蛋白质组学：一种新的生物学研究工具
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基因组研究自从开展以来已经取得了举世瞩目的成就。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, 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。 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。 正是在此背景下, 蛋白质组学(proteomics)应运 而生。
蛋白质组学是在后基因组时代出现的一个新兴的研究领域, 它的主要任务是识别 鉴定细胞、组织或机体的全部蛋白质, 并分析蛋白质的功能及其模式。 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。
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蛋白质组除了在基础科学方面的应用(如蛋白质之间相互作用、蛋白质定量等)外 ，在医药工作领域亦有着潜在而巨大的应用价值，可以帮助医药科技工作者们找到引发 疾病的异常蛋白，找到新的药物作用靶蛋白。 蛋白质间的相互作用 揭示蛋白质组中蛋白质间的相互作用关系也是蛋白质组学的重要内容之一。现在生 物学家已经意识到细胞的生命过程并不仅是许多独立反应的总和，而是由多蛋白复合体 执行并调控的。传统的研究蛋白质间相互作用的方法包括交联、免疫共沉淀和色谱共分 馏法等生化技术。这些方法与质谱技术联用，仍不失为研究蛋白质复合体及其功能的有 力工具。 酵母双杂交系统(yeast two-hybrid system)自建立以来已经成为分析蛋白质相互作 用的强有力的方法之一。 该方法在不断完善, 如今它不但可用来在体内检验蛋白质间的 相互作用, 而且还能用来发现新的作用蛋白质, 在对蛋白质组中特定的代谢途径中蛋白 质相互作用关系网络的认识上发挥了重要的作用。 实验表明双杂交技术在蛋白质组学上 的应用是成功的。 双杂交技术固然有其内在的不足之处, 如通过双杂交观察到的蛋白质 的相互作用在真实情况下不一定发生, 也即所谓的假阳性； 假阴性现象也是双杂交分析 过程中经常碰到的问题；一些对细胞致命的蛋白质也不适宜通过双杂交系统来分析纯化。 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。
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双杂交只是反映蛋白质间能发生作用的可能性, 这种可能还必须经过其他实验验证, 尤 其要与生理功能研究相结合, 否则可能会误入歧途。虽然如此, 该技术已经成为许多实 验室研究蛋白质的相互作用和蛋白质的结构与功能的必要手段。 技术的发展与创新、研究成果的迅速共享为建立有机体的全部蛋白质(蛋白质组组分 )的相互作用及其功能关系图谱提供了基础和条件。 我们不奢望通过双杂交系统能发现 所有真实的蛋白质相互作用, 但在没有更好的方法问世之前, 双杂交技术仍是开展这类 研究的有力工具。 蛋白质定量 给蛋白质定量是蛋白质组学要解决的主要难题之一。各种蛋白质在生物体中的含量 相差很大。没有任何一块胶、单一的一种染色技术和质谱技术能让一份样品中的所有蛋 白同时全部呈现出来，这是大家已广泛认同的事实。高丰度蛋白用二维电泳、传统染色 法即能被看到，也易被观测定量。相比而言，低丰度蛋白测定通常需要在定量前给样品 分馏，这就降低了样品的可信度。除此以外，由于每种蛋白具有不同的结构、组成和特 性，染色行为也有所不同。为了适应蛋白质定量中的多样性，需要用不止一种的蛋白质 分离方法。广泛地使用PVDF转膜技术后，氨基酸序列测定成为定量蛋白的最佳途径。 同种异形蛋白分析 人们已认识到一个基因在一种器官的不同组织中有不止一种基因产物，从而产生同 种异形蛋白，其数目可以是原核生物的2种到真核生物的22种。故细胞全基因组的掌握不 能揭示蛋白质表达后有什么其他事件的发生，蛋白质组学的研究就显得很必要了。 同形蛋白的产生原因有如下几种：同种基因产物的不同剪接形式；N-和C-端剪切 ；共翻译修饰和翻译后修饰(包括影响蛋白质电荷量的磷酸化、糖基化、去酰基化、N- 末端乙酰化)；内源蛋白降解；寡聚化。蛋白质组学使监测整个细胞的全部蛋白质状态 成为可能。 用二维电泳展示同形蛋白，要求一种蛋白的所有不同修饰形式在二维电泳胶上各不 相同的迁移位置。只有单一氨基酸不同，无净电荷差异而有等电点微小差异的两个同种 异形蛋白在窄范围的IPG上可以分离开。有时修饰蛋白在二维电泳图谱上呈现一系列相连 的拖尾点，但有时这些同形异形蛋白也有明显的分子量或等电点差异，能够被很好地分 开。
