蛋白质组学的研究进展.docx

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1、蛋白质组学的研究进展 摘要 蛋白组学是一个特别新的领域，发展特别迅猛，但现阶段很多方法技术还无法满意其要求。因此，蛋白质组学方法学领域异样活跃，取得了很多重要的进展。蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象的干脆体现者，对蛋白质结构和功能的探讨将干脆阐明生命在生理或病理条件下的改变机制。主要介绍该技术的一些基本原理及其应用。 关键词 蛋白质组 ；技术 ；发展趋势 在20世纪90年头中期，国际上产生了一门新兴学科蛋白质组学，它以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为探讨对象。可以说蛋白质组探讨的开展不仅是生命科学探讨进入后基因组时代的里程碑，也是后基因组时代生命科学探讨的核心内容之一。蛋白质组一词是澳

2、大利亚Macquarie高校Wilkins和Williams在11014年首次提出，最早见诸于文献是在11015年7月Electrophoresis杂志上1，2。蛋白质组学旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式，其内容包括鉴定蛋白质的表达、存在方式、结构、功能和相互作用等。 1蛋白质组学探讨的意义和背景 随着人类基因组安排的完成，生命科学探讨己进入了后基因组时代3。 在这个时代，生命科学的主要探讨对象是功能基因组学，包括结构基因组探讨和蛋白质组探讨等4。尽管现在己有多个物种的基因组被测序，但在这些基因组中通常有一半以上基因的功能是未知的。目前功能基因组中所采纳的策略，如基因芯片、基因表达

3、序列分析等，都是从细胞中mRNA的角度来考虑的，其前提是细胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平。但事实并不完全如此。从DNA到蛋白质，存在三个层次的调控，即转录水平调控，翻译水平调控，翻译后水平调控。从mRNA角度考虑，事实上仅包括了转录水平调控，并不能全面代表蛋白质表达水平。试验也证明，组织中mRNA丰度与蛋白质丰度的相关性并不好，尤其对于低丰度蛋白质来说，相关性更差2。更重要的是，蛋白质困难的翻译后修饰、蛋白质的亚细胞定位或迁移、蛋白质蛋白质相互作用等几乎无法从mRNA水平来推断。毋庸置疑，蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象的干脆体现者，对蛋白质结构和功能的探讨将干脆阐明生命在生理或

4、病理条件下的改变机制。蛋白质本身的存在形式和活动规律，如翻译后修饰、蛋白质间相互作用以及蛋白质构象等问题，仍依靠于干脆对蛋白质的探讨来解决。虽然蛋白质的可变性和多样性等特别性质导致了蛋白质探讨技术远远比核酸技术要困难和困难得多，但正是这些特性参加和影响着整个生命过程。传统的对单个蛋白质进行探讨的方式已无法满意后基因组时代的要求。这是因为：生命现象的发生往往是多因素影响的，必定涉及到多个蛋白质。多个蛋白质的参加是交织成网络的，或平行发生，或呈级联因果。在执行生理功能时蛋白质的表现是多样的、动态的，并不像基因组那样基本固定不变4，5。因此要对生命的困难活动有全面和深化的相识，必定要在整体、动态、网

5、络的水平上对蛋白质进行探讨。 2蛋白质组学探讨的策略和范围 蛋白质组学一经出现，就有两种探讨策略。一种采纳高通量的蛋白质组探讨技术分析生物体内尽可能多乃至接近全部的蛋白质，这种观点从大规模、系统性的角度来看待蛋白质组学，也更符合蛋白质组学的本质。但是，由于蛋白质表达随空间和时间不断改变，要分析生物体内全部的蛋白质是一个难以实现的目标。所以许多人提出了另一种策略：功能蛋白质组学5，6，即探讨不同时期细胞蛋白质组成的改变，如蛋白质在不同环境下的差异表达，以发觉有差异的蛋白质种类为主要目标。这种观点更倾向于把蛋白质组学作为探讨生命现象的手段和方法。总体上看 ，蛋白质组探讨可分为四个方面7： 对细胞或

6、组织内蛋白质的表达模式及修饰的探讨。 建立在X-射线单晶衍射分析、多维核磁共振波谱分析、电镜二维晶体三维重构术技术基础之上的蛋白质序列和高级结构的探讨。 对蛋白质的胞内分布及移位的探讨：确定蛋白质在亚细胞结构中的位置，通过纯化细胞器或用质谱仪鉴定蛋白复合物组成等。 蛋白质的功能模式：目前主要集中在蛋白质与蛋白质及其与其他分子的相互作用网络关系的探讨。对蛋白质组组成的分析鉴定是蛋白质组学中的与基因组学相对应的主要内容。它要求对蛋白质组进行表征，即全部蛋白质的分别与鉴定及其图谱化。随着学科的发展，蛋白质组学的探讨范围也在不断完善和扩充。蛋白质翻译后修饰探讨己成为蛋白质组探讨中的重要部分和巨大挑战。

