第六章蛋白质组学蛋白质组学
现代生物技术第六章 蛋白质工程
金属硫蛋白的作用与结构特点
金属硫蛋白（metallothionein，简称MT）是一类 小分子量的球蛋白，大量存在于哺乳动物体内，其 他低等动物如鱼、螃蟹、海胆中也有分布，在植物 和微生物中也发现有各种不同亚型的金属硫蛋白。 这类蛋白质分子中半胱氨酸的含且极高，约占全部 氨基酸总量的1/3左右，在分子中以与金属原子相结 合的方式存在。金属硫蛋白参与微量元素锌、铜等 的贮存、运输和代谢，参与重金属元素铜、汞、铅 等的解毒以及拮抗电离辐射和清除羟基游离基等， 在改善健康等诸多方面发挥着重要的作用。
分子设计 氨基酸序列 蛋白质 三维结构 折叠 预期功能 生物功能
DNA
mRNA 转录 翻译
多肽链
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、蛋白质工程的基本原理
基因工程与蛋白质工程的区别：
基因工程通过分离目的基因重组DNA分子，使目的 基因更换宿主得以异体表达，从而创造新类型，但 这只能合成自然界固有的蛋白质。 蛋白质工程则是运用基因工程的DNA重组技术，将 克隆后的基因编码序列加以改造，或者人工合成新 的基因，再将上述基因通过载体引入适宜的宿主系 统内加以表达，从而产生数量几乎不受限制、有特 定性能的“突变型”蛋白质分子，甚至全新的蛋白 质分子。
将金属硫蛋白的β结构域改造成为α结构域需 要利用蛋白质工程中的分子设计技术，对分 子改造的设计思想进行可行性分析，并提出 具体的改造方案。首先，应在大量生物学实 验的基础上，仔细分析金属硫蛋白的结构特 点和生物功能，并利用贮存于计算机中的生 物大分子信息数据库和序列分析、分子模型 等计算机软件，确定金属硫蛋白的氨基酸序 列、一级结构和高级结构。
金属硫蛋白α结构域多倍体的构建 用MT的α结构域二倍体代替天然MT，有可能使其结 合重金属能力提高一倍。我们知道，无论是天然MT， 还是人工构建MT的α结构域二倍体，在将其转人植 物中时，都需要用环状的DNA质粒作载体。如果能把 MT的α结构域二倍体首尾相接，构建MT的α结构域 多倍体，将有可能使表达产物成倍增加，消除镉金 属的能力也就会相应的成倍提高。 根据以上设想，可以利用基因工程的方法，构建金 属硫蛋白α结构域多倍体。
蛋白质组学
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1：常规双向电泳
一、双向电泳概述： 双向电泳(Two-dimensional electrophoresis)的基本原理是利用 蛋白质的等电点（pI)和分子量(Mr)不同而分离蛋白质：第一向电泳—— 等电聚焦（Isoelectric Focusing，IEF）根据蛋白质的等电点不同将蛋 白质分离，第二向电泳——十二烷基硫酸钠—聚丙烯酰胺凝胶电泳 （Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrophoresis, SDS—PAGE）利用蛋白质的分子量大小不同将蛋白质分离。 双向电泳一次可以从细胞、组织或其它生物样本中分离上千种蛋白 质，凝胶上的斑点都对应着样品中的蛋白质，且各种蛋白质的等电点，分 子量和含量的信息都能通过质谱鉴定和软件分析获得。因此其在蛋白质组 分析、疾病标志物检测、细胞差异分析、药物开发、癌症研究等领域都得 到了广泛的应用。 二：双向电泳分离蛋白质混合物具有以下优势： 1、经典方法、应用范围广、适用于各类材料； 2、经济实惠，可大规模多个样本筛选和分析。
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1：蛋白质组学定义及研究意义
1.1：蛋白质组学定义（proteome) 一个基因组，一个细胞或组织，一种生物在一定时间，一定条件 下所表达的全部蛋白组成，存在形式，活动方式及时空动态。 1.2：为什么除基因组学外还要研究蛋白质组学： （1）蛋白质是功能的执行者。 （2）基因组与蛋白质组不一样：转录后的选择性剪切，翻译后的 修饰等等，导致蛋白质组远比基因组复杂。 （3）与基因组相比，蛋白质组具有以下特点：多样性，无限性， 动态性，相互作用，时空变化，需要多种技术，组学间的互助
蛋白质组学
两性电解质(Carrier ampholytes)
蛋白酶抑制剂（protease inhibitors）：PMSF等
防止细胞裂解时蛋白酶释放出来降解蛋白质。
9、蛋白质的分级提取（用蛋白质组学方法得到蛋白质）
根据溶解性差异：最大优点？
1、水溶液提取，溶解亲水性蛋白质
14、蛋白质染色方法
胶内：考马斯亮蓝R-250(CBB R-250)：所需时间较长；灵敏度不高
银染：灵敏度高；对下一步的酶切肽谱提取存在困难
CBB G-250、负染
荧光染料染色：差异蛋白质组学研究，灵敏度250pg与银染相近，但线性范围高于银染。
以及放射性同位素标记等
转移到膜（PVDF、硝酸纤维素膜）上：酰胺黑(Amido Black)、丽春红S(Ponceau S)
大大增加蛋白质的溶解性，特别是膜蛋白的溶解性
去污剂(Detergents):SDS、TritonX-100、NP-40、CHAPS等
破坏蛋白质分子之间的疏水相互作用，提高蛋白质的溶解性，防止在等电聚焦时析出
还原剂(Reducing Agents)：β-巯基乙醇、DTT或TDF（二硫赤藓糖）和三丁基膦(TBP)等
（1）明确研究目标，获得尽可能多的感兴趣蛋白。
（2）不同类型的蛋白质需要不同的方法
（3）考虑目标蛋白性质，细胞破碎选择温和和激烈两种方法
应使所有待分析的蛋白样品全部处于溶解状态（包括多数疏水性蛋白），且制备方法应具有可重现性。防止样品（特别是溶解性低的蛋白如膜蛋白）在聚焦时发生蛋白的聚集和沉淀。
防止在样品制备过程中发生样品降解（如酶性或化学性降解等）。