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目前，蛋白质组学在翻译后修饰上的兴趣主要在于蛋白质的磷酸化。因为用质谱分析磷酸化的技术已越来越成熟，况且蛋白磷酸化与许多复杂的生物学作用有关。糖基化蛋白的蛋白质组学研究尤为困难，因为糖基化蛋白的微不均一性，使同种异形蛋白的结构变化十分复杂多样，在生物学功能上的表现也很微妙而特异。 蛋白质组信息学 蛋白质组学和基因组学都是信息科学。它们涉及了大量的数据产生，这些数据需要病的手段就为时不远了。 蛋白质组学在药理学上的首次应用是由Large Scale Biology公司完成的。近来，许 多大药物公司，如Hoffman-La Roche, Glaxo Wellcome, Millenium, Pfizer等也开始启 动它们的蛋白质组计划，以求快速发掘致病者和靶蛋白。Pfizer已与Oxford GlycoSciences Plc签约，筛选早老性痴呆的诊断标志蛋白。绝大部分疾病并非由单基因 的缺陷引起的，而因为蛋白质组学技术能提供样品的全部蛋白质信息，使得药物研究者 们能够通过该项技术确定导致病态发生的多种蛋白质分子。对于疾病所影响的其他蛋白 和途径的研究则更有利于我们寻找药物靶位。由此可见，通过蛋白质组学开发药物及研 究分子药理学对于提供一个合适的药物治疗的作用显得非常明显。现在NCI和FDA共同启 动了一项“组织蛋白质组”计划，以测试不同药物对一系列癌症的效用。
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在过去的几十年中，分子生物学能够解决生物学中的许多问题。那么运用基因组或 蛋白质组研究过程发展起来的产品进行研究治疗也就不奇怪了。例如，通过蛋白质组技 术探知的支气管纤维性囊肿病因为CFTR基因缺陷，因而可利用基因治疗手段用野生型CFT R基因转化支气管细胞重建其正常的离子泵系统。 科学家还观察到蛋白质能靠贴上一个正电荷标签而过膜，即含相当数量的 氨酸和 精 酸残基的蛋白质?一个例子是HIV-1的Tat蛋白能进入细胞，并带进与它化学交联的 其他蛋白质。该Tat蛋白含有11个氨基酸组成的带正电荷的肽段YGRKKRRQRRR。若这段肽 段挂在其他小于120KD分子量的蛋白质上能促进蛋白质分子过膜而被细胞吸收。该融合蛋 白的靶组织具有特异性。这一研究成果揭示了发展蛋白质治疗技术的潜力。 目前，蛋白质组学研究仍处在初始阶段，在分离/鉴定蛋白上仍面临很多的难题，人 们对它的期望远高于当前现实所能办到的。比如二维电泳图谱在蛋白质组学研究的应用 中，一个最关键的问题是：在一块胶上不能把样品中所有的蛋白质都陈列出来。首先因 为细胞中各种蛋白质的多寡不一；再则因为蛋白质的溶解特性各不相同，制作样品时难 以保证二维电泳得到完全真实的表观图谱。 蛋白质组学作为新近出现的一种生物学工具，其实用性受到其技术能力的限制?但是，其相应的各种新技术也在不断涌现，为完善蛋白质组学技术提供了可能。
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参考文献
1. Wilkins,M.R., Pasquali,C., Appel,R.D., Ou,K., Biotechnology 1996,14,61-65
2. Langen,H., Gray,C., Roder,D., Juranville,J.F., Electrophoresis 1997,18,1184-1192
3. Harry,J.L., Wilkins,M.R., Herbert,B.R., Packer,N.H., Electrophoresis 2000,21, 1071-1081
