尤尔根•考克斯一个和加里Kruppab
一个研究小组的计算系统生物化学、马克斯普朗克研究所的生物化学、Klopferspitz 18, 82152 Martinsried,德国。(电子邮件保护);
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b副总统,蛋白质组学,力量Daltonics
在过去的二十年里,重大的技术进步和新方法使蛋白质蛋白质组学一个极其强大的工具科学家、生物学家和临床研究。1随着分析仪器不断发展,越来越多的数据和每一个蛋白质组学研究的技术进步产生。当然,这也为生物信息学软件开发提出了新的挑战。
现代高通量质谱(MS)的蛋白质组学方法,都必须获得深入理解生物过程产生大量的数据。这个原始数据需要强大的、自动化的计算机方法,提供可靠的识别和量化的蛋白质。
定量蛋白质组学软件
免费提供学术和非学术研究人员,许多实验室全球受益于MaxQuant定量蛋白质组学软件包的精确的蛋白质和肽量化算法。软件是由计算系统生化组Martinsried马克斯普朗克研究所的生物化学(MPIB),德国慕尼黑。该组织还开发了珀尔修斯,一个软件平台,支持研究人员解释蛋白质的量化和交互数据以及数据转录后修饰(天车)。
MaxQuant拥有一个大的生态系统综合数据分析的算法。它包含肽搜索引擎仙女座,再加上珀尔修斯,是为下游提供一个完整的解决方案开发的生物信息学分析。2MaxQuant执行量化与标签和通过MaxLFQ label-free数据上的算法,并实现高肽质量精度由于其先进的非线性校准算法。
为四维MaxQuant蛋白质组学
MaxQuant通常用于液相色谱加上串联质谱(质/ MS)猎枪proteomics-a识别方法在复杂的蛋白质混合物提供更广泛的动态范围和覆盖的蛋白质。
猎枪(自底向上)蛋白质组学是最常用的MS-based方法研究蛋白质消化成肽女士之前分析。
离子迁移率可以添加进一步维度基于质猎枪蛋白质组学有潜力提高蛋白质组报道,量化精度和动态范围。然而,这些额外的信息需要合适的软件,提取四维(4 d)中包含的信息数据空间张成m / z、保留时间、离子迁移和信号强度。
图1所示。截图MaxQuant定量蛋白质组学软件包用于分析大型质量光谱数据集。来源:Maxquant.org
添加离子迁移率的影响维度可以看到在蛋白质组学领域,例如,在力量的timsTOF专业仪器的广泛应用,旨在提供更大的灵敏度、选择性和MS / MS收购为蛋白质组学研究的速度。小说设计允许离子积累在前面部分,而离子在后面部分发布的顺序取决于他们的离子迁移,并在随后扫描选定的前驱可以针对MS / MS。这个过程称为并行串行碎片,积累或PASEF®。3
独特的困离子迁移谱(蒂姆)设计允许研究人员反复测量所有检测离子碰撞截面(CCS)值,和那些可以用来进一步提高系统的选择性,使越来越多的可靠的相对定量信息从复杂样品和短梯度分析。
蒂姆的质猎枪蛋白质组学为基础,使用PASEF,有可能促进蛋白质组报道,量化精度和动态范围,导致快速敏感的分析。的增长速度造成PASEF技术允许更多的待分析样品在较短的时间内,也会产生大量的光谱数据,当处理大样本人群创造挑战。
MPIB软件开发人员采用MaxQuant猎枪工作流中提取蛋白质组学从timsTOF Pro这大量的信息数据,使它可以管理4 d功能在张成的空间保留时间,离子迁移率,质量和信号强度有利于识别和量化的多肽,蛋白质和天车。
蒂姆斯挑战对于软件开发人员,因为它不仅仅是一块新的信息增加了一个额外的维度。产生更新MaxQuant 4 d-proteomics工作流可以处理数据通过PASEF data-independent收购(dia) -PASEF和机动性抵消质量一致(MOMA)。
添加另一个维度可以延长算法处理时间,为软件开发4 d-proteomics创造一个重大的挑战。因此,团队优化计算时间在MaxQuant克服这一点,这样用户就可以在合理的时间内实现好的结果。
图2。timsTOF专业仪器的设计。来源:www.Bruker.com
4 d-proteomics新兴应用程序
