蛋白質(zhì)組學(xué)及其研究進(jìn)展

蛋白質(zhì)組學(xué)及其技術(shù)發(fā)展摘要:但白質(zhì)組學(xué)是以生物體全部或部分蛋白為研究對象,研究它們在生命活動(dòng)過程中作用、功效。蛋白質(zhì)組學(xué)較之前基因組學(xué)對于生命現(xiàn)象解釋更直接、更正確。本文關(guān)鍵介紹蛋白質(zhì)組學(xué)概念、背景、關(guān)鍵研究技術(shù)以及進(jìn)展前沿。關(guān)鍵詞:蛋白質(zhì)組學(xué)雙向電泳技術(shù)生物質(zhì)譜技術(shù)生物信息學(xué)伴隨基因測序技術(shù)發(fā)展,人類以及多種生物基因組測序完成,了解這些基因表示、功效和調(diào)控成為目前要?jiǎng)?wù)。所以在這個(gè)生命科學(xué)研究以“組學(xué)”為基礎(chǔ)研究單位高通量研究時(shí)代,蛋白質(zhì)組學(xué)已是迫切必需。而Science雜志已把蛋白質(zhì)組學(xué)列為六大研究熱點(diǎn)之一,蛋白質(zhì)組學(xué)研究已成為二十一世紀(jì)生命科學(xué)關(guān)鍵戰(zhàn)略前沿【1】。=1\*Arabic1蛋白質(zhì)組學(xué)概念及產(chǎn)生背景眾所周知,始于20世紀(jì)90年代初龐大人類基因組計(jì)劃已取得了巨大成就,多個(gè)物種(包含人類)基因組序列已經(jīng)完成.生命科學(xué)已實(shí)質(zhì)性地跨入了后基因組時(shí)代,研究重心已開始從揭示生命全部遺傳信息轉(zhuǎn)移到在分子整體水平對功效研究上。這種轉(zhuǎn)向第一個(gè)標(biāo)志是產(chǎn)生了功效基因組學(xué)(functionalgenomics)這一新學(xué)科,即從基因組整體水平上對基因活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行敘述.如在mRNA水平上經(jīng)過DNA芯片技術(shù)檢測大量基因表示模式。而第二個(gè)標(biāo)志則是蛋白質(zhì)組學(xué)興起。蛋白質(zhì)組一詞是澳大利亞Mac-quarie大學(xué)Wilkins和Williams在1994年首次提出,最早見諸于文件是在1995年7月《Electrophoresis》雜志上【2】。蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）一詞,源于蛋白質(zhì)（protein）與基因組學(xué)（genomics）兩個(gè)詞組合,其最初定義為“一個(gè)基因組所表示蛋白質(zhì)【3】”,但這個(gè)定義并沒有考慮到蛋白質(zhì)組動(dòng)態(tài)改變。所以現(xiàn)在大家認(rèn)為蛋白質(zhì)組定義為“一個(gè)已知細(xì)胞在某一特定時(shí)刻包含全部亞型和修飾全部蛋白質(zhì)【4】”。蛋白質(zhì)組學(xué)利用“一網(wǎng)打盡”“組學(xué)”研究模式,與以往研究單個(gè)蛋白質(zhì)“釣魚”模式有所不一樣。它采取大規(guī)模、高通量、高靈敏度技術(shù)手段,經(jīng)過全局性研究基因組所表示全部蛋白質(zhì)在不一樣時(shí)間與空間表示譜和功效譜,全景式地揭示生命活動(dòng)本質(zhì)。在基礎(chǔ)研究上,蛋白質(zhì)組學(xué)研究將帶來一系列相關(guān)生命科學(xué)尤其是人體科學(xué)重大問題突破。因?yàn)閹缀跞筷P(guān)鍵生命現(xiàn)象,如發(fā)育、代謝、信號傳導(dǎo)、體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換、神經(jīng)活動(dòng)等都關(guān)聯(lián)到眾多蛋白質(zhì)復(fù)合體活動(dòng),也即交匯于細(xì)胞蛋白質(zhì)組,所以人類部分關(guān)鍵組織和細(xì)胞功效蛋白質(zhì)組揭示,將會(huì)廣泛而深入地推進(jìn)基礎(chǔ)生命科學(xué)研究。