蛋白質(zhì)是構(gòu)建生命體的基本物質(zhì)之一，在合成、催化和信號傳感等所有生命活動中均承擔著重要的功能。開發(fā)一種可靠、高效的蛋白質(zhì)測序技術(shù)對于理解生命過程和揭示疾病機理而言至關(guān)重要。作為構(gòu)成蛋白質(zhì)的組成片段，多肽，成為打開蛋白質(zhì)這扇大門的“鑰匙”。
納米孔測序技術(shù)是近年來新興的一種單分子測序技術(shù)，其中多肽納米孔測序仍面臨諸多挑戰(zhàn)。近日，南京大學化學化工學院研究團隊在國際知名期刊《納米快報》雜志發(fā)表論文，他們利用納米孔錯位測序技術(shù)，像在水井里提繩打水一樣，構(gòu)建了多肽-DNA嵌合鏈，用DNA測序酶與DNA的結(jié)合，通過DNA的移動，帶動多肽分子在納米孔內(nèi)的棘輪運動，從而實現(xiàn)了多肽的納米孔測序，破解了技術(shù)瓶頸。
無法進行序列擴增，制約蛋白質(zhì)測序靈敏度
蛋白質(zhì)，組成人體一切細胞、組織的重要物質(zhì)，可以說，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。而蛋白質(zhì)的功能是由蛋白質(zhì)的序列決定的，序列的微小改變，可能導致蛋白質(zhì)失去生物活性或者誘發(fā)疾病。
如果能為蛋白質(zhì)測序，就可以確定蛋白質(zhì)是否有序列變化，判斷是否會對人類健康有影響。
“與核酸檢測不同，目前蛋白質(zhì)測序的難點在于，缺乏有效的序列擴增方法，技術(shù)發(fā)展上停滯不前，主要靠質(zhì)譜法和埃德曼降解法來測序。”該篇論文的通訊作者、南京大學化學化工學院教授黃碩說。
通俗地說，質(zhì)譜法是用生物酶將蛋白質(zhì)分解成很多多肽片段，再通過質(zhì)譜儀器檢測，確定蛋白質(zhì)片段的信息，最終將這些片段重構(gòu)成蛋白質(zhì)序列。而埃德曼降解法是用化學方法將蛋白質(zhì)N端的一個氨基酸切下來進行鑒定，再進行第二輪的氨基酸切割和鑒定，多次循環(huán)操作后，確定氨基酸的序列。
但在黃碩看來，這兩個方法都有局限性。“相較于DNA和RNA測序，構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸種類更多，質(zhì)譜法的檢測難度大于核酸測序。而對埃德曼降解法來說，它只能對單一的蛋白質(zhì)樣品序列解析，如果降解的樣品純度不夠，混合有多種蛋白質(zhì)樣品，那么被切下來的氨基酸就會有很多種，就無法確定哪個氨基酸來自哪個蛋白質(zhì)的，無法判斷蛋白質(zhì)的序列。另外，還有一些肽段的末端是封閉的，就不能用降解法。”黃碩介紹。
更重要的是，由于無法實現(xiàn)序列擴增，蛋白質(zhì)測序的靈敏度度較低，這意味著無法檢測自然界中一些豐度很低的蛋白質(zhì)樣品。黃碩認為，利用現(xiàn)有的技術(shù)，復雜環(huán)境中的蛋白質(zhì)，難以直接測序，比如體液、土壤、水體中的蛋白質(zhì)樣品，要先做一些純化、富集，達到測序的樣品標準，才能在質(zhì)譜儀中測序。同時，蛋白質(zhì)的化學修飾很豐富，這也有可能干擾蛋白質(zhì)測序。
借助DNA與酶的反應，牽引肽鏈在納米孔中可控運動完成測序
能不能找到一種更微觀的測序方式，只用一個分子就能為蛋白質(zhì)測序？從2015年開始，納米孔測序技術(shù)進入黃碩課題組研究視野。
納米孔測序技術(shù)是近年來新興的一種單分子測序技術(shù)，已在DNA和RNA測序方面取得成功，它通過讓單鏈的核酸通過納米孔，通過納米孔內(nèi)的檢測器獲得核酸鏈的堿基信息。
“如果能在單分子水平上為蛋白質(zhì)測序，將為檢測低豐度蛋白和單細胞蛋白質(zhì)組學提供極高的靈敏度。”受此啟發(fā)，黃碩課題組開始研究，用納米孔測序技術(shù)，進行蛋白質(zhì)或多肽的單分子測序。
但是多肽納米孔測序仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中一個主要的困難是如何實現(xiàn)多肽在納米孔中可控的棘輪運動，而這主要受限于目前沒有和肽鏈相匹配、有很強的親和力的多肽測序酶。
“棘輪運動指的生物高分子貼著納米孔的內(nèi)壁，順著同一個方向做勻速、定向運動，類似于附著在齒輪內(nèi)壁上移動一樣，這需要找到一種酶來控制多肽的運動速度，從而控制它穿過納米孔的速度，以精準測序。”
此前，黃碩課題組曾嘗試對非天然核酸測序，但是苦于沒有找到合適的酶來匹配棘輪運動，后來，他們突發(fā)奇想，利用納米孔的錯位效應來測序，并開創(chuàng)了納米孔錯位測序技術(shù)。
“核酸的納米孔識別位點和酶的反應位點，有一個固定的約14-15個堿基的錯位，這就形成了一個測序窗口，可以利用這個不受酶反應限制的窗口，實現(xiàn)多肽的測序。”黃碩說。
納米孔錯位測序技術(shù)能否應用在多肽測序領(lǐng)域？近期，黃碩課題組在技術(shù)驗證時發(fā)現(xiàn)可行。在此次研究中，他們將多肽和DNA嵌合成一條鏈條，嵌合鏈的DNA部分為“牽引鏈”，在檢測過程中，DNA測序酶與DNA結(jié)合，通過拉動DNA部分，牽動整條鏈條在納米孔中的可控棘輪運動，實現(xiàn)多肽的納米孔直接讀取。
黃碩打了個比方，“這就相當于用繩子在井里提水桶，如果井是納米孔的話，井繩就是DNA，水桶就是多肽。‘井口’的DNA測序酶拉動DNA在納米孔內(nèi)移動，而DNA又與多肽嵌合在一起，DNA的移動，也就直接拉動了多肽的移動，從而實現(xiàn)了多肽的納米孔測序。”
黃碩介紹，經(jīng)驗證，多肽的納米孔測序信號表現(xiàn)出高度的一致性和序列相關(guān)性，由單氨基酸替換引起的電流變化也能被清楚地檢測到。通過將多肽的N端或C端與DNA驅(qū)動鏈進行偶聯(lián)，實現(xiàn)了對多肽兩端氨基酸序列信息的讀取。
“這意味著，可以對蛋白質(zhì)單分子進行測序，這為今后的蛋白質(zhì)高通量測序，蛋白質(zhì)重構(gòu)，提供了一個全新的工具。”黃碩說，借助蛋白質(zhì)序列研究，可以對蛋白質(zhì)的功能進行預測，從而幫助理解、解釋相關(guān)生命活動。
