科學通報|復旦大學曹緯倩課題組綜述位點特異性糖基化蛋白質組學研究進展

近日，復旦大學曹緯倩團隊在《科學通報》復旦大學生物醫學研究院建院20周年專輯上發表題為“位點特異性糖基化蛋白質組學研究回顧與展望”的綜述文章，系統回顧了過去二十年基于質譜的糖蛋白質組學的發展歷程，深入探討了糖肽富集技術、質譜分析方法、數據解析工具及數據庫建設等方面的進展，重點聚焦于完整糖肽解析的研究成果。同時，指出了當前糖蛋白質組學研究中亟需解決的問題，并展望了未來在解析深度、全面性、準確性及生物醫學應用等方面的發展方向。

糖質是繼核酸和蛋白質之后的第三條生命鏈。過去二十年間，隨著質譜技術的革新，糖蛋白質組學研究實現了從位點鑒定到完整糖肽解析的重大跨越。這些技術進步為癌癥、免疫疾病等重大疾病的機制研究提供了全新視角，也為相關生物標志物的發現奠定了方法學基礎。近日，復旦大學曹緯倩課題組對位點特異性糖基化蛋白質組學研究進行了回顧與展望。

文中首先梳理了過去二十年間基于質譜的糖蛋白質組學發展歷程。2012年之前，受限于技術手段，主要采用"去糖鏈"策略進行糖基化位點鑒定，雖能實現位點定位，但丟失了關鍵的糖鏈結構信息。2012年后，完整糖肽鑒定技術體系逐步建立：通過開發多重碎裂模式獲取更完整的譜圖信息，或借助預建庫策略優化檢索效率，提升鑒定能力。2017年以來，糖蛋白質組學迎來快速發展期，在通量和精度方面取得突破性進展。高效富集方法、創新質譜技術和智能數據分析平臺的整合應用，不僅大幅簡化了分析流程，更使糖肽鑒定數量與準確性顯著提升。

糖蛋白質組學研究面臨著糖肽低豐度（<5%總肽段）和高度異質性的雙重挑戰，非糖肽的離子抑制效應導致質譜中目標糖肽的信號強度降低，同時使糖肽檢測的信噪比顯著下降。為此，研究者們開發了多元化的富集技術體系，包括酰肼化學法、硼酸化學法、凝集素親和層析、體積排阻、親水作用色譜以及新型功能材料。

完整糖肽的質譜解析一直面臨著獨特的技術挑戰。由于糖鏈具有復雜的分支結構，且糖鏈與肽段在質譜中的碎裂行為存在顯著差異，傳統蛋白質組學的分析方法和解析工具難以實現完整糖肽的準確鑒定。這主要體現在兩個方面：首先，糖鏈與肽段的碎裂能級存在差異；其次，糖苷鍵與肽鍵的斷裂模式不同。這些特性使得常規的蛋白質組學分析方法在糖肽鑒定中效果有限。

為攻克這些技術難題，近二十年來質譜技術和解析算法協同發展，取得了系列重要突破。在質譜技術方面，從基礎的單一碎裂模式（如離子阱CID、束型CID、HCD、ETD），到組合碎裂模式（如ETciD、EThcD），再到創新的階梯能量HCD-MS/MS方法。這些技術進步使得糖肽鑒定的通量較2010年提升了3個數量級，工作流程也從早期的"多流程鑒定"優化為"單次實驗完成"的高效模式。

在算法開發方面，糖肽解析軟件目前經歷了三個重要的發展階段。早期（2016年前）的解析工具主要依賴預建庫，如GRIP、GPQuest；隨后發展出支持多碎片類型解析的平臺，如Byonic、GlycoPAT；如今，出現了具有完整糖肽水平質控、高效解析策略的解析工具，如pGlyco3、MSFragger-Glyco，以及預測技術，如DeepGP、DeepGlyco。這些算法進步大大提高了糖肽鑒定的準確性和可靠性。與此同時，糖肽定量技術也取得了突破性進展，形成了兩大主要技術路線：基于DIA策略的定量工具，如GproDIA平臺的定量功能；以及基于DDA鑒定結果的定量工具，如pGlycoQuant的缺失值填補功能。這些技術進步共同構成了完整糖肽解析體系，為糖基化研究提供了強有力的方法學支撐，極大地推動了糖蛋白質組學領域的發展。

隨著糖蛋白質組學數據的不斷生成，海量數據的深度挖掘已成為該領域的研究重點，催生了多層次數據庫體系的構建，如GlycoStore、Glycosciences.DB等糖鏈數據庫；UniPep等含修飾位點的糖鏈庫，含有位點特異性數據；以及GlycAP等下游分析平臺，支持定量分析、臨床分析等。這些數據庫的建立為糖蛋白質組學研究提供了重要的數據支撐和工具保障。

當前，糖蛋白質組學已展現出巨大的研究價值和應用潛力，正逐步發展成為生命科學的核心研究領域之一。該領域的研究范式已實現從簡單的糖基化位點鑒定到完整糖肽精細解析的重大跨越。特別值得關注的是，深度學習和人工智能技術的引入顯著提升了糖蛋白質組學的分析能力，使研究進入了高精度、高效率的新階段。未來，糖蛋白質組學將不斷拓展其在基礎科學和臨床研究中的廣泛應用，深刻改變我們對生物系統、疾病機制及其治療的理解，并為個性化醫療和早期疾病診斷提供更加精準的工具和策略。

復旦大學生物醫學研究院碩士生陳樂晗為本文第一作者，曹緯倩副研究員為通訊作者。相關研究得到了國家重點研發計劃（2024YFA1306300）, 國家自然基金委面上項目（32271490）資助。

文章信息

陳樂晗, 劉佳林, 曹緯倩, 位點特異性糖基化蛋白質組學研究回顧與展望, 科學通報, Volume 70, Issue 15, 2025, Pages 2302-2318, ISSN 0023-074X, https://doi.org/10.1360/TB-2024-1409.

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