Extensive genomic characterization of human cancers presents the problem of inference from genomic abnormalities to cancer phenotypes. To address this problem, we analysed proteomes of colon and rectal tumours characterized previously by The Cancer Genome Atlas (TCGA) and perform integrated proteogenomic analyses. Somatic variants displayed reduced protein abundance compared to germline variants. Messenger RNA transcript abundance did not reliably predict protein abundance differences between tumours. Proteomics identified five proteomic subtypes in the TCGA cohort, two of which overlapped with the TCGA 'microsatellite instability/CpG island methylation phenotype' transcriptomic subtype, but had distinct mutation, methylation and protein expression patterns associated with different clinical outcomes. Although copy number alterations showed strong cis- and trans-effects on mRNA abundance, relatively few of these extend to the protein level. Thus, proteomics data enabled prioritization of candidate driver genes. The chromosome 20q amplicon was associated with the largest global changes at both mRNA and protein levels; proteomics data highlighted potential 20q candidates, including HNF4A (hepatocyte nuclear factor 4, alpha), TOMM34 (translocase of outer mitochondrial membrane 34) and SRC (SRC proto-oncogene, non-receptor tyrosine kinase). Integrated proteogenomic analysis provides functional context to interpret genomic abnormalities and affords a new paradigm for understanding cancer biology.

HDL lowers the risk for atherosclerotic cardiovascular disease by promoting cholesterol efflux from macrophage foam cells. However, other antiatherosclerotic properties of HDL are poorly understood. To test the hypothesis that the lipoprotein carries proteins that might have novel cardioprotective activities, we used shotgun proteomics to investigate the composition of HDL isolated from healthy subjects and subjects with coronary artery disease (CAD). Unexpectedly, our analytical strategy identified multiple complement-regulatory proteins and a diverse array of distinct serpins with serine-type endopeptidase inhibitor activity. Many acute-phase response proteins were also detected, supporting the proposal that HDL is of central importance in inflammation. Mass spectrometry and biochemical analyses demonstrated that HDL3 from subjects with CAD was selectively enriched in apoE, raising the possibility that HDL carries a unique cargo of proteins in humans with clinically significant cardiovascular disease. Collectively, our observations suggest that HDL plays previously unsuspected roles in regulating the complement system and protecting tissue from proteolysis and that the protein cargo of HDL contributes to its antiinflammatory and antiatherogenic properties.

Summary

 To provide a detailed analysis of the molecular components and underlying mechanisms associated with ovarian cancer, we performed a comprehensive mass-spectrometry-based proteomic characterization of 174 ovarian tumors previously analyzed by The Cancer Genome Atlas (TCGA), of which 169 were high-grade serous carcinomas (HGSCs). Integrating our proteomic measurements with the genomic data yielded a number of insights into disease, such as how different copy-number alternations influence the proteome, the proteins associated with chromosomal instability, the sets of signaling pathways that diverse genome rearrangements converge on, and the ones most associated with short overall survival. Specific protein acetylations associated with homologous recombination deficiency suggest a potential means for stratifying patients for therapy. In addition to providing a valuable resource, these findings provide a view of how the somatic genome drives the cancer proteome and associations between protein and post-translational modification levels and clinical outcomes in HGSC. 

Video Abstract

What to expect after a year in space Space is the final frontier for understanding how extreme environments affect human physiology. Following twin astronauts, one of which spent a year-long mission on the International Space Station, Garrett-Bakelman et al. examined molecular and physiological traits that may be affected by time in space (see the Perspective by Löbrich and Jeggo). Sequencing the components of whole blood revealed that the length of telomeres, which is important to maintain in dividing cells and may be related to human aging, changed substantially during space flight and again upon return to Earth. Coupled with changes in DNA methylation in immune cells and cardiovascular and cognitive effects, this study provides a basis to assess the hazards of long-term space habitation. Science , this issue p. eaau8650 ; see also p. 127

Summary

 We performed the first proteogenomic study on a prospectively collected colon cancer cohort. Comparative proteomic and phosphoproteomic analysis of paired tumor and normal adjacent tissues produced a catalog of colon cancer-associated proteins and phosphosites, including known and putative new biomarkers, drug targets, and cancer/testis antigens. Proteogenomic integration not only prioritized genomically inferred targets, such as copy-number drivers and mutation-derived neoantigens, but also yielded novel findings. Phosphoproteomics data associated Rb phosphorylation with increased proliferation and decreased apoptosis in colon cancer, which explains why this classical tumor suppressor is amplified in colon tumors and suggests a rationale for targeting Rb phosphorylation in colon cancer. Proteomics identified an association between decreased CD8 T cell infiltration and increased glycolysis in microsatellite instability-high (MSI-H) tumors, suggesting glycolysis as a potential target to overcome the resistance of MSI-H tumors to immune checkpoint blockade. Proteogenomics presents new avenues for biological discoveries and therapeutic development.