7、 3蛋白质组学的技术 蛋白质组学的发展，既是技术所推动的也是受技术限制的。蛋白质组学探讨胜利与否，很大程度上取决于其技术方法水平的凹凸。蛋白质探讨技术远比基因技术困难和困难。不仅氨基酸残基种类远多于核苷酸残基，而且蛋白质有着困难的翻译后修饰，如磷酸化和糖基化等，给分别和分析蛋白质带来许多困难。此外，通过表达载体进行蛋白质的体外扩增和纯化也并非易事，从而难以制备大量的蛋白质。蛋白质组学的兴起对技术有了新的需求和挑战。蛋白质组的探讨实质上是在细胞水平上对蛋白质进行大规模的平行分别和分析，往往要同时处理成千上万种蛋白质。因此，发展高通量、高灵敏度、高精确性的探讨技术平台是现在乃至相当一段时间内蛋白质

8、组学探讨中的主要任务。当前在国际蛋白质组探讨技术平台的技术基础和发展趋势有以下几个方面： 3.1蛋白质组探讨中的样品制备 大家越来越清晰地相识到样品制备在蛋白质组学探讨中的重要性。这一步干脆影响后期探讨结果，且样品制备中的失败很难通过后续的工作来完善和补偿。如何尽可能高保真地获得一个基因组在一个组织中所表达的全部蛋白，这是一个亟需解决的问题。样品来源不同，处理方法也会有所不同。尽管处理方法多种多样，但都需遵循以下几个基本原则：尽可能地提高样品的溶解度，并保持在整个电泳过程中蛋白质的溶解状态。防止溶液介质中对蛋白质的人为修饰，首先在样品溶解之前要使全部能使蛋白质发生修饰的酶快速失活；其次不能把多

9、肤置于化学修饰易发生的环境中。破坏蛋白质与其他生物大分子之间的相互作用以产生独立的多肽链，并使蛋白质处于完全变性状态。去除非蛋白杂质。为了提高样品制备的效率和质量，现在很多新的试剂和方法被广泛地运用。 3.2蛋白质组探讨中的样品分别和分析 3.2.1二维凝胶电泳技术。利用蛋白质的等电点和分子量，通过双向凝胶电泳的方法将各种蛋白质区分开来是一种很有效的手段8。它在蛋白质组分别技术中起到了关键作用。 3.2.2二维色谱技术。尽管二维聚丙烯酰胺凝胶电泳技术是目前蛋白质组学探讨方法中分别蛋白质的主要方法，但由于其局限性，人们渐渐提出了以多维液相分别方法为基础的蛋白质组学探讨技术。多维LC-MS/MS近

10、几年发展快速。蛋白质混合物干脆通过液相色谱分别，然后进入MS系统获得肽段分子量；再通过串联MS技术得到部分序列信息，最终通过计算机联网查询，就可以对蛋白进行鉴定。Opiteck等首次报道多维色谱LC/LC整合MS/MS技术分析蛋白质混合物。 3.2.3质谱技术。质谱技术是目前蛋白质组探讨中发展最快、也最具活力和潜力的技术。当前蛋白质组探讨的核心技术就是双向凝胶电泳质谱技术，即通过双向凝胶电泳将蛋白质分别，然后利用质谱对蛋白质逐一进行鉴定。对于蛋白质鉴定而言，高通量、高灵敏度和高精度是3个关键指标。现在很多新的杂交质谱的出现己经基本上可以同时达到以上3个指标，从而实现对蛋白质精确和大规模的鉴定。

11、 3.3定量蛋白质组学 随着蛋白质组学的深化探讨和发展，对蛋白质进行高通量的鉴定和精确的定量己成为探讨蛋白质在细胞内功能和细胞代谢过程中改变的重要战略。目前进行定量蛋白质组学探讨的主要技术有：蛋白质荧光显色技术;荧光差异显色技术;稳定同位素标记技术;同位素亲和标签技术;蛋白质芯片技术。 3.4一代蛋白探讨工具抗体芯片 蛋白质芯片是高通量、微型化和自动化的蛋白质分析技术。它是指在硅物质如玻璃等固相支持物表面高密度排列的探针蛋白点阵，通过如抗原抗体专一性结合等各种相互作用特异地捕获样品中的靶蛋白，然后通过检测器对靶蛋白进行定性或定量分析。蛋白质芯片上的探针蛋白可依据探讨的目的不同，选用抗体、抗原、

12、受体、酶等具有生物活性、高度特异性和亲和性的蛋白质。与DNA芯片一样，蛋白质芯片同样蕴涵着丰富的信息量，必需利用特地的计算机软件包进行图象分析、结果定量和说明。它能够同时分析上千种蛋白质的改变状况，可用于疾病诊断、蛋白质相互作用等探讨，是蛋白质组学探讨比较有发展潜力的技术工具。 3.5探讨蛋白质相互作用的技术平台酵母双杂交系统的发展和应用 酵母双杂交系统是在真核模式生物酵母中进行的，探讨活细胞内蛋白质相互作用，对蛋白质之间微弱的、瞬间的作用也能够通过报告基因的表达产物敏感地检测得到，它是一种具有很高灵敏度的探讨蛋白质之间相互作用的技术。基于酵母双杂交技术平台的特点，它已经被应用在很多探讨工作当