4. Crystal,R.G., McElvaney,N.G., Rosenfeld,M.A., Nature Genet. 1994,8,42-51 5. Anderson,N.L., Esquer-Blasco,R., Meheus,L., Electrophoresis 1995,16,1977-1981, 百拇医药
基因组研究自从开展以来已经取得了举世瞩目的成就。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, 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。 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。 正是在此背景下, 蛋白质组学(proteomics)应运 而生。
蛋白质组学是在后基因组时代出现的一个新兴的研究领域, 它的主要任务是识别 鉴定细胞、组织或机体的全部蛋白质, 并分析蛋白质的功能及其模式。 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。
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蛋白质组除了在基础科学方面的应用(如蛋白质之间相互作用、蛋白质定量等)外 ，在医药工作领域亦有着潜在而巨大的应用价值，可以帮助医药科技工作者们找到引发 疾病的异常蛋白，找到新的药物作用靶蛋白。 蛋白质间的相互作用 揭示蛋白质组中蛋白质间的相互作用关系也是蛋白质组学的重要内容之一。现在生 物学家已经意识到细胞的生命过程并不仅是许多独立反应的总和，而是由多蛋白复合体 执行并调控的。传统的研究蛋白质间相互作用的方法包括交联、免疫共沉淀和色谱共分 馏法等生化技术。这些方法与质谱技术联用，仍不失为研究蛋白质复合体及其功能的有 力工具。 酵母双杂交系统(yeast two-hybrid system)自建立以来已经成为分析蛋白质相互作 用的强有力的方法之一。 该方法在不断完善, 如今它不但可用来在体内检验蛋白质间的 相互作用, 而且还能用来发现新的作用蛋白质, 在对蛋白质组中特定的代谢途径中蛋白 质相互作用关系网络的认识上发挥了重要的作用。 实验表明双杂交技术在蛋白质组学上 的应用是成功的。 双杂交技术固然有其内在的不足之处, 如通过双杂交观察到的蛋白质 的相互作用在真实情况下不一定发生, 也即所谓的假阳性； 假阴性现象也是双杂交分析 过程中经常碰到的问题；一些对细胞致命的蛋白质也不适宜通过双杂交系统来分析纯化。 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。
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双杂交只是反映蛋白质间能发生作用的可能性, 这种可能还必须经过其他实验验证, 尤 其要与生理功能研究相结合, 否则可能会误入歧途。虽然如此, 该技术已经成为许多实 验室研究蛋白质的相互作用和蛋白质的结构与功能的必要手段。 技术的发展与创新、研究成果的迅速共享为建立有机体的全部蛋白质(蛋白质组组分 )的相互作用及其功能关系图谱提供了基础和条件。 我们不奢望通过双杂交系统能发现 所有真实的蛋白质相互作用, 但在没有更好的方法问世之前, 双杂交技术仍是开展这类 研究的有力工具。 蛋白质定量 给蛋白质定量是蛋白质组学要解决的主要难题之一。各种蛋白质在生物体中的含量 相差很大。没有任何一块胶、单一的一种染色技术和质谱技术能让一份样品中的所有蛋 白同时全部呈现出来，这是大家已广泛认同的事实。高丰度蛋白用二维电泳、传统染色 法即能被看到，也易被观测定量。相比而言，低丰度蛋白测定通常需要在定量前给样品 分馏，这就降低了样品的可信度。除此以外，由于每种蛋白具有不同的结构、组成和特 性，染色行为也有所不同。为了适应蛋白质定量中的多样性，需要用不止一种的蛋白质 分离方法。广泛地使用PVDF转膜技术后，氨基酸序列测定成为定量蛋白的最佳途径。 同种异形蛋白分析 人们已认识到一个基因在一种器官的不同组织中有不止一种基因产物，从而产生同 种异形蛋白，其数目可以是原核生物的2种到真核生物的22种。故细胞全基因组的掌握不 能揭示蛋白质表达后有什么其他事件的发生，蛋白质组学的研究就显得很必要了。 同形蛋白的产生原因有如下几种：同种基因产物的不同剪接形式；N-和C-端剪切 ；共翻译修饰和翻译后修饰(包括影响蛋白质电荷量的磷酸化、糖基化、去酰基化、N- 末端乙酰化)；内源蛋白降解；寡聚化。蛋白质组学使监测整个细胞的全部蛋白质状态 成为可能。 用二维电泳展示同形蛋白，要求一种蛋白的所有不同修饰形式在二维电泳胶上各不 相同的迁移位置。只有单一氨基酸不同，无净电荷差异而有等电点微小差异的两个同种 异形蛋白在窄范围的IPG上可以分离开。有时修饰蛋白在二维电泳图谱上呈现一系列相连 的拖尾点，但有时这些同形异形蛋白也有明显的分子量或等电点差异，能够被很好地分 开。