Some propose using phosphate binders in the CKD population given the association between higher levels of phosphorus and mortality, but their safety and efficacy in this population are not well understood. Here, we aimed to determine the effects of phosphate binders on parameters of mineral metabolism and vascular calcification among patients with moderate to advanced CKD. We randomly assigned 148 patients with estimated GFR=20-45 ml/min per 1.73 m(2) to calcium acetate, lanthanum carbonate, sevelamer carbonate, or placebo. The primary endpoint was change in mean serum phosphorus from baseline to the average of months 3, 6, and 9. Serum phosphorus decreased from a baseline mean of 4.2 mg/dl in both active and placebo arms to 3.9 mg/dl with active therapy and 4.1 mg/dl with placebo (P=0.03). Phosphate binders, but not placebo, decreased mean 24-hour urine phosphorus by 22%. Median serum intact parathyroid hormone remained stable with active therapy and increased with placebo (P=0.002). Active therapy did not significantly affect plasma C-terminal fibroblast growth factor 23 levels. Active therapy did, however, significantly increase calcification of the coronary arteries and abdominal aorta (coronary: median increases of 18.1% versus 0.6%, P=0.05; abdominal aorta: median increases of 15.4% versus 3.4%, P=0.03). In conclusion, phosphate binders significantly lower serum and urinary phosphorus and attenuate progression of secondary hyperparathyroidism among patients with CKD who have normal or near-normal levels of serum phosphorus; however, they also promote the progression of vascular calcification. The safety and efficacy of phosphate binders in CKD remain uncertain.

Adoption of targeted mass spectrometry (MS) approaches such as multiple reaction monitoring (MRM) to study biological and biomedical questions is well underway in the proteomics community. Successful application depends on the ability to generate reliable assays that uniquely and confidently identify target peptides in a sample. Unfortunately, there is a wide range of criteria being applied to say that an assay has been successfully developed. There is no consensus on what criteria are acceptable and little understanding of the impact of variable criteria on the quality of the results generated. Publications describing targeted MS assays for peptides frequently do not contain sufficient information for readers to establish confidence that the tests work as intended or to be able to apply the tests described in their own labs. Guidance must be developed so that targeted MS assays with established performance can be made widely distributed and applied by many labs worldwide. To begin to address the problems and their solutions, a workshop was held at the National Institutes of Health with representatives from the multiple communities developing and employing targeted MS assays. Participants discussed the analytical goals of their experiments and the experimental evidence needed to establish that the assays they develop work as intended and are achieving the required levels of performance. Using this “fit-for-purpose” approach, the group defined three tiers of assays distinguished by their performance and extent of analytical characterization. Computational and statistical tools useful for the analysis of targeted MS results were described. Participants also detailed the information that authors need to provide in their manuscripts to enable reviewers and readers to clearly understand what procedures were performed and to evaluate the reliability of the peptide or protein quantification measurements reported. This paper presents a summary of the meeting and recommendations. Adoption of targeted mass spectrometry (MS) approaches such as multiple reaction monitoring (MRM) to study biological and biomedical questions is well underway in the proteomics community. Successful application depends on the ability to generate reliable assays that uniquely and confidently identify target peptides in a sample. Unfortunately, there is a wide range of criteria being applied to say that an assay has been successfully developed. There is no consensus on what criteria are acceptable and little understanding of the impact of variable criteria on the quality of the results generated. Publications describing targeted MS assays for peptides frequently do not contain sufficient information for readers to establish confidence that the tests work as intended or to be able to apply the tests described in their own labs. Guidance must be developed so that targeted MS assays with established performance can be made widely distributed and applied by many labs worldwide. To begin to address the problems and their solutions, a workshop was held at the National Institutes of Health with representatives from the multiple communities developing and employing targeted MS assays. Participants discussed the analytical goals of their experiments and the experimental evidence needed to establish that the assays they develop work as intended and are achieving the required levels