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综述蛋白质组学
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1 蛋白质组学的发展简史 随着人类基因组计划(HGP)的实施和推进，研究重心开始从揭示生命的所有遗传信息转移到在分子整体水平对功能的研究。这种转向的第一个标志是产生了功能基因组学(Functional genomics)这一新学科，即从基因组整体水平上对基因的活动规律进行阐述，如在mRNA水平上通过DNA芯片技术检测大量基因的表达模式。而第二个标志则是蛋白质组学的兴起，它是以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象。可以说，蛋白质组的研究重点已转向了一个崭新的研究领域——蛋白质组学。 第一次提出蛋白质组概念于1995年，但相关研究可以追溯到19世纪80年代中期甚至更早。在十多年前就有人提出过类似的计划——Human Protein Index计划，旨在区分细胞内的蛋白质，由于技术不成熟而搁浅[1]。90年代初期，随着各种技术日益成熟，蛋白质组研究进展十分迅速，从基础理论到实验技术，都在改进和完善。而且有相当多的蛋白质组数据库已经建立，相应的国际互联网站也层出不穷。世界上第一个蛋白质组研究中心于1996年在澳大利亚创建了： APAF (Australia Proteome Analysis Facility)。随后，丹麦、加拿大、日本、瑞士也成立了研发机构。2001年4月，在美国成立了国际人类蛋白质组研究组织(Human Proteome Organization ，HPO)，并和欧洲、亚太地区的区域性蛋白质组研究组织一起，试图通过合作的方式，融合各方面的力量，完成人类蛋白质组计划(Human Proteome Project，HPP)[2]。 2 蛋白质组和蛋白质组学的概述 2.1 蛋白质组 蛋白质组最早是指细胞(或单细胞生物)或组织内全部蛋白质，它是澳大利亚Macquarie大学的Wilkins和Williams[3]等于1995年在意大利的Siena召开的双向电泳会议上首次提出的。指的是由一个基因组、一个细胞或一种生物表达的所有蛋白质。随着其所处环境的不同，如细胞所处的时期、外部环境的刺激等，所表达的蛋白的种类、数量亦不同，但总体而言，人体细胞所表达的蛋白种类和数量有80%是应该相同的,亦称之为管家蛋白(housekeeping proteins)。从中心法则来看，基因和蛋白质之间应该存在着一一对应的线形关系，蛋白质组内蛋白质的数目应该等于基因组内编码蛋白的基因的数目。由于蛋白质是体现生物功能的分子,蛋白质分子由基因所编码,故蛋白质组学研究是基因组学(特别是功能基因组学)研究的深入和延伸。 2.2 蛋白质组学 蛋白质组学是人类基因组计划研究发展的基础上形成的交叉学科，主要是从整体水平研究细胞内蛋白质的组成，结构及其自身特有的活动规律。早期对蛋白质组学的经典定义是以双向凝胶电泳(2 D-PAGE)分离蛋白质并进行鉴定，获得蛋白质表达的大量信息[4]。蛋白质组学不同于传统的蛋白质学科之处在于它的研究是在生物体或其细胞的整体蛋白质水平上进行的，它从一个机体或一个细胞的蛋白质整体活动的角度来揭示和阐明生命活动的基本规律。蛋白质组学主要包括：①细胞器蛋白质组学 (Cell-map proteomics)：即确定蛋白质在亚细胞结构中的位置；通过纯化细胞器或用质谱仪鉴定蛋白质复合物组成等来确定。②表达蛋白质组学(Expression proteomics)：把细胞、组织中的所有蛋白质建立成定量表达图谱或扫描EST图。 3 蛋白质组学的研究 3.1蛋白质组学的研究内容 蛋白质翻译后修饰研究已成为蛋白质组研究中的重要部分和巨大挑战。