蛋白质组学
1、蛋白质组（proteome）
蛋白质组学的研究
目录
• 蛋白质组学概述 • 蛋白质的分离与鉴定 • 蛋白质的表达与调控 • 蛋白质组学在生物医学中的应用 • 蛋白质组学的研究前景与挑战
01
蛋白质组学概述
定义与特点
定义
蛋白质组学是一门研究细胞、组织或 生物体中所有蛋白质及其功能的科学。
特点
蛋白质组学具有全局性、动态性和功 能性的特点，强调对蛋白质的整体和 系统层面的研究。
蛋白质-脂质相互作用
蛋白质之间相互作用可以形成复合物， 实现特定的生物学功能。
蛋白质与脂质之间的相互作用可以影 响细胞膜的结构和功能。
蛋白质-核酸相互作用
蛋白质与核酸之间的相互作用可以调 节基因的表达和转录。
蛋白质的细胞定位
01
细胞核定位
细胞质定位
02
03
细胞膜定位
许多蛋白质在细胞核中发挥功能， 通过核定位信号实现细胞核内的 定位。
VS
详细描述
目前蛋白质鉴定技术已取得显著进展，但 仍面临挑战。高灵敏度技术能够检测低丰 度蛋白质，有助于发现新的生物标志物和 治疗靶点。高分辨率技术能够区分蛋白质 的同分异构体和修饰形式，有助于深入了 解蛋白质的多样性和功能。
蛋白质翻译后修饰的深入研究
总结词
蛋白质翻译后修饰在调控细胞功能中发挥重要作用，对其深入研究有助于揭示生命活动 的奥秘。
2
质谱技术通过测定蛋白质离子的质量，推断蛋白 质的氨基酸序列，具有高灵敏度和高精度。
3
核磁共振技术通过测定蛋白质分子中氢原子和碳 原子的共振信号，解析蛋白质的三维结构。
蛋白质的数据库与比对
蛋白质数据库是蛋白质组学研究的基 础，如UniProt、NCBI等数据库提供 了大量的蛋白质序列和结构信息。
蛋白质组学(Proteomics)
4.蛋白质组研究的新技术 蛋白质组研究的新技术 双向凝胶电泳存在繁琐、不稳定和低灵敏度等 缺点。发展可替代或补充双向凝胶电泳的新方法已 成为蛋白质组研究技术最主要的目标。目前，二维 色谱 (2D-LC)、二维毛细管电泳 (2D-CE)、液相色 谱－毛细管电泳 (LC-CE) 等新型分离技术都有补充 和取代双向凝胶电泳之势。另一种策略则是以质谱 技术为核心，开发质谱鸟枪法(Shot-gun)、毛细管 电泳-质谱联用 (CE-MS)等新策略直接鉴定全蛋白质 组混合酶解产物。随着对大规模蛋白质相互作用研 究的重视，发展高通量和高精度的蛋白质相互作用 检测技术也被科学家所关注。此外，蛋白质芯片的 发展也十分迅速，并已经在临床诊断中得到应用。
蛋白质组学（Proteomics）
主讲：甘光华
一.概念
蛋白质组学（Proteomics）一词，源于蛋白 质（protein）与 基因组学（genomics）两个 词的组合，意指“一种基因组所表达的全套 蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所 表达的全部蛋白质。蛋白质组本质上指的是 在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋 白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋 白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关 于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面 的认识，这个概念最早是由Marc Wilkins 在 1995年提出的。
四.蛋白质组学技术 蛋白质组学技术
蛋白质组学技术的发展已经成为现代生 物技术快速发展的重要支撑，并将引领生物 技术取得关键性的突破。蛋白组学技术主要 包括双向凝胶电泳、等电聚焦、生物质谱分 析及非凝胶技术。
1.双向凝胶电泳 双向凝胶电泳 双向凝胶电泳的原理是第一向基于蛋白质的等 电点不同用等电聚焦分离，第二向则按分子量的不 同用SDS-PAGE分离，把复杂蛋白混合物中的蛋白 质在二维平面上分开。由于双向电泳技术在蛋白质 组与医学研究中所处的重要位置，它可用于蛋白质 转录及转录后修饰研究，蛋白质组的比较和蛋白质 间的相互作用，细胞分化凋亡研究，致病机制及耐 药机制的研究，疗效监测，新药开发，癌症研究， 蛋白纯度检查，小量蛋白纯化，新替代疫苗的研制 等许多方面。近年来经过多方面改进已成为研究蛋 白质组的最有使用价值的核心方法。
1.分子生物学绪论(蛋白质、蛋白组、蛋白组学)
一、蛋白质组研究的开端及蛋白质组含义
（一）1.人类基因 组计划由美国科学 家于1985年率先提 出，1990年正式启 动，美国、英国、 法国、德国、日本 和中国科学家共同 参与。
26 june 2000
1990--2001年，人类基因组序列草图的完成，宣告了
“后基因组时代”的到来，其主体是功能基因组学
直肠癌：
Sanchez等对15例结肠癌和13例正常人的结 肠上皮进行2-DE。建立了包括882和861个斑点 的结肠癌及正常人结肠粘膜的标准胶图。结果 发现在分子量为13kD和pI值为5.6处的蛋白质仅 出现在结肠癌的组织中。经鉴定为：钙粒蛋白B （calgranulin B）及钙卫蛋白（calprotectin）。
/Web/Search/index.htm
ldbESTCSITE 序列模体 http://www.expasy.ch/sport/prosite.html BLOCKS 保守序列 / ProDom蛋白质域http://protein.toulouse.inra.fr/prodom.html SBASE蛋白质域http://base.icgeb.trieste.it/sbase/ 二维电泳(2DPAGE): WORLD-2DPAGE国际2DPAGE库的完整索引
国内研究现状： 国家自然科学基金委于1997年设立了重大项目 “蛋白质组学技术体系的建立”.
