蛋白質組學：一種新的生物學研究工具
基因組研究自從開展以來已經取得了舉世矚目的成就。大量涌出的新基因數據迫使我們不得不考慮這些基因編碼的蛋白質有什么功能這個問題。 不僅如此, 在細胞合成蛋白質之后, 這些蛋白質往往還要經歷翻譯后的加工修飾。 也就是說, 一個基因對應的不是一種蛋白質而可能是幾種甚至是數十種。 包容了數千甚至數萬種蛋白質的細胞是如何運轉的？或者說這些蛋白質在細胞內是怎樣工作、如何相互作用、相互協調的？這些問 題遠不是基因組研究所能回答得了的。 正是在此背景下, 蛋白質組學(proteomics)應運而生。
蛋白質組學是在后基因組時代出現的一個新興的研究領域, 它的主要任務是識別鑒定細胞、組織或機體的全部蛋白質, 并分析蛋白質的功能及其模式。
當前蛋白質組學的主要內容是, 在建立和發展蛋白質組研究的技術方法的同時, 進行蛋白質組分析。對蛋白質組的分析工作大致有兩個方面。 一方面, 通過二維凝膠電 泳得到正常生理條件下的機體、組織或細胞的全部蛋白質的圖譜, 相關數據將作為待檢 測機體、組織或細胞的二維參考圖譜和數據庫。 一系列這樣的二維參考圖譜和數據庫已 經建立并且可通過聯網檢索。 二維參考圖譜建立的意義在于為進一步的分析工作提供基 礎。 蛋白質組分析的另一方面, 是比較分析在變化了的生理條件下蛋白質組所發生的變化。 如蛋白質表達量的變化,
翻譯后修飾的變化, 或者可能的條件下分析蛋白質在亞細胞水平上的定位的改變等。
蛋白質組除了在基礎科學方面的應用（如蛋白質之間相互作用、蛋白質
定量等）外 ，在醫藥工作領域亦有著潛在而巨大的應用價值，可以幫助醫藥科技工作者們找到引發疾病的異常蛋白，找到新的
藥物作用靶蛋白。 蛋白質間的相互作用 揭示蛋白質組中蛋白質間的相互作用關系也是蛋白質組學的重要內容之一。現在生物學家已經意識到細胞的生命過程并不僅是許多獨立反應的總和，而是由多蛋白復合體 執行并調控的。傳統的研究蛋白質間相互作用的方法包括交聯、免疫共沉淀和色譜共分 餾法等生化技術。這些方法與
質譜技術聯用，仍不失為研究蛋白質復合體及其功能的有力工具。 酵母雙雜交系統(yeast two-hybrid system)自建立以來已經成為分析蛋白質相互作 用的強有力的方法之一。 該方法在不斷完善, 如今它不但可用來在體內檢驗蛋白質間的 相互作用, 而且還能用來發現新的作用蛋白質, 在對蛋白質組中特定的
代謝途徑中蛋白 質相互作用關系網絡的認識上發揮了重要的作用。 實驗表明雙雜交技術在蛋白質組學上 的應用是成功的。 雙雜交技術固然有其內在的不足之處, 如通過雙雜交觀察到的蛋白質 的相互作用在真實情況下不一定發生, 也即所謂的假陽性； 假陰性現象也是雙雜交分析 過程中經常碰到的問題；一些對細胞致命的蛋白質也不適宜通過雙雜交系統來分析純化。 如蛋白質表達量的變化, 翻譯后修飾的變化, 或者可能的條件下分析蛋白質在亞細 胞水平上的定位的改變等。
雙雜交只是反映蛋白質間能發生作用的可能性, 這種可能還必須經過其他實驗驗證, 尤其要與生理功能研究相結合, 否則可能會誤入歧途。雖然如此, 該技術已經成為許多實 驗室研究蛋白質的相互作用和蛋白質的結構與功能的必要手段。 技術的發展與創新、研究成果的迅速共享為建立有機體的全部蛋白質(蛋白質組組分 )的相互作用及其功能關系圖譜提供了基礎和條件。 我們不奢望通過雙雜交系統能發現 所有真實的蛋白質相互作用, 但在沒有更好的方法問世之前, 雙雜交技術仍是開展這類 研究的有力工具。 蛋白質定量 給蛋白質定量是蛋白質組學要解決的主要難題之一。各種蛋白質在生物體中的含量 相差很大。沒有任何一塊膠、單一的一種染色技術和質譜技術能讓一份樣品中的所有蛋 白同時全部呈現出來，這是大家已廣泛認同的事實。高豐度蛋白用二維電泳、傳統染色 法即能被看到，也易被觀測定量。相比而言，低豐度蛋白測定通常需要在定量前給樣品 分餾，這就降低了樣品的可信度。除此以外，由于每種蛋白具有不同的結構、組成和特 性，染色行為也有所不同。為了適應蛋白質定量中的多樣性，需要用不止一種的蛋白質 分離方法。