1、蛋白質(zhì)組和基因組

　　蛋白質(zhì)組是指一種基因組所表達的全套蛋白質(zhì)1，其英文為“proteome”。 有關(guān)蛋白質(zhì)組的系統(tǒng)研究是蛋白質(zhì)組學(xué)，英文為“proteomics”。基因組是生命體中全部基因的集合體，其英文為“genome”。有關(guān)基因組的系統(tǒng)研究是基因組學(xué)，其英文為“genomics”。 “proteome”和“proteomics”是由Marc Wilkins 及其同事于20世紀90年代初參照基因組和基因組學(xué)兩個英文單詞而創(chuàng)造出來的2。蛋白質(zhì)組學(xué)是研發(fā)、利用、改進各種技術(shù)手段研究蛋白質(zhì)組或在細胞某一生理通路中相關(guān)蛋白質(zhì)集合的組成、結(jié)構(gòu)、功能、代謝的一門新興科學(xué)。

　　基因決定蛋白質(zhì)的水平，然而，蛋白質(zhì)的水平分為轉(zhuǎn)錄水平和表達水平，mRNA只包含前者，后者則是由mRNA被翻譯所實現(xiàn)，而在翻譯過程中通常伴隨對蛋白質(zhì)功能和活性起至關(guān)重要的修飾過程，如糖基化、泛素化等3。通過研究蛋白質(zhì)組學(xué)，可以獲取蛋白定位與修飾的定性信息和相關(guān)定量數(shù)據(jù)，豐富認知蛋白質(zhì)表達水平和相關(guān)蛋白作用，對了解生命復(fù)雜活動有更深更全的認識。

　　2、蛋白質(zhì)組的發(fā)展背景

　　自二十世紀九十年代以來，傳統(tǒng)生物學(xué)得以突飛猛進地發(fā)展，并取得矚目成就，其中三個重要點彪炳史冊，也促使傳統(tǒng)生物學(xué)獲得質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

　　第一;基因、表達序列標記(EST, expressed sequence tag)、蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫的成長。細菌、酵母、線蟲、果蠅的全部基因序列逐漸明了，甚至后來人類基因組計劃也順利告捷;其它的植物、動物、微生物也不斷在探索。人們把已經(jīng)掌握的基因分門別類地建立了序列數(shù)據(jù)庫。

　　第二;生物信息學(xué)的發(fā)展。易獲取的瀏覽型生物信息工具層出不窮，這種免費的網(wǎng)頁式數(shù)據(jù)庫可以讓我們從其中獲得所需的特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，如蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)域和模體等。

　　第三;寡核苷酸微陣列技術(shù)的發(fā)展。通過不同熒光標記的DNA樣本同時與微陣列反應(yīng)，形成不同熒光的現(xiàn)象，大幅提高Northern blot 的效率4。

　　3、蛋白質(zhì)組學(xué)分類

　　蛋白質(zhì)組學(xué)分類可有不同原則。

　　根據(jù)蛋白質(zhì)來源可分為植物蛋白質(zhì)組學(xué)、動物蛋白質(zhì)組學(xué)、微生物蛋白質(zhì)組學(xué)。植物蛋白質(zhì)組學(xué)是以來源于植物或與植物相關(guān)蛋白質(zhì)為研究對象，分析其在植物發(fā)生、生長、調(diào)節(jié)、凋謝等生命過程中的作用、功能、代謝、結(jié)構(gòu)等的體系。同理，動物蛋白質(zhì)組學(xué)是以來源于動物或與動物相關(guān)蛋白質(zhì)為研究對象，最重要的一大內(nèi)容就是研究人類相關(guān)蛋白質(zhì)。微生物蛋白質(zhì)組學(xué)是以來源于微生物或與微生物相關(guān)蛋白質(zhì)為研究對象。