中国科学院生物化学研究所、军事医学科学院 与湖南师范大学已启动蛋白质组研究.
中国科学院上海生命科学研究院、军事医学科 学院与复旦大学相继成立了专门的蛋白质组学 研究中心.
国内研究现状：在“重大疾病的功能蛋白质组学” 方面取得了良好的起步:
heidelberg.de/Services/PeptideSearch/PeptideSearchIntro.html
蛋白质组学PPT课件
代谢性疾病蛋白质组学研究通过对糖尿病、肥胖症等代谢 性疾病相关蛋白质的分析，发现了一些与代谢过程密切相 关的关键蛋白质。这些蛋白质涉及糖代谢、脂肪代谢等多 个方面，为药物研发和个体化治疗提供了新的思路和靶点 。同时，对代谢性疾病蛋白质组学的研究也有助于深入了 解疾病的发病机制，为疾病的预防和治疗提供科学依据。
蛋白质组学揭示基因表达 的复杂性
蛋白质组学研究关注基因表达的最终产物蛋白质，揭示了基因表达的复杂性和多样性 。蛋白质的表达和功能受到多种因素的影响 ，如翻译后修饰、蛋白质相互作用等，这些
因素在基因组学研究中难以全面考虑。
蛋白质组学与代谢组学的关系
代谢组学为蛋白质组学提供上下文
代谢组学研究生物体内小分子代谢物的变化，为蛋白质组学提供了上下文和背景。蛋白 质的功能和表达往往与代谢物的变化相互关联，了解代谢物的变化有助于更深入地理解 Nhomakorabea02
蛋白质组学研究技术
蛋白质分离技术
双向凝胶电泳技术
通过改变电泳的pH值和电场强度， 将复杂的蛋白质混合物分离成多 个有序的蛋白质带，以便后续的 鉴定和分析。
蛋白质芯片技术
将蛋白质固定在固相支持物上， 通过与特定的配体或抗体相互作 用，实现对蛋白质的快速、高通 量筛选和检测。
蛋白质免疫沉淀技
术
利用抗体与目标蛋白质的特异性 结合，将目标蛋白质从复杂的混 合物中分离出来，常用于蛋白质 相互作用的研究。
详细描述
癌症蛋白质组学研究通过对癌症细胞和正常细胞蛋白 质表达谱的比较，发现了一系列与癌症发生发展相关 的关键蛋白质。这些蛋白质涉及细胞信号转导、细胞 周期调控、细胞凋亡等多个方面，为癌症治疗提供了 潜在的药物靶点。
案例二：神经退行性疾病蛋白质组学研究
7蛋白组学 功能
融合蛋白的应用
为了提高亲和纯化的强度和特异性，往往在靶蛋白上连接 一个标签（tag），在柱子上连接一个能够和标签有高强度 和特异结合的分子。这样可以把靶蛋白固定在柱子上。
常用的标签有：
GST （谷胱甘肽 S 转移酶 Glutathione S Transferase）
金黄色葡萄球菌的蛋白A （protein A）
主要研究内容
蛋白质复合物分析 细胞内蛋白质的定位 蛋白质与蛋白质之间的相互作用 蛋白质在代谢、调控、信号传导通路中的作
用
蛋白质与蛋白质之间的相互作用 （protein-protein interaction）
蛋白质与蛋白质之间的相互作用指的是蛋白质之间空间上相 互靠得很近，因此是一种物理上的相互作用（physical interaction）。
空间取向的变化将引起FRET 效率的改变
EGFR和Grb2的相互作用
EGF表皮生 长因子
分子生物学方法
酵母双杂交系统 （yeast two-hybrid system）
酵母双杂交系统于1989 年由Fields S 和 Song O 创立，是用来研究蛋白质与蛋白 质之间相互作用的简便而有效的方法，又 称为“相互作用陷阱”。
蛋白质组学
浙江大学 生命科学学院
江辉
第六章 功能蛋白质组学
蛋白质相互作用
功能蛋白质组学
功能蛋白质组学的研究对象是功能蛋白 质组，即在某一特定时期或者某一生理 现象相关的所有蛋白质的生理生化功能。
它是介于对个别蛋白质的传统蛋白质研 究和以全部蛋白质为研究对象的蛋白质 组研究之间的一个层次。
免疫共沉淀技术
与亲和层析不同的是，免疫共沉淀技术使用抗体来结合 靶蛋白，从而把靶蛋白固定在珠子上
蛋白质组学
蛋白质组学阐明生物体各种生物基因组在细胞中表达的全部蛋白质的表达模式及功能模式的学科。
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。
百科名片蛋白质组学（Proteomics）一词，源于蛋白质（protein）与基因组学（genomics）两个词的组合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。
蛋白质组本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识，这个概念最早是由Marc Wilkins 在1995年提出的。
前言蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。
通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者也会为疾病的早期诊断提供分子标志。
确实，那些世界范围内销路最好的药物本身是蛋白质或其作用靶点为某种蛋白质分子。
因此，蛋白质组学研究不仅是探索生命奥秘的必须工作，也能为人类健康事业带来巨大的利益。
