蛋白质组学研究进展

基因组研究自从开展以来已经取得了举世瞩目的成就。在过去几年中, 已经陆续完成了包括大肠杆菌、酿酒酵母、拟南芥（T. Arabidopsis）等十多种结构比较简单的生物的基因组DNA的全序列分析。线虫(C.elegans)的基因组DNA测序工作已基本完成。规模更为庞大的人类基因组计划预期在本世纪初(2003～2005年)也将完成全部基因组DNA的序列分析。这些进展是非常令人振奋的。但是也随之产生了新问题。大量涌出的新基因数据迫使我们不得不考虑这些基因编码的蛋白质有什么功能这个问题。不仅如此, 蛋白质作为生物功能的主要载体，拥有自身特有的活动规律，在细胞合成蛋白质之后, 这些蛋白质往往还要经历翻译后的加工修饰、转运定位、结构变化、蛋白质与蛋白质间、蛋白质与其他生物大分子的相互作用等，也就是说, 一个基因对应的不是一种蛋白质而可能是几种甚至是数十种。包容了数千甚至数万种蛋白质的细胞是如何运转的？或者说这些蛋白质在细胞内是怎样工作、如何相互作用、相互协调的？这些问题远不是基因组研究所能回答得了的。因为基因组学有这样的局限性，促使人们从整体水平上探讨细胞蛋白质的组成及其活动规律。

为了充分了解和全面认识生命活动的奥秘，90年代中期，在人类基因组研究计划的基础上，萌发了一门新兴的学科¾蛋白质组学(proteomics)，即从蛋白质组的水平进一步认识生命活动的机理和疾病发生的分子机制。科学家们预测，随着人类基因组全部测序工作的完成，21世纪生命科学的研究重心将从基因组学转移到蛋白质且学，生命科学领域内一个崭新的时代¾蛋白质组时代即将开始。

1994年，澳大利亚Macquarie大学的Wilkins和Williams首先提出了蛋白质组（Proteome）的概念，最早见诸于1995年7月的“Electrophoresis”杂志上, 它是指一个有机体的全部蛋白质组成及其活动方式。早期定义为：微生物基因组表达的整套蛋白质，在多细胞微生物中，整套蛋白质指一种组织或细胞表达的蛋白质，后来定义为：一个基因组所表达的蛋白质。但是，从基因表达的角度来看，蛋白质组的蛋白质数目总是少于基因组的基因数目。从蛋白质修饰的角度来看，蛋白质组的蛋白质数却多于其相应的ORF数目，因为mRNA的剪切和编辑可使一个ORF产生数种蛋白质，蛋白质翻译后的修饰，如糖基化、磷酸化同样增加蛋白质的种类，氨基酸序列一致的一级结构在一定条件下可以形成功能完全不一样的具有不同空间结构的蛋白质，如朊病毒。故"蛋白质组内蛋白质数目要多于基因组内的基因数目"。

蛋白质组研究虽然尚处于初始阶段, 但已经取得了一些重要进展。当前蛋白质组学的主要内容是, 在建立和发展蛋白质组研究的技术方法的同时, 进行蛋白质组分析。对蛋白质组的分析工作大致有两个方面。一方面, 通过二维凝胶电泳得到正常生理条件下的机体、组织或细胞的全部蛋白质的图谱, 相关数据将作为待检测机体、组织或细胞的二维参考图谱和数据库。一系列这样的二维参考图谱和数据库已经建立并且可通过联网检索。二维参考图谱建立的意义在于为进一步的分析工作提供基础。蛋白质组分析的另一方面, 是比较分析在变化了的生理条件下蛋白质组所发生的变化。如蛋白质表达量的变化、翻译后修饰的变化, 或者可能的条件下分析蛋白质在亚细胞水平上的定位的改变等。

蛋白质组学（Proteomics）是以蛋白质组为研究对象的新的研究领域。它可分为：①表达蛋白质组学（expression proteomics：即把细胞、组织中的蛋白，建立蛋白定量表达图谱，或扫描EST图。该方法依赖2－D凝胶图和图像分析技术，而且在整个蛋白质组水平上提供了研究细胞通路，以及疾病、药物相互作用和一些生物刺激引起的功能紊乱的可能性。②细胞图谱蛋白质组学（cell－map proteomics）：即确定蛋白质在亚细胞结构中的位置；通过纯化细胞器或用质谱仪鉴定蛋白复合物组成等，来确定蛋白质-蛋白质的相互作用。Humphery－Smith等总结了基因组结果后提出了"功能蛋白质组（Functional Proteome）"的新概念。即细胞内与某个功能有关或在某种条件下的一群蛋白质。鉴于此，我国学者李伯良提出了"功能蛋白质组学（Functional Proteomics）"的概念。即把"功能蛋白质组"作为主要研究内容。这一概念的提出，为蛋白质组研究的可能性奠定了理论基础。

蛋白质组分析主要基于3条理由：①从mRNA表达水平并不能预测蛋白表达水平；②蛋白质的动态修饰和加工并非必须来自基因序列。在mRNA水平上有许多细胞调节过程是难以观察到的，因为许多调节是在蛋白质的结构域中发生的。许多蛋白只有与其他分子结合后才有功能，蛋白的这种修饰是动态的、可逆的，这种蛋白修饰的种类和部位通常不能由基因序列决定；③蛋白质组是动态反映生物系统所处的状态。细胞周期的特定时期、分化的不同阶段、对应的生长和营养状况、温度、应激和病理状态，这些状态所对应的蛋白质组是有差异的。蛋白质组学的研究可望提供精确、详细的有关细胞或组织状况的分子描述。因为诸

如蛋白质合成、降解、加工、修饰的调控过程只有通过蛋白质的直接分析才能揭示。

蛋白质组学强调的是针对蛋白质的一个整体思路。从整体的角度看，蛋白质组研究大致可以分为两种类型：一种是针对细胞或组织的全部蛋白质，即着眼点就是整个蛋白质组；而另一种则是以一个特定的生物学问题或机制相关的全部蛋白质为着眼点，在这里整体是局部性的。针对细胞蛋白质组的完整分析的工作已经比较全面地展开，不仅如大肠杆菌、酵母等低等模式生物的蛋白质组数据库在建立之中，高等生物如水稻和小鼠等的蛋白质组研究也已开展，人类一些正常和病变细胞的蛋白质组数据库也在建立之中。与此同时，更多的蛋白质组研究工作则是将着眼点放在蛋白质组的变化或差异上，也就是通过对蛋白质组的比较分析，首先发现并去鉴定在不同生理条件下或不同外界环境条件下蛋白质组中有差异的蛋白质组分。

1999年11月在《Nature》杂志上发表了一篇用蛋白质组学方法研究蛋白质折叠的研究论文，揭示了蛋白质与分子伴侣GroEL相互作用的关键结构特征。这项工作很好地体现了蛋白质组学的思想方法和技术手段的应用。Rout等(J Cell Biol, 2000, 148:635-651)通过使用蛋白质组学的手段鉴定了完整的酵母核孔复合体所有能检测到的多肽，并系统地对每种可能的蛋白质组分在复合体内定位并定量，从而揭示了酵母核孔复合体的完整分子结构，并在此基础上揭示了其工作原理。这个工作可以说是蛋白质组学解决结构生物学问题的一个典范，为揭示其它巨大分子机器的“构造”和工作原理指出了一条新路。从近期国际上蛋白质组学研