　　根據(jù)研究目的和階段不同可分為結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)、表達蛋白質(zhì)組學(xué)、功能蛋白質(zhì)組學(xué)。結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)主要分析蛋白質(zhì)大分子的多級結(jié)構(gòu)形態(tài)，包括氨基酸順序、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu);并著重于研究其共性結(jié)構(gòu)特征和特殊功能基團;也是用于建立細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)圖譜并解釋某些特定蛋白表達對細胞產(chǎn)生特定的作用5。表達蛋白質(zhì)組學(xué)是以經(jīng)典蛋白質(zhì)組技術(shù)如雙向凝膠電泳和圖像分析為方法著重于研究細胞內(nèi)蛋白質(zhì)表達過程及結(jié)果的體系3。功能蛋白質(zhì)組學(xué)是以細胞內(nèi)單一同種蛋白質(zhì)功能體現(xiàn)、蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)與其他大分子之間相互作用關(guān)系為研究目的，研究和表述選定蛋白質(zhì)，探明有關(guān)蛋白的修飾和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，疾病機制或蛋白-藥物作用關(guān)系3。

　　根據(jù)研究內(nèi)容，還可分為組成性蛋白質(zhì)組學(xué)、差異顯示蛋白質(zhì)組學(xué)、相互作用蛋白質(zhì)組學(xué)。組成性蛋白質(zhì)組學(xué)是鑒定某個體系的蛋白質(zhì)并闡述其翻譯后修飾的特性。差異顯示蛋白質(zhì)組學(xué)又名比較蛋白質(zhì)組學(xué)，是對重要生命過程或人類重大疾病進行生理、病理體系或過程的蛋白質(zhì)表達比較。相互作用蛋白質(zhì)組學(xué)則是研究蛋白質(zhì)間相互作用，繪制某體系蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)圖譜8。

　　4、白質(zhì)組學(xué)研究工具

　　蛋白質(zhì)組學(xué)研究的重要工具主要有四個。

　　第一，蛋白質(zhì)、表達序列標記(EST, expressed sequence tag)、基因序列數(shù)據(jù)庫的建立與成熟;也可以說是生物信息學(xué)。因為蛋白質(zhì)組學(xué)中所用的大多數(shù)技術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)通常都是高通量、高復(fù)雜度的，只有通過生物信息學(xué)分析才能對蛋白質(zhì)的種類、結(jié)構(gòu)和功能進行分析確定。

　　第二，質(zhì)譜(MS)技術(shù)。其將樣品分子離子化，根據(jù)離子間質(zhì)荷比的差異分離并確定質(zhì)量，實現(xiàn)高靈敏度、高特異性。首先，質(zhì)譜技術(shù)能準確測量高達100kDa的完整大分子蛋白質(zhì)，其準確度和特異度比SDS-PAGE還要高。其次，質(zhì)譜技術(shù)也能準確測量從蛋白質(zhì)分解下來的多肽。最后，它還可以測定多肽的氨基酸順序，即多肽測序4?，F(xiàn)有三條途徑，一是肽鏈質(zhì)量圖譜，二是串聯(lián)質(zhì)譜途徑，三是聯(lián)合途徑7。其中一種較理想的技術(shù)平臺是表面增強激光解吸離子化飛行時間質(zhì)譜(SEL-DI)技術(shù)，可分析疏水性蛋白質(zhì)、pI過高或過低蛋白質(zhì)、低分子量蛋白質(zhì)(<25 000)和未經(jīng)處理的樣品中許多被掩蓋的低濃度蛋白質(zhì)，短時間內(nèi)即可獲得蛋白質(zhì)的分子量、PI、特殊修飾位點等參數(shù)8。

　　第三，能將MS數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中特異的蛋白質(zhì)順序匹配的軟件。它是快速、特異地將第一和第二工具聯(lián)系在一起的分析方式。

　　第四，蛋白分析分離方法。通過蛋白分析分離方法可以簡化蛋白復(fù)合物，同時產(chǎn)生不同蛋白質(zhì)差異比較方法。普通的蛋白質(zhì)分析分離方法包括1D-SDS-PAGE、高效液相色譜法(HPLC)、毛細管電泳(CE)、等點聚焦電泳(IEF)等。其中二維凝膠電泳如2D-SDS-PAGE是目前蛋白質(zhì)組學(xué)中分離單一蛋白質(zhì)的廣泛應(yīng)用方法。當然，多維分析分離方法是最理想的分離蛋白質(zhì)和多肽的方法，譬如，離子交換液相色譜與反相高效液相色譜串聯(lián)形成的分離系統(tǒng)是分離多肽混合物的有力方法4。

