[논문 리뷰] Sampling the proteome by emerging single-molecule and mass-spectrometry methods

Michael J. MacCoss, Javier A. Alfaro외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 31.

Advanced Proteomics Techniques and Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 맨모니아 프로테오좀의 샘플링을 위한 최신 단분자 및 질량분석법을 평가하며, 단백질 분자의 수가 mRNA 분자의 수보다 약 30,000배 많다는 광범위한 동적 범위의 과제를 강조한다. 이 논문은 LC-MS/MS에서 유래한 전략, 예를 들어 대상 풍부화 및 데이터 독립적 획득과 같은 방법이 단분자 프로테오믹스를 향상시켜, 높은 민감도와 넓은 동적 범위를 갖는 수십억 개의 단백질 분자에 대한 확장 가능한 정량을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Mammalian cells have about 30,000-fold more protein molecules than mRNA molecules. This larger number of molecules and the associated larger dynamic range have major implications in the development of proteomics technologies. We examine these implications for both liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) and single-molecule counting and provide estimates on how many molecules are routinely measured in proteomics experiments by LC-MS/MS. We review strategies that have been helpful for counting billions of protein molecules by LC-MS/MS and suggest that these strategies can benefit single-molecule methods, especially in mitigating the challenges of the wide dynamic range of the proteome. We also examine the theoretical possibilities for scaling up single-molecule and mass spectrometry proteomics approaches to quantifying the billions of protein molecules that make up the proteomes of our cells.

연구 동기 및 목표

• 프로테오좀에 존재하는 단백질 분자의 수가 mRNA 분자의 수보다 약 30,000배 많다는 점으로 인해 발생하는 샘플링 과제를 해결하기 위해.
• 기존의 LC-MS/MS 전략이 단분자 프로테오믹스 방법을 향상시키기 위해 어떻게 적응될 수 있는지 평가하기 위해.
• 세포 내 프로테오좀의 전체 동적 범위를 정량화하기 위한 단분자 및 질량분석 기반 접근법의 이론적 확장 가능성 평가하기 위해.
• 현재 단분자 방법에서 발생하는 주요 기술적 제약을 규명하고, 고속도 LC-MS/MS 워크플로우에서 영감을 얻은 해결책을 제안하기 위해.
• 단분자 기술과 질량분석 기술의 원리를 통합함으로써 더 포괄적이고 정량적인 프로테오좀 샘플링을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 우리가 추정하는 바로는, 맹고기 프로테오좀은 mRNA 분자보다 약 30,000배 더 많은 단백질 분자를 포함하고 있으며, 이는 동적 범위를 분석하는 데 기초가 된다.
• 높은 동적 범위를 다루는 데에 사용되는 데이터 독립적 획득(DIA) 및 대상 프로테오믹스와 같은 기존의 LC-MS/MS 전략을 검토한다.
• LC-MS/MS의 원리를 적용함으로써, 다중 라벨링 및 이온 이동도 분리와 같은 방법을 통해 단분자 수세기 민감도와 처리 능력을 향상시킨다.
• 낮은 농도의 단백질을 정량화할 수 있는 잠재력을 지닌 단분자 형광 및 나노포어 기반 검출 기법을 평가한다.
• 질량분석의 특이성과 단분자 검출의 민감성을 결합한 하이브리드 워크플로우를 제안하여 프로테오좀 커버리지 향상을 도모한다.
• 이론적 모델링을 통해 단분자 및 MS 기반 방법의 전체 프로테오좀 정량 향한 확장 가능성에 대해 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 LC-MS/MS 전략은 어떻게 단분자 프로테오믹스의 동적 범위와 민감도를 향상시키기 위해 적응될 수 있는가?
• RQ2 단분자 방법이 맹고기 세포 내 단백질 분자의 전체 조합을 정량화하기 위해 이론적으로 얼마나 확장될 수 있는가?
• RQ3 단분자 수세기 방법이 고속도 LC-MS/MS 수준의 정량 정확도와 커버리지에 도달할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 프로테오좀의 동적 범위와 농도 분포가 현재의 단분자 검출 기술에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 단분자 기술과 질량분석 기술 간의 통합 전략은 어떻게 프로테오좀 샘플링의 효율성과 깊이를 극대화할 수 있는가?

주요 결과

• 맹고기 프로테오좀은 약 30,000배 더 많은 단백질 분자를 포함하고 있어, 종합적인 샘플링에 있어 주요 과제가 된다.
• LC-MS/MS 방법은 실험당 수십억 개의 단백질 분자를 정량적으로 측정할 수 있으며, DIA 및 대상 정량 기법을 활용한다.
• 이소토프 라벨링, 분획화, 이온 이동도 분리와 같은 LC-MS/MS에서 사용되는 전략은 단분자 프로테오믹스 향상에 적응 가능하다.
• 단분자 방법은 낮은 농도의 단백질을 검출할 잠재력을 지니지만, 현재는 LC-MS/MS의 처리 능력과 동적 범위에 뒤지지 않는다.
• 단분자 민감도와 질량분석의 특이성을 결합한 하이브리드 접근법은 전체 프로테오좀의 확장 가능한 정량적 샘플링을 가능하게 할 수 있다.
• 이론적 모델링 결과, 최적화된 워크플로우를 통해 단분자 및 MS 기반 방법 모두가 세포 프로테오좀의 전체 동적 범위를 정량화하는 데에 확장 가능할 것으로 예측된다.