生物质谱在蛋白质组学研究中应用

生物质谱在蛋白质组学研究中应用

张养军钱小红

军事医学科学院放射与辐射医学研究所

北京蛋白质组研究中心

主要内容：

一、蛋白质组学发展简介

二、蛋白质组研究意义

三、蛋白质组学研究的内容

四、蛋白质组研究中的复杂性

五、蛋白质组学研究的主要研究策略

六、生物质谱在蛋白质组学研究中的应用

七、蛋白质组学研究中的主要技术挑战

一、蛋白质组学发展简介

蛋白质组（proteome）：

一种细胞、组织或生物体完整基因组所对应的全套蛋白质。

蛋白质组学（proteomics)：

研究细胞、组织或生物体中蛋白质组成、定位、变化及其相互作用规律的科学。简要历史回顾：

1994年，澳大利亚的科学家首次提出蛋白质组概念；

1995年，蛋白质组一词首次见诸报端；

2001年4月，在美国成立了国际人类蛋白质组研究组织(Human

Proteome Organization, HUPO)，随后欧洲、亚太

地区都成立了区域性蛋白质组研究组织，试图通过

合作的方式，融合各方面的力量，完成人类蛋白质

组计划(Human Proteome Project)；另外，除了相关

期刊外，创刊了蛋白质组学专门杂志，如

《Proteomics》、《Molecular & cellular

proteomics》和《Journal of proteome research》；

2002年～现在，已经举行了七届HUPO国际会议和四届中国蛋

白质组学术大会。

二、蛋白质组研究的意义

1、一些物种如小鼠、大鼠等基因组测序工作的完

成，特别是人类基因组计划草图完成（2001

年），为蛋白质组计划的实施奠定了基础。蛋白

质组的研究不仅是基因组研究的深入和延续，更

重要的是要回答在基因组和转录组水平上无法回

答的生物学问题，比如它们之间的连锁关系以及

功能网络等。

2、作为生命功能的执行体——蛋白质组的研究是

为了从更高层次上深入解读生命的本质和生命

活动的规律。

3、为人类疾病的病理研究、早期诊断、治疗以及

药物开发提供依据。

三、蛋白质组学研究的内容

1、蛋白质组表达谱

（proteome expression profiling）

针对已有基因组或转录组数据库的生物体、组织或细胞，建立相应蛋白质组或亚蛋白质组数据库。如：Human plasma proteome project；Human liver proteome project。

2、蛋白质组修饰谱

(proteome modification profiling)

建立生命功能执行和调控网络相关的蛋白质

翻译后修饰数据库。

3、基本生物学问题

研究与生命活动过程中密切相关的问题。

比如：Post-translational modification；

Protein-protein interaction；

Genome-Transcriptome-Proteome。

4、临床应用问题

以重要的生命过程或人类一些重大疾病为对

象，进行重要的生理和病理体系或过程的研究，

即进行比较蛋白质组学研究。

比如：Disease marker-diagnosis

Mechanism of the disease

Drug target-therapy

5、蛋白质组学中的新技术和新方法

建立蛋白质组学支撑技术平台以及生物信息

学研究工具。

四、蛋白质组研究中的复杂性

一种细胞、组织或生物体有多少蛋白质?

人类基因组含有3～4万个基因，仅是果蝇

或线虫的两倍左右。

人体：1个受精卵1012细胞，103细胞类型。

其“蛋白质组”随“时”、“空”处于变化之中，而“基因组”则处于永恒于之中。生命体的统一性源于基因组

生命体的复杂性基于蛋白质组

五、主要研究策略

1、研究基础

（1）生物学的发展，特别是基因组测序的

完成为我们提供了蛋白质组数据库；

（2）生物质谱和分离科学的进步为我们提

供了分离和鉴定的必须手段；

（3）计算机技术的提高，特别是生物信息

学的发展为我们处理海量数据提供了

有力的支持。

2、蛋白质组学研究方法分类

（1）蛋白质定性分析

依据分析对象是整体蛋白质混合物或酶切后的多肽混合物，蛋白质组的定性分析方法分为自下向上法（bottom up,针对多肽混合物）和自上向下法(top down，针对整体蛋白质混合物)。

依据蛋白质数据库中是否存在所鉴定的蛋白质，蛋白质组的定性分析方法进一步分为：对蛋白质数据库中含有待鉴定的蛋白质，包括:肽质量指纹谱法（PMF，适合于简单蛋白质混合物);肽序列标签法（PST，适合于复杂蛋白质混合物）

对蛋白质数据库中不存在待鉴定的蛋白质，采用从头测序法（de novo）

（2）蛋白质组相对定量分析方法

①直接进行比较，包括SDS-PAGE、2DE、HPLC；

②标记方法，包括同位素标记亲和标签

（ICA T）、元素标记亲和标签（ECA T）、

同位素氨基酸细胞培养标记(SILAC)和

DYGE技术；

③直接同位素标记法，如酶促18O标记。

3 蛋白质组研究方法进展

(1)复杂蛋白质组体系

目前对于组织、细胞和血浆等复杂蛋白质组的分析，均采用多维分离技术与质谱联用的方法。