　　5、白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用

　　蛋白質(zhì)組學(xué)原則性應(yīng)用包括四個方面4：組成性應(yīng)用、蛋白質(zhì)表達模型、蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)圖譜、蛋白質(zhì)修飾圖譜。組成性應(yīng)用是指運用質(zhì)譜及其相關(guān)技術(shù)將目的蛋白質(zhì)按相關(guān)標準定性或定量地納入蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，在此過程中研發(fā)相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用。蛋白質(zhì)表達模型是指研究在生理或病理狀態(tài)目的蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)定位并表達情況，同時研究細胞在暴露物理、化學(xué)、藥物等因素下蛋白質(zhì)表達狀況。蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)圖譜是研究兩種或兩種以上蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)組成結(jié)構(gòu)、表達功能、調(diào)節(jié)控制間作用情況。蛋白質(zhì)修飾圖譜是探明蛋白質(zhì)的修飾定位及修飾后功能表現(xiàn)。

　　當然，蛋白質(zhì)組學(xué)在生活中無處不在，疾病、食品、植物、藥品等等。

　　蛋白質(zhì)組學(xué)在疾病中應(yīng)用方向主要是發(fā)現(xiàn)新的疾病標志物，以探明疾病發(fā)生機制、發(fā)展變化，為治療途徑提供思路。Brea等利用雙向電泳串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)，差異比較心源性腦栓塞患者和粥樣硬化血栓性梗死患者各12例的血清蛋白，發(fā)現(xiàn)觸珠蛋白相關(guān)蛋白和淀粉樣蛋白A等蛋白質(zhì)在粥樣硬化血栓性梗死患者血清中顯著升高9。

　　蛋白質(zhì)組學(xué)在食品中應(yīng)用方向主要是檢測食品中過敏源檢測、鑒定食品成分等，也給食品科學(xué)研究提供了新的研究思路和技術(shù)3。李明云等優(yōu)化了相應(yīng)的試驗條件，并將蛋白質(zhì)組雙向電泳相關(guān)技術(shù)引入大黃魚肝臟蛋白質(zhì)分析中，得到了較清晰的大黃魚肝臟蛋白雙向電泳圖譜。

　　蛋白質(zhì)組學(xué)在植物中應(yīng)用方向主要是植物群體遺傳、環(huán)境信號應(yīng)答與適應(yīng)機制、植物組織器官、植物亞細胞等7。其中，如果研究的植物是農(nóng)作物如棉花、馬鈴薯、水稻等，就可以簡單地視作蛋白質(zhì)組學(xué)在農(nóng)業(yè)中的運用了。Chang等對玉米強制缺氧和低氧研究，發(fā)現(xiàn)低氧處理的效應(yīng)不僅是氧氣含量過低誘導(dǎo)增加糖酵解酶，通過質(zhì)譜鑒定了46個相關(guān)蛋白質(zhì)10。

　　蛋白質(zhì)組學(xué)在藥品中應(yīng)用方向主要是藥物研發(fā)、藥物作用機制、耐藥機制、藥物毒理學(xué)等。在對紫杉醇類藥物抗癌作用研究中，Bauer等對乳腺癌復(fù)發(fā)患者進行紫杉醇類藥物治療后進行蛋白質(zhì)組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)a-防衛(wèi)素可作為預(yù)測該類藥物治療乳腺癌治療作用的生物標記物11。

　　6、展望

　　蛋白質(zhì)組學(xué)在短短30年間發(fā)展迅猛，滲入到生活的許多方面，也對保證人類生存質(zhì)量和良性繁衍有重大作用。但其思路不開闊，技術(shù)高效性、靈敏性、特異性仍有待提高，應(yīng)用普及度低，蛋白質(zhì)分離、純化技術(shù)研發(fā)，基因組學(xué)豐富度低是制約蛋白質(zhì)組學(xué)及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。不過，相信隨著物理技術(shù)和化學(xué)方法的不斷發(fā)展，研究水平的深入，蛋白質(zhì)組學(xué)會隨著基因組學(xué)的發(fā)展得到更進一步地豐富。

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