蛋白质组学复习资料

蛋白质组学学习纲要讲授内容人类基因组序列（human genome project, HGP）揭示基因组的精细结构，显示了基因数量有限性和基因结构的相对稳定性，与生命现象的复杂性和多变性之间存在着巨大反差。

促使人们认识到：基因只是遗传信息的载体。

基因组学在基因活性和疾病的相关性方面为人类提供了有力根据, 但是基因的表达方式错综复杂，同样的一个基因在不同条件、不同时期可能会起到完全不同的作用。

因此研究生命现象，阐释生命活动的规律，只了解基因组的结构是不够的，还须对生命活动的直接执行者——蛋白质进行更深入的探讨。

事实上对蛋白质的数量、结构、性质、相互关系和生物学功能进行全面深入的研究已成为生命科学研究的迫切需要和重要任务。

以“蛋白质组”（proteome）为研究对象的生命科学新时代已经到来。

第一节蛋白质组学的概念及其发展史一、蛋白质组学的概念蛋白质组是澳大利亚学者Williams和Wilkins于1994年首先提出, 源于蛋白质（protein）与基因组（genome）两个词的杂合，指“一个细胞或一个组织基因组所表达的全部蛋白质”。

是对应于一个基因组的所有蛋白质构成的整体，而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，即使是同一细胞，在不同的发育阶段、不同的生理条件甚至不同的环境影响下，其蛋白质的存在状态也不相同。

因此，蛋白质组是一个在空间和时间上动态变化着的整体。

而蛋白质组学(proteomics)是指应用各种技术手段来研究蛋白质组的一门新兴科学，其目的是从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成成份、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律。

研究内容主要包括：了解某种特定的细胞、组织或器官制造的蛋白质种类；明确各种蛋白质分子是如何形成类似于电路的网络的；描绘蛋白质的精确三维结构，揭示其结构上的关键部位——与药物结合并且决定其活性的部位。

蛋白质组概念的提出标志着生命科学的一个崭新时代——蛋白质组时代已经开始，它是继基因组研究之后的又一“大学科”。

即以蛋白质组为研究对象，在蛋白质多肽谱和基因产物图谱技术的基础上发展起来的一门科学，是通过对基因表达产物——蛋白质进行整体、动态、定量水平上的研究来阐述环境、疾病、药物等对细胞代谢的影响，并分析其主要作用机理、解释基因表达调节的主要方式。

要对“全部蛋白质” 进行研究是非常困难的，功能蛋白质组学的提出解决了这一难题，其研究对象是功能蛋白质组，即细胞在一定阶段或与某一生理现象相关的所有蛋白质，它是介于对个别蛋白质的传统蛋白质化学研究和以全部蛋白质为研究对象的蛋白质组学研究之间的层次，并把目标定位在蛋白质群体上，这一群体可大可小，从局部入手研究蛋白质组的各个功能亚群体，以便把多个亚群体组合起来，逐步描绘出接近于生命细胞的“全部蛋白质”的蛋白质组图谱。

功能蛋白质组学从理论和技术上使以“全部蛋白质”为研究对象的蛋白质组学更具体化，更易于从时、空、量效方面动态、整体、深入地研究生理状态下同一组织细胞在不同发育阶段或同一组织细胞在不同个体间或同一基因组在不同组织细胞间，以及病理情况下同一疾病的不同发展阶段的蛋白质表达模式和功能模式的变化，揭示一些重要的生命现象和一些重大疾病的发生发展规律。

二、蛋白质组学的产生与发展20世纪中期以来，随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质空间结构的X射线解析，开始了分子生物学时代，对遗传信息载体DNA 和生命功能的主要体现者蛋白质的研究，成为生命科学研究的主要内容。

90年代初期，美国生物学家提出并实施了人类基因组计划，经过各国科学家多年的努力，人类基因组计划取得了巨大成绩，一些低等生物的DNA序列已被阐明，人类DNA序列的框架图已经测定，迄今已测定的表达序列标签（EST）几乎覆盖了人类所有基因。

在这样的形势下，生命科学已进入了后基因组时代。

在后基因组时代，生物学研究的重点已从揭示生命所有遗传信息转移到在整体水平上对生物功能的研究。

这种转向的第一个标志就是产生了一门称为功能基因组学的新科学。

功能基因组学的主要任务是解析和综合大量的遗传信息，阐明基因遗传信息与人类生命活动之间的联系。

基因的功能是通过其产物—mRNA和蛋白质来体现的。

近年来利用基因表达系列分析（serial analysis of gene expression，SAGE）、微阵列（microarray）和DNA芯片（chip）等新技术研究mRNA水平上的基因活动规律取得了较大进展。

但mRNA水平的基因表达状况并不能完全代表蛋白质水平的状况，mRNA与蛋白质间的相关系数仅为0.4～0.5，蛋白质才是生命功能的主要执行者，它存在着翻译后的加工修饰、转移定位、构象变化、蛋白质与蛋白质及蛋白质与其它生物大分子相互作用等自身特点，难以从DNA和mRNA水平得到解答，从而促使人们从组织或细胞内整体蛋白质的组成、表达和功能模式去研究生命活动的基本规律。

自“蛋白质组”概念提出并开始从整体蛋白质水平研究生命现象以来，蛋白质组研究在国际上进展十分迅速。

不论是基础理论，还是技术方法，都在不断地进步和完善。

许多种细胞的蛋白质组数据库已经建立，相应的国际互联网站也层出不穷，众多的制药厂和公司在巨大财力的支持和商业利益的诱惑下纷纷加入蛋白质组研究领域，蛋白质组研究的文章每年成倍增长。

