蛋白質(zhì)組學(xué)-省賽獲獎(jiǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)

蛋白質(zhì)組學(xué)如果在五年前提到蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics），恐怕知之者甚少，而在略知一二者中，部分人還抱有懷疑態(tài)度。但是，2022年的Science雜志已把蛋白質(zhì)組學(xué)列為六大研究熱點(diǎn)之一，其“熱度”僅次于干細(xì)胞研究，名列第二。蛋白質(zhì)組學(xué)的受關(guān)注程度如今已令人刮目相看。1．蛋白質(zhì)組學(xué)研究的研究意義和背景隨著人類基因組計(jì)劃的實(shí)施和推進(jìn)，生命科學(xué)研究已進(jìn)入了后基因組時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代，生命科學(xué)的主要研究對象是功能基因組學(xué)，包括結(jié)構(gòu)基因組研究和蛋白質(zhì)組研究等。盡管現(xiàn)在已有多個(gè)物種的基因組被測序，但在這些基因組中通常有一半以上基因的功能是未知的。目前功能基因組中所采用的策略，如基因芯片、基因表達(dá)序列分析(Serialanalysisofgeneexpression,SAGE)等，都是從細(xì)胞中mRNA的角度來考慮的，其前提是細(xì)胞中mRNA的水平反映了蛋白質(zhì)表達(dá)的水平。但事實(shí)并不完全如此，從DNAmRNA蛋白質(zhì)，存在三個(gè)層次的調(diào)控，即轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控(Transcriptionalcontrol)，翻譯水平調(diào)控(Translationalcontrol)，翻譯后水平調(diào)控(Post-translationalcontrol)。從mRNA角度考慮，實(shí)際上僅包括了轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控，并不能全面代表蛋白質(zhì)表達(dá)水平。實(shí)驗(yàn)也證明，組織中mRNA豐度與蛋白質(zhì)豐度的相關(guān)性并不好，尤其對于低豐度蛋白質(zhì)來說，相關(guān)性更差。更重要的是，蛋白質(zhì)復(fù)雜的翻譯后修飾、蛋白質(zhì)的亞細(xì)胞定位或遷移、蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用等則幾乎無法從mRNA水平來判斷。毋庸置疑，蛋白質(zhì)是生理功能的執(zhí)行者，是生命現(xiàn)象的直接體現(xiàn)者，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究將直接闡明生命在生理或病理?xiàng)l件下的變化機(jī)制。蛋白質(zhì)本身的存在形式和活動規(guī)律，如翻譯后修飾、蛋白質(zhì)間相互作用以及蛋白質(zhì)構(gòu)象等問題，仍依賴于直接對蛋白質(zhì)的研究來解決。雖然蛋白質(zhì)的可變性和多樣性等特殊性質(zhì)導(dǎo)致了蛋白質(zhì)研究技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比核酸技術(shù)要復(fù)雜和困難得多，但正是這些特性參與和影響著整個(gè)生命過程。2．蛋白質(zhì)組學(xué)研究的策略和范圍蛋白質(zhì)組學(xué)一經(jīng)出現(xiàn)，就有兩種研究策略。一種可稱為“竭澤法”，即采用高通量的蛋白質(zhì)組研究技術(shù)分析生物體內(nèi)盡可能多乃至接近所有的蛋白質(zhì)，這種觀點(diǎn)從大規(guī)模、系統(tǒng)性的角度來看待蛋白質(zhì)組學(xué)，也更符合蛋白質(zhì)組學(xué)的本質(zhì)。但是，由于蛋白質(zhì)表達(dá)隨空間和時(shí)間不斷變化，要分析生物體內(nèi)所有的蛋白質(zhì)是一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。另一種策略可稱為“功能法”，即研究不同時(shí)期細(xì)胞蛋白質(zhì)組成的變化，如蛋白質(zhì)在不同環(huán)境下的差異表達(dá)，以發(fā)現(xiàn)有差異的蛋白質(zhì)種類為主要目標(biāo)。這種觀點(diǎn)更傾向于把蛋白質(zhì)組學(xué)作為研究生命現(xiàn)象的手段和方法。早期蛋白質(zhì)組學(xué)的研究范圍主要是指蛋白質(zhì)的表達(dá)模式（Expressionprofile）,隨著學(xué)科的發(fā)展，蛋白質(zhì)組學(xué)的研究范圍也在不斷完善和擴(kuò)充。蛋白質(zhì)翻譯后修飾研究已成為蛋白質(zhì)組研究中的重要部分和巨大挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的研究也已被納入蛋白質(zhì)組學(xué)的研究范疇。而蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的解析即傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)，雖也有人試圖將其納入蛋白質(zhì)組學(xué)研究范圍，但目前仍獨(dú)樹一幟。3．蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)可以說，蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展既是技術(shù)所推動的也是受技術(shù)限制的。蛋白質(zhì)組學(xué)研究成功與否，很大程度上取決于其技術(shù)方法水平的高低。蛋白質(zhì)研究技術(shù)遠(yuǎn)比基因技術(shù)復(fù)雜和困難。不僅氨基酸殘基種類遠(yuǎn)多于核苷酸殘基（20/4）,而且蛋白質(zhì)有著復(fù)雜的翻譯后修飾，如磷酸化和糖基化等，給分離和分析蛋白質(zhì)帶來很多困難。此外，通過表達(dá)載體進(jìn)行蛋白質(zhì)的體外擴(kuò)增和純化也并非易事，從而難以制備大量的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)的興起對技術(shù)有了新的需求和挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)組的研究實(shí)質(zhì)上是在細(xì)胞水平上對蛋白質(zhì)進(jìn)行大規(guī)模的平行分離和分析，往往要同時(shí)處理成千上萬種蛋白質(zhì)。因此，發(fā)展高通量、高靈敏度、高準(zhǔn)確性的研究技術(shù)平臺是現(xiàn)在乃至相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的主要任務(wù)。當(dāng)前在國際蛋白質(zhì)組研究技術(shù)平臺的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展趨勢有以下幾個(gè)方面：3.2蛋白質(zhì)組研究中的樣品分離和分析利用蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)和分子量通過雙向凝膠電泳的方法將各種蛋白質(zhì)區(qū)分開來是一種很有效的手段。它在蛋白質(zhì)組分離技術(shù)中起到了關(guān)鍵作用。如何提高雙向凝膠電泳的分離容量、靈敏度和分辨率以及對蛋白質(zhì)差異表達(dá)的準(zhǔn)確檢測是目前雙向凝膠電泳技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。國外的主要趨勢有第一維電泳采用窄pH梯度膠分離以及開發(fā)與雙向凝膠電泳相結(jié)合的高靈敏度蛋白質(zhì)染色技術(shù)，如新型的熒光染色技術(shù)。質(zhì)譜技術(shù)是目前蛋白質(zhì)組研究中發(fā)展最快，也最具活力和潛力的技術(shù)。它通過測定蛋白質(zhì)的質(zhì)量來判別蛋白質(zhì)的種類。當(dāng)前蛋白質(zhì)組研究的核心技術(shù)就是雙向凝膠電泳－質(zhì)譜技術(shù)，即通過雙向凝膠電泳將蛋白質(zhì)分離，然后利用質(zhì)譜對蛋白質(zhì)逐一進(jìn)行鑒定。對于蛋