2022年比较蛋白质组学研究技术进展及其在营养代谢病研究中的应用前景 .pdf

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1、比较蛋白质组学研究技术进展及其在营养代谢病研究中的应用前景 徐闯1，刘国文1，李小兵1，王哲1*，夏成2（吉林大学畜牧兽医学院，吉林省， 长春市， 130062 ；黑龙江八一农垦大学，黑龙江省， 长春市， 163319 ）摘要：随着多种生物基因组测序计划的完成,应用蛋白质组学手段在整体水平研究复杂生命现象的后基因组时代已经到来。差异蛋白质组学作为蛋白质组学研究的重要组成部分，其着重比较研究不同生物体在不同时刻或状态下蛋白质表达的变化情况,已广泛应用于各种研究中。经典的比较蛋白质组学研究技术通路是：样品制备 -2D 电泳 -质谱 -生物信息学。 本文就经典的比较蛋白组学研究通路所涉及的各个技术环

2、节的研究进展、改进、提高进行综述，最后阐述比较蛋白质组学在营养代谢病研究中的应用前景。关键词： 比较蛋白质组学；营养代谢病蛋白质组学是继人类基因组计划之后的又一重大研究课题，是后基因组时代的重要组成部分。蛋白质组学从整体上对细胞或组织内蛋白质进行研究, 通常分为 4种研究模式1: 第1种是检测特定细胞或组织内所有蛋白质组成、定位、理化参数等的“完全蛋白质组学”；第2种是研究与某一功能相关的所有蛋白质的功能蛋白质学；第3种是研究蛋白质修饰的修饰蛋白质组学，如甲基化、磷酸化等；第4种是差异蛋白质组学，主要通过比较分析不同状态下细胞或组织蛋白质表达图谱，发现与特定生理病理状态密切相关的差异表达蛋白，

3、从而阐明特定生理病理状态产生的本质规律2。差异蛋白质组学研究具有其独特的优势：1）差异蛋白质组学的研究在技术上有更高的可实现性，目前的研究技术还不可能把细胞内所有的蛋白质展现出来3；2）差异蛋白质组学反映了蛋白质的动态本质4；3）差异蛋白质组学具有广泛和明确的应用前景，如疾病生物标记物的研究等5。 技术上的提高是实验结果准确的保障。近些年， 比较蛋白质组学研究技术进一步得到完善。本文将对比较蛋白质组学研究经典通路所涉及的各个技术环节的研究进展进行综述，最后阐述比较蛋白质组学在营养代谢病研究中的应用前景。 1 比较蛋白质学研究技术进展1.1 蛋白质样品制备研究进展样品制备是将比较样品分别进行蛋白

4、质分离提取，去除其内的非蛋白成分，最大可能的提取全部蛋白质。对于其中一些微溶或疏水的蛋白质,可采用不同的缓冲液进行逐步提取6。总之样品制备的最终目标在于尽可能地扩大样品中蛋白质的溶解和解聚,减少样品制备过程中蛋白质的降解。激光捕获微切割技术（LCM ）是最近发展起来的样品细胞分离技术，该技术借助显微仪器，利用激光切割组织中某一特定类型的靶细胞群，避免了其他细胞搀杂，可以更好地保证样本的均一性，减少样本复杂性，为研究结果的准确性提供了保证7。硫脲是目前研究认为应用较好的去污剂，硫脲的应用使得对疏水性膜蛋白提取的难题有所改善。另外，亚细胞器蛋白质组学（线粒体、内质网、高尔基体蛋白质组学等）的提出和

5、应用使比较蛋白质组学研究更具体，研究结果更可靠。总之，近些年在样品制备方面的提高、改善，使比较蛋白质组学研究操作更简单、结果更可靠。1.2 蛋白质的双向电泳研究进展比较蛋白质组学是鉴定出在特定生理病理状态下细胞或组织间存在差异表达的蛋白质，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 2DGE与质谱（ MS）结合，是最经典的比较蛋白质组学研究途径。2DGE首先根据蛋白质等电点的不同来分离蛋白质，先进行第一维等电点聚焦电泳（IE

