酶與蛋白質(zhì)工程第8章蛋白質(zhì)組學(xué)

1、第八講第八講 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組基因組和蛋白質(zhì)組有什么聯(lián)系？基因組和蛋白質(zhì)組有什么聯(lián)系？ 蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組遺傳信息從DNA（基因）轉(zhuǎn)變mRNA中間轉(zhuǎn)載體，然后再合成各式各樣的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)和功能蛋白質(zhì)，構(gòu)成一種有機(jī)體，完成生命的功能 基因 mRNA蛋白質(zhì)，三位一體，構(gòu)成遺傳信息的流程圖，即傳統(tǒng)的中心法則 蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組 一個(gè)基因并不只存在一個(gè)相應(yīng)的蛋白質(zhì)，可能會有幾個(gè)，甚至幾十個(gè) 什么情況下會有什么樣的蛋白，不僅決定于基因，還與機(jī)體所處的周圍環(huán)境以及機(jī)體本身的生理狀態(tài)有關(guān)什么是蛋白質(zhì)組？什么是蛋白質(zhì)組？ 蛋白質(zhì)組是指蛋白質(zhì)組是指“由一個(gè)細(xì)由一個(gè)細(xì)胞或一個(gè)組織的胞或一個(gè)組織的基

2、因組所表達(dá)基因組所表達(dá)全部相應(yīng)的蛋白質(zhì)全部相應(yīng)的蛋白質(zhì)”熒光染色的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組的含義蛋白質(zhì)組的含義 蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組(Proteome)一詞最早由澳大利亞學(xué)者一詞最早由澳大利亞學(xué)者Willkins等人于等人于1994年提出年提出 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)是在蛋白質(zhì)水平上定量、動態(tài)、整體是在蛋白質(zhì)水平上定量、動態(tài)、整體水平研究生物體水平研究生物體 同基因組學(xué)一樣，蛋白質(zhì)組學(xué)不是一個(gè)封閉的、概念化的、同基因組學(xué)一樣，蛋白質(zhì)組學(xué)不是一個(gè)封閉的、概念化的、穩(wěn)定的知識體系，而是一個(gè)領(lǐng)域。旨在闡明生物體穩(wěn)定的知識體系，而是一個(gè)領(lǐng)域。旨在闡明生物體全部蛋白質(zhì)全部

3、蛋白質(zhì)的的表達(dá)模式及功能模式表達(dá)模式及功能模式 其內(nèi)容包括：蛋白質(zhì)的其內(nèi)容包括：蛋白質(zhì)的定性定性鑒定、鑒定、定量定量檢測、細(xì)胞內(nèi)檢測、細(xì)胞內(nèi)定位定位、相互作用相互作用研究等，最終揭示蛋白質(zhì)功能，是基因組研究等，最終揭示蛋白質(zhì)功能，是基因組DNA序列與基序列與基因功能之間的橋梁因功能之間的橋梁 蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組研究有什么益處蛋白質(zhì)組研究有什么益處 蛋白質(zhì)組的研究能為眾多種疾病機(jī)理的闡明及攻克提供理論根據(jù)和解決途徑 如，通過對正常個(gè)體及病理個(gè)體間的蛋白質(zhì)組比較分析，可以找到某些“疾病特異性的蛋白質(zhì)分子”，它們可成為新藥物設(shè)計(jì)的分子靶點(diǎn)，或者也會為疾病的早期診斷提供分子標(biāo)志牛胰島素晶體 蛋白