在應(yīng)用研究上,蛋白質(zhì)組學(xué)是發(fā)覺大量新型生物標(biāo)志物、藥靶和藥品關(guān)鍵路徑,已成為生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新生長點(diǎn),其發(fā)展直接關(guān)系到未來整個(gè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間和市場份額,所以日益受到各國普遍關(guān)注【5】。2蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)蛋白質(zhì)組學(xué)經(jīng)典方法是雙向電泳與生物質(zhì)譜聯(lián)用【6】。2.1蛋白質(zhì)分離純化技術(shù)（雙向凝膠電泳）雙向電泳(2-DE)技術(shù)由O'Farrel和Klose等人于1975年建立。第一向?yàn)榈入娋劢?isoelectrofocusing,IEF),是基于等電點(diǎn)不一樣將蛋白質(zhì)分離,第二向?yàn)镾DS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS),是基于子量不一樣而將蛋白質(zhì)分離【7】。但現(xiàn)在該系統(tǒng)還面臨著部分方法上問題:疏水性蛋白(如膜蛋白)難溶于樣品緩沖液;高分子量蛋白、極酸和極堿性蛋白易在電泳中丟失;低拷貝(拷貝數(shù)小于1000)蛋白無法檢測等。2-DE是蛋白質(zhì)組學(xué)研究關(guān)鍵技術(shù),而2D-DIGE(twodimensionalfluorescencedifferencegelelectrophoresis)則在其基礎(chǔ)上做了重大改善。2D-DIGE在分離蛋白前,先用熒光素將蛋白樣本作上標(biāo)識,分離后再用質(zhì)譜進(jìn)行分析,這種方法能夠?qū)υ囼?yàn)組和對照組蛋白質(zhì)表示,進(jìn)行正確且可反復(fù)定量分析。2D-DIGE取得數(shù)據(jù)能夠用專門系統(tǒng)管理。如:PARIS(proteomicanalysisandresourcesindexationsystem)系統(tǒng),它儲(chǔ)存了電泳圖像和信息,供研究者搜索應(yīng)用【8】,所以2D-DIGE能夠真正作為定量蛋白質(zhì)組學(xué)差異顯示首選工具。2.2蛋白質(zhì)篩選（western印記）對目蛋白篩選通常與雙向電泳連用,關(guān)鍵用來分析凝膠中分離出蛋白質(zhì)樣品,采取關(guān)鍵技術(shù)手段通常是Western印跡和差異蛋白比較分析。Western印跡關(guān)鍵是將雙向電泳后凝膠不經(jīng)過染色而直接轉(zhuǎn)印到固相支持物（如NC膜、PVDF膜等）上,再在膜上進(jìn)行免疫學(xué)反應(yīng),從而篩選出與免疫功效相關(guān)蛋白;差異蛋白比較分析則是先對凝膠進(jìn)行染色,然后應(yīng)用軟件（如ImageMaster、PDQuest等）對存在差異2組凝膠進(jìn)行比較,從而找出差異蛋白。在比較時(shí),通常要求每個(gè)被分析樣品反復(fù)3次,然后先做組內(nèi)比較,再做組間比較【1】。2.3蛋白質(zhì)判定技術(shù)（生物質(zhì)譜）質(zhì)譜技術(shù)(massspectrometry,MS)已經(jīng)成為最有效蛋白質(zhì)判定工具。其基礎(chǔ)原理是樣品離子化后,依據(jù)不一樣離子間負(fù)荷比(m/z)差異來分離和確定蛋白質(zhì)分子量。依據(jù)離子化源不一樣,關(guān)鍵能夠分為電噴霧離子化(electrosprayionization,ESI)和基質(zhì)輔助激光解吸離子化(matrixassistedlaserdesorption/ionization)質(zhì)譜兩大類。通常質(zhì)譜儀由離子源,質(zhì)量分析器,離子檢測系統(tǒng)三部分組成。其中,質(zhì)量分析器是質(zhì)譜技術(shù)關(guān)鍵【6】。質(zhì)譜有不少優(yōu)點(diǎn),不僅能夠快速、高效地對目蛋白進(jìn)行判定,且樣品用量少（通常達(dá)成微克級）還能用于翻譯后修飾分析(糖基化、磷?