Biomarker discovery produces lists of candidate markers whose presence and level must be subsequently verified in serum or plasma. Verification represents a paradigm shift from unbiased discovery approaches to targeted, hypothesis-driven methods and relies upon specific, quantitative assays optimized for the selective detection of target proteins. Many protein biomarkers of clinical currency are present at or below the nanogram/milliliter range in plasma and have been inaccessible to date by MS-based methods. Using multiple reaction monitoring coupled with stable isotope dilution mass spectrometry, we describe here the development of quantitative, multiplexed assays for six proteins in plasma that achieve limits of quantitation in the 1-10 ng/ml range with percent coefficients of variation from 3 to 15% without immunoaffinity enrichment of either proteins or peptides. Sample processing methods with sufficient throughput, recovery, and reproducibility to enable robust detection and quantitation of candidate biomarker proteins were developed and optimized by addition of exogenous proteins to immunoaffinity depleted plasma from a healthy donor. Quantitative multiple reaction monitoring assays were designed and optimized for signature peptides derived from the test proteins. Based upon calibration curves using known concentrations of spiked protein in plasma, we determined that each target protein had at least one signature peptide with a limit of quantitation in the 1-10 ng/ml range and linearity typically over 2 orders of magnitude in the measurement range of interest. Limits of detection were frequently in the high picogram/milliliter range. These levels of assay performance represent up to a 1000-fold improvement compared with direct analysis of proteins in plasma by MS and were achieved by simple, robust sample processing involving abundant protein depletion and minimal fractionation by strong cation exchange chromatography at the peptide level prior to LC-multiple reaction monitoring/MS. The methods presented here provide a solid basis for developing quantitative MS-based assays of low level proteins in blood.

A mass spectrometry–based method using serial enrichments of different post-translational modifications (SEPTM) enables high-coverage proteomic analysis of multiple PTMs from a single biological sample. We report a mass spectrometry–based method for the integrated analysis of protein expression, phosphorylation, ubiquitination and acetylation by serial enrichments of different post-translational modifications (SEPTM) from the same biological sample. This technology enabled quantitative analysis of nearly 8,000 proteins and more than 20,000 phosphorylation, 15,000 ubiquitination and 3,000 acetylation sites per experiment, generating a holistic view of cellular signal transduction pathways as exemplified by analysis of bortezomib-treated human leukemia cells.

Extracellular vesicles (EVs) are released by all cells and contain RNA and protein from their cell of origin. EVs in biofluids could be used as diagnostic biomarkers to non-invasively report the state of inaccessible cells, such as neurons in the brain. As biofluids such as cerebrospinal fluid (CSF) and plasma contain EVs originating from many different cells, isolating cell type-specific EVs and measuring their cargo could help determine the state of specific cell types. Here, we demonstrate an approach aiming to immuno-isolate EVs from neurons based on neuron-derived protein surface markers. We first developed a framework to select transmembrane proteins suitable as neuron-specific EV markers based on gene expression and EV proteomics data. Leveraging a novel, high-purity EV isolation method we developed, we further cataloged the proteins present on EVs in human CSF and plasma. Using immunoassays against several of the predicted neuron-specific proteins, we confirmed one marker, NRXN3 as present on EVs in CSF and plasma by size exclusion chromatography (SEC) and density gradient centrifugation (DGC). Finally, we developed efficient EV immuno-isolation methods and applied them to isolate NRXN3+ EVs. Our study provides a general methodology for the isolation of cell-type specific EVs and paves the way for the use of neuron-derived EVs to study and diagnose neurological disease.