4、質(zhì)組蛋白質(zhì)組1975年 雙向凝膠電泳技術(shù) 1986年 第一個(gè)蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫-SWISS PROT1997年 出版了第一部蛋白質(zhì)組學(xué)專著 2000年 發(fā)表一個(gè)生物體的完整蛋白質(zhì)組 蛋白質(zhì)研究簡史蛋白質(zhì)研究簡史 蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組 組成蛋白質(zhì)組組成蛋白質(zhì)組: : 一個(gè)細(xì)胞或組織、機(jī)體中一個(gè)細(xì)胞或組織、機(jī)體中所有蛋白質(zhì)所有蛋白質(zhì)的時(shí)空表達(dá)狀況的時(shí)空表達(dá)狀況分析分析 功能蛋白質(zhì)組功能蛋白質(zhì)組: : 蛋白質(zhì)的細(xì)胞蛋白質(zhì)的細(xì)胞定位定位、蛋白酶的、蛋白酶的活性活性、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用相互作用的連鎖關(guān)系，及其由此實(shí)現(xiàn)的信號傳遞與調(diào)的連鎖關(guān)系，及其由此實(shí)現(xiàn)的信號傳遞與調(diào)控作用控作用 蛋白質(zhì)組

5、學(xué)研究內(nèi)容蛋白質(zhì)組學(xué)研究內(nèi)容 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)二維凝膠電泳技術(shù)二維凝膠電泳技術(shù) (2DE) 又稱又稱雙向電泳雙向電泳，蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的核心技術(shù)之一，蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的核心技術(shù)之一，是能夠連續(xù)在一塊膠上是能夠連續(xù)在一塊膠上分離數(shù)千種蛋白質(zhì)分離數(shù)千種蛋白質(zhì)的方法的方法 完整的雙向凝膠電泳分析，包括：完整的雙向凝膠電泳分析，包括：樣品制備樣品制備、等電聚等電聚焦焦、平衡轉(zhuǎn)移平衡轉(zhuǎn)移、SDS PAGE斑點(diǎn)染色斑點(diǎn)染色、圖像捕捉圖像捕捉和和圖圖譜分析譜分析等步驟等步驟 蛋白質(zhì)組學(xué)主要技術(shù)方法蛋白質(zhì)組學(xué)主要技術(shù)方法 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)Two-dimensional Gel Electrophore

6、sisCut out Spots and Identify Proteins by Tandom Mass Spectroscopy 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 存在問題存在問題 分子量較小和較大蛋白質(zhì)的分析；分子量較小和較大蛋白質(zhì)的分析； 低含量蛋白質(zhì)的分析；低含量蛋白質(zhì)的分析； 變性后分離不能反映原始狀態(tài)；變性后分離不能反映原始狀態(tài)； 手工操作較多、經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)、可重復(fù)性差手工操作較多、經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)、可重復(fù)性差 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)鑒定蛋白質(zhì)鑒定質(zhì)譜鑒定技術(shù)質(zhì)譜鑒定技術(shù) (MS) 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)基質(zhì)輔助激光解析電離質(zhì)譜(MALDI MS):利用基質(zhì)吸收激光的能量使得固相的多肽樣品離子化電噴霧

7、電離質(zhì)譜(ESI MS):在噴射過程中利用電場完成多肽樣品的離子化 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)通過測量肽段離子相關(guān)參數(shù),如飛行時(shí)間(TOF),即可計(jì)算得到準(zhǔn)確的肽段質(zhì)量 利用質(zhì)譜技術(shù)測定氨基酸序列利用質(zhì)譜技術(shù)還可以用于鑒定蛋白質(zhì)復(fù)合物組成、確定蛋白質(zhì)翻譯后修飾的類型與發(fā)生位點(diǎn)等 多維液相色譜多維液相色譜- -質(zhì)譜技術(shù)質(zhì)譜技術(shù) ICAT技術(shù)技術(shù)(isotopecoded affinity tags, ICAT) 采用同位素標(biāo)記多采用同位素標(biāo)記多肽或蛋白質(zhì)親和標(biāo)簽肽或蛋白質(zhì)親和標(biāo)簽可以較準(zhǔn)確鑒定不同狀態(tài)細(xì)胞或組織中可以較準(zhǔn)確鑒定不同狀態(tài)細(xì)胞或組織中差異表達(dá)的蛋白質(zhì)差異表達(dá)的蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)基

