蛋白质组学的研究进展_徐丽

在２０世纪９０年代中期，国际上产生了一门新兴学科———蛋白质组学（Ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ），它以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象。

可以说蛋白质组研究的开展不仅是生命科学研究进入后基因组时代的里程碑，也是后基因组时代生命科学研究的核心内容之一。

蛋白质组（ｐｒｏｔｅｏｍｅ）一词是澳大利亚Ｍａｃｑｕａｒｉｅ大学Ｗｉｌｋｉｎｓ和Ｗｉｌｌｉａｍｓ在１９９４年首次提出，最早见诸于文献是在１９９５年７月《Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ》杂志上［１，２］。

蛋白质组学旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式，其内容包括鉴定蛋白质的表达、存在方式（修饰形式）、结构、功能和相互作用等。

１蛋白质组学研究的意义和背景随着人类基因组计划的完成，生命科学研究己进入了后基因组时代［３］。

在这个时代，生命科学的主要研究对象是功能基因组学，包括结构基因组研究和蛋白质组研究等［４］。

尽管现在己有多个物种的基因组被测序，但在这些基因组中通常有一半以上基因的功能是未知的。

目前功能基因组中所采用的策略，如基因芯片、基因表达序列分析（ＳｅｒｉａｌａｎａｌｙｓｉｓＯｆｇｅｎｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ，ＳＡＧＥ）等，都是从细胞中ｍＲＮＡ的角度来考虑的，其前提是细胞中ｍＲＮＡ的水平反映了蛋白质表达的水平。

但事实并不完全如此。

从ＤＮＡ到蛋白质，存在三个层次的调控，即转录水平调控（Ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌ），翻译水平调控（Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌ），翻译后水平调控（Ｐｏｓｔ－ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌ）。

从ｍＲＮＡ角度考虑，实际上仅包括了转录水平调控，并不能全面代表蛋白质表达水平。

实验也证明，组织中ｍＲＮＡ丰度与蛋白质丰度的相关性并不好，尤其对于低丰度蛋白质来说，相关性更差［２］。

更重要的是，蛋白质复杂的翻译后修饰、蛋白质的亚细胞定位或迁移、蛋白质—蛋白质相互作用等几乎无法从ｍＲＮＡ水平来判断。

毋庸置疑，蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象的直接体现者，对蛋白质结构和功能的研究将直接阐明生命在生理或病理条件下的变化机制。

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构象等问题，仍依赖于直接对蛋白质的研究来解决。

虽然蛋白质的可变性和多样性等特殊性质导致了蛋白质研究技术远远比核酸技术要复杂和困难得多，但正是这些特性参与和影响着整个生命过程。

传统的对单个蛋白质进行研究的方式已无法满足后基因组时代的要求。

这是因为：①生命现象的发生往往是多因素影响的，必然涉及到多个蛋白质。

②多个蛋白质的参与是交织成网络的，或平行发生，或呈级联因果。

③在执行生理功能时蛋白质的表现是多样的、动态的，并不像基因组那样基本固定不变［４，５］。

因此要对生命的复杂活动有全面和深入的认识，必然要在整体、动态、网络的水平上对蛋白质进行研究。

２蛋白质组学研究的策略和范围蛋白质组学一经出现，就有两种研究策略。

一种采用高通量的蛋白质组研究技术分析生物体内尽可能多乃至接近所有的蛋白质，这种观点从大规模、系统性的角度来看待蛋白质组学，也更符合蛋白质组学的本质。

但是，由于蛋白质表达随空间和时间不断变化，要分析生物体内所有的蛋白质是一个难以实现的目标。

所以很多人提出了另一种策略：功能蛋白质组学［５，６］，即研究不同时期细胞蛋白质组成的变化，如蛋白质在不同环境下的差异表达，以发现有差异的蛋白质种类为主要目标。

这种观点更倾向于把蛋白质组学作为研究生命现象的手段和方法。

总体上看，蛋白质组研究可分为四个方面［７］：（１）对细胞或组织内蛋白质的表达模式及修饰（表达蛋白质组学）的研究。

（２）建立在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）技术基础之上的蛋白质序列和高级结构（结构蛋白质组学）的研究。

（３）对蛋白质的胞内分布及移位（细胞图谱蛋白质组学）的研究：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。

