蛋白質(zhì)組學(xué)及其應(yīng)用研究

魏東陽

摘要：蛋白質(zhì)組學(xué)的概念最早是由澳大利亞學(xué)者Wilkins 和Williams于1994 年提出，細(xì)胞、組織或者機(jī)體的基因組所表達(dá)的全部蛋白就稱為蛋白質(zhì)組學(xué)。蛋白質(zhì)組學(xué)是一個(gè)研究蛋白質(zhì)組及大范圍蛋白質(zhì)的分離、分析、應(yīng)用的學(xué)科。它不同于傳統(tǒng)的利用生物化學(xué)的方法研究單個(gè)蛋白質(zhì)或某一類蛋白，而是在大規(guī)模水平上研究體系內(nèi)全部蛋白質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。隨著學(xué)科的發(fā)展，蛋白質(zhì)組學(xué)的研究范圍也在不斷完善和補(bǔ)充，通過查閱大量文獻(xiàn)，總結(jié)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，并研究蛋白組學(xué)在生物醫(yī)學(xué)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、生物制藥技術(shù)等領(lǐng)域的。

關(guān)鍵詞：蛋白質(zhì)組;蛋白質(zhì)組學(xué);蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：F24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.034

蛋白質(zhì)組（Proteome）是由蛋白質(zhì)（Protein）和基因組（genomic）兩個(gè)詞的組合而來，是指生命體（包括細(xì)胞、組織等）的一個(gè)基因組所表達(dá)的所有蛋白質(zhì)。其主要研究?jī)?nèi)容就是能在大規(guī)模水平上研究蛋白質(zhì)的表達(dá)、翻譯后的修飾以及蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，從而來了解蛋白質(zhì)參與細(xì)胞、人體代謝及其他生命功能的過程。

1蛋白質(zhì)組學(xué)的定義

在經(jīng)過全世界科學(xué)家的共同努力下，人類基因組計(jì)劃終于在2005年完成，同時(shí)還完成了十余種模式生物的全基因組序列的測(cè)定工作。雖然完成了基因組的測(cè)序工作，使得人類對(duì)自身基因的了解又到了一個(gè)新高度，但是基因是決定了生物具有某個(gè)性狀的潛能，而生命體真正的性狀是由環(huán)境和蛋白質(zhì)相互作用來體現(xiàn)的。隨著人類基因組計(jì)劃的完成，科學(xué)家又進(jìn)一步提出了后基因組計(jì)劃即基因功能研究，而蛋白質(zhì)組學(xué)研究就是后基因組計(jì)劃中的一個(gè)重要組成。

雖然，人類對(duì)于蛋白質(zhì)的關(guān)注要早于DNA，但就目前來看，人們對(duì)基因的研究興趣要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蛋白質(zhì)，尤其是在大規(guī)模水平上去研究蛋白質(zhì)。研究表明，人類一共有24000個(gè)基因，但是蛋白質(zhì)的種類卻多達(dá)50000種，這就說明由基因控制的蛋白質(zhì)的表達(dá)并不是一一對(duì)應(yīng)的，并且生命體的生命活動(dòng)的完成是由大量蛋白質(zhì)相互作用共同完成的，這就給人們研究蛋白質(zhì)的功能帶來了巨大的困難。事實(shí)上，人類基因組編碼的蛋白質(zhì)的功能有約一半是未知的，由此而知，對(duì)于基因功能的研究將是人們關(guān)注的重點(diǎn)。

1.1蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)

蛋白質(zhì)組學(xué)主要是研究細(xì)胞、組織或者生命體基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)，包括蛋白質(zhì)的表達(dá)種類、表達(dá)量，再通過生物信息學(xué)的手段去了解蛋白質(zhì)是如何參與生命體的生命活動(dòng)。

