微生物蛋白质组学的研究进展_聂丽

生 物 灾 害 科 学 2015, 38(2): 92­97 Biological Disaster Science, V ol. 38, No. 2, 2015 DOI：10.3969/j.issn.2095­3704.2015.02.003 聂丽, 邵正英, 魏赛金. 微生物蛋白质组学的研究进展[J]. 生物灾害科学, 2015, 38(2):92­97.

微生物蛋白质组学的研究进展

聂 丽，邵正英，魏赛金 *

（江西农业大学 生物科学与工程学院，江西 南昌 330045）

摘要：随着蛋白质组学研究技术的发展，微生物蛋白质组学研究具有突破性的进展。简要介绍蛋白质组学的分

类，概括5种蛋白质组学技术，综合分析极端微生物、放线菌、病原菌以及群体微生物蛋白质组学研究及应用

的最新进展。

关键词：蛋白质组学；极端微生物；放线菌；病原菌；群体微生物

中图分类号：Q936 文献标志码：A 文章编号：2095­3704（2015）02­0092­06

Research Progress of Microbial Proteomics

NIE Li, SHAO Zheng­ying, WEI Sai­jin *

(College of Bioengineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang330045, China)

Abstract: With the development of proteomics researches, the microbial proteomics research got breakthrough progress. This paper briefly introduces the classification of proteomics, summarizes five kinds of proteomics technology, and does the comprehensive analysis of the latest research progress of extreme­ophiles, actinomycetes, pathogens and microbial population proteomics.

Key words: proteomics; extreme­ophiles; actinomyces; pathogens; microbial populations

目前，研究蛋白质组学已经成为生命科学的热点和焦点，开展蛋白质组研究对生命科学研究进入后 基因时代具有跨时代的意义，也是后基因时代中生命科学研究的核心要素。蛋白质组（proteome）一词 最早在 1994 年由澳大利亚科学家 Wilkins 等 [1] 提出的，意指一个组织或细胞中的全部蛋白质由基因组表 达。蛋白质组学（proteomics）是从整体动力学角度分析细胞内蛋白质修改状态、表达水平来了解蛋白质 之间的相互作用，从而揭示细胞的活动规律及蛋白质功能。

1 蛋白质组学的分类

根据研究目的和手段的不同，蛋白质组学可分为组成性蛋白组学、比较蛋白组学和相互作用蛋白质 组学 [2] 。组成性蛋白质组学是鉴定并详细阐述某个体系中蛋白质翻译后修饰的各种特性；Ohta 等 [3] 用定 量蛋白组学描述了 4 000 蛋白质识别孤立的有丝分裂染色体。比较蛋白质组学即差异显示蛋白质组学， 是以人类重大疾病或以重要生命过程为主要研究对象，进行病理和生理体系或蛋白质在过程中的差异表 达；Hamler 等 [4] 应用二维液相分离结合质谱鉴定的路线比较了乳腺癌上皮细胞与正常乳腺上皮细胞间蛋 白质间的差异表达。 蛋白质组学的相互作用是应用各种先进技术对蛋白质间的相互作用进行研究,将某体 系中蛋白质间的作用绘制成网络图谱。Ohta 等 [3] 进一步通过生物信息学分析，预测蛋白质的功能。

收稿日期：2014­12­20

基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ13283)

作者简介：聂丽，女，硕士生，主要从事微生物研究，E­mail：530041190@；*通信作者：魏赛金，博士，教授， E­mail:weisaijin@。

2015 年第 2期 聂丽等：微生物蛋白质组学的研究进展 ·93·

2 蛋白质组学的技术

2.1 单一蛋白质组学的鉴定

在蛋白质组研究中，常用双向凝胶电泳（2DE）和聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS­PAGE）分离成混合 物的蛋白质，收集目的蛋白质胶带和胶点，经胶内酶解后应用质谱法分析以获得蛋白质信息。其中双向 电泳（2DE）这是最经典最成熟的蛋白质分离技术产生于 20 世纪 70 年代 [5] ，是通过相对分子量和蛋白 质的等电点（PI）的不同将高通量地蛋白分离出来 [6] 。单个蛋白质的鉴定生物化学领域常见的问题，目 前有两大方法论：Edman降解法和质谱法。质谱法又细分为两类：基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱 （MALDI­TOF­MS）和高效液相串联质谱（LC­MS/MS），如 MALDI­TOF­MS 技术在脂质中的应用 [7] 。 后者较前者具有更高的灵敏度和几乎 100%的可能性， 且具有 MALDI­TOF­MS 不可比拟的从单一蛋白质 胶带中准确鉴定出多个蛋白质组分的能力。如对膜蛋白的蛋白质组学的研究用同位素亲和标记技术、 MALDI­TOF­MS 技术、MD­LC 技术相互结合鉴别出未描述的 MT1­基质金属蛋白酶底物 [8] 。

