結(jié)構(gòu)基因組學(xué)及其研究現(xiàn)狀和展望

1、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)及其研究現(xiàn)狀和展望 摘 要:大規(guī)模的全基因組測(cè)序計(jì)劃正產(chǎn)生越來越多的序列信息，而理解這些信息的關(guān)鍵是理解基因產(chǎn)物蛋白質(zhì)的功能。在后基因組時(shí)代，蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)解析是解釋生命密碼的重要部分。隨著自動(dòng)控制和基因組數(shù)據(jù)庫的日益完善,結(jié)構(gòu)生物學(xué)也進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)代?，F(xiàn)在,結(jié)構(gòu)基因組研究迅速興起并快速開展起來,它將大大加速蛋白的結(jié)構(gòu)解析過程及與其緊密相關(guān)的蛋白功能的研究進(jìn)程。結(jié)構(gòu)基因組的研究將會(huì)帶動(dòng)生物科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域及醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、酶工程等許多方面的新發(fā)展。 關(guān)鍵詞:基因組 結(jié)構(gòu)基因組學(xué) 蛋白質(zhì)工廠 生產(chǎn)線 測(cè)定結(jié)構(gòu) 一結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的起源： 結(jié)構(gòu)生物學(xué)以研究生物大分子的空間結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)來闡

2、明其生物學(xué)功能，在生物學(xué)領(lǐng)域中占有重要地位，為揭示個(gè)體發(fā)育，生長，衰老，和死亡機(jī)理，神經(jīng)活動(dòng)和腦功能表現(xiàn)機(jī)理，細(xì)胞增值，分化和調(diào)亡機(jī)理以及幾乎一切的生命科學(xué)問題提供必要的科學(xué)基礎(chǔ)。近年的主要研究對(duì)象是蛋白質(zhì)，包括受體蛋白，酶，通道以及與基因調(diào)控密接相關(guān)的核酸結(jié)合蛋白等的結(jié)構(gòu)與功能的研究，還瞄準(zhǔn)那些與功能密切相關(guān)的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)如酶和底物，酶與抑止劑，作用原與受體，DNA與其結(jié)合蛋白等。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究往往起始于生物化學(xué)對(duì)某個(gè)蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能有一定的了解，感覺到這個(gè)蛋白的重要性，需要進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系上去理解蛋白質(zhì)的功能調(diào)控機(jī)制，或者要從三維結(jié)構(gòu)上去揭示其新的功能，這時(shí)生物化學(xué)家才把這

3、個(gè)蛋白交給結(jié)構(gòu)生物學(xué)家去解析它的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在后基因組時(shí)代，這種“作坊”時(shí)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)生物學(xué)的大發(fā)展和醫(yī)學(xué)對(duì)生物學(xué)的迫切要求，它就筆削跨入到另一個(gè)更高的層次工業(yè)化研究，既蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)工廠，這就是最新的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)。 二結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的概念 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structural genomics)是基因組學(xué)的一個(gè)重要組成部分和研究領(lǐng)域,它是一門通過基因作圖、核苷酸序列分析確定基因組成、基因定位的科學(xué)。染色體不能直接用來測(cè)序,必須將基因組這一巨大的研究對(duì)象進(jìn)行分解,使之成為較易操作的小的結(jié)構(gòu)區(qū)域,這個(gè)過程就是基因作圖;根據(jù)使用的標(biāo)志和手段不同,作圖有4種類型,即構(gòu)建生物體基因組高分辨率

4、的遺傳圖、物理圖譜、序列圖以及轉(zhuǎn)錄圖譜。 三結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的目標(biāo)： （1）測(cè)定一些經(jīng)過認(rèn)真選擇可能代表所有的折疊類型的蛋白。這樣的工作量會(huì)大大減小，并且其他蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模建出來。這對(duì)分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征在系統(tǒng)發(fā)生上的分布是有價(jià)值的，但是由于當(dāng)前的模建技術(shù)還不能提供精確的原子結(jié)構(gòu)信息，一些細(xì)微的差別無法確定，而這些微小的差別也許對(duì)蛋白質(zhì)的功能有重要影響，所以這個(gè)目標(biāo)正收到挑戰(zhàn)。 （2）測(cè)定相當(dāng)數(shù)量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)來自幾種模式生物的蛋白質(zhì)表達(dá)譜或與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)表達(dá)譜。這種方式能提供更精確的結(jié)構(gòu)信息，為闡明生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能提供更詳實(shí)的資料。尤其是，從與疾病相關(guān)的蛋