8、于質(zhì)譜技術(shù)蛋白質(zhì)定量方法基于質(zhì)譜技術(shù)蛋白質(zhì)定量方法 多維液相色譜多維液相色譜(MDLC)，即將樣品在第一根液相色譜柱洗脫液，即將樣品在第一根液相色譜柱洗脫液依次注入后面的色譜柱進(jìn)行分離的液相色譜柱聯(lián)用技術(shù)，用于依次注入后面的色譜柱進(jìn)行分離的液相色譜柱聯(lián)用技術(shù)，用于分離復(fù)雜樣品分離復(fù)雜樣品ICAT原理原理蛋白質(zhì)相互作用分析蛋白質(zhì)相互作用分析酵母雙雜交技術(shù)酵母雙雜交技術(shù) 一種在細(xì)胞內(nèi)檢測蛋白質(zhì)之間相互作用的技術(shù)，無需分離純一種在細(xì)胞內(nèi)檢測蛋白質(zhì)之間相互作用的技術(shù)，無需分離純化蛋白質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高通量分析的主要方法化蛋白質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高通量分析的主要方法 分析蛋白質(zhì)之間的相互作用及其方式，認(rèn)識與

9、特定生理活動分析蛋白質(zhì)之間的相互作用及其方式，認(rèn)識與特定生理活動相關(guān)的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，繪制出相關(guān)的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，繪制出蛋白質(zhì)相互作用圖譜蛋白質(zhì)相互作用圖譜 (interaction mapping） 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 原理原理: :真核轉(zhuǎn)錄因子含有兩個(gè)相對獨(dú)立的功能域: DNA結(jié)合(DNAbinding domain,BD)和轉(zhuǎn)錄激活(activation domain,AD)當(dāng)兩者獨(dú)立存在時(shí),無轉(zhuǎn)錄激活功能,但兩者只要相互接近，即可激活轉(zhuǎn)錄 存在問題：存在問題： 假陽性和假陰性發(fā)生率高假陽性和假陰性發(fā)生率高 對于不能進(jìn)入核內(nèi)的蛋白質(zhì)對于不能進(jìn)入核內(nèi)的蛋白質(zhì)( (如分泌蛋白、膜蛋白如分泌蛋白、膜

10、蛋白) )和存和存在比較復(fù)雜的翻譯后修飾作用的高等生物蛋白質(zhì)，該技在比較復(fù)雜的翻譯后修飾作用的高等生物蛋白質(zhì)，該技術(shù)尚不適用術(shù)尚不適用 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)生生物物芯芯片片基因芯片基因芯片蛋白質(zhì)芯片蛋白質(zhì)芯片微流控芯片微流控芯片蛋白質(zhì)芯片, 又稱蛋白質(zhì)陣列或蛋白質(zhì)微陣列，指以蛋白質(zhì)分子作為配基,將其有序固定在固相載體的表面形成微陣列；用標(biāo)記了熒光的蛋白質(zhì)或其它分子與之作用，洗去未結(jié)合的成分，經(jīng)熒光掃描等檢測方式測定芯片上各點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，分析蛋白之間或蛋白與其它分子之間的相互作用關(guān)系 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白芯片或微陣列蛋白芯片或微陣列 蛋白芯片技術(shù)大多數(shù)是在玻璃板或膜上對蛋白或抗體進(jìn)行排列蛋白

