To gain new biological insights - Virus research solutions

Význam tématu

Rostoucí riziko nových virových patogenů a pandemických hrozeb vyžaduje rozšířený výzkum virů s přístupem omikových technologií. Hmotnostní spektrometrie (MS) umožňuje komplexní profilování virových částic, jejich povrchových struktur, proteinového složení a vlivu na buněčné metabolické dráhy hostitele. Tyto informace jsou klíčové pro pochopení biologických mechanismů virů, vývoj diagnostiky, vakcín a terapií.

Cíle a přehled studie / článku

Článek představuje portfolio řešení společnosti Thermo Fisher Scientific pro virologický výzkum založený na hmotnostní spektrometrii. Cílem je nabídnout integrované workflow pro proteomiku, glykoproteomiku, fosfoproteomiku, lipidomiku, metabolomiku, strukturální biologie, cílené kvantitativní metody a aplikace pro rychlé detekční testy.

Použitá metodika a instrumentace

Metodiky zahrnují:

• Quantitative proteomics: label-free quantitation (LFQ) a TMT multiplexní značení
• Glycoproteomics a glycomics pro analýzu glykanových vzorců
• Phosphoproteomics pro studium fosforylačních modifikací
• Integrativní strukturální biologie: native MS, top-down MS, HDX-MS (hydrogen-deuterium exchange), crosslinking-MS, affinity purification-MS
• Cílené kvantitativní assay: SRM (triple quadrupole), PRM a SureQuant IS workflow na Orbitrapu
• Metabolomics: untargeted a semi-targeted přístupy pro detekci metabolických signatur infekce

Použitá instrumentace

• Orbitrap Exploris, Orbitrap Eclipse Tribrid, Q Exactive UHMR – Orbitrap masové analyzátory
• Vanquish Neo, Vanquish Horizon – vysokotlaké kapalinové chromatografy (UHPLC)
• EASY-Spray PepMap, Acclaim PepMap, MAbPac SEC, Poroszyme peptidové kolony pro LC
• Nanospray Flex Ion Source, FAIMS Pro, UltiMate NCS-3500RS – ionizační a separační moduly
• Trajan LEAP HDX Extended Parallel System – platforma pro HDX-MS experimenty
• Thermo Scientific Sample Prep Kits: EasyPep MS, HyperSep Retain AX, High-Select Fe-NTA, TMT reagencie aj.
• Software: Proteome Discoverer, Spectronaut, Compound Discoverer, Skyline, BioPharma Finder, Byonic, ptmRS, HDExaminer

Hlavní výsledky a diskuse

Orbitrap MS technologie se osvědčila v přesné analýze virových proteinů, PTM a komplexních vzorků s nejvyšší citlivostí a rozlišením. Kvantitativní proteomika odhalila epitope na virových antigenech a profil imunitní odpovědi. Glycoproteomics identifikovala glykosylační vzorce, jež ovlivňují imunitní únik. Fosfoproteomika ukázala klíčové signalizační změny hostitelských buněk. Strukturální MS techniky mapují virus–host interakce, dynamiku kapsidu a topologii proteinových komplexů. Cílené SRM/PRM/SureQuant workflow umožňuje rychlou a robustní detekci virových proteinů v klinických vzorcích. Metabolomické studie odhalily charakteristické změny metabolitů spojené se závažností a průběhem onemocnění.

Přínosy a praktické využití metody

• Detailní charakterizace virových proteinů, jejich variant a PTM
• Podpora vývoje vakcín, terapeutických protilátek a malých molekul
• Vytváření a validace cílených diagnostických testů založených na MS
• Identifikace hostitelských biomarkerů pro prognózu a monitorování léčby
• Integrované workflow zvyšuje efektivitu výzkumu a zkracuje dobu od objevu k aplikaci

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj se očekává v automatizaci a škálovatelnosti workflow, v integraci multi-omics dat, v real-time a vysoce propustných cílených assay pro rychlou odezvu na pandemie, v použití umělé inteligence pro pokročilou analýzu dat a v personalizované viromice. Strukturované MS přístupy umožní detailnější studium virusových nanoassemblies a dynamiky interakcí.

Závěr

Komplexní portfolio MS technologií Thermo Fisher Scientific poskytuje robustní a citlivé nástroje pro široké spektrum virologických studií. Kombinace kvantitativní proteomiky, glycomiky, strukturálních MS a cílených detekčních assay urychlí přechod od základního výzkumu k diagnostice a vývoji terapií a vakcín, což je klíčové pro připravenost na budoucí virové hrozby.