5、白表達(dá)譜去測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以為疾病機(jī)制的闡明和疾病治療提供重要信心。四，結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的研究現(xiàn)狀 結(jié)構(gòu)基因組的研究使結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)工廠。巨大的結(jié)構(gòu)工廠將以一種前所未有的規(guī)模,將線性的基因組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為最終的蛋白結(jié)構(gòu)。 與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解析方法相比,結(jié)構(gòu)基因組研究中的生產(chǎn)線更添了自動(dòng)化操作,使整個(gè)過程得以快速完成,這也使得大規(guī)模解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。首先是基因組計(jì)劃的圓滿完成、cDNA 文庫的日趨完善等為結(jié)構(gòu)基因組研究提供了的較好的基礎(chǔ),而與表達(dá)、純化及結(jié)構(gòu)測(cè)定相關(guān)的技術(shù)的發(fā)展與設(shè)備的改進(jìn)也為這一過程自動(dòng)化提供了良好的條件。此過程中的重要步驟,蛋白的結(jié)構(gòu)測(cè)定技術(shù)光衍射和核磁共振光譜法()近年來也

6、有了很多新的改進(jìn),出現(xiàn)了很多新的功能完善的儀器。這也為生產(chǎn)線的順利完成提供了保障。 利用自動(dòng)化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是很簡單快捷的,比如結(jié)晶過程的復(fù)雜步驟也可轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)控制的軌道,通過改變含有蛋白質(zhì)溶液的成千上萬個(gè)孔的微環(huán)境完成。然而此生產(chǎn)線中仍存在許多問題2,比如:許多蛋白質(zhì)在培養(yǎng)物中可能不能表達(dá),或不能正確折疊,或聚集成塊從溶液中析出。膜結(jié)合蛋白尤其麻煩,因?yàn)樗鼈冊(cè)谒芤褐胁荒苷_折疊。有時(shí)一些可溶性蛋白也很難結(jié)晶。但總體來說,結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的巨大優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在已經(jīng)很明顯,前兩年中,已有約70種蛋白用序列數(shù)據(jù)作為起始信息獲得了結(jié)構(gòu)。世界結(jié)構(gòu)基因組學(xué)中心正在全世界范圍內(nèi)推進(jìn)整個(gè)生產(chǎn)線自動(dòng)化方

7、面的發(fā)展。 五結(jié)構(gòu)基因組學(xué)面臨的挑戰(zhàn) （1）研究基礎(chǔ)設(shè)施為先。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析包含一系列復(fù)雜、困難的步驟。測(cè)定一個(gè)中等的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)要從相應(yīng)的基因序列的簡單知識(shí)開始，一般要花數(shù)周到幾個(gè)月的時(shí)間。這種工作必須由博士級(jí)的科學(xué)家來做，要用高級(jí)儀器和高性能計(jì)算機(jī)。要對(duì)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)所提出的挑戰(zhàn)的大小有個(gè)概念，不妨以低等生物為例，即使低等生物的基因組也對(duì)上萬個(gè)不同的蛋白質(zhì)編碼（對(duì)人類而言，這個(gè)數(shù)字也許超過10萬）。兩個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)方法射線晶體學(xué)和核磁共振是要用到的。 結(jié)構(gòu)測(cè)定用的x射線用電子儲(chǔ)存環(huán)產(chǎn)生。儲(chǔ)存環(huán)成本可達(dá)數(shù)億美元，由政府建造和運(yùn)行，每臺(tái)機(jī)器可同時(shí)服務(wù)十幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。大學(xué)的科學(xué)家的工作如得到政府有關(guān)機(jī)構(gòu)

8、的批準(zhǔn)和資助，他們就不必負(fù)擔(dān) . 射線費(fèi)。私營企業(yè)如能負(fù)擔(dān)適當(dāng)比例的運(yùn)行費(fèi)用，也可以在 . 射線設(shè)施上進(jìn)行產(chǎn)權(quán)研究。幾個(gè)國家正在研制自由電子激光器，這種激光 器產(chǎn)生的 X 射線束強(qiáng)度可比電子儲(chǔ)存環(huán)的 % 射線高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然這種設(shè)施仍然極其費(fèi)錢，但可向周圍提供足夠的X射線。 (2)第二個(gè)大挑戰(zhàn)與結(jié)構(gòu)基因組學(xué)范圍相關(guān)。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)分析非常費(fèi)錢費(fèi)時(shí)，所以在選擇一組適于分析的蛋白質(zhì)時(shí)必須慎之又慎。工業(yè)研究人員更喜歡關(guān)注與疾病有關(guān)的分子 &如病毒霉，因?yàn)檫@些分子可能是有希望的“藥品靶子”。學(xué)術(shù)研究人員可能更傾向于研究能洞察更廣泛的問題如細(xì)胞代謝作用或進(jìn)化論的蛋白質(zhì)。在這些不同類型的追求之間沒有明確的界線