6、F） ；然后根据蛋白质分子量不同进行 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（ SDS-PAGE） 。2DGE完整分离蛋白质的容量和效率是其他方法无法比拟的。蛋白质翻译后的磷酸化、糖基化等修饰， 由于改变了蛋白质的分子量或等电点，同样可以在2DGE上分辨。正是由于2DGE的诸多优点，使它成为比较蛋白质组学研究的主要技术。但是2DGE也存在许多不足之处。近些年对 2DGE的研究，使其不足有所完善。首先，固相pH梯度等电聚焦电泳（IPG）的应用，大大提高了2DGE的分辨率、重复性及减少了碱性漂移现象。其次，对于极酸极碱性蛋白质的分析，研究者采用多块窄pH梯度的凝胶电泳如pH10-12的IPG胶条，用更大的分辨

7、率覆盖更大的pH范围。第三，为解决疏水性蛋白质或高不溶性蛋白质的溶解问题，最近发展的一些有效离液剂（如硫脲），表面活性剂（如SB3-1、ABC14、C8） ，还原剂磷酸三丁酯（ TBP）等引入样品提取液及裂解液中，在加上顺序提取法，大大改善了一些高不溶性蛋白质（如膜蛋白、结构蛋白质等）的抽提和在2DGE 中的展现8。第四，为提高比较蛋白质组学检测的灵敏度、准确性，改善低丰度蛋白质的检测，研究者采取一系列方法：1）在凝胶染色方面， 通常采用考马斯亮蓝和银染，为提高检测灵敏度，研究者采用荧光双向差异凝胶电泳 (fluorescence two2dimensional differential ge

8、l electrophoresis , DIGE)，在 2DE的基础上结合 DIGE 技术。将待比较的蛋白质样品经不同的荧光染料CYPRO Ruby (Cy2、Cy3、Cy5)标记后， 等量混合进行双向电泳。该种染料的 N-羟基琥珀酰亚胺酯活性基团与蛋白赖氨酸的-氨基共价结合，被标记蛋白的等电点和分子量基本不受影响。蛋白量差异可通过蛋白点不同荧光信号间的比率来决定。因其具有荧光染料灵敏度高；所需样品量少,每次只需 50g即可；一张胶可同时分析3个样品，省去了不同胶图之间的匹配问题；节约时间；重复性高；还可对大样本量进行统计分析等优点，而得到研究者青睐。另外还可以采用其他荧光染料或同位素进行标记

9、9、10。亚蛋白质组阵列重叠群技术：由于蛋白质溶解性、丰度等的差异，要在单一 2-DE胶上展现所有的蛋白质仍存在困难。为比较研究整个蛋白质组，研究者采用了亚蛋白质组阵列重叠群技术。该策略以重叠群技术为基础。首先将组织细胞分成不同的亚细胞组分或顺序分级抽提成具有不同溶解度范围的蛋白质组亚群，用宽 pH范围 2DGE胶检测样品的复杂性， 再用一套具有交叉重叠的高分辨、高上样的窄 pH范围 IPG等电聚焦和不同浓度的SDS-PAGE胶进行分离，最后在计算机上根据重叠群的原理进行拼接和分析，从而显示蛋白质组中几乎所有的组分，这类方法能有效分离地丰度蛋白质和pI及分子量非常接近的蛋白质，并能大致确定蛋白

10、质的亚细胞位置。3）采用长、宽、厚的IPG胶条，在胶条水化过程中上样，上样量可以达到5-10mg11。近年来，基于 2DGE 电泳的各项技术均有很大提高，针对2DGE本身固有的缺点均提出了相应的解决办法。为经典的比较蛋白质组学研究提供了方法学上的保证。1.3 蛋白质质谱研究进展质谱技术 (mass spect romet ry，MS) 与电泳技术联用已成为当今比较蛋白质组学研究大规模自动化鉴定蛋白质组的主要方法。其基本原理在于将样品分子离子化后，根据离子间的质荷比 (m/ z)的差异来分离并确定分子量。质谱技术是目前在鉴定蛋白质的多种方法中发展最快、最具潜力的技术，具有高灵敏度、高准确性、自动