of performance. Using this “fit-for-purpose” approach, the group defined three tiers of assays distinguished by their performance and extent of analytical characterization. Computational and statistical tools useful for the analysis of targeted MS results were described. Participants also detailed the information that authors need to provide in their manuscripts to enable reviewers and readers to clearly understand what procedures were performed and to evaluate the reliability of the peptide or protein quantification measurements reported. This paper presents a summary of the meeting and recommendations. Targeted mass spectrometry (MS) approaches have tremendous promise for specific, reproducible and quantitative measurement of changes in the levels of proteins, peptides, and modified peptides of interest to biologists and biomedical researchers (1Gillette M.A. Carr S.A. Quantitative analysis of peptides and proteins in biomedicine by targeted mass spectrometry.Nat Methods. 2013; 10: 28-34Crossref PubMed Scopus (359) Google Scholar, 2Picotti P. Aebersold R. Selected reaction monitoring-based proteomics: workflows, potential, pitfalls and future directions.Nat. Methods. 2012; 9: 555-566Crossref PubMed Scopus (991) Google Scholar, 3Grebe S.K.G. Singh R.J.J. LC-MS/MS in the clinical laboratory—where to from here? Clin.Biochem. Rev. 2011; 32: 5-31Google Scholar and references therein). Adoption of targeted MS to study biological and clinical questions is well underway in the biomedical community with the assumption being that the measurements made using targeted MS methods are reliable, that is that they specifically identify and quantify the analytes targeted in a sample. In the field of proteomics, umbrella terms like “multiple reaction monitoring”, “selected reaction monitoring” (MRM 1The abbreviations used are:MRMmultiple reaction monitoringSRMselected reaction monitoringLODlimits of detectionLOQlimits of quantificationLLOQlower limits of quantification. 1The abbreviations used are:MRMmultiple reaction monitoringSRMselected reaction monitoringLODlimits of detectionLOQlimits of quantificationLLOQlower limits of quantification. and SRM, respectively; terms used interchangeably), “absolute quantification” and “targeted MS” can convey the erroneous message that the results are unquestionably correct with respect to what is being detected and how much is present. This is certainly not true, and is dependent on the extent to which the measurements have been analytically validated. multiple reaction monitoring selected reaction monitoring limits of detection limits of quantification lower limits of quantification. multiple reaction monitoring selected reaction monitoring limits of detection limits of quantification lower limits of quantification. The most widely used targeted MS approach at present is MRM (1Gillette M.A. Carr S.A. Quantitative analysis of peptides and proteins in biomedicine by targeted mass spectrometry.Nat Methods. 2013; 10: 28-34Crossref PubMed Scopus (359) Google Scholar, 2Picotti P. Aebersold R. Selected reaction monitoring-based proteomics: workflows, potential, pitfalls and future directions.Nat. Methods. 2012; 9: 555-566Crossref PubMed Scopus (991) Google Scholar, 3Grebe S.K.G. Singh R.J.J. LC-MS/MS in the clinical laboratory—where to from here? Clin.Biochem. Rev. 2011; 32: 5-31Google Scholar). Unlike discovery proteomics experiments in which full-scan MS/MS spectra are collected, in MRM only three to five fragment ions per-precursor are monitored, typically on triple quadrupole MS systems, the most widely available MS instruments in clinical and drug metabolism laboratories. The fragment ions monitored are generally those that are most abundant rather than those that are most sequence informative; as a result there is little-to-no sequence information in MRM data. Furthermore, in complex matrices like plasma, tissue or cell lysates, peptides with the same or similar precursor mass-to-charge ratio (e.g. ±1.5 in m/z) to an analyte of interest can give rise to many and sometimes all of the three to five fragment ions monitored for a specific analyte, resulting in false positives. Therefore, it is essential that other information be used to increase confidence in assignment and quantification in targeted MS experiments. In contrast to the long and well developed history of MS-based assay development for small molecules, drugs and metabolites (3Grebe S.K.G. Singh R.J.J. LC-MS/MS in the clinical laboratory—where to from here? Clin.Biochem. Rev. 2011; 32: 5-31Google Scholar, 4Lawson A.M. The scope of mass spectrometry in clinical chemistry.Clin. Chem. 1975; 21: 803-824Crossref PubMed Scopus (48) Google Scholar, 5Parsons H.G. Stable isotopes in the management and diagnosis of inborn errors of metabolism.Can. J. Physiol. Pharmacol. 1990; 68: 950-954Crossref PubMed Scopus (3) Google Scholar, 6Brumley W.C. Sphon J.A. Regulatory mass spectrometry.Biomed. Mass Spectrom. 