11、芯片技術(shù)大多數(shù)是在玻璃板或膜上對蛋白或抗體進(jìn)行排列缺陷：很難或不可能對翻譯后修飾進(jìn)行分析，而翻譯后修飾對缺陷：很難或不可能對翻譯后修飾進(jìn)行分析，而翻譯后修飾對于大多數(shù)疾病又很關(guān)鍵于大多數(shù)疾病又很關(guān)鍵 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)芯片的研究意義蛋白質(zhì)芯片的研究意義蛋白質(zhì)是基因表達(dá)的最終產(chǎn)物, 接近生命活動的物質(zhì)層面； 探針蛋白特異性高、親和力強(qiáng), 可簡化樣品前處理，甚至可直接利用生物材料(血樣、尿樣、細(xì)胞及組織等)進(jìn)行檢測；適合高通量篩選與靶蛋白作用的化合物；有助于了解藥物或毒物與其效應(yīng)相關(guān)蛋白質(zhì)的相互作用 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 生物信息學(xué)已經(jīng)成為當(dāng)代生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)的組成部分生物信息學(xué)已經(jīng)成為當(dāng)代

12、生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)的組成部分, ,用于用于巨量生物信息資源的收集、存儲、處理、搜索、共享、服巨量生物信息資源的收集、存儲、處理、搜索、共享、服務(wù)、研究和開發(fā)務(wù)、研究和開發(fā) 由由數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和和應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件三大部分組成三大部分組成 蛋白質(zhì)組研究中的生物信息學(xué)蛋白質(zhì)組研究中的生物信息學(xué) 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫 是蛋白質(zhì)組研究是蛋白質(zhì)組研究數(shù)據(jù)存儲、管理數(shù)據(jù)存儲、管理的主要形式的主要形式 是實(shí)現(xiàn)已知蛋白質(zhì)的分析鑒定與未知蛋白的發(fā)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)已知蛋白質(zhì)的分析鑒定與未知蛋白的發(fā)現(xiàn)前提前提，也是總，也是總結(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)模擬與預(yù)測的結(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能

13、的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)模擬與預(yù)測的基礎(chǔ)基礎(chǔ) 蛋白質(zhì)氨基酸序列蛋白質(zhì)氨基酸序列(sequence)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫 常用的有常用的有PIR、SWISS PROT、TrEMBL、GenPept等等其中其中PIR (protein Information Resource)和和SWISS PROT是常用是常用的兩大序列數(shù)據(jù)庫的兩大序列數(shù)據(jù)庫 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域與家族數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域與家族數(shù)據(jù)庫 常用的有常用的有ProSite、BLOCKS、DOMO、ProDom、Profam等等 蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)及分類數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)及分類數(shù)據(jù)庫 常用的有常用的有PDB、SWISS MODEL、NRL3D、B

14、ioMagRes Bank、MMDB、SCOP、CATH等等PDB (Protein Data Bank)，收錄有蛋白質(zhì)原子座標(biāo)、晶體結(jié)構(gòu)，收錄有蛋白質(zhì)原子座標(biāo)、晶體結(jié)構(gòu)和核磁共振數(shù)據(jù)、一級和二級結(jié)構(gòu)信息及相關(guān)文獻(xiàn)引用和核磁共振數(shù)據(jù)、一級和二級結(jié)構(gòu)信息及相關(guān)文獻(xiàn)引用 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)2DE圖譜數(shù)據(jù)庫圖譜數(shù)據(jù)庫包括包括SWEISS PROT 2DE PAGE、SEINA 2DE PAGE等綜等綜合性合性2DE數(shù)據(jù)庫和不同生物、不同器官、組織、細(xì)胞的專數(shù)據(jù)庫和不同生物、不同器官、組織、細(xì)胞的專一性一性2DE數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)

15、庫 常用的有常用的有ProNet、DIP、INTERACT等等各種類型的專一性蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫各種類型的專一性蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫2. 工具軟件工具軟件 蛋白質(zhì)雙向電泳圖譜分析軟件蛋白質(zhì)雙向電泳圖譜分析軟件:Geneva Bioinformatics提供軟件包提供軟件包Melanie4美國美國Proteome Works公司商用軟件包公司商用軟件包PDQuest 6.1英國公司英國公司Nonlinear Dynamics Ltd.軟件包軟件包Progenesis 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)可完成電泳圖譜背景消減與條紋消除、斑點(diǎn)探測、圖形匹配和定量測定、數(shù)據(jù)存儲與分析等一系列工作個(gè)別功能強(qiáng)大的軟件還具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、