蛋白质组学的研究是生命科学进入后基因时代的特征。
基本策略蛋白质组(Proteome)的概念最先由Marc Wilkins提出，指由一个基因组(genOME)，或一个细胞、组织表达的所有蛋白质(PROTein). 蛋白质组的概念与基因组的概念有许多差别，它随着组织、甚至环境状态的不同而改变. 在转录时，一个基因可以多种mRNA形式剪接，并且，同一蛋白可能以许多形式进行翻译后的修饰. 故一个蛋白质组不是一个基因组的直接产物，蛋白质组中蛋白质的数目有时可以超过基因组的数目. 蛋白质组学(Proteomics)处于早期“发育”状态，这个领域的专家否认它是单纯的方法学，就像基因组学一样，不是一个封闭的、概念化的稳定的知识体系，而是一个领域. 蛋白质组学集中于动态描述基因调节，对基因表达的蛋白质水平进行定量的测定，鉴定疾病、药物对生命过程的影响，以及解释基因表达调控的机制. 作为一门科学，蛋白质组研究并非从零开始，它是已有20多年历史的蛋白质(多肽)谱和基因产物图谱技术的一种延伸. 多肽图谱依靠双向电泳(Two-dimensional gel electrophoresis, 2-DE)和进一步的图象分析；而基因产物图谱依靠多种分离后的分析，如质谱技术、氨基酸组分分析等.研究基础90年代初期开始实施的人类基因组计划，在经过各国科学家近10年的努力下，已经取得了巨大的成就。
蛋白质组学原理
蛋白质组学原理
蛋白质组学是一门研究生物体内蛋白质组成、结构和功能的学科，是生物信息学领域的重要分支之一。
蛋白质作为生物体内最基本的功能分子，承担着细胞的结构支持、代谢调节、信号传导等重要功能，因此蛋白质组学的研究对于理解生命活动的机理、疾病的发生发展以及药物研发具有重要意义。
蛋白质组学的研究内容主要包括蛋白质的鉴定、定量、功能分析和相互作用等方面。
其中，蛋白质的鉴定是蛋白质组学研究的基础和关键，通常采用质谱技术进行蛋白质的鉴定。
质谱技术是利用质谱仪对蛋白质进行分析，通过蛋白质的质量/电荷比、氨基酸序列等信息来确定蛋白质的身份。
在蛋白质的定量方面，常用的方法包括同位素标记法、定量质谱法等，这些方法能够准确地测定蛋白质在不同生理状态下的表达水平。
在蛋白质功能分析方面，蛋白质组学常常结合蛋白质结构生物学、蛋白质相互作用等技术手段，对蛋白质的功能进行研究。
蛋白质组学还可以通过分析蛋白质的修饰情况、亚细胞定位等信息来揭示蛋白质的功能特性。
此外，蛋白质组学还可以通过研究蛋白质的相互作用网络，揭示蛋白质在细胞内的相互作用关系，从而理解细胞内生物过程的调控机制。
总的来说，蛋白质组学的研究对于推动生命科学的发展具有重要意义。
随着蛋白质组学技术的不断进步，我们对于蛋白质组的认识也将更加深入，这将有助于揭示生命活动的奥秘，促进疾病的诊断和治疗，推动新药的研发，对于人类健康和生命科学的发展都具有重要的意义。
希望通过蛋白质组学的研究，能够更好地理解生命的奥秘，为人类健康和疾病治疗提供更多的帮助。
蛋白质组与蛋白质组学
蛋白质组与蛋白质组学
蛋白质组与蛋白质组学
蛋白质组是指一个生物系统中所有蛋白质的集合，包括其类型、数量、结构和功能等信息。
而蛋白质组学则是研究蛋白质组的学科，旨在了解蛋白质在生物系统中的生理和病理相关性。
蛋白质组的构成
蛋白质组由生物体内所有的蛋白质组成。
蛋白质通常由20种氨基酸组成，因此蛋白质组的数量将受到基因组大小的限制。
与基因组不同，蛋白质组的大小可以因表达，修饰和分解作用而受到调整。
例如，通过蛋白质合成和降解作用，细胞可以控制蛋白质数量的变化。
蛋白质组学的研究方法
当前，蛋白质组学的主要研究方法包括质谱法和高通量测序技术等。
其中质谱法是指将待检测样品通过质谱仪进行分析。
该技术可用于鉴定蛋白质的数量，质量，序列和结构等信息。
高通量测序技术则是指通过大规模DNA测序，来预测蛋白质表达的数量和类型。
蛋白质组学的应用
蛋白质组学的应用范围非常广泛。
其中，医学领域中的癌症诊断，药物开发，慢性疾病的治疗等都可以应用到蛋白质组学技术。
同时，该技术也可以应用于基因工程领域、农业领域和生物燃料领域等。
通过深入研究蛋白质组，我们可以更深入地了解生命现象背后的分子机制，更好地探索生命的奥秘。
结语
总的来说，蛋白质组学为我们深入研究生物体内蛋白质的数量，类型，修饰，结构和功能等信息提供了强有力的工具。
随着技术的不断进步，我们相信蛋白质组学将引领生物科学及相关领域的一系列重要科学研究。
《蛋白质组学》课件
蛋白质组学技术
本节将介绍蛋白质组学常用的实验技术和分析方法，包括质谱、二维电泳、 蛋白质结构预测等。
蛋白质组学应用领域
本节将探讨蛋白质组学在生物医药、农业和环境科学等领域的应用，展示其 广泛的研究价值。
蛋白质组学研究的重要性
本节将详细解释为何蛋白质组学研究对于解决生物学中的关键问题和推动科学进步具有重要意义。
《蛋白质组学》PPT课件
欢迎观看《蛋白质组学》PPT课件，本课程将介绍蛋白质组学的概念、技术、 应用领域和重要性，以及它的发展趋势。
课程介绍
本节将介绍蛋白质组学的基本概念和研究对象，以及在生物学研究中的重要 性。