2.2 蛋白质全谱鉴定

蛋白质学的核心内容之一就是蛋白质鉴定。传统的方法如蛋白质微量测序、氨基酸组分分析费时费 力、通量低，存在不容易实现规模化和自动化，结果灵敏度差等问题。当前主流的基于软电离技术的 LC­MS/MS 是实现高通量蛋白鉴定的主要方法。Kim 等 [9] 用 LC­MS/MS 技术，对 30 个来自正常人类的 不同组织、器官样品进行了深度蛋白组解析，共鉴定到了 17 294个蛋白，占人类全部有注释编码蛋白基 因的 84%，对人类蛋白质组草图绘制。将纯化的蛋白质用消化酶水解成肽段，肽段混合物经过除盐后进 入液相色谱实现初步分离，经液相分离后的肽段经第一级和第二级系统做进一步碎裂，使肽段离子被打 碎成更小的、更有规律的碎片离子；理论上蛋白质序列经过酶解后形成肽段，肽段再经过理论二级碎裂

然后用实验产生的MS/MS谱图信息与理论产生的MS/MS谱图信息比对， 形成理论的二级碎片离子谱图；

通过比较二者的相似度来确定谱图对应哪个肽段 [10­11] 。其中理论蛋白质的数据库来自基因组预测或前期 实验验证等数据。目前的蛋白组数据库数有(SWISS­PROT、BLOCKS [12] 、NOPdb [13] 、ExPASy [14] 等)。

2.3 定量蛋白质组

从蛋白质的角度研究生命现象和规律已成为研究生命科学的主要手段，而这些研究往往离不开对细 胞、组织或器官中含有的蛋白质表达量和种类的研究。对于不同条件、不同时期下研究蛋白质表达水平 的变化，寻找生物标志物，这些研究都需要对蛋白质进行定量和鉴定。生物质谱技术的不断发展和成熟 为蛋白质的差异表达分析提供了更可靠、动态范围更广的研究手段。当前，基于质谱技术的定量手段大 致分为无标记定量（labal­free quantification）和标记定量（labeled quantification）。其中 labal­free定量 不需要对比较样品做特定标记处理，只需要比较特定的肽段、蛋白在不同样品间的色谱质谱响应信号便 可得到样品间蛋白表达量的变化，通常用于分析大规模蛋白鉴定和定量时所产生的质谱数据。如利用 Labal­free定量技术规模化分析复杂的蛋白质组学质谱数据 [15] 。利用 iTRAQ 定量技术是目前定量蛋白质 组学中应用最广泛的技术。 在一级质谱图中， 标记在不同样本中的所有 iTRAQ 试剂在同一蛋白质的质荷 比表现是相同的；在二级质谱中，iTRAQ 试剂中的平衡基团发生中性丢失，信号离子以不同的质荷比表 现出不同波峰高度或面积，以此得到同一蛋白在不同样本中的表达差异；同时，肽段的 MS/MS 结果结 合数据库检索可以鉴定出相应的蛋白质种类。

2.4 目标蛋白质组

现代生物标记物根据发现阶段、验证阶段、临床确认阶段这三个阶段进行研究。在发现阶段，采用 蛋白组学技术发现及鉴定生物标记物应用较多，而在确认和验证阶段，样品高度复杂，传统蛋白质组学 方法在此背景噪音结果不尽人意。正是在这样的背景下，发展了目标蛋白质组学技术。它具有特异性强、 灵敏度高、准确性高、重现性好、现行动态范围广等优势，基于蛋白质组学的生物标记物研究、蛋白质 翻译后修饰、定量蛋白质组和蛋白质组相互作用领域应用广泛。目前有 MRM HR （muitiple reacting monitoring）技术和 SWATH（sequential window acquisition of all mass sepectra）定量技术。MRM HR 是一 种数据获取方式，基于假定信息设定或已知信息的质谱检测规则，信号记录符合规则的离子，去除大量