1981; 8: 390-396Crossref PubMed Scopus (13) Google Scholar, 7Sphon J.A. Use of mass spectrometry for confirmation of animal drug residues.J. Assoc. Off. Anal. Chem. 1978; 61: 1247-1252PubMed Google Scholar, 8Vargo J.D. Determination of sulfonic acid degradates of chloroacetanilide and chloroacetamide herbicides in groundwater by LC/MS/MS.Anal. Chem. 1998; 70: 2699-2703Crossref PubMed Scopus (45) Google Scholar, 9Kuhara T. Noninvasive human metabolome analysis for differential diagnosis of inborn errors of metabolism.J. Chromatog. 2007; 855: 42-50Google Scholar, 10Pitt J.J. Eggington M. Kahler S.G. Comprehensive screening of urine samples from inborn errors of metabolism by electrospray tandem mass spectrometry.Clin. Chem. 2002; 48: 1970-1980Crossref PubMed Scopus (96) Google Scholar), consensus on what performance criteria are essential to define for peptide and protein assay development has yet to be achieved. This has led to a range of problems that continue to plague the development of reliable proteomic assays for both clinical and biological studies. For example, currently, a wide range of criteria are being applied in the proteomics community to assert that an assay has been successfully developed and that analytes of interest are being confidently detected and changes in their levels reliably quantified. Proteomics scientists are only slowly implementing practices in targeted, quantitative assay development that have been learned and adopted by the small molecule community (11Timmerman P. Anders Kall M. Gordon B. Laakso S. Freisleben A. Hucker R. Best practices in a tiered approach to metabolite quantification: Views and recommendations of the European Bioanalysis Forum.Bioanalysis. 2010; 2: 1185-1194Crossref PubMed Scopus (65) Google Scholar, 12Timmerman P. Herling C. Stoellner D. Jaitner B. Pihl S. Elsby K. Henderson N. Barroso B. Fischmann S. Companjen A. Versteilen A. Bates S. Kingsley C. Kunz U. European Bioanalysis Forum recommendation on method establishment and bioanalysis of biomarkers in support of drug development.Bioanalysis. 2012; 4: 1883-1894Crossref PubMed Scopus (45) Google Scholar, 13Timmerman P. Lausecker B. Barosso B. van Amsterdam P. Luedtke S. Dijksman J. ‘Large Meets Small’: connecting the bioanalytical community around peptide and protein bioanalysis with LC-MS(/MS).Bioanalysis. 2012; 4: 627-631Crossref PubMed Scopus (12) Google Scholar). Equally troubling is that targeted-MS papers are being published without clear and complete documentation of the analytical methods used or the assay performance, making it difficult if not impossible for reviewers and readers to have confidence that the tests work as intended to apply the tests described in their own labs with an expectation that similar results can be achieved. Therefore, we assert that strong, consensus guidance must be developed addressing quality assay development, if targeted proteomics is going to have the impact we all desire it to have, providing accurate, reliable assays of known performance metrics that can be widely distributed and applied by many labs worldwide. To begin to address the problems and their solutions, a workshop was held June 18 and 19, 2013 at the National Institutes of Health under the auspices of the National Cancer Institute (CPTAC - Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium) and National Heart, Lung, and Blood Institute (Proteomics Centers). Representatives from the multiple communities developing and employing targeted assays were present, including in vitro diagnostic companies, clinical laboratories, labs specializing in quantitative assay development for candidate biomarker verification and biology-focused labs. Investigators with long experience in the application of targeted MS methods for quantification of small molecules were invited to provide a review of the decades of practice and application of MRM in small molecule quantification, providing a foundation to principles that are equally applicable to the proteomic applications under discussion. Speakers and participants were asked to use a “fit-for-purpose” approach by identifying the analytical goals of their experiments and then to describe the performance characteristics required for success (14Thompson M. Ramsey M.H. Quality concepts and practices applies to sampling – an exploratory study.Analyst. 1995; 120: 261-270Crossref Scopus (89) Google Scholar, 15Bethem R. Boyd R.K. Mass spectrometry in trace analysis.J. Amer. Soc. Mass Spectrom. 1998; 9: 643-648Crossref Scopus (28) Google Scholar, 16Bethem R. Boison J. Gale J. Heller D. Lehotay S. Loo J. Musser S. Price P. Stein S. Establishing the fitness for purpose of mass spectrometric methods.J. Amer. Soc. Mass Spectrom. 2003; 14: 528-541Crossref PubMed Scopus (77) Google Scholar, 17Lee J.W. Devanarayan V. Barrett Y.C. Weiner R. Allinson J. Fountain S. Keller S. Weinryb I. Green M. Duan L. Rogers J.A. Millham R. O'Brien P.J. Sailstad J. Khan M. Ray C. Wagner J.A. Fit-for-purpose method development and validation for successful biomarker measurement.Pharm. Res. 2006; 23: 312-328Crossref PubMed Scopus (612) Google Scholar, 18Lee J.W. Figeys D. Vasilescu J. Biomarker assay translation from discovery to clinical studies in cancer drug development: quantification of emerging protein biomarkers.Adv. Cancer Res. 2007; 96: 269-298Crossref PubMed Scopus (69) Google Scholar, 19Cummings J. Raynaud F. Jones L. Sugar R. Dive C. on behalf of the Bioanalysis and Quality Assurance (BAQA) Group of the ECMCFit-for-purpose biomarker method validation for application in clinical trials of anticancer drugs.Br. J. Cancer. 