蛋白质组学、生物质谱
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➢ “蛋白质组”（proteome）和“蛋白质组学” （proteomics）对应于 “基因组”（genome）和“基因组学” （genomics）
➢ 基因组学得到充分研究的背景下提出，随着人类基因组草 图的完成得到长足发展
蛋白质组学的含义
一个生命体在其整个生命周期中所拥有的蛋白质的全体， 或特定类型的细胞在特定类型刺激时所拥有的蛋白质的全体， 称为这个生命体或细胞类型的蛋白质组。
➢ MS绘制蛋白质修饰谱：100%
蛋白质的修饰
从MS数据推测修饰
➢ MOLDI-TOF-MS得到肽混合物的MS谱图 ➢ 肽离子的精确质量数据是其氨基酸组成和所有修饰
基团的质量之和 ➢ MOLDI-TOF-MS可得知某个肽可能的修饰形式
肽质量指纹谱算法及软件
多蛋白质复合物组分的鉴定
在细胞裂解物中加入感兴趣蛋白质的抗体，免疫共沉淀， 复合物如下分析：
蛋白质组学的终极目标：测定状态与时俱进的蛋白质
目前，比较一个细胞或生物在两种状态之间的蛋白质组，鉴 定蛋白质和相对定量
蛋白质表达谱
1. 使用双向凝胶的比较蛋白质组学研究
➢ 双向凝胶分离蛋白质，两块凝胶染色、图像分析，根据光 密度、大小和体积来鉴定“特征”（蛋白质点）；通过“界 标” “配对”，“匹配”凝胶，比较特征、用程序Melanie 鉴定
1.1 蛋白质组学的提出 1.2 蛋白质组学的含义
2. 蛋白质组学的应用 3. 蛋白质组学的新方向 4. 蛋白质组学的技术 5. 蛋白质组学的核心技术——质谱 6. 应用实例
蛋白质组学的提出
➢ “蛋白质组学”由Marc Wilkins和他的博导Keith Williams提 出
➢ 第一届Siena会议（1994）议题：二维电泳，从蛋白质图谱 到基因组
一个基因，N个 蛋白质
基因组中编码蛋白质的基因数远少于蛋白质组中 的蛋白质数（约33000个基因，约200000个蛋白 质），推翻了早期“一个基因，一个蛋白质”的假 设
对所有人类蛋白质分类、确定它们的功能和相互 作用，称其为“人类蛋白质组计划”。
采集蛋白质组学
➢ 目的：鉴定尽可能多的蛋白质组分
蛋白质组学本质：在大规模水平上研究蛋白质的特征，包 括蛋白质表达水平，翻译后修饰，蛋白与蛋白相互作用等， 获得蛋白质水平上关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而 全面的认识
蛋白质组学的含义
蛋白质化学与蛋白质组学的不同
蛋白质化学
蛋白质组学
单一蛋白质
复杂混合物
全序列分析
部分序列分析
强调结构与功能
强调通过数据库匹配鉴定蛋白
➢ 对感兴趣的蛋白点剪切、消化和MS分析
揭示半定量的表达差异
精确的定量采用差异凝胶电泳分析（difference in-gel electrophoresis，DIGE），用带不同荧光团的两种染料Cy3 和Cy5染色， 在同一块胶中分离
蛋白质表达谱
2. 使用LC-MS和同位素标记的比较蛋白质组学研究
结构生物学
系统生物学
X-射线晶体衍射，核磁共振 质谱分析，凝胶电泳
蛋白质组学与质谱
1. 蛋白质组学导论
❖ 2. 蛋白质组学的应用 ➢ 2.1 采集蛋白质组学
➢ 2.2 蛋白质表达谱 ➢ 2.3 蛋白质修饰谱 ➢ 2.4 多蛋白质复合物组分的鉴定 ➢ 2.5 蛋白质组学在生物医学中的应用 3. 蛋白质组学的新方向 4. 蛋白质组学的技术 5. 蛋白质组学的核心技术——质谱 6. 应用实例
蛋白质修饰谱
MS既可测定肽质量和序列，也能提供肽修饰的信息
序列覆盖率是鉴定蛋白质修饰的关键
➢ 对100 aa的蛋白质的鉴定：
PMF：
2~3个肽与库匹配，10%~15%
LC-MS-MS： 2个6肽MS-MS谱图，12%
➢ 对蛋白质表达的定量： 双向凝胶图像比较或同位素标记 LC-MS-MS，5%~10%
蛋白质的修饰
蛋白质上含有多位点修饰、多种种类的修饰: 磷酸化、酰基化、糖基化、泛素化和小泛素化、磺酸化、羟 基化、N-甲基化、羧化、羧甲基化，等