蛋白质组学概述
本节将对蛋白质组学的研究内容、方法和技术进行概述，帮助您理解蛋白质组学的基本原理。
蛋白质组学的发展趋势
本节将展望析和应用拓展等方面。
结论和要点
本节将总结蛋白质组学课程的要点和结论，帮助您加深对蛋白质组学的理解 和应用。
蛋白质组学
蛋白质组学研究的内容、方法及意义生物有机体的生理活动、病理活动以及药物的作用主要是通过蛋白质来实现的，然而仅凭目前已知的蛋白质根本无法阐明各种复杂的生命活动过程，因此，以基因组的研究成果为基础，以各种先进技术为支撑，进一步研究生物有机体的全部蛋白质结构、功能及其相互作用已经成为必然。
目前大量工作者致力于蛋白质组学的研究，本文现对此作一简述。
1.蛋白质组学的定义及研究内容蛋白质组学(Proteomics)是研究在特定时间或环境下某个细胞或某种组织的基因组表达的全部蛋白质。
蛋白质组学的真正含义在于：它不是按照传统的方式孤立地研究某种蛋白质分子的功能，而是应用各种蛋白质组学技术研究某种蛋白质在复杂的细胞环境中的功能。
蛋白质组学旨在列出全部蛋白质的细目，弄清每一个蛋白质的结构和功能及蛋白质群体内的相互作用，对比在疾病和健康状态下它们的表达水平的变化。
蛋白质组学分为表达蛋白质组学和细胞图谱蛋白质组学。
前者利用各种先进技术研究蛋白质表达的整体变化，即研究在机体的生长发育、疾病和死亡的不同阶段中，细胞与组织的蛋白质组分的变化；后者主要通过分离蛋白质复合物系统地研究蛋白质间的相互作用。
2.蛋白质组与基因组的关系基因是遗传信息的携带者，蛋白质则是生命活动的执行者。
实际上每一种生命运动形式，都是特定蛋白质群体在不同时间和空间出现并发挥功能的结果。
因而蛋白质组研究是我们理解细胞功能和疾病发生发展过程的中心环节。
如果不能共同致力于蛋白质组的研究，那么基因组的研究成果将无法兑现。
ＤＮＡ序列所提供的信息仅仅是一种静止的资源，而细胞的生命活动是通过各种蛋白质来实现的一种动态过程。
一个机体内所有不同的细胞都共享同一基因组，然而同一个机体的不同细胞和不同组织却有不同的蛋白质组，而且机体在不同发育阶段，直至最后消亡的全过程中蛋白质组也在不断变化。
因而蛋白质组要比基因组复杂得多。
由于对转录产物的选择性剪切、翻译起止点的变化或者ｍＲＮＡ上三联体密码发生移码突变等均可以明显促进蛋白质多样性的产生，而且ｍＲＮＡ的水平并不能反映蛋白质水平，即使一个开放阅读框(ＯＲＦ)呈现在面前，也根本无法证实某种蛋白质存在与否。
蛋白质组学
2、蛋白质组学研究技术进展
（1）1975年，2-DE技术建立,上世纪80年代，固相化pH梯度 1975年 DE技术建立,上世纪80年代，固相化pH梯度 技术建立 80年代 pH 凝胶问世， 凝胶问世，使2-DE的重复性和加样量改善； DE的重复性和加样量改善； 的重复性和加样量改善 （2）上世纪末期，MALDI-TOF-MS和ESI-MS可精确测定相对 上世纪末期，MALDI-TOF-MS和ESI-MS可精确测定相对 分子量和微量蛋白质的测定； 分子量和微量蛋白质的测定； （3）快速多肽序列分析； 快速多肽序列分析； （4）90年代,多图象分析与大规模数据处理软件问世，复杂 90年代,多图象分析与大规模数据处理软件问世， 年代 蛋白质图谱处理成为现实； 蛋白质图谱处理成为现实； MALDI-TOF MS: matrix assisted laser desorption ionization-time of flight Mass Spectrometry; ESI/MS/MS: electrospray ionization
3、蛋白质组分析的首要要求
• 将来自于全细胞、组织或生物体中所包含 将来自于全细胞、 的多达几千种混合蛋白质进行分离、检测、 的多达几千种混合蛋白质进行分离、检测、 分析 ； • 2-DE技术依然是大多数蛋白质组研究中分 DE技术依然是大多数蛋白质组研究中分 离复杂蛋白质混合物的首选技术 。
生物学问题 的提出
2D-SDS-PAGE存在的问题 2D-SDS-PAGE存在的问题 进行可完全重复的2D SDS-PAGE分析是困难 2D1）进行可完全重复的2D-SDS-PAGE分析是困难 的。 某些蛋白质不适于进行第一维IEF步骤。 IEF步骤 2）某些蛋白质不适于进行第一维IEF步骤。许多 较 大的疏水蛋白质在这种类型的分析中结果不理 由于蛋白质存在不同等电点的多种形式， 想；由于蛋白质存在不同等电点的多种形式，蛋白 质的IEF常把蛋白质分离成许多不连续的条带。 IEF常把蛋白质分离成许多不连续的条带 质的IEF常把蛋白质分离成许多不连续的条带。 3）作为检测技术的蛋白质染色的动态范围相对 较小。点密度最多能反映100倍的蛋白质浓度范围。 100倍的蛋白质浓度范围 较小。点密度最多能反映100倍的蛋白质浓度范围。 四
蛋白质组学原理
蛋白质组学原理蛋白质组学是研究生物体内所有蛋白质的组成、结构和功能的科学，它是基因组学和转录组学研究的延伸。
蛋白质组学的发展为我们深入了解生物体内蛋白质的组成和功能提供了重要的技术手段和理论基础。
