蛋白质组学及其应用研究

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　　摘要：蛋白质组学的概念最早是由澳大利亚学者Wilkins 和Williams于1994 年提出，细胞、组织或者机体的基因组所表达的全部蛋白就称为蛋白质组学。蛋白质组学是一个研究蛋白质组及大范围蛋白质的分离、分析、应用的学科。它不同于传统的利用生物化学的方法研究单个蛋白质或某一类蛋白，而是在大规模水平上研究体系内全部蛋白质及其动态变化规律。随着学科的发展，蛋白质组学的研究范围也在不断完善和补充，通过查阅大量文献，总结蛋白质组学技术，并研究蛋白组学在生物医学、转基因技术、生物制药技术等领域的。
　　关键词：蛋白质组;蛋白质组学;蛋白质组学应用
　　中图分类号：F24文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.034
　　蛋白质组（Proteome）是由蛋白质（Protein）和基因组（genomic）两个词的组合而来，是指生命体（包括细胞、组织等）的一个基因组所表达的所有蛋白质。其主要研究内容就是能在大规模水平上研究蛋白质的表达、翻译后的修饰以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用，从而来了解蛋白质参与细胞、人体代谢及其他生命功能的过程。
　　1蛋白质组学的定义
　　在经过全世界科学家的共同努力下，人类基因组计划终于在2005年完成，同时还完成了十余种模式生物的全基因组序列的测定工作。雖然完成了基因组的测序工作，使得人类对自身基因的了解又到了一个新高度，但是基因是决定了生物具有某个性状的潜能，而生命体真正的性状是由环境和蛋白质相互作用来体现的。随着人类基因组计划的完成，科学家又进一步提出了后基因组计划即基因功能研究，而蛋白质组学研究就是后基因组计划中的一个重要组成。
　　虽然，人类对于蛋白质的关注要早于DNA，但就目前来看，人们对基因的研究兴趣要远远高于蛋白质，尤其是在大规模水平上去研究蛋白质。研究表明，人类一共有24000个基因，但是蛋白质的种类却多达50000种，这就说明由基因控制的蛋白质的表达并不是一一对应的，并且生命体的生命活动的完成是由大量蛋白质相互作用共同完成的，这就给人们研究蛋白质的功能带来了巨大的困难。事实上，人类基因组编码的蛋白质的功能有约一半是未知的，由此而知，对于基因功能的研究将是人们关注的重点。
　　1.1蛋白质组学研究技术
　　蛋白质组学主要是研究细胞、组织或者生命体基因组所表达的全部蛋白质，包括蛋白质的表达种类、表达量，再通过生物信息学的手段去了解蛋白质是如何参与生命体的生命活动。
　　不可否认的是，能在大规模水平上去研究蛋白质的表达等还存在着许多技术难题，比如蛋白质的表达量会存在较大的差距、蛋白质的分子量、溶解性也会存在较大的差距，如果在实验过程中采用同样的实验方法，一定会存在蛋白质鉴定数量较少的情况出现，这也就不是实验所要求的能在大规模水平上去研究蛋白质，因此需要针对不同的蛋白质特性采取不同的方法和技术进行研究，以下便是几种研究蛋白质的相关方法。
　　1.1.1液相等电聚焦及膜电泳
　　蛋白质是两性电解质，因此蛋白质可以根据所处溶液的pH不同发生不同方向的电离从而产生电离平衡，等点聚焦电泳就是根据蛋白质的这一化学特性，设置不同的pH梯度，在电泳的过程中使蛋白质聚集在不同的pH下以达到分离的目的。Rotifer TM（Bio-Rad）液体等电聚焦系统可以对血清样品进行预先分级，Octopus TM液相等电聚焦系统可以将细胞内溶物分离为80个等电点组分。膜电泳是一种微量形式（低至100 μl）的液相等电聚焦。
　　1.1.2吸附色谱
　　在对大量蛋白质的分析过程中，由于蛋白质的溶液体系非常复杂，一般还包括其他细胞或组织成分，为了获得较纯的蛋白质，就需要对蛋白质体系进行分离。层析技术（色谱）是最常用的分离方法，进行层析后再结合双向电泳的方法就可以对大量蛋白质进行分析。常用色谱方法的有离子交换色谱，疏水相互作用色谱，亲和色谱，分子排阻色谱等，另外还可以将多级色谱技术技术进行组合以达到更好的分离效果。通过肝素活化凝胶富集的方法，可以将Haemophilus influenzae 低分子量蛋白质分为几种不同的蛋白质成分，如脱氢酶相关蛋白，T-络合物蛋白等。
　　1.1.3双向电泳（2-DE）分离
　　蛋白质双向电泳的第一向是根据等电点的不同进行等电聚焦电泳，第二向是根据分子大小不同进行SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE），电泳后染色得到二维的蛋白质电泳图，在通过和数据库比对就可以达到对数千种蛋白质鉴定的效果。 随着双向电泳技术上样量和检测灵敏度的提高，现在可分离的蛋白质点可达10000个，这是一个巨大的突破，也使得人们在大规模水平上对蛋白质的研究达到了新高度，但是不可避免的是，双向电泳技术也存在巨大的技术劣势，比如含量较低的蛋白质在电泳图谱上无法被观察到、不溶性蛋白质无法进行电泳等。