（４）蛋白质的功能模式（功能蛋白质组学）：目前主要集中在蛋白质与蛋白质及其与其他分子的相互作用网络关系的研究。

对蛋白质组组成的分析鉴定是蛋白质组学中的与基因组学相对应的主要内容。

它要求对蛋白质组进行表征，即所有蛋白质的分离与鉴定及其图谱化。

随着学科的发展，蛋白质组学的研究范围也在不断完善和扩充。

蛋白质翻译后修饰研究己成为蛋白质组研究中的重要部分和巨大挑战。

３蛋白质组学的技术蛋白质组学的发展，既是技术所推动的也是受技术限制的。

蛋白质组学研究成功与否，很大程度上取决于其技术蛋白质组学的研究进展徐丽１刘松财１张永亮２（１吉林大学畜牧兽医学院，吉林长春１３００６２；２华南农业大学）摘要蛋白组学是一个非常新的领域，发展非常迅猛，但现阶段许多方法技术还无法满足其要求。

因此，蛋白质组学方法学领域异常活跃，取得了许多重要的进展。

蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象的直接体现者，对蛋白质结构和功能的研究将直接阐明生命在生理或病理条件下的变化机制。

主要介绍该技术的一些基本原理及其应用。

关键词蛋白质组；技术；发展趋势作者简介徐丽（１９８２－），女，硕士。

研究方向：生物化学与分子生物学。

收稿日期２００７－１０－０８１４９方法水平的高低。

蛋白质研究技术远比基因技术复杂和困难。

不仅氨基酸残基种类远多于核苷酸残基（２０／４），而且蛋白质有着复杂的翻译后修饰，如磷酸化和糖基化等，给分离和分析蛋白质带来很多困难。

此外，通过表达载体进行蛋白质的体外扩增和纯化也并非易事，从而难以制备大量的蛋白质。

蛋白质组学的兴起对技术有了新的需求和挑战。

蛋白质组的研究实质上是在细胞水平上对蛋白质进行大规模的平行分离和分析，往往要同时处理成千上万种蛋白质。

因此，发展高通量、高灵敏度、高准确性的研究技术平台是现在乃至相当一段时间内蛋白质组学研究中的主要任务。

当前在国际蛋白质组研究技术平台的技术基础和发展趋势有以下几个方面：３．１蛋白质组研究中的样品制备大家越来越清楚地认识到样品制备在蛋白质组学研究中的重要性。

这一步直接影响后期研究结果，且样品制备中的失败很难通过后续的工作来完善和补偿。

如何尽可能高保真地获得一个基因组在一个组织中所表达的全部蛋白，这是一个亟需解决的问题。

样品来源不同，处理方法也会有所不同。

尽管处理方法多种多样，但都需遵循以下几个基本原则：①尽可能地提高样品的溶解度，并保持在整个电泳过程中蛋白质的溶解状态。

②防止溶液介质中对蛋白质的人为修饰，首先在样品溶解之前要使所有能使蛋白质发生修饰的酶迅速失活；其次不能把多肤置于化学修饰易发生的环境中。

③破坏蛋白质与其他生物大分子之间的相互作用以产生独立的多肽链，并使蛋白质处于完全变性状态。

④去除非蛋白杂质。

为了提高样品制备的效率和质量，现在许多新的试剂和方法被广泛地使用。

３．２蛋白质组研究中的样品分离和分析３．２．１二维凝胶电泳技术。

利用蛋白质的等电点和分子量，通过双向凝胶电泳的方法将各种蛋白质区分开来是一种很有效的手段［８］。

它在蛋白质组分离技术中起到了关键作用。

３．２．２二维色谱技术。

尽管二维聚丙烯酰胺凝胶电泳技术是目前蛋白质组学研究方法中分离蛋白质的主要方法，但由于其局限性，人们逐渐提出了以多维液相分离方法为基础的蛋白质组学研究技术。

多维ＬＣ－ＭＳ／ＭＳ近几年发展迅速。

