蛋白质组学
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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。
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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。
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1997年召开了第一次国际“蛋白质组学”会议 1998年在美国旧金山召开了第二届国际蛋白质组学会 议 1999年1月在英国伦敦举行了应用蛋白质组会议
1994年由Williams和Wilkins提出，是一个动态的概念， 指的是不同细胞在不同时相表达不同的蛋白质。
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蛋白质组：
对应于基因组的所有蛋白质构成的整体，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 。
在空间和时间上动态变化着的整体。
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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。
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第二节 蛋白质组表达模式的研究方法
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主要研究目标
研究蛋白质组组成成分、差异和功能
工 Hans G. Dehmelt and Wolfgang Paul - 1989年同获诺贝尔物理奖 作 主要贡献：开发了离子阱质谱技术。
Frederick Soddy - 1921年诺贝尔化学奖
质 主要贡献：使我们对放射活性物质的认识大大提高，另外他对同位素的 起源和性质也作了出色工作。
谱 相
Francis William Aston - 1922年诺贝尔化学奖 主要贡献：使用质谱方法大规模的研究非放射性元素的同位素；提出整
关 数规则。
最好的胶体金染色的灵敏度与PAGE胶内的银 染类似。
这种技术主要包括印度墨水染料、胶体金属染 料等。
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有机荧光团染料
包括共价结合和非共价结合的荧光团染料两类。后者最为常 用，其典型代表是已经商品化的SYPRO Red、 Orange、 Ruby等荧光染料。
这三种染料可对SDS-PAGE胶内蛋白质进行一步染色，约 30~60min完成，灵敏度为2~10ng。染色后的凝胶用标准的 实验室300nm紫外透射仪进行照像保存，其线性范围为3个 数量级。
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（五）质谱分析
样品分子离子化后，根据不同离子间质核比 （m/z）的差异来分离并确定分子量
离子化
m/z
质谱
定性 定量
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原理
质谱分析是先将物质离子化，按离子的质荷 比分离，然后测量各种离子谱峰的强度而实 现分析目的的一种分析方法。
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质谱技术发展过程
20世纪初
J.J. Thomson制成第一台质谱仪 主要是用来进行同位素测定和无机元素分析
这些软件可以完成蛋白质点的识别、匹配等， 具有很强的分析功能，但其缺点是需要很多 的图像手工校对，
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正常肝细 胞和肝癌 细胞的蛋 白质组双 向电泳差 异表达谱
园点标记 的点为两 者的差异 蛋白
数字号码
为蛋白质
点在参考
胶中的索
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引号
蛋白质的胶内酶切
包括感兴趣蛋白点的挖取、含蛋白质凝胶的 脱色、胶内蛋白质的酶切等过程
20世纪40年代 开始用于有机物分析
20世纪60年代
出现了气相色谱-质谱联用仪 成为有机物分析的重要仪器
20世纪80年代
质谱新技术：电喷雾电离源，大气压化学电离源 液相色谱-质谱联用仪 感应耦合等离子体质谱仪
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Sir Joseph John Thomson - 1906年诺贝尔物理奖 主要贡献：气态下离子导电的理论和实验探索
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，如与药物结 合并且决定其活性的部位。
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蛋白质组研究包括两个方面：
Proteomic s
表达蛋白组学
The study of global changes in protein expression
蛋白质组学
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背景
基因数量有限性和基因结构的相对稳定性 VS 生命现象的复杂性和多变性
从genomic到 proteome
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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。
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The era of ‘omics’-based science
功能蛋白质组：细胞在一定阶段或与某一生理 现象相关的所有蛋白质。
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之间。
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从局部入手研究蛋白质组的各个功能亚群体。 将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。
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发展进展
蛋白质组功能模式
The systematic study of proteinprotein interactions through the isolation of protein complexes
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基因组 组
转录组
蛋白
The study of proteins expressed by genomes Completion of the sequencing of the 1st draft of human genome
这三种染料的电泳染色结果与在酵母中通过SAGE所获得的 基因表达水平的动态范围相匹配。
