差异蛋白质组学及其应用

!国家重点基础研究发展规划资助项目

（G1999053901）；教育部科学技术重点资助项目（272006）；教育部专项基金资助差异蛋白质组学及其应用!

何大澄肖雪媛

（北京师范大学生命科学学院，100875，北京"第一作者58岁，男，教授）

摘要蛋白质组学是后基因组研究中最主要的部分，其研究策略有2种：一种是“完全”蛋白

质组学，目的是检测一种细胞类型或一种组织内基因组表达的所有蛋白质；另一种是“差异”蛋白

质组学，主要是筛选和鉴定不同种类或状态下各样本之间蛋白质组的区别与变化.着重介绍了差

异蛋白质组学的特点、研究内容和应用前景，简要介绍了适用于差异蛋白质组学研究的相关技术

和近期发展概况.

关键词

蛋白质组学；差异蛋白质组学；特点；应用前景分类号O 51；O 516

!蛋白质组是基因组研究逻辑性的发展

人类基因组研究的兴起标志着生命科学进入一个从总体、综合角度理解生命活动分子基础的新阶段.2001年2月参与人类基因组计划的各国科学家宣布人类基因组图谱基本绘制完成，但对其调节及功能等仍远未解读.被赋予研究其表达调节及其产物功能任务的“后基因组学”也即因运而生.基因的功能主要通过其编码的蛋白质来实现，蛋白质是生命活动的真正执行者.蛋白质组学被认为是后基因组研究中的最主要部分，与基因组相比，蛋白质组的组成更为复杂，功能更为活跃，更直接切近生命活动的本质，其研究的应用前景也更广泛和直接.

!.!蛋白质组的组成远比基因组庞大和复杂分子生物学发展初期的一个知名的信条是

“一个基因一个蛋白质”.但后来已证实这是不确的，1个基因可以生产出多于1个蛋白质.越是较高等的细胞，这种数量上的差异越明显.据估计，在E.cOIi 1个基因可编码1.3个蛋白；在

S.cerevisiae 1个基因可编码3个蛋白；人的1个基因大约可编码10种蛋白［1］.这是由于1个基

因可经过基因内重组或在转录中经过不同的剪接翻译成不同的蛋白质，而蛋白质在合成之后又可能进行不同的翻译后修饰，包括磷酸化、糖基化、硫基化、酰基化、甲基化等.人类基因组的基因可能生产出几十万个蛋白.仅从这一个角度也可以看出，即使我们对基因组全部读出，仍然不足以对全部蛋白质的种类和数量加以描述和预测，更不足以对主要由蛋白质演绎的复杂生命活动加以描述和预测了.

!."蛋白质具有相对独立的代谢过程由DNA 编码合成的蛋白质，

在其运输、装配方式、降解时间和途径等方面对编码它的DNA 具有相对的独立性.例如，在细胞周期调控中cycIin B 在

G1晚期开始表达并逐渐积累，

到G2期后期阶段达到最大值并一直维持到M 期中期阶段，然后特异性地迅速降解.目前已知的所有细胞周期调控蛋白及其他许多蛋白都具有各自严格的代谢途径和“生命”周期.

!.#蛋白质具有对生物机体内部及外界因素产生反应的能力在细胞增殖、分化、衰老和凋

2002年8月

第38卷第4期北京师范大学学报（自然科学版）JOurnaI Of Beijing NOrmaI University （NaturaI Science ）Aug.2002#

######################################################VOI.38NO.4

第4期何大澄等：差异蛋白质组学及其应用559

亡等重大生命活动中，蛋白质不仅具有表达时间、表达量的差异，而且具有对外界的环境刺激，包括生理信号、病理信号及外界物理、化学因素等刺激，能动地产生反应的能力，这是生命现象区别于非生命现象的基本特征之一.

!."蛋白质之间存在着活跃、广泛的相互作用在很大程度上我们可以说“没有一个蛋白质是单独发挥其生物学作用的”，它需要与其他的分子相互作用才能完成其复杂的生理功能.蛋白质之间的相互作用不限于过去认识到的连锁反应或级联反应，它是一个复杂交错和具有精密调控的反应网络.蛋白质组学从多方位、多角度去研究蛋白质之间的相互作用和相互调控.相对来说，基因之间并不发生这种直接的相互作用.因此，只有通过对所有蛋白质的总和进行研究，即开展蛋白质组学研究，才能更加贴近地掌握生命的现象和本质，找到生命活动的规律.

#差异蛋白质组研究

蛋白质组学研究的途径有2条.一条是像基因组学的研究一样，力图“查清”人类大约3万到4万多基因编码的所有蛋白质，建立蛋白质组学数据库.这种“穷尽”基因组可能编码的“一切”蛋白质的想法，一度吸引了大量研究者的热情，美国和其他一些国家的政府和一些大公司投入了巨额资金，例如美国加州前线战略管理咨询公司的一项研究显示，目前已投入5.6亿美元进行蛋白质组学研究，预计到2005年可扩大到27.7亿美元.但是如前所述，蛋白质组的提出很大程度上是基因组研究观念上和逻辑上的延伸，这与当初基因组的提出有明显的差别.基因组研究的发端和升温，是由于大规模基因组测序技术的实现和其后高通量的基因芯片技术的发展所推动的.而蛋白质组迄今还不具有相应的技术基础，且DNA大规模的高通量研究是建立在4种碱基及其配对性质的相对单一和简单的原则基础上的，而对蛋白质的识别和鉴定的原则要复杂得多.随着对蛋白质组学的深入理解和具体工作的开展，人们逐渐认识到在短时间内建立人类蛋白质组学“完整的”数据库和实现网络资源共享是难以实现的，或者说条件尚未成熟.而且这种建立涵盖全部人类蛋白质数据库的耗时费钱的工作，在没有弄清楚具体蛋白质的结构、功能、表达调控和亚细胞定位之前，其应用前景也不是十分的明确和直接［2］.最近l 年中，在这方面的研究和投资与蛋白质组学兴起初期相比，已明显有所“降温”或者说是在热情之外增加了冷静思考和细致规划.

蛋白质组学研究的另一条途径，则是着重于寻找和筛选任何有意义的因素引起的2个样本之间的差异蛋白质谱，揭示细胞生理和病理状态的进程与本质、对外界环境刺激的反应途径，以及细胞调控机制，同时获得对某些关键蛋白的定性和功能分析.200l年5月，我们曾经提出，比照基因组测序式对人类“完全”蛋白质组进行扫描和建档的研究途径，将不是我们在当前发展时期和中国国情下的研究取向，我们将优先开展筛选特定情况（疾病、农业新品种等）下的蛋白质组中特殊标志蛋白与关键蛋白的研究（暂称之为“差异蛋白质组学”），并迅速运用到满足我国有重大需求的实际应用中去.可以说差异蛋白质组学是结构蛋白质组学研究的一个分支，这类研究，现在正获得国内外蛋白质组学众多研究者日益增多的关注［3-4］，其主要原因介绍如下.

#.!差异蛋白质组学的研究在技术上有更高的可实现性目前对蛋白质组学的研究仍采用传统技术，例如双向电泳、质谱.双向电泳虽然仍是目前可以分辨最多蛋白质种类的技术，并在技术上已有了很大的改进，使其重复性和灵敏度大大提高，但它无法检测疏水性蛋白、极端pH