基于質譜的蛋白質組學，揭示不老分子的抗衰奧秘

　　——清華大學蛋白質化學與組學平臺主管鄧海騰教授專訪

　　近年來， NAD+的前體NMN作為抗衰老保健品成為京東最暢銷的商品，這是因為NAD+可能和每個人的健康壽命都有關系。這激勵著更多科學家們開展研究，探索NAD+多靶標抗衰老的功效和機理。基于質譜的蛋白質組學研究方法也在NAD+的研究中發揮重要作用。近日，分析測試百科網采訪了清華大學蛋白質化學與組學平臺主管鄧海騰教授，他研究NAD+ 20余年，并正在用蛋白質組學和質譜技術，揭示生命更多的奧秘。

蛋白質組學平臺 完整workflow

　　清華大學蛋白質化學與組學平臺隸屬于清華大學蛋白質研究技術中心，致力于發展和應用蛋白質組、代謝組學以及化學生物學的技術方法，向全校各實驗室和研究中心提供質譜、蛋白質組學和代謝組學的分析服務。在基礎科研方面，鄧海騰關注于氧化還原生物學，研究其在生物過程中的功能和作用機制；在轉化醫學的應用層面，致力于發展衰老及其相關疾病的生物標志物，開發提高健康壽命的小分子植物提取物、納米抗體和疫苗類新型分子。

   　通過多年的探索，鄧海騰課題組已發展出一套從基礎到轉化的工作流程，從功能蛋白質組學出發發現靶標，篩選針對靶標的抗體和抑制劑，進而對抗體進行表達、純化和功能化修飾，然后研究這些分子在細胞和動物疾病模型中的功能和作用機制。課題組可以獨立完成臨床前的整套工作流程，已經明確了幾個衰老相關的靶標，發展了抗衰老的黃酮類分子和納米抗體、相關的抗衰老疫苗研究也在順利進行中。” 鄧海騰介紹說。

　　清華大學蛋白質化學與組學平臺屬于鳳凰工程的一部分。2012年，我國生命科學領域最大的單體項目“國家蛋白質科學基礎設施—北京基地（以下簡稱為‘鳳凰工程’）”開始建設，清華大學負責復合結構蛋白質組解析系統及功能蛋白質組研究系統的部分設施支撐。在鳳凰工程清華基地設施建設基礎上，成立“清華大學蛋白質研究技術中心”，下設11個子平臺，其中便包括了早在2008年9月成立的蛋白質化學與組學平臺。

　　迄今，鄧海騰教授帶領的蛋白質組學平臺與劉曉蕙研究員帶領的代謝組學平臺，可以為清華的各個院系和全球的研發機構提供涵蓋所有蛋白質組學和代謝組學相關的服務。蛋白質化學與組學平臺提供的常規服務如蛋白質鑒定、蛋白N/C端分析、蛋白質質量精準測定、蛋白-配體相互作用分析、定量蛋白質組學分析、抗體全序列測定、和組蛋白翻譯后修飾譜分析等。

　　“除了常規服務，我們還致力于發展功能蛋白質組學的服務能力，”鄧海騰介紹說。比如，陳宇凌博士擅長開發微量蛋白定量方法；孟獻斌工程師在交聯質譜上有豐富的經驗；田曉琳工程師發展和應用了氫氘交換質譜；李進工程師擅長蛋白復合物的分子量測定；韓萌工程師在Edman測序和蛋白質/抗體全序列測定上經驗豐富。這擁有十八般武藝的團隊為蛋白質組學平臺帶來了活力和效率，他們憑借專業的技術支持使平臺能夠為學校內研究提供高質量的服務，為更加深入地探究衰老的“本質”提供了有力的保障。

20年NAD+研究 探索抗衰機理

NAD+的分子式

　　NAD+（Nicotinamide adenine dinucleotide），全稱煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，是維持人體生理功能的關鍵分子，從亞瑟.哈登1904年發現輔酶NAD+并獲得Nobel獎以來，NAD+一直是生物醫學研究的熱點。

　　NAD+是細胞中最重要的生物分子之一，它作為輔酶參與各類氧化還原反應，同時也參與了細胞能量代謝、信號傳導和基因轉錄調控等過程。實驗動物和臨床研究表明，隨著年齡的增長NAD+的水平大幅下降，而提高機體NAD+水平，能夠改善甚至逆轉多種衰老相關疾病的發生發展，提高健康壽命。近年來被追捧的NMN是NAD+的一種前體和高效補充劑。