蛋白质-蛋白质相互作用的研究也已被纳入蛋白质组学的研究范畴。而蛋白质高级结构的解析即传统的结构生物学，虽也有人试图将其纳入蛋白质组学研究范围，但目前仍独树一帜。从整体上看，蛋白质组研究包括两个方面，一方面是对蛋白质表达模式的研究即蛋白质组组成的研究，另一方面是对蛋白质组功能模式(目前主要集中在蛋白质组相互作用网络关系)的研究。随着学科的发展，蛋白质组学的研究内容也在不断完善和扩充。 现阶段蛋白质组学的研究内容不仅包括对各种蛋白质的识别和定量化，还包括确定它们在细胞内外的定位、修饰、相互反应、活性和最终确定它们的功能。内容大致包括以下四方面：①蛋白质组作用、成分鉴定、数据库构建、新型蛋白质的发现、同源蛋白质比较、蛋白质加工和修饰分析；②基因产物识别、基因功能鉴定、基因调控机制分析；③重要生命活动的分子机制(如细胞周期、分化与发育、环境反应与调节等)；④医药靶分子的寻找和分析(包括新药靶分子、肿瘤分子标记、人体病理介导分子等)。 3.2蛋白质组学的研究方法 现阶段蛋白质组的研究可分为三个主要步骤：①应用2D-PAGE电泳、“双向”高效柱层析分离蛋白质；②应用氨基酸组成分析、C 或N 末端氨基酸序列分析及质谱分析鉴定所分离的蛋白质；③应用生物信息学数据库对鉴定结果进行存储、处理、对比和分析。蛋白质组学的主要研究方法可按结构蛋白质组学和功能蛋白质组学分为两大类。结构蛋白质组学是由2D-PAGE电泳、质谱、Edman降解法等技术测得的完整蛋白质分子量、蛋白质的肽质谱以及部分肽序列等数据，通过相应的数据库的搜寻来鉴定蛋白质组。功能蛋白质组是指在变化的条件下所发生的变化，如蛋白质表达量的变化，翻译后的加工修饰；或者在可能的条件下分析蛋白质在亚细胞水平上的定位的改变等，从而发现和鉴定出特定功能的蛋白质组。结构蛋白质组学有三方面：①蛋白质结构测定主要以X—光衍射为主要研究手段；②分析测定蛋白质数量及种类以2D-PAGE为主要手段，现在一张2DE图谱可辨出5000个～10000个蛋白质斑点；③质谱是对蛋白质鉴定的基本手段[5]。在功能蛋白质组学方面，比较常用的研究方法有酵母双杂交系统和反向杂交系统、免疫共沉淀技术、表面等离子技术和荧光能量转移技术等。 3.3蛋白质组学研究技术 其主要包括实验技术体系和生物信息学两方面的内容。蛋白质组学的核心实验技术是2D-PAGE和质谱技术，另有与其配套的微量制备和分析技术。生物信息学常由数据库、计算机网络和应用软件三大部分组成，已在基因组计划中发挥了巨大作用，在蛋白质组学研究中也占有十分重要的地位，已成为独立的蛋白质组信息学。对一种细胞或组织的蛋白质组2D-PAGE后可分离到几千甚至上万个蛋白质斑点的电泳图谱，运用计算机图象技术系统分析比较，可确定分离蛋白质在图谱的定位、数量及图谱间分离蛋白质的差异。质谱已成为蛋白质鉴定的核心技术，从质谱技术测得的完整蛋白质分子量、蛋白质的肽质谱以及部分肽序列等数据通过相应的数据库的搜寻来鉴定蛋白质。蛋白质的可靠鉴定往往需要多种方法和数据的结合，还需要对蛋白质翻译后修饰的类型和程度进行分析。 3.4蛋白质组学研究的最终目标 它的最终目标是阐明生命细胞进行代谢、信号传导和调控网络的组织结构和动力学，并理解这些网络如何在病理中失去功能，又如何通过干预如药物和基因改变它们的功能。几乎所有的生理和病理过程，以及药物和环境因子的作用都依赖于蛋白质，并引起蛋白质的变化。反之，对蛋白质组变化的分析也能提供对上述过程或结果的重要信息。蛋白质组的研究不仅为生命活动规律提供物质基础，探索生命奥秘也为某些疾病发生发展机理的阐明和解决途径提供理论根据。 4 蛋白质组学的研究意义及应用 4.1 蛋白质组学研究的意义 随着大量DNA序列数据的不断涌现，人们意识到仅仅靠基因组的序列来试图阐明生命现象是远远不够的。