环境因子（试剂）引起外源修饰
上百种不同类型的修饰影响蛋白质的电荷状态、疏水性、 构象和稳定性，最终影响其功能
一个基因通过转录、翻译时和翻译后修饰可平均产生多达 6个基因产物。
1D-PAGE分离复合物， 染色、切割条带，酶切消化， MALDI-TOF-MS， PMF或LC-MS-MS鉴定
混合物酶切消化，（不经分离）MALDI-TOF-MS或 LC-MS-MS分析
➢ 多维肽层析和液相色谱串联质谱联用技术 （Liquid chromatograph-MS-MS，LC-MS-MS）
蛋白质表达谱
➢ 生命本身的新陈代谢： 生化途径在变化 基因表达模式在变化 生物生命周期、细胞周期酶状态在变化
➢ 环境刺激，化学试剂，药物，生长和疾病过程诱导机体变化
蛋白质组在不断变化
➢ 高等生物的不同基因和蛋白质在不同组织、不同发育 阶段表达
➢ 不同的细胞表达不同的蛋白质组，相同的细胞在不同 状态下表达不同的蛋白质组
➢ 体液（血浆、唾液、尿、汗）含有许多分泌蛋白，这 些蛋白质组分的改变可能与疾病有关， 可做诊断指标
采集蛋白质组学
采集蛋白质组研究方法：
➢ 双向凝胶电泳（2D-PAGE ）和MALDI-TOF-MS （Matrix assisted laser desorption ionization-time of flight-mass spectrometry）
用稳定同位素标记两个样品，一个含轻同位素（如氢1H，碳 12C，氮14N，氧16O），另一个含重同位素（如氘2H，13C，15N， 18O ），消化、LC-MS分析肽。
3种策略： ➢ 化学引入或标记：衍生试剂进行化学修饰 ➢ 生物或代谢引入：用富含稳定同位素的氨基酸培养基养细胞 ➢ 酶引入：酶解时在断裂位点的C端引入重水的18O标记
蛋白质组学研究与质谱
Mass Spectrometry in Proteomics Studies
蛋白质组学与质谱
1. 蛋白质组学导论 2. 蛋白质组学的应用 3. 蛋白质组学的新方向 4. 蛋白质组学的技术 5. 蛋白质组学的核心技术——质谱 6. 应用实例
蛋白质组学导论
❖ 1. wk.baidu.com白质组学导论
➢ 基因组学得到充分研究的背景下提出，随着人类基因组草 图的完成得到长足发展
蛋白质组学的含义
一个生命体在其整个生命周期中所拥有的蛋白质的全体， 或特定类型的细胞在特定类型刺激时所拥有的蛋白质的全体， 称为这个生命体或细胞类型的蛋白质组。
➢ MS绘制蛋白质修饰谱：100%
蛋白质的修饰
从MS数据推测修饰
➢ MOLDI-TOF-MS得到肽混合物的MS谱图 ➢ 肽离子的精确质量数据是其氨基酸组成和所有修饰
基团的质量之和 ➢ MOLDI-TOF-MS可得知某个肽可能的修饰形式
肽质量指纹谱算法及软件
多蛋白质复合物组分的鉴定
在细胞裂解物中加入感兴趣蛋白质的抗体，免疫共沉淀， 复合物如下分析：
蛋白质组学的终极目标：测定状态与时俱进的蛋白质
目前，比较一个细胞或生物在两种状态之间的蛋白质组，鉴 定蛋白质和相对定量
蛋白质表达谱
1. 使用双向凝胶的比较蛋白质组学研究
➢ 双向凝胶分离蛋白质，两块凝胶染色、图像分析，根据光 密度、大小和体积来鉴定“特征”（蛋白质点）；通过“界 标” “配对”，“匹配”凝胶，比较特征、用程序Melanie 鉴定
1.1 蛋白质组学的提出 1.2 蛋白质组学的含义
2. 蛋白质组学的应用 3. 蛋白质组学的新方向 4. 蛋白质组学的技术 5. 蛋白质组学的核心技术——质谱 6. 应用实例
蛋白质组学的提出
➢ “蛋白质组学”由Marc Wilkins和他的博导Keith Williams提 出
➢ 第一届Siena会议（1994）议题：二维电泳，从蛋白质图谱 到基因组
一个基因，N个 蛋白质
基因组中编码蛋白质的基因数远少于蛋白质组中 的蛋白质数（约33000个基因，约200000个蛋白 质），推翻了早期“一个基因，一个蛋白质”的假 设
对所有人类蛋白质分类、确定它们的功能和相互 作用，称其为“人类蛋白质组计划”。
采集蛋白质组学
