蛋白質(zhì)組學(xué)在大豆與根瘤菌相互作用中的研究進(jìn)展

劉向東

蛋白質(zhì)（protein）是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是有機(jī)大分子，是構(gòu)成細(xì)胞的基本有機(jī)物，是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。機(jī)體所有重要的組成部分都需要有蛋白質(zhì)的參與，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。隨著功能基因組學(xué)的興起，蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）已成為生命科學(xué)研究的重點(diǎn)之一，蛋白質(zhì)組學(xué)又譯作蛋白質(zhì)體學(xué)，是對(duì)蛋白質(zhì)特別是其結(jié)構(gòu)和功能的大規(guī)模研究。蛋白質(zhì)組學(xué)研究的宗旨是對(duì)組織或細(xì)胞的所有蛋白質(zhì)（只是是大部分）進(jìn)行分離與鑒定。通過蛋白質(zhì)組的分析可以檢測生命活動(dòng)變化過程中蛋白質(zhì)達(dá)量及翻譯后修飾等的變化，從而闡明生物功能產(chǎn)生的分子機(jī)制。

蛋白質(zhì)組學(xué)簡介

蛋白質(zhì)組（Proteome）一詞，源于蛋白質(zhì)（protein）與 基因組（genome）兩個(gè)詞的組合，意指“一種基因組所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)”，即包括一種細(xì)胞乃至一種生物所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)本質(zhì)上指的是在大規(guī)模水平上研究蛋白質(zhì)的特征，包括蛋白質(zhì)的表達(dá)水平，翻譯后的修飾，蛋白與蛋白相互作用等，由此獲得蛋白質(zhì)水平上的關(guān)于疾病發(fā)生，細(xì)胞代謝等過程的整體而全面的認(rèn)識(shí)，這個(gè)概念最早是由Marc Wilkins 在1994年提出的。

蛋白質(zhì)組（Proteome）的概念最先由Marc Wilkins提出，指由一個(gè)基因組（genome），或一個(gè)細(xì)胞、組織表達(dá)的所有蛋白質(zhì)（Protein）。蛋白質(zhì)組的概念與基因組的概念有許多差別，它隨著組織、甚至環(huán)境狀態(tài)的不同而改變. 在轉(zhuǎn)錄時(shí)，一個(gè)基因可以多種mRNA形式剪接，并且，同一蛋白可能以許多形式進(jìn)行翻譯后的修飾。故一個(gè)蛋白質(zhì)組不是一個(gè)基因組的直接產(chǎn)物，蛋白質(zhì)組中蛋白質(zhì)的數(shù)目有時(shí)可以超過基因組的數(shù)目。蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）處于早期“發(fā)育”狀態(tài)，這個(gè)領(lǐng)域的專家否認(rèn)它是單純的方法學(xué)，就像基因組學(xué)一樣，不是一個(gè)封閉的、概念化的穩(wěn)定的知識(shí)體系，而是一個(gè)領(lǐng)域。蛋白質(zhì)組學(xué)集中于動(dòng)態(tài)描述基因調(diào)節(jié)，對(duì)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)水平進(jìn)行定量的測定，鑒定疾病、藥物對(duì)生命過程的影響，以及解釋基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制。作為一門科學(xué)，蛋白質(zhì)組研究并非從零開始，它是已有20多年歷史的蛋白質(zhì)（多肽）譜和基因產(chǎn)物圖譜技術(shù)的一種延伸。多肽圖譜依靠雙向電泳（Two-dimensional gel electrophoresis， 2-DE）和進(jìn)一步的圖象分析；而基因產(chǎn)物圖譜依靠多種分離后的分析，如質(zhì)譜技術(shù)、氨基酸組分分析等。

蛋白質(zhì)組學(xué)在大豆與根瘤菌相互作用中的研究進(jìn)展

在植物與微生物相互作用機(jī)理方面，大多數(shù)植物在受到微生物共生、寄生和疾病侵害時(shí)，將通過改變體內(nèi)蛋白質(zhì)的表達(dá)來完成信號(hào)的感應(yīng)、傳遞，從而引起植物相應(yīng)的反應(yīng)，研究相關(guān)蛋白質(zhì)有利于更好的了解生物之間的相互作用，在此方面關(guān)于豆科植物根瘤的蛋白質(zhì)組成比較研究已有相關(guān)報(bào)道。Wan等應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)檢測了大豆根與根瘤菌的相互作用，萌發(fā)4d的幼苗經(jīng)B.japonicum野生型菌株和Nodc突變體菌株處理后，收集根和根毛，用水處理過的幼苗來對(duì)比，根與根毛的蛋白質(zhì)組圖譜比較顯示，有96個(gè)蛋白表達(dá)差異，其中，共有12個(gè)蛋白是根毛中特有的。經(jīng)MALDI-TOF MS分析，一共鑒定出23個(gè)蛋白，其中幾丁質(zhì)酶I和脅迫誘導(dǎo)基因H4是根毛特有。另一方面，對(duì)照與B.japonicum野生型菌株處理的根毛采用NanoLC-Q-TOFMS/MS分析后差異表達(dá)的有16個(gè)蛋白點(diǎn)，其中，脂氧合酶、苯丙氨酸解氨酶和抗壞血酸過氧化物酶1都是已知的對(duì)處理有反應(yīng)的蛋白；也有一些是新鑒定出的。例如，肽鏈內(nèi)切酶CLP ATP-結(jié)合酶、磷脂酶D、泡狀融合酶和伴侶蛋白。10個(gè)蛋白在野生型菌株與突變體菌株處理的根毛中有表達(dá)量的變化，這組蛋白中包含一些已知的蛋白，一些新蛋白的鑒定還需要Nodc-功能表達(dá)分析。

Panter等分離出大豆根瘤中環(huán)形細(xì)菌的膜蛋白，共獲得17個(gè)膜蛋白的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)，其中有6個(gè)蛋白質(zhì)是已知功能的同源蛋白。Hoale等比較大豆根瘤和根線粒體的蛋白，在根線粒體中檢測到特異蛋白，其中差異表達(dá)的蛋白參與根瘤的代寫。Sarma等研究大豆和土壤細(xì)菌間的共生固氮過程，利用雙向電泳技術(shù)分離類菌體蛋白，證明類菌體在氮、碳代謝中表達(dá)了一個(gè)主要的、精細(xì)的蛋白網(wǎng)絡(luò)。Larrainzar等確定了377個(gè)根瘤蛋白。Nathan等分析大豆根瘤細(xì)胞液，鑒定了69個(gè)蛋白，包括28%碳代謝，12%氮代謝，12%活性氧代謝蛋白，這些蛋白都參與了共生固氮作用。