廣泛地使用PVDF轉膜技術后，氨基酸序列測定成為定量蛋白的最佳途徑。 同種異形蛋白分析 人們已認識到一個基因在一種器官的不同組織中有不止一種基因產物，從而產生同 種異形蛋白，其數目可以是原核生物的2種到真核生物的22種。故細胞全基因組的掌握不 能揭示蛋白質表達后有什么其他事件的發生，蛋白質組學的研究就顯得很必要了。 同形蛋白的產生原因有如下幾種：同種基因產物的不同剪接形式；N－和C－端剪切 ；共翻譯修飾和翻譯后修飾（包括影響蛋白質電荷量的磷酸化、糖基化、去酰基化、N－ 末端乙酰化）；內源蛋白降解；寡聚化。蛋白質組學使監測整個細胞的全部蛋白質狀態 成為可能。 用二維電泳展示同形蛋白，要求一種蛋白的所有不同修飾形式在二維電泳膠上各不 相同的遷移位置。只有單一氨基酸不同，無凈電荷差異而有
等電點微小差異的兩個同種 異形蛋白在窄范圍的IPG上可以分離開。有時修飾蛋白在二維電泳圖譜上呈現一系列相連 的拖尾點，但有時這些同形異形蛋白也有明顯的分子量或等電點差異，能夠被很好地分 開。
目前，蛋白質組學在翻譯后修飾上的興趣主要在于
蛋白質的磷酸化。因為用質譜分析磷酸化的技術已越來越成熟，況且蛋白磷酸化與許多復雜的生物學作用有關。
糖基化蛋白的蛋白質組學研究尤為困難，因為糖基化蛋白的微不均一性，使同種異形蛋白的結構變化十分復雜多樣，在生物學功能上的表現也很微妙而特異。蛋白質組信息學：蛋白質組學和基因組學都是信息科學。它們涉及了大量的數據產生，這些數據需要病的手段就為時不遠了。 蛋白質組學在藥理學上的首次應用是由
Large Scale Biology公司完成的。近來，許多大藥物公司，如Hoffman-La Roche, Glaxo Wellcome, Millenium, Pfizer等也開始啟動它們的蛋白質組計劃，以求快速發掘致病者和靶蛋白。Pfizer已與Oxford GlycoSciences Plc簽約，篩選早老性癡呆的診斷標志蛋白。絕大部分疾病并非由單基因的缺陷引起的，而因為蛋白質組學技術能提供樣品的全部蛋白質信息，使得藥物研究者們能夠通過該項技術確定導致病態發生的多種蛋白質分子。對于疾病所影響的其他蛋白和途徑的研究則更有利于我們尋找藥物靶位。由此可見，通過蛋白質組學開發藥物及研究分子藥理學對于提供一個合適的藥物治療的作用顯得非常明顯。現在NCI和FDA共同啟 動了一項
“組織蛋白質組”計劃，以測試不同藥物對一系列癌癥的效用。
在過去的幾十年中，分子生物學能夠解決生物學中的許多問題。那么運用基因組或蛋白質組研究過程發展起來的產品進行研究治療也就不奇怪了。例如，通過蛋白質組技術探知的支氣管纖維性囊腫病因為CFTR基因缺陷，因而可利用基因治療手段用野生型CFTR基因轉化支氣管細胞重建其正常的離子泵系統。 科學家還觀察到蛋白質能靠貼上一個正電荷標簽而過膜，即含相當數量的氨酸和精酸殘基的蛋白質?一個例子是HIV－1的Tat蛋白能進入細胞，并帶進與它化學交聯的其他蛋白質。該Tat蛋白含有11個氨基酸組成的帶正電荷的肽段YGRKKRRQRRR。若這段肽段掛在其他小于120KD分子量的蛋白質上能促進蛋白質分子過膜而被細胞吸收。該融合蛋 白的靶組織具有特異性。這一研究成果揭示了發展蛋白質治療技術的潛力。 目前，蛋白質組學研究仍處在初始階段，在分離/鑒定蛋白上仍面臨很多的難題，人 們對它的期望遠高于當前現實所能辦到的。比如二維電泳圖譜在蛋白質組學研究的應用 中，一個最關鍵的問題是：在一塊膠上不能把樣品中所有的蛋白質都陳列出來。首先因 為細胞中各種蛋白質的多寡不一；再則因為蛋白質的溶解特性各不相同，制作樣品時難 以保證二維電泳得到完全真實的表觀圖譜。 蛋白質組學作為新近出現的一種生物學工具，其實用性受到其技術能力的限制?但是，其相應的各種新技術也在不斷涌現，為完善蛋白質組學技術提供了可能。
參考文獻
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本帖最后由 snow_white 于 2007-7-20 15:02 編輯 ]
