CH蛋白质组与蛋白质组学PPT课件
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一、蛋白质组的基本概念和历史 (3)No good correlation between mRNA abudence and protein amout in a cell at a given time; (4)Protein post-translational modification; (5) Protein subcellular location. Proteomics directly contributes to Annotation of genome .
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一、蛋白质组的基本概念和历史
• 2003年成立了中国人类蛋白质组组织（CHHUPO）。 • 2003年9月、2004年8月以及2005年8月召开了中国蛋白质组学首届、第二届及第三届学术大会。 • 2004年10月在中国北京召开了第三届国际蛋白质组学会议。 • 科技部已将疾病蛋白质组研究列入我国“973”计划项目和“863”计划项目；国家自然科学基金委员会 也将“蛋白质组研究”列为重点项目。我国在鼻咽癌、白血病、肝癌和肺癌蛋白质组研究方面取得了较大的 进展。
2-D 理论
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分子量
（二）蛋白质组学的主要研究方法
7cm, 11cm,17cm水 化盘各25个,每个可 做1-12个胶条
主机PROTEAN IEF Cell
矿物油
7cm, 11cm,17cm高通量 聚焦槽各一个,每个聚焦 槽可做1-12个胶条
镊子、小刷子
另可加配备24cm聚焦槽和杯上样 聚焦槽（1-12个胶条）
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一、蛋白质组的基本概念和历史
• 结构蛋白质组学 蛋白质的序列和高级结构，X- 射线单晶衍射分析（晶体结构分析）、多维核磁共振波 谱分析、电镜二维晶体三维重构术（电子晶体学）。 • 细胞图谱蛋白质组学 蛋白质的胞内分布及移位，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复合物组成等。 • 功能蛋白质组学 蛋白质的功能模式，蛋白质与蛋白质及其与其他分子的相互作用。
（二）蛋白质组学的主要研究方法 pI
M.Wt.
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
A
B
Proteins from cultured human cells
A = Derivative of B
Differential Analysis
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
pH 7.5 pH 7.5
–
pH 10
–
pH 10
+
pH 3
+
pH 3
pH 7.5
–
pH 10
–
pH 7.5
pH 10
The 1st D: Isoelectric Focusing
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
pH 3.0
+
pH 3
pH 7.5
pH 7.5
–
pH10
pH10
–
电荷
第二章 蛋白质组与蛋白质组学
主要内容
一、蛋白质组的基本概念和历史 二、蛋白质组的特征 三、蛋白质组与基因组的关系 四、蛋白质组的研究技术和研究策略
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一、蛋白质组的基本概念和历史 1、蛋白质组和蛋白质组学 蛋白质组是澳大利亚学者Williams 和 Wilkins于1994年首先提出。 “Proteome”源于蛋白质(Protein)和基因组(genome)两个词的结合，用 于表示一种细胞、组织或生物个体所能表达出来的所有蛋白质。 蛋白质组是一个基因组所能表达出来的所有蛋白质构成的整体，不是局 限于一个或几个蛋白质。同一基因组在不同细胞、不同组织中的表达情况 各不相同。
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一、蛋白质组的基本概念和历史 3. Why is proteomics necessary Displaying and studying the products of genes directly is an attractive way of studying disease and complex problem in biology The study of gene expression can also be attempted at the level of mRNA (microarray...) However …… (1)You can have a protein in the cell when its mRNA is no longer present; (2)You can have lots of mRNA without translation of the message to protein;
Immobilised pH gradient (IPG) pH gradient ( ampholyte) is co-polymerised with the acrylamide gel matrix to form completely stable gradients. The commercial precast IPG stripes is available in various pH ranges (310,4-7...).