2010; 103: 1313-1317Crossref PubMed Scopus (85) Google Scholar). Based on the goals of the measurements, we next sought to identify the experimental evidence (i.e. the “analytical validation” steps) needed to establish that the assays reported are working as intended and are achieving the required levels of performance (including the test's repeatability, reproducibility, limits of detection, analytical specificity, etc.). Computational and statistical tools useful for the analysis of targeted MS results, including generation of response/calibration curves, determination of limits of detection and quantification (LOD and LOQ, respectively), were discussed. This process led to the identification of three “Tiers” of assays/measurements that are described in detail, below. Participants were also asked to identify what information authors need to provide in their manuscripts to enable reviewers and readers to clearly understand what procedures were performed and to evaluate the reliability of the peptide or protein quantification measurements reported. We present a summary of those recommendations, below. As follow-on to the workshop and this report, Molecular and Cellular Proteomics intends to develop guidelines for authors of papers describing development and/or application of targeted MS methods. The need for establishing guidelines for authors parallels the situation in discovery proteomics before 2004 when similar issues relating to lack of ability to ascertain reliability of published results prompted the journal Molecular and Cellular Proteomics to develop and adopt the first set of guidelines for publication of peptide and protein identification data using mass spectrometry (20Carr S.A. Aebersold R. Baldwin M. Burlingame A. Clauser K. Nesvizhski A. The need for guidelines in publication of peptide and protein identification data.Mol. Cell. Proteomics. 2004; 3: 531-533Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (412) Google Scholar). These guidelines, which have been repeatedly revised and updated over the past several years (21Bradshaw R.A. Burlingame A.L. Carr S. Aebersold R. Reporting protein identification data: the next generation of guidelines.Mol. Cell. Proteomics. 2006; 5: 787-788Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (203) Google Scholar, 22Chalkley R.J. Clauser K.R. Carr S.A. Updating the MCP Proteomic publication guidelines.ASBMB Today. 2009; : 16-17Google Scholar, 23http://www.mcponline.org.libproxy.mit.edu/site/misc/PhialdelphiaGuidelinesFINALDRAFT.pdfGoogle Scholar), have been embraced in whole or in part by other proteomics journals. The goal then, as it is now, was to try to ensure that reliable, high quality data and results are entering the proteomics literature. The group identified three tiers of targeted MS assays/measurements based on the intended purpose of the measurements (“fit for purpose” concept) and then worked to define the extent of analytical validation required in each Tier (Table I). A list of speakers, presentations, and discussion groups is available in supplemental Materials.Table IThree Tiers of Targeted MS Measurements; experimental design parameters and assay characteristics are listed for each tier Andy Hoofnagle, University of Washington and Russell Grant, Laboratory Corporation of America led the discussion around Tier 1. The goals of developing and applying Tier 1 assays are to (1) provide accurate, precise, clinically actionable information for medical practitioners or (2) inform decision-making in the development of drugs for human use. In pharmaceutical applications the goals include quantifying proteins targeted by therapeutics, assessment of target engagement (free, complex, total) in preclinical and proof of concept studies, and measurement of mechanistic, protein biomarkers that are proximal to the target/site of action to examine pharmacodynamics. Depending on the use of the assay data, these tests may need to meet the requirements of the Clinical Laboratory Improvement Amendments of 1988 (CLIA), the US Food and Drug Administration (FDA), or the European Medicines Agency (EMA) (for example, see 24Guidance for Industry: Bioanalytical Method Validation. (2001) US Department of Health and Human Services, US FDA, Center for Drug Evaluation and Research, Rockville, MD, U.S.A. (Rev. 1, September, 2013)Google Scholar, 25Guideline on Bioanalytical Method Validation. EMA, Committee for Medicinal Products for Human Use, London, UK2011Google Scholar). Guidance from these agencies and accrediting organizations, as well as those from the Clinical and Laboratory Standards Institute (http://www.clsi.org) continues to evolve and be clarified, especially for newer approaches in protein analysis, like targeted MS. These changes and clarifications are driven, in part, through dialog and interaction among the pharmaceutical, diagnostic companies, and regulatory agencies all working to improve assay quality when it pertains, even indirectly, to the care of patients (for example, see 26DeSilvaWhite paper on recent issues in bioanalysis and alignment of multiple guidelines.Bioanalysis. 