在本文中，我们将介绍蛋白质组学的原理及其在生物学研究中的应用。
蛋白质是生命体系中最基本的组成部分之一，它们参与了细胞的结构和功能、信号传导、代谢调控等生物学过程。
蛋白质组学的研究对象是生物体内所有蛋白质的总和，它旨在全面了解蛋白质的种类、结构和功能，以及它们在生物体内的相互作用和调控网络。
蛋白质组学研究的原理主要包括蛋白质的分离与纯化、质谱分析、蛋白质结构预测和功能研究等内容。
首先，蛋白质需要被分离和纯化，以便进行后续的分析。
常用的方法包括凝胶电泳、液相色谱等技术。
其次，质谱分析是蛋白质组学研究的重要手段，通过质谱技术可以对蛋白质的分子量、氨基酸序列、修饰情况等进行快速准确的分析。
此外，蛋白质的结构预测和功能研究也是蛋白质组学研究的重要内容，它们可以帮助我们理解蛋白质的功能和相互作用机制。
蛋白质组学在生物学研究中有着广泛的应用。
首先，蛋白质组学可以帮助我们发现新的蛋白质，揭示蛋白质在生物体内的功能和调控网络。
其次，蛋白质组学还可以用于疾病诊断和治疗，通过分析蛋白质组的变化可以帮助我们了解疾病的发生机制和寻找新的治疗靶点。
此外，蛋白质组学还可以应用于药物研发、农业生物技术等领域，为生物科学研究和应用提供重要的支持。
总之，蛋白质组学是生物学研究中的重要分支，它为我们深入了解生物体内蛋白质的组成和功能提供了重要的技术手段和理论基础。
随着技术的不断发展和完善，相信蛋白质组学在生物学研究和应用中将发挥越来越重要的作用。
蛋白质组学
（二）质谱技术
2-DE分离的蛋白经切胶回收、酶解后进行质谱分析
Edman测序：将蛋白肽链逐步化 学解聚，色谱鉴定酶解下来的氨 基酸，反推氨基酸序列
质谱测序：将蛋白肽链打碎电离，
通过测定分子碎片的荷质比，推 算出氨基酸组成和序列
三、荧光差异凝胶电泳技术2-DIGE
目的：显示不通样品中蛋白表达的差异，寻找差异表达蛋白
2-DIGE的定量原理
四、同位素亲和标签技术ICAT
2-DIGE的不足： 无法对分子量极高和极低、等电点极酸和极碱、含量极低的蛋白进行分离 ICAT的改进： 使用带有生物素和氘标记的ICAT标签标记 蛋白分子，利用8道尔顿的分子量差实现 相对定量
第二节 蛋白质的大规模分离鉴定技术
一、蛋白质二维电泳-质谱技术 （一）蛋白质二维电泳技术2-DE
IEF
SDS-PAGE
蛋白质的结构
蛋白质是两性电解质，在不同PH下所 带的电荷不同：等电聚焦IEF 蛋白质的分子量和分子形状不同，电 泳迁移率不同：SDS-PAGE
2-DE数据库
蛋白质分离后可建立2-DE数 据库，用于鉴定和比较
（三）根据系统发育谱进行互作蛋白的预测
功能相关的(functionally related)基因，在一 组完全测序的基因组中预期同时存在或不存 在，这种存在或不存在的模式(pattern)被称 作系统发育谱；如果两个基因，它们的序列 没有同源性，但它们的系统发育谱一致或相 似。可以推断它们在功能上是相关的。
输入细胞核：-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val输出细胞核：-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile输入线粒体：+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-LeuCys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu输入质体：+H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-SerSer-Asn-Ser-Phe-Leu- Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu- Gln-Gly输入过氧化物酶体：-Ser-Lys-Leu-COO输入内质网：+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-GluAla-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys- Glu-Val-Phe-Gln返回内质网：-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL） 由质膜到内体：Tyr-X-X-Φ
蛋白组学原理
蛋白组学原理
蛋白质组学（Proteomics）是研究细胞、组织或生物体中所有蛋白质（包
括其表达、功能、相互作用等）的学科。
其原理主要基于蛋白质的表达和功能研究，具体如下：
1. 蛋白质的表达：蛋白质是由基因编码的，并且蛋白质的表达受到基因的转录和翻译调控。
蛋白质组学可以通过研究基因的表达和调控，了解蛋白质的表达情况。
2. 蛋白质的功能：蛋白质是细胞和生物体中的主要功能分子，它们通过与其他蛋白质或分子相互作用来发挥其功能。
蛋白质组学可以通过研究蛋白质的相互作用，了解蛋白质的功能。
3. 蛋白质的修饰：蛋白质在细胞中会经历许多不同类型的修饰，包括磷酸化、糖基化、乙酰化等。