；?,但現(xiàn)在只適適用于20個(gè)氨酸以下肽段。另外,還存在固有不足,比如Ile,Lys和Gln不能區(qū)分,有些肽固有序列不能用質(zhì)譜法測定。2.4蛋白質(zhì)分析（生物信息學(xué)）生物信息學(xué)是在生命科學(xué)研究中,以計(jì)算機(jī)為工具對生物信息進(jìn)行儲(chǔ)存、檢索和分析科學(xué)。蛋白質(zhì)組生物信息學(xué)研究內(nèi)容包含大規(guī)模蛋白質(zhì)組學(xué)試驗(yàn)信息產(chǎn)生,將試驗(yàn)信息處理成含有生物學(xué)意義試驗(yàn)結(jié)果,對試驗(yàn)結(jié)果分析和試驗(yàn)結(jié)果公布以及對上述過程管理【7】。現(xiàn)在關(guān)鍵經(jīng)過基因組數(shù)據(jù)庫,創(chuàng)建蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫,對蛋白質(zhì)翻譯后修飾類型進(jìn)行分析,使每種蛋白質(zhì)與其基因匹配起來,并結(jié)合現(xiàn)有蛋白質(zhì)研究多種信息,建立完整蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過生物質(zhì)譜得到數(shù)據(jù)需要在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索和比對才能對蛋白質(zhì)進(jìn)行確定【6】。生物信息學(xué)在對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功效估計(jì)上也起到了關(guān)鍵作用。通常估計(jì)方法都是基于同源比對和相同性比較,這一理論基礎(chǔ)是,進(jìn)化產(chǎn)生享受共同祖先同源性蛋白家族含有相同序列、結(jié)構(gòu)和功效【6】。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)比較輕易估計(jì),單三級結(jié)構(gòu)估計(jì)尚無有效措施,研究發(fā)覺序列差異較大蛋白質(zhì)也可折疊成相同三維結(jié)構(gòu),但蛋白質(zhì)折疊過程并不十分明確?，F(xiàn)在常見是“同源模建”方法,但效果并不理想,有待于深入完善【6】。3展望蛋白質(zhì)組學(xué)是一門新興學(xué)科,即使剛剛起步,卻為大規(guī)模地直接研究基因功效提供了強(qiáng)有力工具。它是基因組計(jì)劃由結(jié)構(gòu)走向功效肯定,是生命科學(xué)由分析走向綜合必經(jīng)之路,也是連接微觀分子系統(tǒng)與宏觀生物系統(tǒng)橋梁。它興起將會(huì)使大家更深刻、透徹地了解多種疾病致病機(jī)制,為更全方面地發(fā)覺藥品作用靶位,愈加快速、正確地對疾病進(jìn)行診療提供了有利條件,同時(shí)也為多種疫苗、藥品研制鋪平了道路。能夠預(yù)見,蛋白質(zhì)組學(xué)研究興起和發(fā)展將是未來蛋白質(zhì)研究主時(shí)尚。參考文件:【1】王英超,黨源,李曉艷,蛋白質(zhì)組學(xué)及其技術(shù)發(fā)展【J】生物技術(shù)通訊21139～144【2】李林蛋白質(zhì)組學(xué)進(jìn)展【J】生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展27227～231【3】WilkinsMR,SanchezJC,GooleyAA,etal．Progresswithproteomeprojects:whyallproteinsexpressedbyagenomeshouldbeidentifiedandhowtodoit[J]．BiotechnolGenetEngRev,1996,13:19－50．【4】deHoogCL,MannM．Proteomics[J]．AnnuRevGenomicsHumGenet,,5:267－293．【5】高雪,鄭俊杰,賀福初中國蛋白質(zhì)組學(xué)研究現(xiàn)實(shí)狀況及展望【J】生命科學(xué)6月