11、化等特点。近10年来，其灵敏度提高了 1 000多倍。 20 世纪 80年代末出现的电喷雾电离质谱(electro spray ionization mass spectrometry，ESI-MS) 和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱( matrix associated laser 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - desorption ionization time of flight mass spectr

12、ometry，MALDI-TOF-MS) 不仅灵敏度高而且检测范围宽 ,从而使传统的质谱技术发生了革命性的变革12、13。在次基础上有发展出现了MALDI-TOF-TOF、MALDI-Q-TOF、ESI-MS/MS 等质谱技术。使比较蛋白质组学研究极大地完善。另外，表面增强激光解析离子化-飞行时间质谱( surface-enhanced laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry，SELDI-TOF-MS) 技术在比较蛋白质组学研究中也得到广泛应用。质谱鉴定技术的不断完善与提高使蛋白质的鉴定工作趋于程序化、自动化，使

13、比较蛋白质组学研究精确化、简单化。1.4 生物信息学蛋白质信息组学 在蛋白质组分析中起着重要作用,是蛋白质组学研究水平的标志和基础。蛋白质组数据库被认为是蛋白质组学知识的储存库,包含所有鉴定的蛋白质信息,如蛋白质的顺序、核苷酸顺序、双向凝胶电泳、三维结构、翻译后的修饰、基因组及代谢数据库等。蛋白质组信息学主要包括蛋白质组研究结果的公布、查询及应用等。 相应蛋白质数据库及分析软件的出现大大提高了蛋白质组分析的效率，使蛋白质快速鉴定成为可能14。将差异蛋白质位点进行鉴定，可分析已知蛋白质的结构、性质、功能，亦可丰富现有蛋白质数据库，进而展开功能蛋白质组学的研究。生物信息学特别是蛋白质组信息学的快速

14、发展与完善是比较蛋白质组学的有力保障。2 比较蛋白质组学技术在营养代谢病研究中的应用前景随着人类基因组测序工作的完成及其他生物基因组测序工作的迅速发展，蛋白质组学研究必将成为后基因组时代的主要研究内容，而比较蛋白质组学研究作为蛋白质组学研究的重要组成部分也必将成为自然科学研究的热点之一。细胞表达的蛋白质在细胞周期的特定时期、分化的不同阶段、不同的生理和病理状态下，组成和含量是有所差异的。比较蛋白质组学就是着眼于这种差异，动态反映生物体系所处的状态，提供细胞、 组织或肌体在特定状态下精确的分子描述，更有利于揭示生命现象的本质和规律。目前， 比较蛋白质组学研究已经广泛应用到诸多领域，如疾病早期诊断

15、、疗效监测、探讨发病机制、肿瘤标志物筛选、药物靶点筛选、菌株筛选、胚胎发育、形态发生、转录调控、细胞的信号调节、能量代谢、增殖分化、生理病理等，筛选出许多重要的相关蛋白，为理解肌体生命活动奠定基础。 营养代谢病主要是由于营养物质（糖、脂、蛋白质、维生素、微量元素等）代谢紊乱引起的一类疾病。 在该类疾病的发生发展过程中，涉及营养物质代谢的相关酶、辅酶等的蛋白质表达谱必定会发生改变15。因此，比较研究该类疾病蛋白质差异表达情况对阐明营养代谢病的发病机理、 寻找特异性诊断方法及治疗药物具有重要意义。营养代谢病比较蛋白质组学方面的研究在今后的一段时间里将成为该类疾病研究的重要内容，将为该类疾病的研究提

16、供大量的实验数据及方向。比较蛋白质组学技术在营养代谢病研究中必将得到广泛应用并拥有美好前景16。参考文献1 Pandey A , Mann M. Proteomics to study genes and genomesJ . Nature ,2000 ,405(6788) :837 - 846. 2 袁雪宇，吴国亭，韩玉麒。差异蛋白质组学技术和应用前景。同济大学学报( 医学版 )，2004，4（25）：349-352 3 Gygi S P , Rochon Y, Franza B , et al. Correlation between protein and mRNA abundance

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