1996年澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中心（Australia Proteome Analysis Facility，APAF），得到了政府部门的大力支持。

同年丹麦、加拿大也先后成立了国家蛋白质组研究中心，随后美国、丹麦、瑞士、瑞典、英国、法国、意大利、日本和德国等也加入了蛋白质组研究行列。

国际著名学府如哈佛、斯坦福、耶鲁、密西根、华盛顿大学、欧洲分子生物学实验室、巴士德研究所、瑞士联邦工业学院均挤身此类研究。

如美国国立癌症研究院（NCI）投资1 000万美元建立肺、直肠、乳腺、卵巢肿瘤的蛋白质组数据库。

NCI和FDA共同投资数百万美元建立癌症不同阶段的蛋白质组数据库。

英国建立三个蛋白质组研究中心对已完成或即将完成全基因组测序的生物体进行蛋白质组研究。

独立完成人类基因组测序的Celera公司投资上亿美元独自启动了全面鉴定和分类汇总人类组织、细胞和体液中的蛋白质及其异构体，构建新一代的蛋白质表达数据库的工作，以帮助研究者更深入了解细胞生理和病理过程，并为药物的开发选择靶分子。

1997年召开了第一次国际“蛋白质组学”会议，预测21世纪生命科学的重心将从基因组学转移到蛋白质组学，为生命科学和医药学领域的研究带来了新的生机。

1998年在美国旧金山召开了第二届国际蛋白质组学会议，参加者大都来自各大药厂和公司。

1999年1月在英国伦敦举行了应用蛋白质组会议。

1999年5月在日本召开的国际电泳会议上，约三分之一的文章与蛋白质组有关。

我国也于1998年启动了蛋白质组学研究。

1998年在中国科学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，并在此基础上，提出了功能蛋白质组学的研究战略。

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，并且于2003成立了中国人类蛋白质组组织（CHHUPO）。

并分别于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，于2004年10月在中国北京召开了第三届国际蛋白质组学会议。

因此，蛋白质科学及技术已经成为21世纪生命科学与生物技术的重要战略前沿，是生命科学突破与生物技术创新的必由之路，并且成为生命科学与生物技术引领自然科学与技术的龙头。

第二节蛋白质组学研究方法概述蛋白质组研究比基因组研究更复杂和困难，一方面，蛋白质的数目大大超过基因的数目。

人基因组有2.5～4.0万个编码基因，而其表达的蛋白质可达十几万或更多；另一方面，基因是相对静态的，一种生物仅有一个基因组，而蛋白质是动态的，即随时间和空间而变化，同时还有着复杂的翻译后修饰。

组成蛋白质的氨基酸有20种，加上修饰的氨基酸则更多，而DNA仅4种核苷酸组成。

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。

最初的蛋白质组学主要是研究蛋白质组的组成成分，即蛋白质组表达模式（expression profile）。

蛋白质组表达模式研究的支撑技术主要有双向凝胶电泳和以质谱为代表的蛋白质鉴定技术及生物信息学。

随着学科的发展，蛋白质组学的研究范围不断扩展，蛋白质组功能模式的研究不断深入。

蛋白质翻译后修饰和蛋白质-蛋白质相互作用的研究已成为蛋白质组学的重要部分。

一、蛋白质组表达模式的研究方法（一）蛋白质组研究中的样品制备通常可采用细胞或组织中的全蛋白质组分进行蛋白质组分析。

也可以进行样品预分级，即采用各种方法将细胞或组织中的全体蛋白质分成几部分，分别进行蛋白质组研究。

样品预分级的主要方法包括根据蛋白质溶解性和蛋白质在细胞中不同的细胞器定位进行分级，如专门分离出细胞核、线粒体或高尔基体等细胞器的蛋白质成分。

样品预分级不仅可以提高低丰度蛋白质的上样量和检测，还可以针对某一细胞器的蛋白质组进行研究。

对临床组织样本进行研究，寻找疾病标记，是蛋白质组研究的重要方向之一。

但临床样本都是各种细胞或组织混杂，而且状态不一。

如肿瘤组织中，发生癌变的往往是上皮类细胞，而这类细胞在肿瘤中总是与血管、基质细胞等混杂。

所以，常规采用的癌和癌旁组织或肿瘤与正常组织进行差异比较，实际上是多种细胞甚至组织蛋白质组混合物的比较。

最近在组织水平上的蛋白质组样品制备方面已有新的进展，如采用激光捕获显微切割(laser capture microdissection，LCM) 方法可直接在显微镜下从组织切片中精确分离特定的细胞或细胞群。

（二）蛋白质组研究中的样品分离利用蛋白质的等电点和分子量通过双向凝胶电泳(two-dimensional electrophoresis，2-DE)的方法将各种蛋白质区分开来是最主要的基于胶的蛋白质组学分离技术。

双向凝胶电泳（2-DE）技术于1975年首先由O’Farrell等创立,其原理是第一向在高压电场下对蛋白质进行等电聚焦(IEF), 再在第一向垂直方向上进行第二向SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)。

第一向的IEF电泳，经历了从最初的载体两性电解质pH梯度等电聚焦电泳到80年代固相pH梯度等电聚焦电泳（immobilized pH gradient，IPG）的发展过程。