　　“去年，京東上賣得最好的一款營養品就是NMN。毫無疑問，NMN對健康壽命的提高有幫助，不然不會有那么多人用NMN。”鄧海騰回顧說，“很多人會問我NAD+的相關問題，我們近20年一直開展NAD+的研究包括早期首次鑒定CD38和Sir2的反應中間體；目前關注于NAD+的各種前體，包括NMN的研究。”

　　NAD+研究的難點是其既可以作為輔酶，同時也是DNA修復酶PARP、去乙酰化酶Sirtuins的底物。藥物分子大都作用于一個靶標，而NMN補充則會影響細胞中多個生物過程，我們并不知道那一個生物過程對抗衰老貢獻最大。不同的研究人員會應用不同的研究方法。“我們主要是應用蛋白質組學方法。”鄧海騰說，“通過定量蛋白質組學，我們發現小鼠腎臟內過氧化物酶體的數量隨著衰老而顯著減少；小鼠服用NMN 1-2個月后，腎臟組織中的過氧化物酶體的數量大幅提高，增強腎臟的代謝水平，改善腎臟對損傷的反應。課題組還發現，在衰老的小鼠肝臟中，大部分高表達的酶都是抗氧化酶和解毒酶，調控這些酶表達的轉錄因子Nrf-2也高度分布在細胞核中，而衰老小鼠服用NMN以后，細胞核中的Nrf-2降低，提高了細胞的抗應激能力，保護了肝臟的生理功能，這可能是NMN最重要的生理功能。

　　“我們對NAD+領域比較大的貢獻是發現了一些作用機理。”鄧海騰說，“我們揭示了NMN通過抑制炎癥因子分泌，提高機體抵抗炎癥的能力。”課題組相繼在《細胞化學生物學》、《衰老》、《自由基生物學與醫學》、《蛋白質組學研究》、《分子生物學前沿》和《細胞凋亡和疾病》等雜志上發表了一系列關于NAD+的研究論文，揭示了煙酰胺單核苷酸（NMN）及其衍生物的重要生物學功能和作用機制，并首次合成了還原型的NMN（NMNH），它在細胞水平和動物水平都具有更強地提高NAD+含量的功能，是一種高效的NAD+促進劑。鄧海騰課題組通過多組學的大數據分析闡明了NMN新的生物學功能及作用機制，為衰老科學的發展提供了線索與研究思路。

　　鄧海騰總結說：“從上述角度來講，NMN的功能無疑對健康非常重要；但也不是無所不能，所以我們研究的一個方向就是如何設計NMN的組方，提高人的健康壽命。”

賽默飛質譜：穩定易用、適應多種項目

　　眾多的研究成果離不開分析“利器”。 鄧海騰談到科學儀器和質譜的作用時說：“科學儀器是整個生物醫學發展、尤其是上世紀以來生物醫學發展最基礎的工具。比如我們課題組任何重要的發現都離不開質譜。作為通用的工具，質譜既可以鑒定也可以進行量化和功能研究；若沒有質譜，當今大部分生物醫學的研究，尤其是蛋白質相關的研究會受到很多限制。對微觀世界尤其在生物醫學中微觀世界的認識中，質譜是必不可少的工具。”

　　“賽默飛質譜一直是我們實驗室的主力儀器。”鄧海騰回顧說，“我們近10年發表或參與發表的論文約230篇，每一篇都離不開賽默飛的質譜。可以這樣講，沒有賽默飛的質譜，我們課題組的項目沒有一個能夠順利進行下去。”

鄧海騰課題組的賽默飛質譜們

　　“我本科學物理化學和電化學就用到質譜，后來在大學的研究平臺工作，為研究課題組提供技術支持。”鄧海騰說，“平臺對儀器的要求是：穩定、容易使用、并能為研究機構中許多不同的研究項目提供支持。從早期使用LCQ和LTQ開始，對賽默飛質譜的印象就是：非常穩定、非常容易使用、并能夠提供大量的Information。多年來，賽默飛質譜不斷創新，解決了眾多生物研究過程中的問題。選擇Orbitrap，是因為眾多的研究項目需要它。”