2012; 4: 2213-2226Crossref PubMed Scopus (83) Google Scholar). The goal is to provide complete, high-quality data for review for regulatory purposes. The use of stable isotope-labeled internal standards provides the highest level of detection confidence and measurement precision in targeted MS experiments (26DeSilvaWhite paper on recent issues in bioanalysis and alignment of multiple guidelines.Bioanalysis. 2012; 4: 2213-2226Crossref PubMed Scopus (83) Google Scholar, 27Barr J.R. Maggio V.L. Patterson Jr., D.G. Cooper G.R. Henderson L.O. Turner W.E. et al.Isotope dilution–mass spectrometric quantification of specific proteins: model application with apolipoprotein A-I.Clin Chem. 1996; 42: 1676-1682Crossref PubMed Scopus (321) Google Scholar, 28Gerber S.A. Rush J. Stemman O. Kirschner M.W. Gygi S.P. Absolute quantification of proteins and phosphoproteins from cell lysates by tandem MS.Proc. Nat. Acad. Sci. 2003; 100: 6940-6945Crossref PubMed Scopus (1542) Google Scholar, 29Keshishian H. Addona T. Burgess M. Kuhn E. Carr S.A. Quantitative, multiplexed assays for low abundance proteins in plasma by targeted mass spectrometry and stable isotope dilution.Mol. Cell. Proteomics. 2007; 2: 2212Abstract Full Text Full Text PDF Scopus (576) Google Scholar, 30Berna M.J. Ott L. Engle S. Watson D. Solter P. Ackermann B. Quantification of NTproBNP in rat serum using immunoprecipitation and LC/MS/MS: a Biomarker of drug-induced cardiac hypertrophy.Anal. Chem. 2008; 80: 561-566Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar, 31Addona T.A. Abbatiello S.E. Schilling B. Skates S.J. Mani D.R. Bunk D.M. Spiegelman C.H. Zimmerman L.J. Ham A.J.L. Keshishian H. Hall S.C. Allen S. Blackman R.K. Borchers C.H. Buck C. Cardasis H.L. Cusack M.P. Dodder N.G. Gibson B.W. Held J.M. Hiltke T. Jackson A. Johansen E.B. Kinsinger C.R. Li J. Mesri M. Neubert T.A. Niles R.K. Pulsipher T.C. Ransohoff D. Rodriguez H. Rudnick P.A. Smith D. Tabb D.L. Tegeler T.J. Variyath A.M. Vega-Montoto L.J. Wahlander A. Waldemarson S. Wang M. Whiteaker J.R. Zhao L. Anderson N.L. Fisher S.J. Liebler D.C. Paulovich A.G. Regnier F.E. Tempst P. Carr S.A. Multi-site assessment of the precision and reproducibility of multiple reaction monitoring-based measurements of proteins in plasma.Nat. Biotechnol. 2009; 27: 633-685Crossref PubMed Scopus (862) Google Scholar, 32Picotti P. Bodenmiller B. Mueller L.N. Domon B. Aebersold R. Full dynamic range proteome analysis of S. cerevisiae by targeted proteomics.Cell. 2009; 138 (doi: 10.1016/j.cell.2009.05.051. Epub 2009 Aug 6): 795-806Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (647) Google Scholar, 33Whiteaker J.R. Zhao L. Abbatiello S.E. Burgess M. Kuhn E. Lin C.W. Pope M.E. Razavi M. Anderson N.L. Pearson T.W. Carr S.A. Paulovich A.G. Evaluation of large scale quantitative proteomic assay development using peptide affinity-based mass spectrometry.Mol. Cell. Proteomics. 2011; 10 (M110.005645)Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (119) Google Scholar, 34Shi T. Fillmore T.L. Sun X. Zhao R. Schepmoes A.A. Hossain M. Xie F. Wu S. Kim J.S. Jones N. Moore R.J. Pasa-Tolic L. Kagan J. Rodland K.D. Liu T. Tang K. Camp D.G. Smith R.D. Qian W.J. Antibody-free, targeted mass-spectrometric approach for quantification of proteins at low picogram per milliliter levels in human plasma/serum.Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012; 109: 15395-15400Crossref PubMed Scopus (171) Google Scholar, 35Wang Q. Chaerkady R. Wu J. Hwang H.J. Papadopoulos N. Kopelovich L. Maitra. A. Matthaei H. Eshleman J.R. Hruban R.H. Kinzler K.W. Pandey A. Vogelstein B. Mutant proteins as cancer-specific biomarkers.Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2011; 108: 2444-2449Crossref PubMed Scopus (140) Google Scholar, 36Addona T.A. Shi X. Keshishian H. Mani D.R. Burgess M. Gillette M.A. Clauser K.R. Shen D. Lewis G.D. Farrell L.A. Fifer M.A. Sabatine M.S. Gerszten R.E. Carr S.A. A pipeline that integrates the discovery and verification of plasma protein biomarkers reveals candidate markers for cardiovascular disease.Nat. Biotechnol. 2011; 29: 635-643Crossref PubMed Scopus (202) Google Scholar, 37Whiteaker J.R. Lin C. Kennedy J. Hou L. Trute M. Sokal I. Yan P. Schoenherr R.M. Zhao L. Voytovich U.J. Kelly-Spratt K.S. Krasnoselsky A. Gafken P.R. Hogan J.M. Jones L.A. Wang P. Amon L. Chodosh L.A. Nelson P.S. McIntosh M.W. Kemp C.J. Paulovich A.G. A targeted proteomics-based pipeline for verification of biomarkers in plasma.Nat. Biotech. 