蛋白质混合物直接通过液相色谱分离，然后进入ＭＳ系统获得肽段分子量；再通过串联ＭＳ技术得到部分序列信息，最终通过计算机联网查询，就可以对蛋白进行鉴定。

Ｏｐｉｔｅｃｋ等首次报道多维色谱ＬＣ／ＬＣ整合ＭＳ／ＭＳ技术分析蛋白质混合物。

３．２．３质谱技术。

质谱技术是目前蛋白质组研究中发展最快、也最具活力和潜力的技术。

当前蛋白质组研究的核心技术就是双向凝胶电泳———质谱技术，即通过双向凝胶电泳将蛋白质分离，然后利用质谱对蛋白质逐一进行鉴定。

对于蛋白质鉴定而言，高通量、高灵敏度和高精度是３个关键指标。

现在许多新的杂交质谱的出现己经基本上可以同时达到以上３个指标，从而实现对蛋白质准确和大规模的鉴定。

３．３定量蛋白质组学随着蛋白质组学的深入研究和发展，对蛋白质进行高通量的鉴定和准确的定量己成为研究蛋白质在细胞内功能和细胞代谢过程中变化的重要战略。

目前进行定量蛋白质组学研究的主要技术有：蛋白质荧光显色技术；荧光差异显色技术；稳定同位素标记技术；同位素亲和标签技术；蛋白质芯片技术。

３．４一代蛋白研究工具———抗体芯片蛋白质芯片（Ｐｒｏｔｅｉｎｃｈｉｐ）是高通量、微型化和自动化的蛋白质分析技术。

它是指在硅物质如玻璃等固相支持物表面高密度排列的探针蛋白点阵，通过如抗原———抗体专一性结合等各种相互作用特异地捕获样品中的靶蛋白，然后通过检测器对靶蛋白进行定性或定量分析。

蛋白质芯片上的探针蛋白可根据研究的目的不同，选用抗体、抗原、受体、酶等具有生物活性、高度特异性和亲和性的蛋白质。

与ＤＮＡ芯片一样，蛋白质芯片同样蕴涵着丰富的信息量，必须利用专门的计算机软件包进行图象分析、结果定量和解释。

它能够同时分析上千种蛋白质的变化情况，可用于疾病诊断、蛋白质相互作用等研究，是蛋白质组学研究比较有发展潜力的技术工具。

３．５研究蛋白质相互作用的技术平台———酵母双杂交系统的发展和应用酵母双杂交系统是在真核模式生物酵母中进行的，研究活细胞内蛋白质相互作用，对蛋白质之间微弱的、瞬间的作用也能够通过报告基因的表达产物敏感地检测得到，它是一种具有很高灵敏度的研究蛋白质之间相互作用的技术。

基于酵母双杂交技术平台的特点，它已经被应用在许多研究工作当中［９，１０］：（１）利用酵母双杂交发现新的蛋白质和蛋白质的新功能。

（２）利用酵母双杂交在细胞体内研究抗原和抗体的相互作用。

（３）利用酵母双杂交筛选药物的作用位点以及药物对蛋白质之间相互作用的影响。

（４）利用酵母双杂交建立基因组蛋白连锁图（ＧｅｎｏｍｅＰｒｏｔｅｉｎＬｉｎｋａｇｅＭａｐ）。

３．６磷酸化蛋白质组学众多蛋白质翻译后修饰的方式中，蛋白质磷酸化是最常见、最重要的一种蛋白质共价修饰方式。

蛋白质磷酸化和去磷酸化几乎调节着生命活动的所有过程，包括细胞的增殖、发育、分化、神经活动、肌肉收缩、新陈代谢、肿瘤发生等。

尤其在细胞应答外界刺激时，蛋白质磷酸化是目前所知道的最主要的信号传递方式。

３．７生物传感芯片质谱技术ＭＡＬＤＩ－ＴＯＦ－ＭＳ是２０世纪８０年代末发展起来并经过不断改进的一种先进的离子化质谱技术。

它通过质量指纹谱结合数据库搜寻以分析蛋白质序列而进行蛋白质鉴定。

但是它在蛋白质之间相互作用及结构与功能的相互关（下转第１５３页）１５０（上接第１５０页）系分析方面显得无能为力。

而随之利用生物传感技术发展起来的生物分子相互作用分析技术（Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ，ＢＩＡ）是进行蛋白质相互作用分析的较好技术。