➢ 目的：鉴定尽可能多的蛋白质组分
蛋白质组学本质：在大规模水平上研究蛋白质的特征，包 括蛋白质表达水平，翻译后修饰，蛋白与蛋白相互作用等， 获得蛋白质水平上关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而 全面的认识
蛋白质组学的含义
蛋白质化学与蛋白质组学的不同
蛋白质化学
蛋白质组学
单一蛋白质
复杂混合物
全序列分析
部分序列分析
强调结构与功能
强调通过数据库匹配鉴定蛋白
➢ 对感兴趣的蛋白点剪切、消化和MS分析
揭示半定量的表达差异
精确的定量采用差异凝胶电泳分析（difference in-gel electrophoresis，DIGE），用带不同荧光团的两种染料Cy3 和Cy5染色， 在同一块胶中分离
蛋白质表达谱
2. 使用LC-MS和同位素标记的比较蛋白质组学研究
结构生物学
系统生物学
X-射线晶体衍射，核磁共振 质谱分析，凝胶电泳
蛋白质组学与质谱
1. 蛋白质组学导论
❖ 2. 蛋白质组学的应用 ➢ 2.1 采集蛋白质组学
➢ 2.2 蛋白质表达谱 ➢ 2.3 蛋白质修饰谱 ➢ 2.4 多蛋白质复合物组分的鉴定 ➢ 2.5 蛋白质组学在生物医学中的应用 3. 蛋白质组学的新方向 4. 蛋白质组学的技术 5. 蛋白质组学的核心技术——质谱 6. 应用实例
蛋白质修饰谱
MS既可测定肽质量和序列，也能提供肽修饰的信息
序列覆盖率是鉴定蛋白质修饰的关键
➢ 对100 aa的蛋白质的鉴定：
PMF：
2~3个肽与库匹配，10%~15%
LC-MS-MS： 2个6肽MS-MS谱图，12%
➢ 对蛋白质表达的定量： 双向凝胶图像比较或同位素标记 LC-MS-MS，5%~10%
蛋白质的修饰
蛋白质上含有多位点修饰、多种种类的修饰: 磷酸化、酰基化、糖基化、泛素化和小泛素化、磺酸化、羟 基化、N-甲基化、羧化、羧甲基化，等
环境因子（试剂）引起外源修饰
上百种不同类型的修饰影响蛋白质的电荷状态、疏水性、 构象和稳定性，最终影响其功能
一个基因通过转录、翻译时和翻译后修饰可平均产生多达 6个基因产物。
1D-PAGE分离复合物， 染色、切割条带，酶切消化， MALDI-TOF-MS， PMF或LC-MS-MS鉴定
混合物酶切消化，（不经分离）MALDI-TOF-MS或 LC-MS-MS分析
➢ 多维肽层析和液相色谱串联质谱联用技术 （Liquid chromatograph-MS-MS，LC-MS-MS）
蛋白质表达谱
➢ 生命本身的新陈代谢： 生化途径在变化 基因表达模式在变化 生物生命周期、细胞周期酶状态在变化
➢ 环境刺激，化学试剂，药物，生长和疾病过程诱导机体变化
蛋白质组在不断变化
➢ 高等生物的不同基因和蛋白质在不同组织、不同发育 阶段表达
➢ 不同的细胞表达不同的蛋白质组，相同的细胞在不同 状态下表达不同的蛋白质组
➢ 体液（血浆、唾液、尿、汗）含有许多分泌蛋白，这 些蛋白质组分的改变可能与疾病有关， 可做诊断指标
采集蛋白质组学
采集蛋白质组研究方法：
➢ 双向凝胶电泳（2D-PAGE ）和MALDI-TOF-MS （Matrix assisted laser desorption ionization-time of flight-mass spectrometry）
用稳定同位素标记两个样品，一个含轻同位素（如氢1H，碳 12C，氮14N，氧16O），另一个含重同位素（如氘2H，13C，15N， 18O ），消化、LC-MS分析肽。
3种策略： ➢ 化学引入或标记：衍生试剂进行化学修饰 ➢ 生物或代谢引入：用富含稳定同位素的氨基酸培养基养细胞 ➢ 酶引入：酶解时在断裂位点的C端引入重水的18O标记
蛋白质组学研究与质谱
Mass Spectrometry in Proteomics Studies
蛋白质组学与质谱
1. 蛋白质组学导论 2. 蛋白质组学的应用 3. 蛋白质组学的新方向 4. 蛋白质组学的技术 5. 蛋白质组学的核心技术——质谱 6. 应用实例
蛋白质组学导论
❖ 1. wk.baidu.com白质组学导论