这些修饰可以影响蛋白质的功能和稳定性。
蛋白质组学可以通过研究这些修饰，了解蛋白质的活性和状态。
4. 蛋白质的分析：蛋白质组学可以通过各种技术手段对蛋白质进行分析，如质谱分析、色谱分析、免疫分析等。
这些技术可以用于鉴定蛋白质的序列、定量蛋白质的表达水平以及研究蛋白质的修饰。
总的来说，蛋白质组学的原理是通过研究蛋白质的表达、功能、相互作用和修饰，从整体上了解生物体的生命活动规律和本质。
如需更多信息，建议阅读蛋白组学相关论文或科普文章。
蛋 白 质 组 学
5. 蛋白质不能动态反映生物系统所处的状 态。
二.蛋白质组与蛋白质组学的概念 蛋白质组与蛋白质组学的概念 1. 蛋 白 质 组 (Proteome) ： 1994 年 由 澳 大 利 亚 Macquarie大学的学生 大学的学生Wilkins和他的老师提出， 和他的老师提出， 大学的学生 和他的老师提出 最早见文献是1995年 7月的 “ Electrophoresis” 月的“ 最早见文献是 年 月的 杂志上。指基因组表达的所有相应的蛋白质， 杂志上。 指基因组表达的所有相应的蛋白质， 也可说是指细胞或机体全部蛋白质的存在及其 活动方式。 活动方式。 2.蛋白质组学： 研究细胞内全部蛋白质的组成及 蛋白质组学： 蛋白质组学 其活动规律的科学。 其活动规律的科学。
人的各种体液被用于研究与某些疾病的关 系.最近澳大利亚科学家利用双向电泳技术研究 最近澳大利亚科学家利用双向电泳技术研究 眼泪中的蛋白质与生理状态的关系.他们发现了 眼泪中的蛋白质与生理状态的关系 他们发现了 一种新的蛋白质,这个蛋白质非常相似于在乳腺 一种新的蛋白质 这个蛋白质非常相似于在乳腺 癌细胞里高表达的另一种蛋白质.这个发现可能 癌细胞里高表达的另一种蛋白质 这个发现可能 会提供疾病诊治的新的手段.在一项利用蛋白质 会提供疾病诊治的新的手段 在一项利用蛋白质 组研究技术进行的酒精对人体毒性的研究中发 乙醇会改变血清蛋白糖基化作用,导致许多 现,乙醇会改变血清蛋白糖基化作用 导致许多 乙醇会改变血清蛋白糖基化作用 糖蛋白的糖基缺乏,如转铁蛋白 如转铁蛋白。 糖蛋白的糖基缺乏 如转铁蛋白。
蛋白质组学 的研 究内容
表达 蛋白质组学
结构 蛋白质组学
功能 蛋白质组学
表达蛋白质组学
研究细胞所表达的蛋白质种类
蛋白质组学
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．因为① 已无法满足后基因组时代的要求．因为① 生命现象的发生往往是多因素影响的， 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； 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 与是交织成网络的，或平行发生， 联因果； 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， 现是多样的﹑动态的，并不像基因组那样 固定不变的． 固定不变的．
蛋白质组学产生的背景 一﹑蛋白质组学产生的背景
2000年6月26日，人类基因组的工作 年 月 日 草图已经绘制成功． 草图已经绘制成功．随着人类基因组计划 （Human Genome Project HGP)的顺利 的顺利 完成，生命科学进入了新的时代—后基因 完成，生命科学进入了新的时代 后基因 组时代．而功能基因组学（ 组时代．而功能基因组学（functional genomics)的研究，包括结构基因组研究 的研究， 的研究 和蛋白质组研究， 和蛋白质组研究，则是这一时代的核心内 容．
（1）表达蛋白质组学：研究基因编码 ）表达蛋白质组学： 的所有蛋白质的识别和定量， 的所有蛋白质的识别和定量，及其在细 胞中的定位和转录后阶段进行的修饰 （2）功能蛋白质组学：研究蛋白质之 ）功能蛋白质组学： 间的相互作用，确定蛋白质在特定通 间的相互作用，确定蛋白质在特定通 和细胞结构中的作用， 道和细胞结构中的作用，说明蛋白质 结构和功能间的相互关系。 结构和功能间的相互关系。
三 蛋白组研究流程 蛋白组研究流程
从这张基本流程图上， 从这张基本流程图上，我们可以看 出实际上深入的蛋白质组学研究需要两 条互补的实验工作流程——基于凝胶的 基于凝胶的 条互补的实验工作流程 工作流程（ 工作流程（Gel-based workflow）和 ） 基于液相色谱的工作流程（ 基于液相色谱的工作流程（LC-based workflow）。 ）。
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第六章蛋白质组学
一、从基因组学到蛋白质组学
20世纪生命科学的辉煌成就
¾20世纪上半叶，以遗传学为代表，以DNA双螺旋结构的提出而告捷；
¾20世纪下半叶，以分子生物学为代表，以“中心法则”的问世而集大成；
¾20世纪90年代，“人类基因组计划（HGP）”
基因组计划的局限：
40～60%的基因编码的蛋白质的功能是未知的。
