研究基因和基因組的蛋白質組學

蛋白質組學是大規模的蛋白質分析，它將極大地促成我們在后基因組時代對基因功能的理解。蛋白質組學能被分為3個主要領域：（1）針對大量蛋白質鑒定的蛋白微觀特性學；（2）潛在的應用于一大系列疾病的基于蛋白水平比較的"差異展示"蛋白質組學；（3）用質譜法或者酵母雙雜交等技術研究的蛋白質與蛋白質相互關系學。因為即使基于和其它蛋白同源性或者甚至三維結構的比較，也往往難于預測一個蛋白的功能，所以對一個蛋白復合物的成分或者細胞結構的測定在功能分析中是重要的。蛋白質學在該方面的研究也許是大有希望的領域。在分子生物學發生巨變后，例如通過DNA方法使克隆變得容易，蛋白質組學在未來幾年內將增加我們對于蛋白質、加工和路徑的生物化學的理解。

在很短時期內大規模的DNA測序已經使生物醫學的研究發生了變革。隨著大多數人類基因的發現，現在很明顯如果我們能夠得到對于復雜生物過程一個全面的了解，那么一個解決生物問題的"工廠化方法"是值得要的。在本篇中我們將回顧一下蛋白質組學是如何通過對全球基因產品的分析，來對我們理解生物學和醫學同樣地作出至關緊要的貢獻的。

蛋白質組學的定義 蛋白質組學是大規模蛋白質的研究，通常是利用生物化學的方法。蛋白質組學這個詞傳統上是和通過一個已知的細胞系或生物體在雙向聚丙烯酰胺凝膠上展示大量蛋白相關的1-4。在這種意義上，蛋白質組學已經可以回溯到20世紀70年代末，當時研究者們開始用當時最新的發達技術雙向凝膠電泳技術來構建蛋白質數據庫5（框1）。這導致通過廣泛的編目雙向凝膠像點來對所有表達的蛋白建立數據庫。然而，盡管當時這樣的凝膠跑動可以在實驗室間再現，但是確定蛋白的身份是困難的，因為缺少對于蛋白特性靈敏而快速的分析方法（例如聚合酶鏈反應和自動化的DNA分析的測序儀）。在20世紀90年代，生物的質譜儀作為一個強大的分析方法誕生了，以至彌補了大多數蛋白質分析的局限性。這個發展，加上在公共數據庫中整個人類編碼序列的實用性，標志著一個新紀元的開始。如今，蛋白質組學這個術語涵蓋了多數基因產品的功能分析即功能基因組學，包括大規模的蛋白質鑒定或定位研究以及用酵母雙雜交系統（yeast two-hybrid system）研究其相互作用。然而，更為焦點的大規模的蛋白質結構的研究通常改為不包括和標定"結構基因組學"6。同樣地，僅僅靶向基因或mRNA的策略，例如大規模的突變或反義實驗，是不應該被考慮為蛋白質組學的一部分的。

蛋白質組學的必要性 隨著數據庫中大量DNA序列的積累，研究者們意識到僅僅完成基因組的測序是不足以闡明生物的功能的。一個細胞正常來說是基于眾多的代謝和調節路徑來維持其生存的。在細胞的基因和蛋白成分即蛋白質組間沒有嚴格的線性關系。蛋白質組學是基因組學的補充，因為它集中在細胞中的活性因子：基因產品的研究。因此，蛋白質組學直接導致了藥物發展，因為幾乎所有的藥物是直接定向蛋白的。 基因組數據庫中一個開放讀碼框（open reading frame ，ORF）的存在并不必要地意味著一個功能基因的存在。盡管生物信息學已飛速發展，仍然難于從基因數據庫中精確地預測基因（見該期Eisenberg等的綜述，823-826頁，和參考文獻7, 8）。雖然相關生物的測序通過比較基因組學將減輕基因預測的問題，但是初級結構的正確預測的成功率仍低9，10，特別是在小基因（小基因整個都能被忽視掉）或者那些與其它已知基因少有或沒有同源關系的基因中。最近一項研究表明在對來自Mycoplasma genitalium 基因組的340個基因的注釋中，錯誤率至少為8％11。如果這樣的錯誤率推斷到人類基因組，結果和推論是容易想象得到的。因此，通過蛋白質組學的方法確認一個基因產物在"注釋基因組"這項工作中是重要的最初的一步。蛋白質的修飾顯然不是源于DNA序列，例如異構體和轉錄后修飾，這些修飾僅能被蛋白質組學的方法論所測得。此外，也許有必要立即確定蛋白的表達水平，因為mRNA水平和蛋白水平也許有或者沒有相關性12，13。基因產品的定位常常難以從序列來預測，卻可用實驗的方法確定。諸如細胞間通過蛋白質水解、再生和隔離來調節蛋白功能等機制影響了基因產物而非基因本身。最后，蛋白和蛋白間作用以及細胞結構的分子成分如細胞器，僅能在蛋白水平測定到。

蛋白質的鑒定和分析 (責任編輯：大漢昆侖王)