强大的女士的发展技术导致的扩张MaxQuant和软件在蛋白质组学领域的能力以满足未来的需求。这些改进帮助研究人员开发新的功能和应用程序通过提供更多的灵敏度和选择性识别和量化的多肽,蛋白质和天车。仪器的进步也提振MaxQuant的持续发展。MPIB软件开发团队的目标始终是扩大和改善MaxQuant满足生物过程的复杂性和小说女士仪器。
临床蛋白质组学研究
MPIB计算系统生物化学研究团队认为将临床蛋白质组学研究的一个主要的应用4 d-proteomics在未来,他们正在与一些临床组织带来MS-based蛋白质组学在临床实践。然而,蛋白质组学的分析的数据来源于患者的样本需要特殊的计算策略。需要解决的问题包括:如何从数据中提取有意义的蛋白质表达特征与个体变异性高,如何将病人的基因组背景集成到蛋白质组学数据的分析,以及如何确定生物标志物和正确估计自己的预测能力。
回答这些问题,MPIB软件开发人员正在使用机器学习算法对患者进行分类和使用特征选择算法来提取预测蛋白质签名。额外的临床试验对软件引擎提供了一个挑战。,目前还不清楚如果蛋白质组学将成为指导分子看,或者如果这将是临床诊断的重要组成部分。
单细胞蛋白质组学
而今天的实验室从单细胞基因组生成大型数据集和单细胞转录组研究中,单个细胞蛋白质组学(sc-proteomics)是一个新兴的领域。它有潜力使研究人员检测和量化单个细胞的蛋白质,避免需要推断蛋白质从细胞信使rna水平。4这也为计算分析提出了新的挑战。
MPIB研究人员正在展望未来的需求随着sc-proteomics发展,密切研究新兴技术建立量化标准。软件开发人员相信sc-proteomics将在未来几年内可以实现的。两个主要的进步使这将是提高灵敏度的仪器和软件工作。
Data-independent收购
最近的进步data-independent收购(DIA)敏感性鼓励MPIB计算系统生物化学团队DIA工作流融入MaxQuant使用机器学习算法。DIA的成功依赖于关键仪器capabilities-namely分辨率、灵敏度、精度和动态范围fast-spectral采集速率不妥协。
DIA已经实现timsTOF Pro的方式利用速度和灵敏度的商旅和PASEF,称为dia-PASEF的方法®。dia-PASEF数据的4 d性质的优势DIA软件开发人员,他们可以使用额外的离子迁移维度的校准和提取的功能。最近的技术进步,以及印度的发展方法,提供了新的机会MPIB计算系统生物化学研究小组。
MaxQuant开发者热衷于平台的即将到来的DIA能力。银两和印度正在成为可比,因为提高仪器的灵敏度。为用户硬件变得更简单,但数据更具挑战性,因为软件必须找到哪些片段属于分子。解决这些挑战将提供一个更深的蛋白质组学的报道,这可能会延长4 d-proteomics申请临床研究应用的可行性,如前所述。
图3。例子展示dia-PASEF可以有效地碎片几乎所有肽离子洗脱在给定的保留时间。数据由:A.-D f·迈耶。雾,m .弗兰克·a·哈,Bludau, e . Voytik s Kaspar-Schoenefeld m .吕贝克o . Raether r . Aebersold b·柯林斯H.-L。罗斯特和m .曼”并行-串行积累碎片结合data-independent收购(diaPASEF):自下而上的蛋白质组学与附近的最优使用”,bioRxiv656207 (2020)。https://doi.org/10.1101/656207
结论
生物信息学软件开发是一个不断变化的领域,在未来将会看到更多的技术进步。随着分析仪器的进步,甚至MPIB计算系统生物化学团队必须处理大量的信息在软件方面,因为这些工具继续扩大动态范围和能力。
这些改进MaxQuant软件平台可能是由于重要合作MPIB计算系统生物化学研究小组和其他机构和行业领导者。这些协作包括项目旨在提高蛋白质组学技术、MaxQuant提供必要的计算工具来分析数据获得新的和新兴的硬件平台。这些合作的结果将被用于开发软件的未来版本优化4 d-proteomics工作流。
引用
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