不可否認(rèn)的是，能在大規(guī)模水平上去研究蛋白質(zhì)的表達(dá)等還存在著許多技術(shù)難題，比如蛋白質(zhì)的表達(dá)量會(huì)存在較大的差距、蛋白質(zhì)的分子量、溶解性也會(huì)存在較大的差距，如果在實(shí)驗(yàn)過程中采用同樣的實(shí)驗(yàn)方法，一定會(huì)存在蛋白質(zhì)鑒定數(shù)量較少的情況出現(xiàn)，這也就不是實(shí)驗(yàn)所要求的能在大規(guī)模水平上去研究蛋白質(zhì)，因此需要針對(duì)不同的蛋白質(zhì)特性采取不同的方法和技術(shù)進(jìn)行研究，以下便是幾種研究蛋白質(zhì)的相關(guān)方法。

1.1.1液相等電聚焦及膜電泳

蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)，因此蛋白質(zhì)可以根據(jù)所處溶液的pH不同發(fā)生不同方向的電離從而產(chǎn)生電離平衡，等點(diǎn)聚焦電泳就是根據(jù)蛋白質(zhì)的這一化學(xué)特性，設(shè)置不同的pH梯度，在電泳的過程中使蛋白質(zhì)聚集在不同的pH下以達(dá)到分離的目的。Rotifer TM（Bio-Rad）液體等電聚焦系統(tǒng)可以對(duì)血清樣品進(jìn)行預(yù)先分級(jí)，Octopus TM液相等電聚焦系統(tǒng)可以將細(xì)胞內(nèi)溶物分離為80個(gè)等電點(diǎn)組分。膜電泳是一種微量形式（低至100 μl）的液相等電聚焦。

1.1.2吸附色譜

在對(duì)大量蛋白質(zhì)的分析過程中，由于蛋白質(zhì)的溶液體系非常復(fù)雜，一般還包括其他細(xì)胞或組織成分，為了獲得較純的蛋白質(zhì)，就需要對(duì)蛋白質(zhì)體系進(jìn)行分離。層析技術(shù)（色譜）是最常用的分離方法，進(jìn)行層析后再結(jié)合雙向電泳的方法就可以對(duì)大量蛋白質(zhì)進(jìn)行分析。常用色譜方法的有離子交換色譜，疏水相互作用色譜，親和色譜，分子排阻色譜等，另外還可以將多級(jí)色譜技術(shù)技術(shù)進(jìn)行組合以達(dá)到更好的分離效果。通過肝素活化凝膠富集的方法，可以將Haemophilus influenzae 低分子量蛋白質(zhì)分為幾種不同的蛋白質(zhì)成分，如脫氫酶相關(guān)蛋白，T-絡(luò)合物蛋白等。

1.1.3雙向電泳（2-DE）分離

蛋白質(zhì)雙向電泳的第一向是根據(jù)等電點(diǎn)的不同進(jìn)行等電聚焦電泳，第二向是根據(jù)分子大小不同進(jìn)行SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE），電泳后染色得到二維的蛋白質(zhì)電泳圖，在通過和數(shù)據(jù)庫比對(duì)就可以達(dá)到對(duì)數(shù)千種蛋白質(zhì)鑒定的效果。 隨著雙向電泳技術(shù)上樣量和檢測(cè)靈敏度的提高，現(xiàn)在可分離的蛋白質(zhì)點(diǎn)可達(dá)10000個(gè)，這是一個(gè)巨大的突破，也使得人們?cè)诖笠?guī)模水平上對(duì)蛋白質(zhì)的研究達(dá)到了新高度，但是不可避免的是，雙向電泳技術(shù)也存在巨大的技術(shù)劣勢(shì)，比如含量較低的蛋白質(zhì)在電泳圖譜上無法被觀察到、不溶性蛋白質(zhì)無法進(jìn)行電泳等。

1.2生物信息學(xué)