常规功能基因组研究方法的局限性：常规大规模基因表达检测技术，但无法精确反映蛋白质的质与量，组织中mRNA的丰度与蛋白质的丰度并不完全一致。
因为基因到蛋白质存在三个层次的调控；蛋白质复杂的后修饰无法从mRNA水平来判断。
遗传信息从DNA（基因）
→mRNA→结构蛋白质和功
能蛋白质，构成一种有机
体，完成生命的功能。
基
因→mRNA→蛋白质，三位
一体，构成了遗传信息的
流程图，这即是传统的中
心法则。
基因与其编码产物蛋的非线性关系
前言—从基因组学到蛋白质组学
后基因组时代
功能基因组学成为研究重心
蛋白质组学是其“中流砥柱”，成为战略
制高点
什么是蛋白质？
※蛋白质由一个一个的氨基酸首
尾相接形成肽链，肽链再折叠
形成一定空间结构。
蛋白质是一种复杂的有机生物
大分子，它们是生命活动的实
际执行者。
几乎所有的生物催化剂--酶，
都是蛋白质。
构成细胞骨架和
动物大部分结构的纤维物质也
是蛋白质;胶原蛋白和角蛋白
组成了皮肤，毛发和软骨；肌
肉大部分也是由蛋白质组成。
※※
蛋白质组学研究现状
国外研究现状：
美国NCI－肺、直肠、乳腺和卵巢等肿瘤的蛋白质组数据库 NCI与FDA－有关癌症不同发病阶段和治疗阶段的蛋白质组数据库
欧共体－酵母蛋白质组研究
英国、法国、德国、澳大利亚、日本等国也分别投入巨资进行蛋白质组学的研究
Celera公司、日内瓦蛋白质组公司与布鲁克质谱仪制造公司
国内研究现状：
V国家自然科学基金委于1997年设立了重大项目“蛋白质组学技术体系的建立”
V中国科学院生物化学研究所、军事医学科学院与湖南师范大学已启动蛋白质组研究
V中国科学院上海生命科学研究院、军事医学科学院与复旦大学相继成立了专门的蛋白质组学研究中心
•在“重大疾病的功能蛋白质组学”方面取得了良好的起步•已进行肝癌细胞系及正常肝细胞蛋白质组的比较分析研究，发现了两者间不同的蛋白表达群
•进行了我国自行建立的肝癌高/低转移细胞系、肺癌高/低转移细胞系、原位食管癌/转移食管癌间的比较蛋白质组研究，初步发现一批与肿瘤转移相关的蛋白质群•对心肌细胞与应激损伤的心肌细胞的比较蛋白质组研究也有了一定的基础
蛋白质组学研究现状
蛋白质组学的前沿研究方向：
V针对有基因组或转录组数据库的生物体或组织/细胞，建立其蛋白质组或亚蛋白质组（或蛋白质表达谱）及其蛋白质组连锁群，即compositional proteomics 研究
V以重要生命过程或人类重大疾病为对象，进行重要生理/病理体系或过程的比较蛋白质组学研究，即
comparative proteomics 研究
V蛋白质组学支撑技术平台和生物信息学的研究
蛋白质组研究的技术路线
蛋白质组研究技术三大基本支撑技术：
¾双向电泳技术
¾计算机图像分析与大规模数据处理技术¾质谱技术
新的技术不断出现：
同位素编码亲和标签技术、双色荧光技术—定量蛋白质组学研究
酵母双杂交技术、蛋白质复合物免疫分离与质谱鉴定技术-蛋白质-蛋白质相互作用
多维色谱-质谱联用技术—大规模蛋白质分离与鉴定
磷酸化、糖基化蛋白质图谱展示与检测技术—翻译后修饰 蛋白质芯片技术
一、蛋白质组分离技术：2-DE
1.特点：
目前唯一能将数千种蛋白质同时分离与展示的分离技术,具有一次分离、高灵敏度和高分辨率、便于计算机分析处理、与分析鉴定方法相匹配等特点。
2.工作原理：
¾蛋白质首先根据等电点的不同在一向等电聚焦电泳中分离
¾转移到二向SDS－聚丙烯酰胺凝胶上，再根据相对分子质量大小不同进行分离
3.基本步骤
1)样品制备
2)第一向等电聚焦
3)第二向SDS-PAGE
4)蛋白质的检测
5)图谱数字化分析
4. 应用：
目前2-DE获得了广泛的应用，成为蛋白质组研究中首选的分离技术，分离蛋白质点。
5. 2-DE的局限性:
D低丰度蛋白、膜蛋白、碱性蛋白的分离与检测
D重复性
D规模化与自动化
二、高通量蛋白质鉴定技术：质谱技术
原理：质谱（Mass Spectrometer,MS)技术是根据质荷比（蛋白质的相对分子量除以电荷）将所有的蛋白质分
开，前提是蛋白质分子能被打成小的肽段。
特点：对二维凝胶电泳或二维色谱分离的蛋白质进行快速、灵敏、准确的识别与鉴定，是蛋白质组研究所面临
的又一重大挑战
基质辅助激光解吸电离飞行时间
质谱（MA LDI-TOF-MS）
4700 MALDI TOF/TOF
z高产率蛋白质组分析:一次试
验,得到大量蛋白质鉴定结果
(定性,定量)
z更多低丰度蛋白的精确鉴定
z每天可分析上千个蛋白样品-
Real Proteomics
z使高分辨工业化蛋白组研究
成为可能，成为蛋白质组研
究的里程碑
1、样品准备
2、MS Analysis
1）离子化：将蛋白质样品载入能离子化蛋白质的装置中。
2）分离：根据M/Z分离
3）激活：氙气撞击将蛋白质打成两段
4）质量测定：
Double click to open Protein Info. Window directly from DB search result
三、其他技术-ICAT
Array-based proteomics method。