在Tris/甘氨酸转印缓冲液中染色后，蛋白质可被转印至膜上 并进行免疫染色或Edman测序来鉴定蛋白质。
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金属螯合染料
这是一类与现代蛋白质组学研究相兼容的、相对较新 的蛋白质显色试剂，其设计专门与常用微量化学表征 过程兼容。它们不包含戊二醛、甲醛或Tween-20等， 很容易和集成化蛋白质组学平台（包括自动化凝胶染 色仪、图像分析工作站、机器人剪切仪器、蛋白质酶 解工作站和质谱仪等）相结合。
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（三）常见蛋白质显色技术
考马斯亮蓝染色
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常见显色方法比较
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考染和银染的比较
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有机染料和银染
考染灵敏度为30~100ng，线性范围是20倍；银 染的线性范围是40倍，灵敏度是考染的100倍。
胶体考马斯亮蓝染色技术可实现PAGE的无背景 染色，其极限灵敏度为8~10ng，但这种染液会对 蛋白质进行修饰而影响质谱分析的结果。
Genomics （基因组学） Post-genomic science （后基因组时代）
Functional genomics （功能基因组学） ▪ Transcriptomics（ 转录组学） ▪ Proteomics （蛋白质组学） ▪ Metabolomics （代谢组学）
Structural genomics （结构基因组学）
蛋白质组学(proteomics)
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。
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主要研究内容
了解某种特定的细胞、组 织或器官制造的蛋白质种类；
胺基黑常用于转印至聚偏二氟乙烯（PVDF）和/ 或硝酸纤维素膜上的蛋白质的染色。
银染的缺点是：对某些种类的蛋白质染色效果差， 对其后的蛋白质测序和质谱分析造成影响。
这两种染色技术都可减少胶内蛋白质产量。
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Βιβλιοθήκη Baidu 负染
能专门提高PAGE胶上蛋白质的回收率，但不能用于膜上 染色。
结果表现为胶面着色而蛋白质点透明。
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（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，即将细胞或组 织中的全体蛋白质分成不同部分，分别 进行研究。
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样品预分级的主要方法
蛋白质溶解性：可溶性蛋白、非溶性蛋白等 蛋白质定位：膜蛋白、核蛋白等 蛋白质细胞器定位：线粒体、高尔基体、叶绿体等
各国政府支持，国际著名研究和商业机构 加盟： 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）
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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。
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样品预分级主要作用在于提高低 丰度蛋白质的上样量和检测灵敏 度。
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组织水平上的蛋白质组样品制备
临床样本都是各种细胞或组织混杂， 而且状态不一，如肿瘤中癌变的上皮类 细胞总是与血管、基质细胞等混杂。
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激光捕获显微切割(laser capture microdissection，LCM)
速度快（5~15min），蛋白质的生物活性能保持：一旦 用络合剂如EDTA或Tris/甘氨酸转移缓冲液来络合金属离 子就可进行提取来转移蛋白质。
它主要适用于蛋白质显色、完整蛋白质的胶上被动提取 以及质谱分析。
该技术主要包括金属盐染料实用、文档锌－咪唑染料等的使用。
胶体扩散染料
主要用于高灵敏度检出电转印至硝酸纤维素和 PVDF膜上的蛋白质，不用于胶内染色。
其中SYPRO Ruby也是一种基于钌的金属发光染料。
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（四）凝胶的图像处理分析和胶内酶切
凝胶图像的扫描： 图像加工： 斑点检测和定量： 凝胶配比： 数据分析： 数据呈递和解释： 2-DE数据库的建立：
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目前有多种图像分析软件可用于胶的图像分 析:
MelanieII (BioRad), PD Quest (BioRad), Phoretix 2D Full, (Amersham Pharmacia Biotech) ImageMaster 2d Platinum
▪ Aim - 3D structures of all protein folds !
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主要内容
第一节 蛋白质组学的概念及发展进展 第二节 蛋白质组表达模式的研究方法 第三节 蛋白质组功能模式的研究方法
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第一节 蛋白质组学的概念及发展进展
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蛋白质组和蛋白质组学的概念
蛋白质组（proteome）：PROTEins + genOME，意 思是Proteins expressed by a genome（基因组表达的 所有蛋白质）。
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2-DE技术的缺点
极酸、极碱性蛋白质，疏水性蛋白质，极大 蛋白质、极小蛋白质以及低丰度蛋白质用此 种技术难于有效分离。
胶内酶解过程费时、费力，难于与质谱联用 实现自动化。
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新型非凝胶技术
液相色谱法 liquid chromatography，LC 毛细管电泳 capillary electrophoresis，CE
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我国也于1998年启动了蛋白质组学研究，在 中科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