2011; 29: 625-634Crossref PubMed Scopus (291) Google Scholar, 38Domanski D. Percy A.J. Yang J. Chambers A.G. Hill J.S. Freue G.V. Borchers C.H. MRM-based multiplexed quantitation of 67 putative cardiovascular disease biomarkers in human plasma.Proteomics. 2012; 12: 1222-1243Crossref PubMed Scopus (172) Google Scholar, 39Pan S. Chen R. Brand R.E.. Hawley S. Tamura Y. Gafken P.R. Milless B.P. Goodlett D.R. Rush J. Brentnall T.A. Multiplex targeted proteomic assay for biomarker detection in plasma: A pancreatic cancer biomarker case study.J. Proteome Res. 2012; 11: 1937-1948Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar, 40Huttenhain R. Soste M. Selevsek N. Rost H. Sethi A. Carapito C.. Farrah T. Deutsch E.W. Kusebauch U. Moritz R.L. Nimeus-Malmstrom E. Rinner O. Aebersold R. Reproducible quantification of cancer-associated proteins in body fluids using targeted proteomics.Sci. Transl. Med. 2012; 4: 1-13Crossref Scopus (208) Google Scholar, 41Kushnir M.M. Rockwood A.L. Roberts W.L. Abraham D. Hoofnagle A.N. Meikle A.W. Measurement of thyroglobulin by liquid chromatography-tandem mass spectrometry in serum and plasma in the presence of antithyroglobulin autoantibodies.Clinical Chemistry. 2013; 59: 982-990Crossref PubMed Scopus (141) Google Scholar, 42Neubert H. Muirhead D. Kabir M. Grace C. Cleton A. Arends R. Sequential protein and peptide immunoaffinity capture for mass spectrometry-based quantification of total human beta-nerve growth factor.Anal. Chem. 2013; 85: 1719-1726Crossref PubMed Scopus (100) Google Scholar). This approach, adopted from the field of small molecule quantitative analysis, is known as Stable Isotope Dilution (43Rifai N. Gillette M.A. Carr S.A. Protein biomarker discovery and validation: the long and uncertain path to clinical utility.Nat. Biotechnol. 2006; 24: 971-983Crossref PubMed Scopus (1367) Google Scholar, 44Brun V. Masselon C. Garin J. Dupuis A. Isotope dilution strategies for absolute quantitative proteomics.J. Proteomics. 2009; 72: 740-749Crossref PubMed Scopus (262) Google Scholar). In Tier 1, best practice would dictate the use of stable isotope-labeled internal standards for each target analyte. Labeled analog proteins can also be used as internal standards if properly characterized and validated. Internal standards are ideally included to control for the fate of analytes through the analytical process, which enables more precise quantification. Assay precision can be strongly affected by variations in sample processing, especially by the enzymatic digestion conditions used (31Addona T.A. Abbatiello S.E. Schilling B. Skates S.J. Mani D.R. Bunk D.M. Spiegelman C.H. Zimmerman L.J. Ham A.J.L. Keshishian H. Hall S.C. Allen S. Blackman R.K. Borchers C.H. Buck C. Cardasis H.L. Cusack M.P. Dodder N.G. Gibson B.W. Held J.M. Hiltke T. Jackson A. Johansen E.B. Kinsinger C.R. Li J. Mesri M. Neubert T.A. Niles R.K. Pulsipher T.C. Ransohoff D. Rodriguez H. Rudnick P.A. Smith D. Tabb D.L. Tegeler T.J. Variyath A.M. Vega-Montoto L.J. Wahlander A. Waldemarson S. Wang M. Whiteaker J.R. Zhao L. Anderson N.L. Fisher S.J. Liebler D.C. Paulovich A.G. Regnier F.E. Tempst P. Carr S.A. Multi-site assessment of the precision and reproducibility of multiple reaction monitoring-based measurements of proteins in plasma.Nat. Biotechnol. 2009; 27: 633-685Crossref PubMed Scopus (862) Google Scholar, 45Kuzyk M.A. Smith D. Yang J.C. Cross T.J. Jackson A.M. Hardie D.B. Anderson N.L. Borchers C.H. Multiple reaction monitoring-based, multiplexed, absolute quantitation of 45 proteins in human plasma.Mol. Cell. Proteomics. 2009; 8: 1860-1877Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (444) Google Scholar, 46Shuford C.M. Sederoff R.R. Chiang V.L. Muddiman D.C. Peptide production and decay rates affect the quantitative accuracy of protein cleavage isotope dilution mass spectrometry (PC-IDMS).Mol. Cell. Proteomics. 2012; 11: 814-823Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (61) Google Scholar). Good precision can only be obtained when these conditions are carried out reproducibly. Peptide concentrations are derived by measurement of the peak area ratios of one or more of the fragment ions from the labeled internal standard and the endogenous peptide. Stable isotope-labeled peptides provide this added measure of confidence as they (1) co-elute with the targeted analytes, (2) fragment to yield the corresponding, mass-shifted peptide backbone fragment ions, (3) have (in the absence of interference) identical relative abundances of the fragment ions as the endogenous peptide, and (4) compensate for ion suppression and poor spray stability (47Matuszewski B.K. Constanzer M.L. Chavez-Eng C.M. Matrix effect in quantitative LC/MS/MS analyses of biological fluids: a method for determination of finasteride in human plasma at picogram per milliliter concentrations.Anal. Chem. 1998; 70: 882-889Crossref PubMed Scopus (864) Google Scholar, 48King R. Bonfiglio R. Fernandez-Metzler C. Miller-Stein C. Olah T. Mechanistic investigation of ionization suppression in electrospray ionization.J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2000; 11: 942-950Crossref PubMed Scopus (941) Google Scholar, 49Abbatiello S.E. Mani D.R. Keshishian H. Carr S.A. Automated Detection of inaccurate and imprecise transitions in quantitative assays of peptides by multiple monitoring mass spectrometry.Clin. Chem. 2010; 56: 291-305Crossref PubMed Scopus (166) Google Scholar, 50Reiter L. Rinner O. Picotti P. Hüttenhain R. Beck M. Brusniak M.Y. Hengartner M.O. Aebersold R. mProphet: automated data processing and statistical validation for large-scale SRM experiments.Nat. Methods. 