16、不同凝膠的比較、數(shù)據(jù)庫聯(lián)接檢索、斑點(diǎn)注釋等特殊功能 蛋白質(zhì)鑒定工具蛋白質(zhì)鑒定工具 蛋白質(zhì)的鑒定，需要利用實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，通過相關(guān)算法與程序，蛋白質(zhì)的鑒定，需要利用實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，通過相關(guān)算法與程序，進(jìn)行已知蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的搜索比對來完成進(jìn)行已知蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的搜索比對來完成分為分為氨基酸組成比對氨基酸組成比對、肽片段質(zhì)量比對肽片段質(zhì)量比對和部分和部分肽段序列比對肽段序列比對三三類。常用的有類。常用的有PeptIdent、SEQUEST、MultiIdent等等 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析與功能預(yù)測工具蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析與功能預(yù)測工具 蛋白質(zhì)翻譯后蛋白質(zhì)翻譯后修飾修飾的預(yù)測、蛋白質(zhì)序列分析與的預(yù)測

17、、蛋白質(zhì)序列分析與二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測、預(yù)測、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域預(yù)測、功能域、蛋白質(zhì)預(yù)測、功能域、蛋白質(zhì)跨膜區(qū)跨膜區(qū)預(yù)測等各種用途的預(yù)測等各種用途的工具軟件工具軟件 對蛋白質(zhì)相關(guān)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的實(shí)驗(yàn)研究，起到對蛋白質(zhì)相關(guān)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的實(shí)驗(yàn)研究，起到一定的指導(dǎo)一定的指導(dǎo)參考作用參考作用 1. 疾病的蛋白質(zhì)組研究疾病的蛋白質(zhì)組研究 通過測定體液和組織的蛋白質(zhì)組通過測定體液和組織的蛋白質(zhì)組, 尋找特異疾病的生物標(biāo)尋找特異疾病的生物標(biāo)記，即記，即疾病特異性蛋白疾病特異性蛋白(disease specific proteins, DSPs) DSPs水平的變化對于疾病水平的變化對于疾病診斷診

18、斷、治療治療和和判斷愈后判斷愈后具有重具有重要意義，還可以成為研究藥物的要意義，還可以成為研究藥物的藥理或毒理作用的靶點(diǎn)藥理或毒理作用的靶點(diǎn) 蛋白質(zhì)組學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用 腫瘤研究領(lǐng)域腫瘤研究領(lǐng)域 通過比較通過比較腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞的蛋白質(zhì)表達(dá)腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞的蛋白質(zhì)表達(dá)情況情況, ,可以鑒定出可以鑒定出腫瘤特異性標(biāo)記或特異性抗原腫瘤特異性標(biāo)記或特異性抗原, ,為診斷與治療提供線索為診斷與治療提供線索 蛋白質(zhì)組學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用 心血管疾病研究領(lǐng)域心血管疾病研究領(lǐng)域 建立了人和大鼠、狗等實(shí)驗(yàn)動物心房、心室與內(nèi)皮細(xì)胞的蛋建立了人和大鼠、狗等實(shí)驗(yàn)動物心房、心室與內(nèi)皮細(xì)胞的蛋白質(zhì)白質(zhì)2DE圖譜數(shù)據(jù)庫，鑒定了數(shù)百個(gè)圖譜數(shù)據(jù)庫，鑒定了數(shù)百個(gè)心血管系統(tǒng)特有蛋白質(zhì)心血管系統(tǒng)特有蛋白質(zhì) 神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病研究領(lǐng)域神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病研究領(lǐng)域 對對精神分裂癥精神分裂癥患者以及正常人群的腦脊液進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)的研患者以及正常人群的腦脊液進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)的研究。對究。對老年癡呆癥老年癡呆癥的的2DE及質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)：微管相關(guān)蛋白及質(zhì)譜分析