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目前，蛋白质组学在翻译后修饰上的兴趣主要在于蛋白质的磷酸化。因为用质谱分析磷酸化的技术已越来越成熟，况且蛋白磷酸化与许多复杂的生物学作用有关。糖基化蛋白的蛋白质组学研究尤为困难，因为糖基化蛋白的微不均一性，使同种异形蛋白的结构变化十分复杂多样，在生物学功能上的表现也很微妙而特异。 蛋白质组信息学 蛋白质组学和基因组学都是信息科学。它们涉及了大量的数据产生，这些数据需要病的手段就为时不远了。 蛋白质组学在药理学上的首次应用是由Large Scale Biology公司完成的。近来，许 多大药物公司，如Hoffman-La Roche, Glaxo Wellcome, Millenium, Pfizer等也开始启 动它们的蛋白质组计划，以求快速发掘致病者和靶蛋白。Pfizer已与Oxford GlycoSciences Plc签约，筛选早老性痴呆的诊断标志蛋白。绝大部分疾病并非由单基因 的缺陷引起的，而因为蛋白质组学技术能提供样品的全部蛋白质信息，使得药物研究者 们能够通过该项技术确定导致病态发生的多种蛋白质分子。对于疾病所影响的其他蛋白 和途径的研究则更有利于我们寻找药物靶位。由此可见，通过蛋白质组学开发药物及研 究分子药理学对于提供一个合适的药物治疗的作用显得非常明显。现在NCI和FDA共同启 动了一项“组织蛋白质组”计划，以测试不同药物对一系列癌症的效用。
, 百拇医药
在过去的几十年中，分子生物学能够解决生物学中的许多问题。那么运用基因组或 蛋白质组研究过程发展起来的产品进行研究治疗也就不奇怪了。例如，通过蛋白质组技 术探知的支气管纤维性囊肿病因为CFTR基因缺陷，因而可利用基因治疗手段用野生型CFT R基因转化支气管细胞重建其正常的离子泵系统。 科学家还观察到蛋白质能靠贴上一个正电荷标签而过膜，即含相当数量的 氨酸和 精 酸残基的蛋白质?一个例子是HIV-1的Tat蛋白能进入细胞，并带进与它化学交联的 其他蛋白质。该Tat蛋白含有11个氨基酸组成的带正电荷的肽段YGRKKRRQRRR。若这段肽 段挂在其他小于120KD分子量的蛋白质上能促进蛋白质分子过膜而被细胞吸收。该融合蛋 白的靶组织具有特异性。这一研究成果揭示了发展蛋白质治疗技术的潜力。 目前，蛋白质组学研究仍处在初始阶段，在分离/鉴定蛋白上仍面临很多的难题，人 们对它的期望远高于当前现实所能办到的。比如二维电泳图谱在蛋白质组学研究的应用 中，一个最关键的问题是：在一块胶上不能把样品中所有的蛋白质都陈列出来。首先因 为细胞中各种蛋白质的多寡不一；再则因为蛋白质的溶解特性各不相同，制作样品时难 以保证二维电泳得到完全真实的表观图谱。 蛋白质组学作为新近出现的一种生物学工具，其实用性受到其技术能力的限制?但是，其相应的各种新技术也在不断涌现，为完善蛋白质组学技术提供了可能。
, 百拇医药
参考文献
1. Wilkins,M.R., Pasquali,C., Appel,R.D., Ou,K., Biotechnology 1996,14,61-65
2. Langen,H., Gray,C., Roder,D., Juranville,J.F., Electrophoresis 1997,18,1184-1192
3. Harry,J.L., Wilkins,M.R., Herbert,B.R., Packer,N.H., Electrophoresis 2000,21, 1071-1081
4. Crystal,R.G., McElvaney,N.G., Rosenfeld,M.A., Nature Genet. 1994,8,42-51 5. Anderson,N.L., Esquer-Blasco,R., Meheus,L., Electrophoresis 1995,16,1977-1981, 百拇医药