　　“我經常帶學生回顧Orbitrap發展的歷史，這是儀器發展史上閃光的一頁：從理論的一篇文章發展成商用質譜儀，2-3年發展出原型機，隨后迅速迭代出多種不同的、具有革命性創新的質譜儀。50萬的分辨率，為研究者提供了非常精確的蛋白質測量工具。近期推出的Orbitrap Ascend Tribrid，能夠令研究者更深入地認識蛋白質變體、認識翻譯后修飾，對蛋白質完整結構的認識達到更深入的層面。” 鄧海騰還談到了賽默飛的維修工程師：“他們很敬業，具有獻身精神。賽默飛工程師深夜維修儀器的身影令我難忘。”

　　談到未來的合作期望鄧海騰表示：“希望賽默飛的質譜能力不斷擴展，我們可以同賽默飛一同合作，發展更多的技術和方法。首先是針對蛋白變體。蛋白質組學此前的策略大都用bottom up，實際上搜索的是基因庫。未來，希望可以直接檢測到蛋白質變體并解析蛋白的功能，這需要發展對蛋白變體的識別和定量技術。

　　其次是研究細胞中蛋白的結構變化。此前氫氘交換技術可以看到in vitro（體外）蛋白的結構變化，但無法了解其在in vivo（體內）的變化，如果質譜可以提供這方面的信息，將極大幫助我們解析基因的功能。雖然目前分子熱蛋白質組學技術可以發現一些小分子的靶標，但如何穩定、可重復地每一次都測到真正的靶標仍然具有挑戰性，我們希望同賽默飛合作，發展更好的方法和技術來研究蛋白質組動態的結構變化。”

我國生物醫學研究的水平和挑戰

　　談到國內蛋白質組學等生物醫學的研究時鄧海騰表示：“近20年來中國實施了非常有效的政策方針，即施一公院長提出的：吸引一批優秀的人員回來，并為他們提供一流的技術平臺。我的工作就是為一流的基礎研究人員提供這種平臺。20年來，從基礎研究到技術研究，有大量的優秀人才從世界各地最好的實驗室回到中國，并帶來新的技術和理念；國家為他們提供一流的技術平臺支撐。因為在微觀世界的認識中技術是非常重要的一部分，好方向+好理念+技術支撐，使我國在生物醫學領域已經占有領先地位。

　　目前的差距主要還在技術領域，比如在儀器的研發上我國和國外實驗室還有差距。比如美國西北大學利用Orbitrap開發的Charge detection技術，我國還沒有此類工作的報道。此外，試劑的研發也存在差距，比如合成類似賽默飛的TMT試劑，將穩定同位素定點加到分子中是一個復雜的過程。”

未來展望

　　“質譜還有很多的提升空間。”鄧海騰展望質譜的發展時說，“首先是電離技術的改進。現在測定的分子大都具有較高的質子親和性。希望將來可以利用質譜解析多糖結構，尤其是脂多糖的結構。解析脂多糖的結構和功能，還需要發展新型的電離方式。其次，質譜碎裂技術也有待改進。期待有更好的碎片技術，可以只產生簡潔的b離子和y離子系列。第三，目前蛋白酶解產生的肽段，電離效率不一樣。如果有一種技術可以讓一個蛋白產生的肽段具有相同的電離效率，將是技術上的突破。第四，在色譜方面目前也缺乏能夠精準分離蛋白的色譜，期待色譜柱或分離原理方面的突破。”

　　“我的興趣非常廣泛”，鄧海騰談到未來的研究方向時說，“作為平臺，我們為各種不同的研究項目提供服務和技術支撐，我們關注蛋白研究領域的變化和發展，比如當前熱門的mRNA疫苗。將來能否直接用mRNA轉化為蛋白來改善人的健康狀況。我個人的興趣是開發抗衰老疫苗，期望在3~5年后我們能推出一款疫苗，使得我們能夠健康工作更長的時間。”

　　人物簡介

　　鄧海騰，平臺主管 教授 博士生導師

　　1996年在賓州州立大學獲得博士學位，之后在加拿大阿拉伯塔大學和美國橡樹嶺國家實驗室從事博士后研究，先后在愛因斯坦醫學院和內布拉斯加大學擔任助理教授，回國前任洛克菲勒大學研究副教授和蛋白質組學分析中心的主任。現擔任清華大學生命科學學院教授和蛋白質化學及組學平臺主管。主要研究領域為發展和應用蛋白質組學、代謝組學和化學生物學的技術和方法；研究氧化還原生物學在衰老和疾病中的功能和作用機制。

附錄 鄧海騰課題組NAD⁺的相關研究