13、中9，10： 利用酵母双杂交发觉新的蛋白质和蛋白质的新功能。 利用酵母双杂交在细胞体内探讨抗原和抗体的相互作用。 利用酵母双杂交筛选药物的作用位点以及药物对蛋白质之间相互作用的影响。 利用酵母双杂交建立基因组蛋白连锁图。 3.6磷酸化蛋白质组学 众多蛋白质翻译后修饰的方式中，蛋白质磷酸化是最常见、最重要的一种蛋白质共价修饰方式。蛋白质磷酸化和去磷酸化几乎调整着生命活动的全部过程，包括细胞的增殖、发育、分化、神经活动、肌肉收缩、新陈代谢、肿瘤发生等。尤其在细胞应答外界刺激时，蛋白质磷酸化是目前所知道的最主要的信号传递方式。 3.7生物传感芯片质谱技术 MALDI-TOF-MS是20世纪80年头末

14、发展起来并经过不断改进的一种先进的离子化质谱技术。它通过质量指纹谱结合数据库搜寻以分析蛋白质序列而进行蛋白质鉴定。但是它在蛋白质之间相互作用及结构与功能的相互关系分析方面显得无能为力。而随之利用生物传感技术发展起来的生物分子相互作用分析技术是进行蛋白质相互作用分析的较好技术。将两者有机结合起来便形成了生物传感芯片质谱。它的核心是一块小的生物传感芯片，由金黄色的玻璃底物构成，此芯片在BIA和MALDI-TOF-MS中均可发挥作用。在BIA中、所需分析的可溶性蛋白质各自与结合在芯片表面的固定生物分子相互作用。滞留在芯片上的蛋白质通过与基质结合而从与受体分子的相互作用中解离出来，便可干脆进行MALD

15、I-TOF-MS。该法可用于筛选功能性蛋白质，并可在蛋白质水平筛选基因的多态性，从而能有效地将基因与蛋白质结合在一起。 3.8蛋白质组生物信息学 蛋白质组数据库是蛋白质组探讨水平的标记和基础。瑞士的SWISS-PROT拥有目前世界上最大、种类最多的蛋白质组数据库。丹麦、英国、美国等也都建立了各具特色的蛋白质组数据库。生物信息学的发展己给蛋白质组探讨供应了更便利有效的计算机分析软件;特殊值得留意的是蛋白质质谱鉴定软件和算法发展快速。 4蛋白质组学的发展趋势 在基础探讨方面，近2年来，蛋白质组探讨技术已被应用到各种生命科学领域，如细胞生物学、神经生物学等。在探讨对象上，覆盖了原核微生物、真核微生物

16、、植物和动物等范围，涉及到各种重要的生物学现象，如信号转导、细胞分化、蛋白质折叠等等。在将来的发展中，蛋白质组学的探讨领域将更加广泛。 在应用探讨方面，蛋白质组学将成为找寻疾病分子标记和药物靶标最有效的方法之一。在对癌症、早老性痴呆等人类重大疾病的临床诊断和治疗方面，蛋白质组技术也有非常迷人的前景，目前国际上很多大型药物公司正投入大量的人力和物力进行蛋白质组学方面的应用性探讨。 在技术发展方面，蛋白质组学的探讨方法将出现多种技术并存，各有优势和局限的特点，而难以像基因组探讨一样形成比较一样的方法。除了发展新方法外，更强调各种方法间的整合和互补，以适应不同蛋白质的不同特征。另外，蛋白质组学与其他

17、学科的交叉也将日益显著和重要，这种交叉是新技术新方法的活水之源，特殊是蛋白质组学与其他大规模科学如基因组学、生物信息学等领域的交叉，所呈现出的系统生物学探讨模式，将成为将来生命科学最令人激烈的新前沿。 5参考文献 1 WASINGER V C.Progress with gene-product of the Mollicutes：Mvcoplasma genitaliumJ.Electrophoresis，11015：1090-1094. 2 WILIN M R.From proteins to Proteomics：Large scale protein identification by

18、 two-dimensional electrophoresis and amide acid analysisJ.BioThchnology，11016：61-65. 3 王志珍，邹承鲁.后基因组蛋白质组探讨J.生物化学与生物物理学报，19101，30：533-6101. 4 李淋.蛋白质组学的进展J.生物化学与生物物理学报，2000，27：227-231. 5 李伯良，李林，吴家睿.功能蛋白质组学J.生物工程学报，2000，27：227-231. 6 李伯良.功能蛋白组学J.生命的化学，19101，18：1 -4. 7 俞利荣，曾嵘，夏其昌.蛋白质组探讨技术及其进展J.生命的化学，1910

19、1 ，18：4-9. 8 KLOSE J，KOBALZ U.Two-dimensional electrophoresis of proteins：An updated protocol and implications for a functional analysis ofthe genomeJ.Electrophoresis，11015：1034-1059. 9 扬齐衡，李林.酵母双杂交技术及其在蛋白质探讨中的应用J.生物化学与生物物理学报，11019，31：221-225. 10 FIELDS S，SONG O K.A novel genetic system to detect protein-proteininteractionsJ.Nature，11019：245-246. 第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页