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
1、基于二维电泳-质谱技术的蛋白质组研究 2、基于液相色谱（电泳）-质谱技术的蛋白质组研究 — 液相电泳-质谱技术 — 液相色谱-质联用技术 —同位素亲和标签技术 (isotope-coded affinity tages,ICAT) 3、蛋白质芯片
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四、蛋白质组的研究技术和研究策略 （一）蛋白质组研究技术的复杂性 具有比基因组学研究更高的复杂性： ——20种化学和物理性质不同的氨基酸。 ——蛋白质量的动态差别（106 ）。 ——蛋白质的不稳定性。 ——蛋白质修饰的多样性和复杂性。
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（一）蛋白质组研究技术的复杂性
1st di mensi on I EF
Imaging & analysis
2nd di mensi on SDS- PAGE
Spot exci si on
I magi ng and Anal ysi s
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Gel st ai ni ng
（二）蛋白质组学的主要研究方法
+
pH 3
+
pH 3
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二、蛋白质组的特征 蛋白质的“四维”研究 ——特定的时间：合成与降解 ——特定的空间：区域性与运动性 Dynamic Proteomics (动态蛋白质组学) 动态表达、动态组成、动态定位、动态关系 ——动态表达：通过对疾病发生,发展,预后过程中的蛋白质差异谱构 建,跟踪关键蛋白质在疾病不同时期动态表达。 蛋白质表达量的差异是功能变化的基础之一。
Protein extraction
2-DE
Image analysis
Silver staining
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Scanning
Expression Proteomics Tools
2-D Sample Prep
2-D electrophoresis
Sampl e Pr epar at i on
Transcriptome
What would happen
Proteome
What is happening
+
+
Sequence databases
Gene Expression databases
Protein Expression databases
Relational Query Tools
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二、蛋白质组的特征
——动态组成：蛋白质翻译后修饰, 如磷酸化，糖基化,乙酰化等的大规 模分析和监测。
蛋白质翻译后修饰——增加蛋白质的复杂性，信号传递的方式。 ——动态定位：亚细胞蛋白质组分析及定位，与功能相关的蛋白质空间 动态变化分析。 定位变化导致相互作用的改变，蛋白质群功能改变。 ——动态关系：蛋白质功能复合物，蛋白质-蛋白质作用网络，蛋白质与 小分子配体相互作用分析。 不同的蛋白质群及其结构发挥不同的功能。
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
Two-dimensional Electrophoresis (2-DE)
1st dimension: isoelectric focusing (IEF) proteins are separated in a pH gradient until reach a stationary position where their net charge is zero. The pH at which a protein has zero net charge is called isoelectric point (pI). 2nd dimension: SDS-PAGE Proteins are separated according their molecular weight (Mr)
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
1980s The introduction of immobilised pH gradient (IPG) eliminlated the problem of gradient instability and poor sample loading capacity
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一、蛋白质组的基本概念和历史
• 蛋白质组学(proteomics)是研究蛋白质组成及其功能网络的科学。一 般认为蛋白质组学是研究蛋白质组或应用大规模蛋白质分离和识别技术研 究蛋白质组的一门学科，是对基因组所表达的整套蛋白质的分析。 • Proteomics 通过对细胞内蛋白质组成种类、丰度、功能变化及与细 胞或生物个体机能变化相互联系的分析，揭示细胞或生物生命活动规律。 主要研究内容： • 表达蛋白质组学 特定的细胞、组织或器官合成的蛋白质种类、丰度 及功能，关键技术 2-D电泳等。
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
低通量（1-2块胶）用于一般分析实验
Mini PROTEAN3 (7cm)
CБайду номын сангаасiterionTM Cell (11cm)
高通量（1-12块胶）用于大规模蛋白质组实验
PROTEAN II XL Cell (17,18cm)
Mini PROTEAN3 Dodeca(7cm) CriterionTM Dodeca Cell (11cm) 第二向SDS PAGE
A
B
E. Coli grown at 30ºC
E. Coli grown at 42ºC
PROTEAN Plus Dodeca(17,18,24cm)
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
2-D 胶分析分析软件 全自动点检测和定量分 析，可同时进行100块 以上胶的分析，数据库 对胶的数目没有限制， 可进行统计分析，可对 每组胶进行差异表达分 析，蛋白进行注释和索 引。
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一、蛋白质组的基本概念和历史 2、蛋白质组研究简况 1975年，首先由O’Farrell等创立Two-dimensional electrophoresis。 1997 年 Wilkins, M. and Williams 提出了蛋白质组的概念。 1997年召开了第一次国际“蛋白质组学”会议。 1999年1月在英国伦敦举行了应用蛋白质组会议。 我国也于1998年启动了蛋白质组学研究，在中科院上海生物化学研究 所举办了两次全国性的蛋白质组学研讨会。
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（二）蛋白质组学的主要研究方法 2-DE is the only method currently available which is capable of simultaneously separating thousands of proteins
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（二）蛋白质组学的主要研究方法 Cell culture
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二、蛋白质组的特征
蛋白质组的确定？ 1，蛋白质组的完整性： ——基因组内基因（或ORF）数量？ ——基因表达？ 2，蛋白质组的测定： ——修饰蛋白质的判据？ ——蛋白质的动态变化（降解或转运）？
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三、蛋白质组与基因组的关系
Genome
What could happen
一、蛋白质组的基本概念和历史 (3)No good correlation between mRNA abudence and protein amout in a cell at a given time; (4)Protein post-translational modification; (5) Protein subcellular location. Proteomics directly contributes to Annotation of genome .