Reference

• Proteomic and Metabolomic Characterization of COVID-19 Patient Sera – Cell 2020, 182(1), 59-72.
• Multi-organ proteomic landscape of COVID-19 autopsies – Cell 2021, 184(3), 775-791.
• Profiling SARS-CoV-2 HLA-I peptidome reveals T cell epitopes from out-of-frame ORFs – Cell 2021, 184(15), 3962-3980.
• Autoproteolytic Products of the SARS-CoV-2 Nucleocapsid Protein are Primed for Antibody Evasion and Virus Proliferation – bioRxiv 2020.
• Proteoforms of the SARS-CoV-2 nucleocapsid protein are primed to proliferate the virus and attenuate the antibody response – bioRxiv 2020.
• NeutrobodyPlex—monitoring SARS-CoV-2 neutralizing immune responses using nanobodies – EMBO Rep 2021, 22(5): e52325.
• Studies in humanized mice and convalescent humans yield a SARS-CoV-2 antibody cocktail – Science 2020, 369(6506), 1010-1014.
• The SARS-CoV-2 spike reversibly samples an open-trimer conformation exposing novel epitopes – bioRxiv 2021.
• Site-specific glycan analysis of the SARS-CoV-2 spike – Science 2020, 369(6501), 330-333.
• Virus-Receptor Interactions of Glycosylated SARS-CoV-2 Spike and Human ACE2 Receptor – Cell Host & Microbe 2020, 28(4), 586-601.
• The Global Phosphorylation Landscape of SARS-CoV-2 Infection – Cell 2020, 182, 685–712.
• Mass Spectrometry Analysis of Newly Emerging Coronavirus HCoV-19 Spike Protein and Human ACE2 Reveals Camouflaging Glycans and Unique Post-Translational Modifications – Engineering 2020.
• Growth factor receptor signaling inhibition prevents SARS-CoV-2 replication – Molecular Cell 2020, 80(1), 164-174.
• Actionable Cytopathogenic Host Responses of Human Alveolar Type 2 Cells to SARS-CoV-2 – Molecular Cell 2020, 80(6), 1104-1122.
• Multilevel proteomics reveals host perturbations by SARS-CoV-2 and SARS-CoV – Nature 2021, 594, 246-252.
• Native-like SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein Expressed by ChAdOx1 nCoV-19/AZD1222 Vaccine – ACS Central Science 2021, 7(4), 594-602.
• A SARS-CoV-2 protein interaction map reveals targets for drug repurposing – Nature 2020, 583, 459-468.
• The SARS-CoV-2 RNA–protein interactome in infected human cells – Nature Microbiology 2021, 6, 339-353.
• The SARS-CoV-2 nucleocapsid phosphoprotein forms mutually exclusive condensates with RNA and the membrane-associated M protein – Nature Communications 2021, 12, Article number: 502.
• Proteomic and Metabolomic Characterization of COVID-19 Patient Sera – Cell 2020, 182(1), 59-72.
• Large-Scale Multi-omic Analysis of COVID-19 Severity – Cell Systems 2021, 12(1), 23-40.
• The specific metabolome profiling of patients infected by SARS-COV-2 supports the key role of tryptophan-nicotinamide pathway and cytosine metabolism – Scientific Reports 2020, 10, Article number: 16824.
• Untargeted metabolomics of COVID-19 patient serum reveals potential prognostic markers of both severity and outcome – medRxiv 2020.
• Untargeted saliva metabolomics reveals COVID-19 severity – medRxiv 2021.
• Establishing a mass spectrometry-based system for rapid detection of SARS-CoV-2 in large clinical sample cohorts – Nature Communications 2020, 11(1), Article number: 6201.
• A mass spectrometry-based targeted assay for detection of SARS-CoV-2 antigen from clinical specimens – EBioMedicine 2021, 69:103465.
• Data, reagents, assays and merits of proteomics for SARS-CoV-2 research and testing – Molecular & Cellular Proteomics 2020, 19(9), 1503-1522.
• Proteotyping SARS-CoV-2 Virus from Nasopharyngeal Swabs: A Proof-of-Concept Focused on a 3 Min Mass Spectrometry Window – Journal of Proteome Research 2020, 19(11), 4407-4416.