蛋白质组学及其研究进展.doc

蛋白质组学及其技术发展
摘要: 但白质组学是以生物体全部或部分蛋白为研究对象, 研究它们在生命活动过程中作用、 功效。蛋白质组学较之前基因组学对于生命现象解释更直接、 更正确。本文关键介绍蛋白质组学概念、 背景、 关键研究技术以及进展前沿。
关键词: 蛋白质组学 双向电泳技术 生物质谱技术 生物信息学

伴随基因测序技术发展, 人类以及多种生物基因组测序完成, 了解这些基因表示、 功效和调控成为目前要务。所以在这个生命科学研究以“组学”为基础研究单位高通量研究时代, 蛋白质组学已是迫切必需。而Science 杂志已把蛋白质组学列为六大研究热点之一, 蛋白质组学研究已成为二十一世纪生命科学关键战略前沿【1】。
1 蛋白质组学概念及产生背景
众所周知,始于20世纪90年代初庞大人类基因组计划已取得了巨大成就,多个物种(包含人类)基因组序列已经完成.生命科学已实质性地跨入了后基因组时代,研究重心已开始从揭示生命全部遗传信息转移到在分子整体水平对功效研究上。这种转向第一个标志是产生了功效基因组学(functional genomics)这一新学科,即从基因组整体水平上对基因活动规律进行叙述.如在mRNA水平上经过DNA芯片技术检测大量基因表示模式。而第二个标志则是蛋白质组学兴起。
蛋白质组一词是澳大利亚Mac-quarie大学Wilkins和Williams在1994年首次提出,最早见诸于文件是在1995年7月《Electrophoresis》杂志上【2】。蛋白质组学（Proteomics）一词, 源于蛋白质（protein）与基因组学（genomics）两个词组合, 其最初定义为“一个基因组所表示蛋白质【3】”, 但这个定义并没有考虑到蛋白质组动态改变。所以现在大家认为蛋白质组定义为“一个已知细胞在某一特定时刻包含全部亚型和修饰全部蛋白质【4】”。
蛋白质组学利用“一网打尽”“组学”研究模式, 与以往研究单个蛋白质“钓鱼”模式有所不一样。它采取大规模、 高通量、 高灵敏度技术手段, 经过全局性研究基因组所表示全部蛋白质在不一样时间与空间表示谱和功效谱, 全景式地揭示生命活动本质。在基础研究上, 蛋白质组学研究将带来一系列相关生命科学尤其是人体科学重大问题突破。因为几乎全部关键生命现象, 如发育、 代谢、 信号传导、 体内能量转换、 神经活动等都关联到众多蛋白质复合体活动, 也即交汇于细胞蛋白质组, 所以人类部分关键组织和细胞功效蛋白质组揭示, 将会广泛而深入地推进基础生命科学研究。在应用研究上, 蛋白质组学是发觉大量新型生物标志物、 药靶和药品关键路径, 已成为生物医药产业及其相关产业发展新生长点, 其发展直接关系到未来整个生物技术产业及其相关产业发展空间和市场份额, 所以日益受到各国普遍关注【5】。
2 蛋白质组学技术
蛋白质组学经典方法是双向电泳与生物质谱联用【6】。
2.1 蛋白质分离纯化技术（双向凝胶电泳）
双向电泳(2-DE)技术由O'Farrel和Klose等人于1975年建立。第一向为等电聚焦(isoelectro focusing,IEF),是基于等电点不一样将蛋白质分离,第二向为SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE),是基于子量不一样而将蛋白质分离【7】。但现在该系统还面临着部分方法上问题:疏水性蛋白(如膜蛋白)难溶于样品缓冲液; 高分子量蛋白、 极酸和极碱性蛋白易在电泳中丢失;低拷贝(拷贝数小于1000)蛋白无法检测等。2-DE是蛋白质组学研究关键技术,而2D-DIGE(two dimensional fluorescence difference gelelectrophoresis) 则在其基础上做了重大改善。2D-DIGE在分离蛋白前,先用荧光素将蛋白样本作上标识,分离后再用质谱进行分析,这种方法能够对试验组和对照组蛋白质表示,进行正确且可反复定量分析。2D-DIGE取得数据能够用专门系统管理。如:PARIS(proteomic analysis and resources index ation system)系统,它储存了电泳图像和信息,供研究者搜索应用【8】, 所以2D-DIGE能够真正作为定量蛋白质组学差异显示首选工具。
2.2 蛋白质筛选（western印记）