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一、蛋白质组的基本概念和历史
• 2003年成立了中国人类蛋白质组组织（CHHUPO）。 • 2003年9月、2004年8月以及2005年8月召开了中国蛋白质组学首届、第二届及第三届学术大会。 • 2004年10月在中国北京召开了第三届国际蛋白质组学会议。 • 科技部已将疾病蛋白质组研究列入我国“973”计划项目和“863”计划项目；国家自然科学基金委员会 也将“蛋白质组研究”列为重点项目。我国在鼻咽癌、白血病、肝癌和肺癌蛋白质组研究方面取得了较大的 进展。
2-D 理论
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分子量
（二）蛋白质组学的主要研究方法
7cm, 11cm,17cm水 化盘各25个,每个可 做1-12个胶条
主机PROTEAN IEF Cell
矿物油
7cm, 11cm,17cm高通量 聚焦槽各一个,每个聚焦 槽可做1-12个胶条
镊子、小刷子
另可加配备24cm聚焦槽和杯上样 聚焦槽（1-12个胶条）
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一、蛋白质组的基本概念和历史
• 结构蛋白质组学 蛋白质的序列和高级结构，X- 射线单晶衍射分析（晶体结构分析）、多维核磁共振波 谱分析、电镜二维晶体三维重构术（电子晶体学）。 • 细胞图谱蛋白质组学 蛋白质的胞内分布及移位，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复合物组成等。 • 功能蛋白质组学 蛋白质的功能模式，蛋白质与蛋白质及其与其他分子的相互作用。
（二）蛋白质组学的主要研究方法 pI
M.Wt.
第26页/共57页
（二）蛋白质组学的主要研究方法
A
B
Proteins from cultured human cells
A = Derivative of B
Differential Analysis
第27页/共57页
（二）蛋白质组学的主要研究方法
pH 7.5 pH 7.5
–
pH 10
–
pH 10
+
pH 3
+
pH 3
pH 7.5
–
pH 10
–
pH 7.5
pH 10
The 1st D: Isoelectric Focusing
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
pH 3.0
+
pH 3
pH 7.5
pH 7.5
–
pH10
pH10
–
电荷
第二章 蛋白质组与蛋白质组学
主要内容
一、蛋白质组的基本概念和历史 二、蛋白质组的特征 三、蛋白质组与基因组的关系 四、蛋白质组的研究技术和研究策略
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一、蛋白质组的基本概念和历史 1、蛋白质组和蛋白质组学 蛋白质组是澳大利亚学者Williams 和 Wilkins于1994年首先提出。 “Proteome”源于蛋白质(Protein)和基因组(genome)两个词的结合，用 于表示一种细胞、组织或生物个体所能表达出来的所有蛋白质。 蛋白质组是一个基因组所能表达出来的所有蛋白质构成的整体，不是局 限于一个或几个蛋白质。同一基因组在不同细胞、不同组织中的表达情况 各不相同。
第6页/共57页
一、蛋白质组的基本概念和历史 3. Why is proteomics necessary Displaying and studying the products of genes directly is an attractive way of studying disease and complex problem in biology The study of gene expression can also be attempted at the level of mRNA (microarray...) However …… (1)You can have a protein in the cell when its mRNA is no longer present; (2)You can have lots of mRNA without translation of the message to protein;
Immobilised pH gradient (IPG) pH gradient ( ampholyte) is co-polymerised with the acrylamide gel matrix to form completely stable gradients. The commercial precast IPG stripes is available in various pH ranges (310,4-7...).