9、。也許需要確定一些協(xié)調(diào)的機(jī)制來促進(jìn)有關(guān)分析什么蛋白質(zhì)的信息交流，并避免不必要的工作重復(fù)。同一蛋白質(zhì)的遺傳序. (3) 知識(shí)產(chǎn)權(quán)構(gòu)成第三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。圍繞著基因組研究成果的專利性產(chǎn)生的問題是有爭論的、復(fù)雜的，在一套一致的條例出現(xiàn)之前，法院將要忙碌一段時(shí)間。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)本身可申請(qǐng)專利的程度還沒有完全解決。它們與有關(guān)列的基本專利毫無聯(lián)系。從某種意義上說，知識(shí)產(chǎn)權(quán)體現(xiàn)著對(duì)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)進(jìn)步的阻礙，因?yàn)樵S多研究人員不愿意將可賺錢的信息投入公共領(lǐng)域，這是可以理解的。尚不清楚的是，參加人類基因組計(jì)劃的科學(xué)家和機(jī)構(gòu)達(dá)成的標(biāo)準(zhǔn) &極強(qiáng)調(diào)原始數(shù)據(jù)的迅速公布 是否可以輕易地轉(zhuǎn)移到政府資助的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)計(jì)劃上。例如，美國、

10、歐洲和日本三者的專利法規(guī)差異會(huì)使問題進(jìn)一步復(fù)雜化，它們的發(fā)表成果和及其應(yīng)用于專利保護(hù)之間的“寬限期”適用規(guī)定有所不同。六結(jié)構(gòu)基因組學(xué)繼續(xù)解決的問題 （1）蛋白表達(dá)和純化 許多重組蛋白表達(dá)出來成為包涵體，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化純化，因?yàn)槊總€(gè)蛋白的變性，復(fù)性條件不大一樣。還有很多蛋白在現(xiàn)有的表達(dá)系統(tǒng)中不能得到有效的表達(dá)，也就無法獲得大量的蛋白以測(cè)定其結(jié)構(gòu)。而且，蛋白純化本身就是生活化學(xué)中的一個(gè)難題。蛋白性質(zhì)各異，純化條件可能各有千秋，這樣，在蛋白純化的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)上就存在很多困難。 （2）晶體生長 發(fā)展高通量的晶體生長技術(shù)就是結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的一個(gè)重要方面，但是長期以來，晶體生長就被認(rèn)為是一門藝術(shù)，而不是科學(xué)。

11、這是因?yàn)?，晶體生長毫無規(guī)律可循。要得到衍射良好的晶體樣本是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。此外，膜蛋白的結(jié)晶一直令晶體學(xué)家們望而生畏，而膜蛋白占了細(xì)胞蛋白的近 30，許多的藥物靶也是以膜蛋白，膜結(jié)合蛋白為主，如膜受體，離子通道等。由于膜蛋白固有的兩親性特征，因而極難在水溶性體系中結(jié)晶。而且，由于膜蛋白不溶于水和它們的分子量偏大，NMR結(jié)構(gòu)測(cè)定技術(shù)也常常束手無策。所以，膜蛋白的結(jié)構(gòu)測(cè)定也許是結(jié)構(gòu)基因組學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)。還有，由于晶體生長的困難性，復(fù)雜蛋白，蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定在目前的技術(shù)水平上也不可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。 （3）結(jié)構(gòu)計(jì)算 結(jié)構(gòu)修正正是結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中的一個(gè)瓶頸，需要很多的腦力資源。 （4）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析 對(duì)

12、于動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)分析，多維核磁共振是蛋白質(zhì)溶液三維結(jié)構(gòu)測(cè)定的最重要手段，近年來取得了飛速的發(fā)展，但是測(cè)定蛋白的大小仍然受到很大的約束，上限還不能突破35KD。在這一領(lǐng)域一直存在這個(gè)兩個(gè)備受關(guān)注的問題，即NMR測(cè)定蛋白質(zhì)溶液結(jié)構(gòu)的分子量有無上限和蛋白質(zhì)溶液NMR結(jié)構(gòu)能否達(dá)到與X射線晶體結(jié)構(gòu)相比擬的分辨率水平。對(duì)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)來說，NMR技術(shù)的數(shù)據(jù)收集時(shí)間過長（4560天），尤其數(shù)據(jù)分析時(shí)間更長（612個(gè)月），對(duì)高通量結(jié)構(gòu)測(cè)定同樣是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。 七、結(jié)構(gòu)基因組研究展望 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究具有巨大的科學(xué)意義，也具有明顯的應(yīng)用前景和社會(huì)，經(jīng)濟(jì)效益。在生物學(xué)領(lǐng)域許多激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)中，有相當(dāng)大的一部分是由于生

