蛋白质组学技术在各领域的解决方案

蛋白质组学技术在农业生物科研领域、疾病机理机制研究、药物研究、海洋环境、植物胁迫机制研究等方面具有广泛应用。蛋白组学的研究通常遵循以下思路：

蛋白质组学研究思路

图 1 蛋白质组学研究思路

一、蛋白质组学在农业生物科研领域的应用

蛋白质组学技术在农业生物科研领域的应用为作物生长发育、病虫害防治、遗传育种、畜牧兽医学疾病诊断和治疗等方面发挥重要的作用，为现代农业发展开辟新途径。

1 .蛋白质组学在农作物研究中的应用

农业是我国人口赖以生存的基础，而提高粮食产量和品质则是农业发展的关键。蛋白质组学关键技术在作物遗传育种、品系鉴定、品质改良、逆境胁迫应答等关键环节的应用，为农业作物的进一步开发利用提供巨大的参考价值。蛋白质组学可系统研究农作物在特定环境或某个发育阶段的组织和器官中蛋白质的表达变化，有助于作物发育过程机制的理解。

Jia等人利用SWATH等技术对四种玉米组织中的蛋白质进行定量分析：包括未成熟雌穗，未成熟雄穗，授粉后20天的幼胚和14日龄幼苗的根。在玉米的4种组织中总共鉴定到4551个蛋白质，其中在雌穗，雄穗，幼胚和幼根中分别鉴定到3916、3707、3702和2871种蛋白质。利用生物信息学技术将蛋白质组和转录组进行关联分析，并且进一步分析组织特异性高表达的基因和蛋白，以了解玉米组织结构和器官发生的调节机制，为研究玉米发育生物学研究提供了新的线索。相关成果2017年发表在Journal of Proteome Research上。

图 2 实验流程图

文献来源：Jia HT, Sun W, Li MF, et al. An integrated analysis of protein abundance, transcript level and tissue diversity to reveal developmental regulation of maize [J]. J. Proteome Res, December 18, 2017.

2.蛋白质组学在食品科学中的应用

在食品安全研究中，蛋白组学的出现为食品科学的研究指明了方向，同时也为食品科学的研究奠定了良好的发展平台。蛋白质组学在粮油食品、肉类食品、水产食品、乳品食品等方面的应用，不仅可以提高食品安全，并且在改善食品制作以及储存条件的同时，还可以提高食品的口感以及营养程度。

在热处理过程中，肉类的主要成分蛋白质会发生结构性变形，如氧化、降解、变性和聚集。蛋白质的这些变化对最终肉制品的质量、颜色、嫩度和风味有重要影响，并最终影响适口性和可接受性。Tian等人利用2-DE等技术手段研究了在加热中心温度为72℃时用不同的烹饪方法，例如水浴烹饪-WB、短时欧姆烹饪-STOH和长时间欧姆烹饪-LTOH，对牛肉的颜色、烹饪损失、剪切值和蛋白质组变化的影响。蛋白质组学分析表明，欧姆烹饪的烹饪损失、剪切值显著低于水浴烹饪（P<0.05）。利用2-DE蛋白组学技术成功鉴定到STOH和WB烹饪样品之间的17个差异蛋白质，并鉴定出LTOH和WB样品之间的13个差异蛋白质。大多数差异蛋白是肌原纤维和肌浆蛋白，可能与肉质的变化相关。WB烹饪可改变蛋白质溶解度并降低2-DE图像中的蛋白质斑点强度。应用欧姆烹饪会产生更高质量的牛肉产品，并减少烹饪时间。相关成果2016年发表在Innovative Food Science & Emerging Technologies上。

图3 实验流程图

文献来源：Tian X, Wu W, Yu Q, et al. Quality and proteome changes of beef M.longissimus dorsi, cooked using a water bath and ohmic heating process[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2016, 34:259-266.

3.蛋白质组学在畜牧兽医领域的应用

蛋白质组学在畜牧兽医学研究领域应用主要集中在病原致病或耐药机制靶蛋白的筛选、疫苗候选抗原及药物靶标蛋白的筛选、动物遗传育种、品系鉴定、品质改良等方面。

Wang等人基于iTRAQ的LC-MS / MS技术，比较了刚地弓形虫的速殖子（T）、缓殖子孢囊（C）和孢子化卵囊（O）三个不同发育阶段的蛋白质丰度。共鉴定到6285种蛋白质，其中在孢子化卵囊与速殖子，速殖子与缓殖子孢囊以及缓殖子孢囊与孢子化卵囊中分别鉴定到875、656和538个差异蛋白。对差异蛋白进行进一步的GO、KEGG和String分析，发现一些毒力相关因子和核糖体蛋白在整个生命周期的不同阶段表现出不同的表达模式。这些发现对于了解弓形虫的发育生物学具有重要意义，有助于发现新的治疗靶点以更好地控制弓形虫病。相关成果于2017年发表在Frontiers in microbiology上。

图4 实验流程图

文献来源：Wang Z X, Zhou C X, Elsheikha H M, et al. Proteomic Differences between Developmental Stages of Toxoplasma gondii Revealed by iTRAQ-Based Quantitative Proteomics[J].

Frontiers in Microbiology, 2017, 8:985.

Qin等人以猪为模型，利用iTRAQ技术研究猪膳食中蛋白质含量的限制（PL）对小肠黏膜蛋白质组学的改变。共鉴定并定量到5275种蛋白质，筛选出了202个差异蛋白。利用生物信息学技术对差异蛋白进行进一步分析并利用WB进行验证，发现PL可以增强空肠黏膜对外来抗原的免疫应答，另外PL可以通过抑制mTOR途径减少氨基酸转运和细胞增殖。研究揭示了PL如何影响肠道生理功能，特别是氨基酸的运输，肠粘膜结构和微环境以及肠道免疫。其中，mTOR信号通路可能在通过感知氨基酸的供给中，在调节肠道生理功能方面起着核心作用。相关成果2016年发表在Scientific Reports上。

图 5 实验流程图

文献来源：Qin C, Qiu K, Sun W, et al. A proteomic adaptation of small intestinal mucosa in response to dietary protein limitation[J]. Scientific Reports, 2016, 6:36888.

二、蛋白质组学在疾病机理机制研究中的应用

利用非标记定量蛋白质组学技术如：Label-free、SWATH及标记定量蛋白质组学技术iTRAQ、SILAC等蛋白质方法技术手段，可实现对不同样品中的大量蛋白进行大规模的相对定量研究，为实现疾病相关机制的研究提供思路和见解。其图解流程如下：