第14页/共57页
（二）蛋白质组学的主要研究方法
1、基于二维电泳-质谱技术的蛋白质组研究 2、基于液相色谱（电泳）-质谱技术的蛋白质组研究 — 液相电泳-质谱技术 — 液相色谱-质联用技术 —同位素亲和标签技术 (isotope-coded affinity tages,ICAT) 3、蛋白质芯片
第12页/共57页
四、蛋白质组的研究技术和研究策略 （一）蛋白质组研究技术的复杂性 具有比基因组学研究更高的复杂性： ——20种化学和物理性质不同的氨基酸。 ——蛋白质量的动态差别（106 ）。 ——蛋白质的不稳定性。 ——蛋白质修饰的多样性和复杂性。
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（一）蛋白质组研究技术的复杂性
1st di mensi on I EF
Imaging & analysis
2nd di mensi on SDS- PAGE
Spot exci si on
I magi ng and Anal ysi s
第20页/共57页
Gel st ai ni ng
（二）蛋白质组学的主要研究方法
+
pH 3
+
pH 3
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二、蛋白质组的特征 蛋白质的“四维”研究 ——特定的时间：合成与降解 ——特定的空间：区域性与运动性 Dynamic Proteomics (动态蛋白质组学) 动态表达、动态组成、动态定位、动态关系 ——动态表达：通过对疾病发生,发展,预后过程中的蛋白质差异谱构 建,跟踪关键蛋白质在疾病不同时期动态表达。 蛋白质表达量的差异是功能变化的基础之一。
Protein extraction
2-DE
Image analysis
Silver staining
第19页/共57页
Scanning
Expression Proteomics Tools
2-D Sample Prep
2-D electrophoresis
Sampl e Pr epar at i on
Transcriptome
What would happen
Proteome
What is happening
+
+
Sequence databases
Gene Expression databases
Protein Expression databases
Relational Query Tools
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二、蛋白质组的特征
——动态组成：蛋白质翻译后修饰, 如磷酸化，糖基化,乙酰化等的大规 模分析和监测。
蛋白质翻译后修饰——增加蛋白质的复杂性，信号传递的方式。 ——动态定位：亚细胞蛋白质组分析及定位，与功能相关的蛋白质空间 动态变化分析。 定位变化导致相互作用的改变，蛋白质群功能改变。 ——动态关系：蛋白质功能复合物，蛋白质-蛋白质作用网络，蛋白质与 小分子配体相互作用分析。 不同的蛋白质群及其结构发挥不同的功能。
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
Two-dimensional Electrophoresis (2-DE)
1st dimension: isoelectric focusing (IEF) proteins are separated in a pH gradient until reach a stationary position where their net charge is zero. The pH at which a protein has zero net charge is called isoelectric point (pI). 2nd dimension: SDS-PAGE Proteins are separated according their molecular weight (Mr)
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（二）蛋白质组学的主要研究方法
1980s The introduction of immobilised pH gradient (IPG) eliminlated the problem of gradient instability and poor sample loading capacity
第2页/共57页
一、蛋白质组的基本概念和历史
• 蛋白质组学(proteomics)是研究蛋白质组成及其功能网络的科学。一 般认为蛋白质组学是研究蛋白质组或应用大规模蛋白质分离和识别技术研 究蛋白质组的一门学科，是对基因组所表达的整套蛋白质的分析。 • Proteomics 通过对细胞内蛋白质组成种类、丰度、功能变化及与细 胞或生物个体机能变化相互联系的分析，揭示细胞或生物生命活动规律。 主要研究内容： • 表达蛋白质组学 特定的细胞、组织或器官合成的蛋白质种类、丰度 及功能，关键技术 2-D电泳等。
第23页/共57页
（二）蛋白质组学的主要研究方法
低通量（1-2块胶）用于一般分析实验
Mini PROTEAN3 (7cm)
CБайду номын сангаасiterionTM Cell (11cm)
高通量（1-12块胶）用于大规模蛋白质组实验
PROTEAN II XL Cell (17,18cm)
Mini PROTEAN3 Dodeca(7cm) CriterionTM Dodeca Cell (11cm) 第二向SDS PAGE
A
B
E. Coli grown at 30ºC
E. Coli grown at 42ºC
PROTEAN Plus Dodeca(17,18,24cm)
第24页/共57页
（二）蛋白质组学的主要研究方法
2-D 胶分析分析软件 全自动点检测和定量分 析，可同时进行100块 以上胶的分析，数据库 对胶的数目没有限制， 可进行统计分析，可对 每组胶进行差异表达分 析，蛋白进行注释和索 引。
第25页/共57页
第4页/共57页
一、蛋白质组的基本概念和历史 2、蛋白质组研究简况 1975年，首先由O’Farrell等创立Two-dimensional electrophoresis。 1997 年 Wilkins, M. and Williams 提出了蛋白质组的概念。 1997年召开了第一次国际“蛋白质组学”会议。 1999年1月在英国伦敦举行了应用蛋白质组会议。 我国也于1998年启动了蛋白质组学研究，在中科院上海生物化学研究 所举办了两次全国性的蛋白质组学研讨会。
第17页/共57页
（二）蛋白质组学的主要研究方法 2-DE is the only method currently available which is capable of simultaneously separating thousands of proteins
第18页/共57页
（二）蛋白质组学的主要研究方法 Cell culture
第10页/共57页
二、蛋白质组的特征
蛋白质组的确定？ 1，蛋白质组的完整性： ——基因组内基因（或ORF）数量？ ——基因表达？ 2，蛋白质组的测定： ——修饰蛋白质的判据？ ——蛋白质的动态变化（降解或转运）？
第11页/共57页
三、蛋白质组与基因组的关系
Genome
What could happen