2011; 8: 430-435Crossref PubMed Scopus (365) Google Scholar, 51Keshishian H. Addona T. Burgess M. Mani D.R. Shi X. Kuhn E. Sabatine M.S. Gerszten R.E. Carr S.A. Quantification of cardiovascular biomarkers in patient plasma by targeted mass spectrometry and stable isotope dilution.Mol. Cell. Proteomics. 2009; 8: 2339-2349Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (254) Google Scholar). Ion suppression is an insidious problem caused by other matrix components (lipids and other small molecules, peptides, salts, etc.) that co-elute and compete with the analyte of interest for ionization. Ion suppression results in a decrease in the ion current detected for the same amount of analyte analyzed from different samples. Ideally, the internal standard has the same structure as the analyte and co-e

The integration of mass spectrometry-based proteomics with next-generation DNA and RNA sequencing profiles tumors more comprehensively. Here this "proteogenomics" approach was applied to 122 treatment-naive primary breast cancers accrued to preserve post-translational modifications, including protein phosphorylation and acetylation. Proteogenomics challenged standard breast cancer diagnoses, provided detailed analysis of the ERBB2 amplicon, defined tumor subsets that could benefit from immune checkpoint therapy, and allowed more accurate assessment of Rb status for prediction of CDK4/6 inhibitor responsiveness. Phosphoproteomics profiles uncovered novel associations between tumor suppressor loss and targetable kinases. Acetylproteome analysis highlighted acetylation on key nuclear proteins involved in the DNA damage response and revealed cross-talk between cytoplasmic and mitochondrial acetylation and metabolism. Our results underscore the potential of proteogenomics for clinical investigation of breast cancer through more accurate annotation of targetable pathways and biological features of this remarkably heterogeneous malignancy.

Many peptide hormones form an α-helix on binding their receptors1-4, and sensitive methods for their detection could contribute to better clinical management of disease5. De novo protein design can now generate binders with high affinity and specificity to structured proteins6,7. However, the design of interactions between proteins and short peptides with helical propensity is an unmet challenge. Here we describe parametric generation and deep learning-based methods for designing proteins to address this challenge. We show that by extending RFdiffusion8 to enable binder design to flexible targets, and to refining input structure models by successive noising and denoising (partial diffusion), picomolar-affinity binders can be generated to helical peptide targets by either refining designs generated with other methods, or completely de novo starting from random noise distributions without any subsequent experimental optimization. The RFdiffusion designs enable the enrichment and subsequent detection of parathyroid hormone and glucagon by mass spectrometry, and the construction of bioluminescence-based protein biosensors. The ability to design binders to conformationally variable targets, and to optimize by partial diffusion both natural and designed proteins, should be broadly useful.

Abstract Many peptide hormones form an alpha-helix upon binding their receptors 1–4 , and sensitive detection methods for them could contribute to better clinical management. De novo protein design can now generate binders with high affinity and specificity to structured proteins 5,6 . However, the design of interactions between proteins and short helical peptides is an unmet challenge. Here, we describe parametric generation and deep learning-based methods for designing proteins to address this challenge. We show that with the RF diffusion generative model, picomolar affinity binders can be generated to helical peptide targets either by noising and then denoising lower affinity designs generated with other methods, or completely de novo starting from random noise distributions; to our knowledge these are the highest affinity designed binding proteins against any protein or small molecule target generated directly by computation without any experimental optimization. The RF diffusion designs enable the enrichment of parathyroid hormone or other bioactive peptides in human plasma and subsequent detection by mass spectrometry, and bioluminescence-based protein biosensors. Capture reagents for bioactive helical peptides generated using the methods described here could aid in the improved diagnosis and therapeutic management of human diseases. 7,8