实用文档
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， 2004年10月在中国北京召开了第三届国际 蛋白质组学会议。
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。
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（二）蛋白质组研究中的样品分离
双向凝胶电泳two-dimensional electrophoresis，2-DE)：利用蛋白质 的等电点和分子量，结合凝胶化学特性， 分离各种蛋白质的方法。
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特点
可分离10～100 kD分子量的蛋白质 高灵敏度和高分辨率 便于计算机进行图像分析处理 与质谱分析匹配
indicates there are approximately 250,000 proteins in the human genome Only 2-5% of proteins in human genome have been identified
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功能蛋白质组学 (functional proteomics)的提出
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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。
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1997年召开了第一次国际“蛋白质组学”会议 1998年在美国旧金山召开了第二届国际蛋白质组学会 议 1999年1月在英国伦敦举行了应用蛋白质组会议
1994年由Williams和Wilkins提出，是一个动态的概念， 指的是不同细胞在不同时相表达不同的蛋白质。
实用文档
蛋白质组：
对应于基因组的所有蛋白质构成的整体，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 。
在空间和时间上动态变化着的整体。
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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。
实用文档
第二节 蛋白质组表达模式的研究方法
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主要研究目标
研究蛋白质组组成成分、差异和功能
工 Hans G. Dehmelt and Wolfgang Paul - 1989年同获诺贝尔物理奖 作 主要贡献：开发了离子阱质谱技术。
Frederick Soddy - 1921年诺贝尔化学奖
质 主要贡献：使我们对放射活性物质的认识大大提高，另外他对同位素的 起源和性质也作了出色工作。
谱 相
Francis William Aston - 1922年诺贝尔化学奖 主要贡献：使用质谱方法大规模的研究非放射性元素的同位素；提出整
关 数规则。
最好的胶体金染色的灵敏度与PAGE胶内的银 染类似。
这种技术主要包括印度墨水染料、胶体金属染 料等。
实用文档
有机荧光团染料
包括共价结合和非共价结合的荧光团染料两类。后者最为常 用，其典型代表是已经商品化的SYPRO Red、 Orange、 Ruby等荧光染料。
这三种染料可对SDS-PAGE胶内蛋白质进行一步染色，约 30~60min完成，灵敏度为2~10ng。染色后的凝胶用标准的 实验室300nm紫外透射仪进行照像保存，其线性范围为3个 数量级。
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（五）质谱分析
样品分子离子化后，根据不同离子间质核比 （m/z）的差异来分离并确定分子量
离子化
m/z
质谱
定性 定量
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原理
质谱分析是先将物质离子化，按离子的质荷 比分离，然后测量各种离子谱峰的强度而实 现分析目的的一种分析方法。
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质谱技术发展过程
20世纪初
J.J. Thomson制成第一台质谱仪 主要是用来进行同位素测定和无机元素分析
这些软件可以完成蛋白质点的识别、匹配等， 具有很强的分析功能，但其缺点是需要很多 的图像手工校对，
实用文档
实用文档
实用文档
正常肝细 胞和肝癌 细胞的蛋 白质组双 向电泳差 异表达谱
园点标记 的点为两 者的差异 蛋白
数字号码
为蛋白质
点在参考
胶中的索
实用文档
引号
蛋白质的胶内酶切
包括感兴趣蛋白点的挖取、含蛋白质凝胶的 脱色、胶内蛋白质的酶切等过程
20世纪40年代 开始用于有机物分析
20世纪60年代
出现了气相色谱-质谱联用仪 成为有机物分析的重要仪器
20世纪80年代
质谱新技术：电喷雾电离源，大气压化学电离源 液相色谱-质谱联用仪 感应耦合等离子体质谱仪
实用文档
Sir Joseph John Thomson - 1906年诺贝尔物理奖 主要贡献：气态下离子导电的理论和实验探索
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，如与药物结 合并且决定其活性的部位。
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蛋白质组研究包括两个方面：
Proteomic s
表达蛋白组学
The study of global changes in protein expression
蛋白质组学
实用文档
背景
基因数量有限性和基因结构的相对稳定性 VS 生命现象的复杂性和多变性
从genomic到 proteome
实用文档
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。
实用文档
The era of ‘omics’-based science
功能蛋白质组：细胞在一定阶段或与某一生理 现象相关的所有蛋白质。
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之间。
实用文档
从局部入手研究蛋白质组的各个功能亚群体。 将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。
实用文档
发展进展
蛋白质组功能模式
The systematic study of proteinprotein interactions through the isolation of protein complexes
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基因组 组
转录组
蛋白
The study of proteins expressed by genomes Completion of the sequencing of the 1st draft of human genome
这三种染料的电泳染色结果与在酵母中通过SAGE所获得的 基因表达水平的动态范围相匹配。