蛋白質(zhì)組學(xué)就是在大規(guī)模水平上去研究生命體的蛋白質(zhì)的表達(dá)水平，因此對(duì)于成千上萬種的蛋白分析，生物信息學(xué)就顯得尤為重要。生物信息學(xué)在蛋白質(zhì)組學(xué)研究上的應(yīng)用主要是通過計(jì)算機(jī)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過匹配數(shù)據(jù)庫從而對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定，之后對(duì)鑒定的大量蛋白質(zhì)進(jìn)行注釋，從而能對(duì)蛋白質(zhì)的功能有一定的了解。近些年，由于各種大型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，蛋白質(zhì)組學(xué)的研究效率、精確度已經(jīng)越來越高，建立的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫也已經(jīng)超過500個(gè)。

在蛋白質(zhì)組的分析過程中，生物信息學(xué)不僅可以用在數(shù)據(jù)庫的查閱和資料的整合上，在對(duì)生命規(guī)律的發(fā)現(xiàn)及預(yù)測(cè)也有極重要的作用。蛋白質(zhì)分析軟件主要是應(yīng)用在蛋白質(zhì)組鑒定和識(shí)別（如雙向電泳圖像分析、Edman降解的序列組合、質(zhì)譜數(shù)據(jù)的綜合分析等），對(duì)有價(jià)值的未知蛋白進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)（包括序列分析 、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)域、電點(diǎn)等性質(zhì)的檢測(cè)等）。

隨著信息時(shí)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生物信息學(xué)這一新型學(xué)科得以進(jìn)步為基因的功能研究提供了更新、更快、更準(zhǔn)確的技術(shù)手段。

相比于基因組，蛋白質(zhì)組是更加復(fù)雜，更具有挑戰(zhàn)性，更迫切需要生物信息學(xué)提供大量有序的數(shù)據(jù)。因此，發(fā)展生物信息學(xué)對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜選、處理和應(yīng)用必將成為現(xiàn)代生物信息學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)的應(yīng)用

2.1蛋白質(zhì)組學(xué)在轉(zhuǎn)基因研究上的應(yīng)用

前文介紹了蛋白質(zhì)組學(xué)研究的幾類技術(shù)手段，事實(shí)上這幾類技術(shù)也能為研究轉(zhuǎn)基因做出貢獻(xiàn)。例如傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因生物檢測(cè)無法系統(tǒng)地了解蛋白質(zhì)變化，但利用蛋白質(zhì)雙向電泳技術(shù)再結(jié)合蛋白質(zhì)質(zhì)譜就可以很好的避免這個(gè)缺陷，從而精確地確定外源基因?qū)κ荏w生物蛋白質(zhì)表達(dá)的影響。利用無標(biāo)記分子互作分析傳感技術(shù)，再結(jié)合蛋白質(zhì)色譜分離和質(zhì)譜鑒定技術(shù)，就可以避免傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因生物檢測(cè)過程中無法完成的生物分子無標(biāo)記快速檢測(cè)和互作分析的缺陷，滿足快速、高通量分析轉(zhuǎn)基因生物目標(biāo)蛋白或抗體結(jié)合蛋白的需求。借助先進(jìn)的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)可以構(gòu)建基于蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)基因生物新檢測(cè)評(píng)價(jià)和研究技術(shù)體系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)基因生物蛋白質(zhì)變化情況的深入了解和對(duì)大量樣本轉(zhuǎn)基因生物目標(biāo)蛋白質(zhì)的精準(zhǔn)、高通量和無標(biāo)記檢測(cè)，以及實(shí)現(xiàn)無需抗體和純化蛋白直接對(duì)轉(zhuǎn)基因生物所有目標(biāo)基因表達(dá)蛋白質(zhì)的快速精確檢測(cè)。

2.2蛋白質(zhì)組學(xué)在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上最重要的是通過比較發(fā)病機(jī)體與正常機(jī)體的蛋白質(zhì)變化，從而尋找新的疾病標(biāo)志物，進(jìn)而可以設(shè)計(jì)治療疾病的新藥物。