蛋白质本身的存在形式和活动规律，如翻译后修饰、蛋白质间相互作用以及蛋白质结构等问题，必须要依赖于对蛋白质组学的研究来解决。蛋白质组学使我们从综合和总体的角度，在分子水平上来研究和把握生命现象，这对于理解生命现象的本质，对于生命科学的每一个分支都将起到强有力的推动作用。任何一种疾病在表现出可察觉的症状之前，就已经有一些蛋白质发生了变化。因此寻找各种疾病的关键蛋白和标志蛋白，对于疾病的诊断、病理的研究和药物的筛选都具有重要意义。 蛋白质组学的研究对象已涵盖了原核生物、真核生物、动物、植物等，但由于微生物个体蛋白质种类少，已成为蛋白质组学研究的突破口，并已取得了很大进展[6]，同时提出了亚蛋白质组学、比较蛋白质组学、定量蛋白质组学等新概念，推动了蛋白质组学的发展。 4.2 蛋白质组学应用 分子生物学、生物信息学的迅猛发展以及各种高科技检测手段的不断出现都不断赋予了该领域新的内涵。例如：2DE矢量图[7]已经应用于蛋白质翻译后修饰种类和程度等预测方面；一步消化法(OSDT)、平行胶内消化(PIGD)和双平行消化(DPD)三种方法能实现2DE胶上样品的酶解和转移的平行化，这样就可以利用MALDI-TOF-MS一次性分析和测定大量的蛋白质样品；Humphery-Smith[8]等创建了蛋白质重叠群(proteomic contig)，可扩大双向电泳的PH滴度范围和分子范围，分辨更多的蛋白质组分；稳定同位素标记法和同位素亲和标签法(ICAT)[9]解决了2DE图像斥力和分析方面的难题，因此能很好的定量分析微量蛋白质；***色谱整合串联质谱(MLCTMS)技术[10]能够克服2DE分离PI过大或过小以及疏水性强的蛋白质等缺陷，为人类研究蛋白质组开创新的思路；蛋白质芯片[11]是生物芯片技术在蛋白质组学研究中的应用，它提高了蛋白质鉴定的速度与重复性，在蛋白质的生物活性以及大分子与蛋白质之间相互作用等方面展示了独有的魅力。 由于人有着大量的组织、细胞类型和发育阶段，对人类蛋白组的研究主要聚焦在特异的组织、细胞和疾病上[12]。现在肺结核杆菌的基因全序列已测定，心肌肥大症的蛋白质组研究也已启动。人的各种体液(血液、淋巴、脊髓、乳汁和尿等)被用于研究与某些疾病的关系。对于各种肿瘤组织与正常组织之间蛋白质谱差异的研究，已经找到一些肿瘤特异性的蛋白分子，可能会对揭示肿瘤发生的机制有帮助，目前已应用于肝癌、膀胱癌、前列腺癌等研究中。与此同时，已经展开细菌、酵母、线虫、果蝇以及某些植物(玉米、水稻和拟南芥)的蛋白质组的研究。此外蛋白质组学还广泛应用于生命起源研究，生物的进化历程，以及开发新的蛋白质等领域。 5 展望 随着技术和方法的不断创新与发展，蛋白质组学研究将在揭示诸如生长、发育和代谢调控等生命活动规律上有所突破，最终也将成为人类重大疾病机制阐明和诊断、防治中的有力武器。病原体基因组和蛋白质组的研究，将为开发新的抗菌素提供理论依据。在恶性肿瘤方面，它从蛋白质整体的水平上研究恶性肿瘤的发病机制，从而使攻克癌症这一难关成为可能。在农业上，育种也将从现在的通过个别基因的转移改进个别性能，使整体性能达到改善。在新药的开发上，它作为好的指导思想，可以加快药物专一作用靶点的探测速度，增加新药临床试验通过率。目前已有数十种蛋白质芯片系统问世，为蛋白质组学研究提供了强有力的手段。可以预期，作为一门新兴学科，蛋白质组学给人类展示了一幅美好的前景，这必将作用于人类生活质量水平的提高和人类寿命的延长。 尽管蛋白质组学的相关技术在操作自动化、检测灵敏度等方面存在缺陷，但蛋白质组学在未来的生命科学研究以及医药开发中将占有越来越重要的地位。随着样品制备、高通量自动分析、质谱技术以及生物信息学领域的进步，蛋白质组学的研究也将更加系统。 |
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