在Tris/甘氨酸转印缓冲液中染色后，蛋白质可被转印至膜上 并进行免疫染色或Edman测序来鉴定蛋白质。
实用文档
金属螯合染料
这是一类与现代蛋白质组学研究相兼容的、相对较新 的蛋白质显色试剂，其设计专门与常用微量化学表征 过程兼容。它们不包含戊二醛、甲醛或Tween-20等， 很容易和集成化蛋白质组学平台（包括自动化凝胶染 色仪、图像分析工作站、机器人剪切仪器、蛋白质酶 解工作站和质谱仪等）相结合。
实用文档
（三）常见蛋白质显色技术
考马斯亮蓝染色
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常见显色方法比较
实用文档
考染和银染的比较
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有机染料和银染
考染灵敏度为30~100ng，线性范围是20倍；银 染的线性范围是40倍，灵敏度是考染的100倍。
胶体考马斯亮蓝染色技术可实现PAGE的无背景 染色，其极限灵敏度为8~10ng，但这种染液会对 蛋白质进行修饰而影响质谱分析的结果。
Genomics （基因组学） Post-genomic science （后基因组时代）
Functional genomics （功能基因组学） ▪ Transcriptomics（ 转录组学） ▪ Proteomics （蛋白质组学） ▪ Metabolomics （代谢组学）
Structural genomics （结构基因组学）
蛋白质组学(proteomics)
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。
实用文档
主要研究内容
了解某种特定的细胞、组 织或器官制造的蛋白质种类；
胺基黑常用于转印至聚偏二氟乙烯（PVDF）和/ 或硝酸纤维素膜上的蛋白质的染色。
银染的缺点是：对某些种类的蛋白质染色效果差， 对其后的蛋白质测序和质谱分析造成影响。
这两种染色技术都可减少胶内蛋白质产量。
实用文档
Βιβλιοθήκη Baidu 负染
能专门提高PAGE胶上蛋白质的回收率，但不能用于膜上 染色。
结果表现为胶面着色而蛋白质点透明。
实用文档
（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，即将细胞或组 织中的全体蛋白质分成不同部分，分别 进行研究。
实用文档
样品预分级的主要方法
蛋白质溶解性：可溶性蛋白、非溶性蛋白等 蛋白质定位：膜蛋白、核蛋白等 蛋白质细胞器定位：线粒体、高尔基体、叶绿体等
各国政府支持，国际著名研究和商业机构 加盟： 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）
实用文档
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。
实用文档
样品预分级主要作用在于提高低 丰度蛋白质的上样量和检测灵敏 度。
实用文档
组织水平上的蛋白质组样品制备
临床样本都是各种细胞或组织混杂， 而且状态不一，如肿瘤中癌变的上皮类 细胞总是与血管、基质细胞等混杂。
实用文档
激光捕获显微切割(laser capture microdissection，LCM)
速度快（5~15min），蛋白质的生物活性能保持：一旦 用络合剂如EDTA或Tris/甘氨酸转移缓冲液来络合金属离 子就可进行提取来转移蛋白质。
它主要适用于蛋白质显色、完整蛋白质的胶上被动提取 以及质谱分析。
该技术主要包括金属盐染料实用、文档锌－咪唑染料等的使用。
胶体扩散染料
主要用于高灵敏度检出电转印至硝酸纤维素和 PVDF膜上的蛋白质，不用于胶内染色。
其中SYPRO Ruby也是一种基于钌的金属发光染料。
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（四）凝胶的图像处理分析和胶内酶切
凝胶图像的扫描： 图像加工： 斑点检测和定量： 凝胶配比： 数据分析： 数据呈递和解释： 2-DE数据库的建立：
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目前有多种图像分析软件可用于胶的图像分 析:
MelanieII (BioRad), PD Quest (BioRad), Phoretix 2D Full, (Amersham Pharmacia Biotech) ImageMaster 2d Platinum
▪ Aim - 3D structures of all protein folds !
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主要内容
第一节 蛋白质组学的概念及发展进展 第二节 蛋白质组表达模式的研究方法 第三节 蛋白质组功能模式的研究方法
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第一节 蛋白质组学的概念及发展进展
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蛋白质组和蛋白质组学的概念
蛋白质组（proteome）：PROTEins + genOME，意 思是Proteins expressed by a genome（基因组表达的 所有蛋白质）。
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2-DE技术的缺点
极酸、极碱性蛋白质，疏水性蛋白质，极大 蛋白质、极小蛋白质以及低丰度蛋白质用此 种技术难于有效分离。
胶内酶解过程费时、费力，难于与质谱联用 实现自动化。
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新型非凝胶技术
液相色谱法 liquid chromatography，LC 毛细管电泳 capillary electrophoresis，CE
实用文档
我国也于1998年启动了蛋白质组学研究，在 中科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
实用文档
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， 2004年10月在中国北京召开了第三届国际 蛋白质组学会议。
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。
实用文档
（二）蛋白质组研究中的样品分离
双向凝胶电泳two-dimensional electrophoresis，2-DE)：利用蛋白质 的等电点和分子量，结合凝胶化学特性， 分离各种蛋白质的方法。
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特点
可分离10～100 kD分子量的蛋白质 高灵敏度和高分辨率 便于计算机进行图像分析处理 与质谱分析匹配
indicates there are approximately 250,000 proteins in the human genome Only 2-5% of proteins in human genome have been identified
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功能蛋白质组学 (functional proteomics)的提出