雖然，基因是控制機(jī)體的一系列的生命活動(dòng)，也決定了機(jī)體的潛在表型，但是蛋白質(zhì)才是生命活動(dòng)的執(zhí)行體?，F(xiàn)在人體的許多疾病，包括遺傳性的疾病和非遺傳性的疾病，如癌癥、心腦血管疾病都可以通過蛋白質(zhì)組學(xué)的方法去研究。

在所有疾病中，最讓人類頭疼的非癌癥莫屬，對(duì)于癌癥的蛋白質(zhì)組學(xué)研究的主要包括對(duì)癌變機(jī)體的全蛋白質(zhì)研究以及對(duì)特異蛋白的分析。對(duì)全蛋白進(jìn)行分析有利于對(duì)腫瘤進(jìn)行系統(tǒng)的分析，從而可以改進(jìn)癌癥的診斷和治療;而對(duì)特異蛋白的研究有利于發(fā)現(xiàn)新的特異性生物標(biāo)記物。蛋白質(zhì)組學(xué)在各種不同類型的癌癥研究中發(fā)現(xiàn)腫瘤標(biāo)志蛋白，從而實(shí)現(xiàn)診斷和治療，如色素瘤、肺癌、肝癌、膀胱癌，腎癌等多種常見癌癥的研究。

2.3蛋白質(zhì)組學(xué)在其他方面的應(yīng)用

當(dāng)然，蛋白質(zhì)組學(xué)并不是只有在生物信息學(xué)、轉(zhuǎn)基因的研究和檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)上可以被應(yīng)用，蛋白質(zhì)組學(xué)與它的技術(shù)經(jīng)過這幾年的發(fā)展和研究，在農(nóng)作物品種鑒定，新藥開發(fā)，微生物等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。我們甚至可以將用來研究蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)來研究其他難題。

3對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)研究的未來展望

雖然蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但目前的蛋白質(zhì)組學(xué)研究手段尚存在很多的不足。具體表現(xiàn)在：

（1）蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)的分辨率及鑒定能力還需進(jìn)一步提高。

（2）對(duì)疏水性較強(qiáng)，分子量較小或較大，酸堿性較強(qiáng)的蛋白進(jìn)行研究困難較大。

（3）蛋白質(zhì)雙向電泳分離蛋白后，對(duì)于膠上蛋白質(zhì)的回收還需有較大的改進(jìn)與提高。

因此簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)儀器的操作，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)行自動(dòng)化、快速分析才是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的未來方向。蛋白質(zhì)組的研究已開辟了一個(gè)廣闊而重大的生命科學(xué)的嶄新領(lǐng)域，其研究成果勢(shì)必會(huì)大大豐富基因組計(jì)劃的研究結(jié)果，并將使人類對(duì)生命的本質(zhì)及其發(fā)生發(fā)展過程的認(rèn)識(shí)到達(dá)一個(gè)前所未有的高度。

參考文獻(xiàn)

[1]Blackstock W P，Weir M P.Proteomics： quantitative and physical map-ping of cellular proteins [J].Tibtech，1999，（17）：121.

[2]Kellner R.Proteomics.Concepts and perspectives [J].Fresenius J Anal Chem，2000，（366）：517.

[3]Davidsson P，Nilsson C L.Peptide mapping of proteins in cerebrospinal fluid utilizing a rapid preparative two-dimensional electrophoretic proce-dure and matrix-assisted laser deso rption/ionizarion mass spectrometry[J].Biochi micaet Biophysica Acta，1999，（1473）：391.

[4]Tak amoto Keiji，Kamo M，Kubota K.Carboxy-terminal degradation of Peptides using pe rfluo roacyl anhy drides A C-terminal sequencing method[J].Eur J Biochem，1995，（228）：362.

[5]Wagner K，Racaityte K，Unger K K.Protein mapping by two-dimen-sional high performance liquid chromatography[J].Journal of Chro-matographya，2000，（893）：293.

[6]Wall D B，Kachm an M T，Gong S.Isoelect ric focusing nonporous RPHPLC：A two-dimensional liquid-phase separation me thod for mapping ofcellular proteins with identification using MALDI-TOF mass spec trome-try[J].Aanal Chem，2000，（72）：1099.