对目蛋白筛选通常与双向电泳连用, 关键用来分析凝胶中分离出蛋白质样品, 采取关键技术手段通常是Western印迹和差异蛋白比较分析。Western印迹关键是将双向电泳后凝胶不经过染色而直接转印到固相支持物（如NC膜、 PVDF膜等）上, 再在膜上进行免疫学反应, 从而筛选出与免疫功效相关蛋白; 差异蛋白比较分析则是先对凝胶进行染色, 然后应用软件（如Image Master、 PDQuest 等）对存在差异2组凝胶进行比较, 从而找出差异蛋白。在比较时, 通常要求每个被分析样品反复3次, 然后先做组内比较, 再做组间比较【1】。
2.3 蛋白质判定技术（生物质谱）
质谱技术(massspectrometry,MS)已经成为最有效蛋白质判定工具。其基础原理是样品离子化后,依据不一样离子间负荷比(m/z)差异来分离和确定蛋白质分子量。依据离子化源不一样,关键能够分为电喷雾离子化(electrospray ionization,ESI)和基质辅助激光解吸离子化(matrixassisted laser desorption/ionization)质谱两大类。通常质谱仪由离子源,质量分析器,离子检测系统三部分组成。其中, 质量分析器是质谱技术关键【6】。质谱有不少优点,不仅能够快速、 高效地对目蛋白进行判定, 且样品用量少（通常达成微克级）还能用于翻译后修饰分析(糖基化、 磷酰化),但现在只适适用于20个氨酸以下肽段。另外,还存在固有不足,比如Ile, Lys和Gln不能区分,有些肽固有序列不能用质谱法测定。
2.4 蛋白质分析（生物信息学）
生物信息学是在生命科学研究中, 以计算机为工具对生物信息进行储存、 检索和分析科学。蛋白质组生物信息学研究内容包含大规模蛋白质组学试验信息产生,将试验信息处理成含有生物学意义试验结果,对试验结果分析和试验结果公布以及对上述过程管理【7】。现在关键经过基因组数据库,创建蛋白质数据库,对蛋白质翻译后修饰类型进行分析,使每种蛋白质与其基因匹配起来,并结合现有蛋白质研究多种信息,建立完整蛋白质组数据库。经过生物质谱得到数据需要在数据库中进行搜索和比对才能对蛋白质进行确定【6】。生物信息学在对蛋白质结构和功效估计上也起到了关键作用。通常估计方法都是基于同源比对和相同性比较,这一理论基础是,进化产生享受共同祖先同源性蛋白家族含有相同序列、 结构和功效【6】。蛋白质二级结构比较轻易估计,单三级结构估计尚无有效措施,研究发觉序列差异较大蛋白质也可折叠成相同三维结构,但蛋白质折叠过程并不十分明确。现在常见是“同源模建”方法,但效果并不理想,有待于深入完善【6】。
3 展望
蛋白质组学是一门新兴学科,即使刚刚起步,却为大规模地直接研究基因功效提供了强有力工具。它是基因组计划由结构走向功效肯定,是生命科学由分析走向综合必经之路,也是连接微观分子系统与宏观生物系统桥梁。它兴起将会使大家更深刻、 透彻地了解多种疾病致病机制, 为更全方面地发觉药品作用靶位, 愈加快速、 正确地对疾病进行诊疗提供了有利条件, 同时也为多种疫苗、 药品研制铺平了道路。能够预见,蛋白质组学研究兴起和发展将是未来蛋白质研究主时尚。

参考文件:
【1】王英超, 党源, 李晓艳, 蛋白质组学及其技术发展【J】 生
物技术通讯 21 139～144
【2】 李林 蛋白质组学进展【J】 生物化学与生物物理进展
27 227～231
【3】Wilkins M R, Sanchez J C, Gooley A A, et al． Progress
withproteome projects: why all proteins expressed by a
genomeshould be identified and how to do it [J] ． Biotechnol Genet EngRev, 1996,13:19－50．
【4】de Hoog C L, Mann M． Proteomics[J]． Annu Rev GenomicsHum
Genet, ,5:267－293．
【5】高 雪, 郑俊杰, 贺福初 中国蛋白质组学研究现实状况及展望【J】
生命科学 6月 19(3) 257～263
【6】刘 东 蛋白质组学及其研究进展【J】 中山大学硕士学刊
28(4) 9～16
【7】 王阳梦,董银卯,何聪芬 蛋白质组学关键技术研究进展【J】 北京工商大学学报(自然科学版) 7月 24(4) 9～14
【8】 郭春燕,詹克慧 蛋白质组学技术研究进展及应用【J】 云南
农业大学学报 7月 25(4) 583～591