13、物大分子晶體結(jié)構(gòu)的解析進(jìn)而在原子水平上對(duì)細(xì)胞功能活動(dòng)的深入認(rèn)識(shí)而取得的。生物大分子的改進(jìn)和基于結(jié)構(gòu)的合理藥物設(shè)計(jì)都必須依賴于生物大分子的三維空間結(jié)構(gòu)的精細(xì)測(cè)定。全基因組測(cè)序計(jì)劃產(chǎn)生了大量的功能未知蛋白，功能基因組研究想要跟上其步伐，從結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究入手是迅速而合理的途徑，這是科學(xué)家明智的選擇。三維結(jié)構(gòu)信息可以獲知未知蛋白質(zhì)可能具有的輔基，金屬配體等，還有酶的催化位點(diǎn)，調(diào)節(jié)區(qū)域等。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，可能推斷出酶的催化機(jī)制，蛋白和蛋白間的結(jié)合，蛋白和核酸的相互作用。這種對(duì)新蛋白的結(jié)構(gòu)特性分析可以從結(jié)構(gòu)上為其歸類，根據(jù)其結(jié)構(gòu)同類家族的功能特征確定其未知功能，為功能研究提供新的視野。隨著結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的啟

14、動(dòng)，產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)信息，必將帶給生物學(xué)更多更深入的發(fā)現(xiàn)，從而把我們對(duì)生命的認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)更新更高的境界，并促進(jìn)以高科技為特征的基因組工業(yè)的迅速發(fā)展。尤其是以重大疾病相關(guān)基因和功能基因的蛋白質(zhì)表達(dá)譜為主要對(duì)象的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的開展，在目前的條件下具有更現(xiàn)實(shí)和重要的意義。 目前結(jié)構(gòu)基因組研究還處于起步階段,存在著技術(shù)上的障礙，但豐縣投資家們都很自信，Structural GenomiX公司打算把實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算機(jī)結(jié)合起來，去來發(fā)大量機(jī)誒構(gòu)信息產(chǎn)生的巨大商業(yè)價(jià)值?，F(xiàn)在很多機(jī)構(gòu)在研究中有很大一部分精力要放在生產(chǎn)線的完善上,這種情形可能會(huì)持續(xù)510年。日本研究機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)人Yokoyama預(yù)言說:“在結(jié)構(gòu)基因

15、組學(xué)對(duì)生物產(chǎn)生巨大的沖擊前至少還會(huì)有5年的時(shí)間,此后,它將迅猛發(fā)展起來?！彪S著研究的縱深發(fā)展, 人們的研究對(duì)象也將從現(xiàn)在的蛋白單體轉(zhuǎn)向蛋白多聚體或是蛋白、蛋白-RNA等的復(fù)合物,結(jié)構(gòu)檢測(cè)也可能從現(xiàn)在的單結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)向整個(gè)蛋白的結(jié)構(gòu)或是研究其反應(yīng)過程的動(dòng)態(tài)變化。隨著結(jié)構(gòu)基因組工作的進(jìn)展,絕大多數(shù)工作將交由新的蛋白工廠研究,結(jié)構(gòu)生物學(xué)可能從此走向工廠化機(jī)械化操作。但這并不是意味著結(jié)構(gòu)生物學(xué)家將無事可做。接下來還有更加困難更加重要的工作,即破譯蛋白結(jié)構(gòu)與生物功能的關(guān)系。那時(shí),那些有遠(yuǎn)見,有創(chuàng)造力的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家將成為搶手人才。正如德國研究機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)人einemann所說,“工廠化科學(xué)并不是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的結(jié)束,一切都將會(huì)更好的?！?參考文獻(xiàn) 1王大成.后基因組時(shí)代的結(jié)構(gòu)生物學(xué).生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展.2000,27(4):340-344 2 吳學(xué)軍,柴建華.比較基因組學(xué)和人類基因組研究.生物工程進(jìn)展,2002,20(1