团队对PEAKS在蛋白质组学数据分析领域，特别是在DIA数据分析的核心价值的肯定与认可。
借助强大的PEAKS Studio 13.1软件，可以最大限度的帮研究者解析出谱图中包含的鉴定信息和准确的定量结果，并且PEAKS Studio也兼容 DDA、DIA 和靶向数据分析功能，与先进的仪器结合，可以实现更加完整的一站式蛋白质组学研究。如果需要进一步了解软件的功能与应用，您可以通过文末的联系方式预约一对一技术介绍。
作为生物信息学的领军企业，BSI专注于蛋白质组学和生物药领域，通过机器学习和先进算法提供世界领先的质谱数据分析软件和蛋白质组学服务解决方案，以推进生物学研究和药物发现。我们通过基于AI的计算方案，为您提供对蛋白质组学、基因组学和医学的卓越洞见。旗下著名的PEAKS®️系列软件在全世界拥有数千家学术和工业用户，包括：PEAKS®️ Studio，PEAKS®️ Online，PEAKS®️ GlycanFinder, PEAKS®️ AB，ProteoformXTM,DeepImmu®️ 免疫肽组发现服务和抗体综合表征服务等。
01--基于ZT Scan DIA 的蛋白质组学定性定量
研究团队基于ZenoTOF 8600，将ZT Scan DIA与传统可变窗口DIA(Zeno SWATH DIA)在进行对比，质谱上机均为250 ng HEK 293T 细胞裂解液，结果统计见Figure 1b-e，可以看出ZT Scan DIA能鉴定到更多肽段和蛋白组，对比同条件下的传统可变窗口 DIA，鉴定深度大幅提升；定量方面，蛋白组水平中位变异系数（CV）低至 2.8%，优于传统DIA的3.4%，且CV＜20% 的蛋白组占比进一步提升。这一结果证实，连续扫描的 ZT Scan DIA 能在相同上样量的情况下，同时实现更深的覆盖度和更精准的定量，解决了传统DIA鉴定与定量的平衡难题。
Figure 1. zenoTOF 8600组件原理及与其他平台性能对比
02--不同通量样本的深度检测结果
蛋白质组学研究对通量和检测深度的需求因场景而异，选用ZenoTOF 8600在全通量范围内开展相关分析(Fig.2a-f)。对于超高通量分析需求，可实现500样本/天(500 SPD)的分析，200 ng K562细胞裂解液可鉴定～4800个蛋白组，20 ng微量样本仍能鉴定～3200个蛋白组，该性能接近前一代ZenoTOF 7600+在60 SPD下的检测深度；酵母样本在500 SPD下也能鉴定～3200个蛋白，证实该平台的性能与物种特异性无关。单细胞蛋白质组学的分析需求对仪器灵敏度的较高，ZenoTOF 8600在单个HeLa细胞中可鉴定3000-4700个蛋白组(中位数约3900），空白对照仅鉴定～300个蛋白，排除了污染/残留的干扰；3个细胞和10个细胞混合样本则分别达到～5300和～6300个蛋白的鉴定，接近复杂样本的检测深度。
Figure 2. 不同通量设置和不同上样量的深度蛋白组覆盖
03--定量准确性验证
定量准确性是蛋白质组学临床转化的核心要求，团队采用已知比例的人/酵母/大肠杆菌混合物种标准品进行仪器定量准确性的验证(500 ng质谱上样量)，人源蛋白比例固定为50%，酵母和大肠杆菌蛋白占比从5%到45%反向变化，鉴定和定量结果见Figure 3。从Fig.3a-b可以看出，人源蛋白的鉴定数保持稳定，表明检测不受其他基质组成的干扰；Fig.3c的定量比值与理论值高度吻合，人源蛋白log2比值标准差仅0.44，大肠杆菌（最大倍性变化）也仅0.66，无明显系统偏差；结合ZT Scan DIA的蛋白水平CV中位数＜4%，其定量精度已接近三重四极杆的靶向检测水平。
Figure 3. ZenoTOF 8600对混合物种样本的精准定量
04--靶向定量分析应用
ZenoTOF 8600 具有Zeno MRMHR(高分辨多反应监测)靶向模式，提供4种分辨率可选，兼顾选择性和灵敏度(检测结果见Fig.4a-h)。ZT Scan DIA和MRMHR模式下，色谱峰半高宽(FWHM)内可获得≥7个数据点，采样密度充足，保证峰面积积分的准确性。灵敏度低至埃摩尔，在250 ng HEK背景基质中，VVGGLVALR肽段的柱上检测限低至2.7 attomole，线性范围跨4个数量级(R²=0.988)。定量精准，可定量范围内CV中位数仅3.2%，实测浓度与理论值偏差＜20%，中位回收率101.6%，且保留完整MS/MS谱图，可实现分析物确证，降低假阳性。支持在同一仪器上无缝切换发现型DIA和靶向型MRMHR，无需在不同平台重新开发方法，加速从候选物发现到验证的转化流程。
Figure 4. 高灵敏度靶向定量
05--双碎裂模式在PTM检测中的应用
翻译后修饰(如磷酸化)的检测存在两大难点：修饰肽段相对于非修饰肽来说往往是亚化学计量的，并且位点定位需要高质量碎裂谱。ZenoTOF 8600的双碎裂模式(CID+EAD) 可以解决这一问题，研究团队以帕金森病关键靶点α-突触核蛋白S129磷酸化(pS129)为模型进行验证(结果见Fig.5a-g)。PFF处理诱导HEK细胞α-突触核蛋白聚集后，pS129磷酸肽在处理组中信号显著升高，对照组几乎无信号，且三次生物学重复检测重现性优异(Fig.5b)，表明高特异性的检测。此外，双碎裂模式下，CID产生完整的b/y离子，实现肽段骨架精准测序，但无法保留磷酸化修饰；EAD产生c/z离子完整保留不稳定的磷酸化修饰，并延伸了C端肽段的覆盖度，实现pS129位点的高置信度定位(Fig.5f-g)。
Figure 5. 疾病相关修饰位点的靶向分析
Matthias Mann教授团队也在文末特别致谢了我司提供了PEAKS软件在数据分析和技术方面的支持。BSI作为PEAKS系列软件的开发者，很荣幸参与到本研究中，在此也感谢研究团队对PEAKS在蛋白质组学数据分析领域，特别是在DIA数据分析的核心价值的肯定与认可。
借助强大的PEAKS Studio 13.1软件，可以最大限度的帮研究者解析出谱图中包含的鉴定信息和准确的定量结果，并且PEAKS Studio也兼容 DDA、DIA 和靶向数据分析功能，与先进的仪器结合，可以实现更加完整的一站式蛋白质组学研究。如果需要进一步了解软件的功能与应用，您可以通过文末的联系方式预约一对一技术介绍。
作为生物信息学的领军企业，BSI专注于蛋白质组学和生物药领域，通过机器学习和先进算法提供世界领先的质谱数据分析软件和蛋白质组学服务解决方案，以推进生物学研究和药物发现。我们通过基于AI的计算方案，为您提供对蛋白质组学、基因组学和医学的卓越洞见。旗下著名的PEAKS®️系列软件在全世界拥有数千家学术和工业用户，包括：PEAKS®️ Studio，PEAKS®️ Online，PEAKS®️ GlycanFinder, PEAKS®️ AB，ProteoformXTM,DeepImmu®️ 免疫肽组发现服务和抗体综合表征服务等。
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