[7]Manabe T.Combination of electro phoretic techniques for comprehen sive analysis of complex protein systems[J].Electrophoresis，2000，（21）：1116.

[8]Niessen W M A.State of the art in liquid chromatograph-mass spectrom-etry [J].Journal of Chromatography，1999，（856）：179.

[9]Herbert B Advances in protein solubilisation for two-dimensional elec-trophoresis[J].Electrophoresis，1999，（20）：660.

[10]Rappsilber J，Siniossoglou S，Hurt E C.A generic strategy to analyze the spatial organization of multi -protein complexes by cross-linking and mass spectrometry[J].Anal.Chem，2000，（72）：267.

[11]Layh-Svhmitt G，Podtelejnikov A，Mann M.Proteins complexed to the P1 adhesin of Mycoplasma pneumoniae[J].Microbiology，2000，（146）：741.

[12]Lottspeich R K，Meyer H E，Wiley-VCH.Microcharacterization of pro-teins（2 nd ed）[J].Book reviews，phytochemistry，1999，（52）：1177.

[13]Gatlin C L，Eng J K，Cross S T.Automated identification of amino se-quence variations in proteins by HPLC/ microspray tandem mass spec-trometry[J].Aanal.Chem，2000，（72）：757.

[14]Exner T，Jensen O N，Mann M.Posttranslational modification of Gα01 generates Gα03` an abundant G protein in brain [J].Biochemistry，1999，（96）：1327.

[15]Sun H J，Pan Y E.Using native gel in two-simensional PAGE for thedetection of protein interations in protein extract[J].J Biochem Bio-phys Methods，1999，（39）：143.

[16]Gorg A，Boguth G，Obermaier C.Two-dimensional electrophoresis of proteins in an immobilized pH4-12 gradient[J].Electrophoresis，1998，（19）：1516.

[17]Molloy M P.Two-dimensional electrophoresis of membrane proteins us-ing immobilized pH gradients[J].AnalyticalBiochemistry，2000，（280）：1.

[18]Lottspeich R K，Meyer H E，Wiley-VCH.Microcharacterization of pro-teins（2 nd ed）[J].Book reviews，phytochemistry，1999，（52）：1177.

[19]黃嘯.生物信息學(xué)在蛋白質(zhì)組學(xué)上的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（23）：6142-6144.

[20]賀光.生物信息學(xué)在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用[J].國際遺傳學(xué)雜志，2002，25（3）：156-158.

[21]馬袁君，程震龍，孫野青.生物信息學(xué)及其在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用[J].生物信息學(xué)，2008，6（1）：38-39.

[22]Fan X，White IM，Shopova SI，etal Sensitive optical Biosensors for unlabeled targets areview[J]Anal Chim Acta 2008，620（1-2）：8-26.

[23]錢小紅.蛋白質(zhì)組與生物質(zhì)譜技術(shù)[J].質(zhì)譜學(xué)報(bào)，1998，19（4）：48-48.

[24]潘映紅.蛋白質(zhì)組學(xué)在轉(zhuǎn)基因生物檢測(cè)和研究中的應(yīng)用前景[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2010，12（1）：31-34.

[25]Beranova-Giorgianni S，Desiderio D M.Massspectrometry of the human pituitary proteome：identification of selected proteins[J].Rapid Com-mun MassSpectrom，2000，（14）：161.

[26]M irza U A.，Liu Y H，Tang J T.Extraction and characterization of adenovirus proteins from sodium dodecylsulfate polyacrylamide gel elec-trophoresis by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrome-try[J].J Am Soc MassSpectrom，2000，（11）：356.

[27]PuchadesM，Westman A，Blennow K.Analysis of intact proteins from cerebrospinal fluid by matrix-assisted laser desorption/ ioniaation mass spectromtry after two-dimensional liquid-phase electrophoresis[J].Rapid Communications in Mass Spectrometry，1999，（13）：2450.