　　1.2生物信息学
　　蛋白质组学就是在大规模水平上去研究生命体的蛋白质的表达水平，因此对于成千上万种的蛋白分析，生物信息学就显得尤为重要。生物信息学在蛋白质组学研究上的应用主要是通过计算机对收集的数据进行处理，通过匹配数据库从而对蛋白质进行鉴定，之后对鉴定的大量蛋白质进行注释，从而能对蛋白质的功能有一定的了解。近些年，由于各种大型计算机的发展，蛋白质组学的研究效率、精确度已经越来越高，建立的蛋白质数据库也已经超过500个。
　　在蛋白质组的分析过程中，生物信息学不仅可以用在数据库的查阅和资料的整合上，在对生命规律的发现及预测也有极重要的作用。蛋白质分析软件主要是应用在蛋白质组鉴定和识别（如双向电泳图像分析、Edman降解的序列组合、质谱数据的综合分析等），对有价值的未知蛋白进行分析和预测（包括序列分析 、结构预测、结构域、电点等性质的检测等）。 　　随着信息时代科学技术的迅速发展，生物信息学这一新型学科得以进步为基因的功能研究提供了更新、更快、更准确的技术手段。
　　相比于基因组，蛋白质组是更加复杂，更具有挑战性，更迫切需要生物信息学提供大量有序的数据。因此，发展生物信息学对蛋白质组学的数据进行搜选、处理和应用必将成为现代生物信息学发展的必然趋势。
　　2蛋白质组学研究技术的应用
　　2.1蛋白质组学在转基因研究上的应用
　　前文介绍了蛋白质组学研究的几类技术手段，事实上这几类技术也能为研究转基因做出贡献。例如传统的转基因生物检测无法系统地了解蛋白质变化，但利用蛋白质双向电泳技术再结合蛋白质质谱就可以很好的避免这个缺陷，从而精确地确定外源基因对受体生物蛋白质表达的影响。利用无标记分子互作分析传感技术，再结合蛋白质色谱分离和质谱鉴定技术，就可以避免传统的转基因生物检测过程中无法完成的生物分子无标记快速检测和互作分析的缺陷，满足快速、高通量分析转基因生物目标蛋白或抗体结合蛋白的需求。借助先进的蛋白质组学技术可以构建基于蛋白质的转基因生物新检测评价和研究技术体系，从而实现对转基因生物蛋白质变化情况的深入了解和对大量样本转基因生物目标蛋白质的精准、高通量和无标记检测，以及实现无需抗体和纯化蛋白直接对转基因生物所有目标基因表达蛋白质的快速精确检测。
　　2.2蛋白质组学在生物医学上的应用
　　蛋白质组学技术在生物医学上最重要的是通过比较发病机体与正常机体的蛋白质变化，从而寻找新的疾病标志物，进而可以设计治疗疾病的新药物。
　　虽然，基因是控制机体的一系列的生命活动，也决定了机体的潜在表型，但是蛋白质才是生命活动的执行体。现在人体的许多疾病，包括遗传性的疾病和非遗传性的疾病，如癌症、心脑血管疾病都可以通过蛋白质组学的方法去研究。
　　在所有疾病中，最让人类头疼的非癌症莫属，对于癌症的蛋白质组学研究的主要包括对癌变机体的全蛋白质研究以及对特异蛋白的分析。对全蛋白进行分析有利于对肿瘤进行系统的分析，从而可以改进癌症的诊断和治疗;而对特异蛋白的研究有利于发现新的特异性生物标记物。蛋白质组学在各种不同类型的癌症研究中发现肿瘤标志蛋白，从而实现诊断和治疗，如色素瘤、肺癌、肝癌、膀胱癌，肾癌等多种常见癌症的研究。
　　2.3蛋白质组学在其他方面的应用
　　当然，蛋白质组学并不是只有在生物信息学、转基因的研究和檢测、生物医学上可以被应用，蛋白质组学与它的技术经过这几年的发展和研究，在农作物品种鉴定，新药开发，微生物等领域都得到广泛的应用。我们甚至可以将用来研究蛋白质组学的技术来研究其他难题。
　　3对蛋白质组学研究的未来展望
　　虽然蛋白质组学技术已经有了很大的进步，但目前的蛋白质组学研究手段尚存在很多的不足。具体表现在：
　　（1）蛋白质组学实验的分辨率及鉴定能力还需进一步提高。
　　（2）对疏水性较强，分子量较小或较大，酸碱性较强的蛋白进行研究困难较大。
　　（3）蛋白质双向电泳分离蛋白后，对于胶上蛋白质的回收还需有较大的改进与提高。
　　因此简化实验仪器的操作，使得整个实验能进行自动化、快速分析才是蛋白质组学研究的未来方向。蛋白质组的研究已开辟了一个广阔而重大的生命科学的崭新领域，其研究成果势必会大大丰富基因组计划的研究结果，并将使人类对生命的本质及其发生发展过程的认识到达一个前所未有的高度。
　　参考文献
　　[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]黃啸.生物信息学在蛋白质组学上的应用[J].安徽农业科学，2006，34（23）：6142-6144.
　　[20]贺光.生物信息学在蛋白质研究中的应用[J].国际遗传学杂志，2002，25（3）：156-158.
　　[21]马袁君，程震龙，孙野青.生物信息学及其在蛋白质组学中的应用[J].生物信息学，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]钱小红.蛋白质组与生物质谱技术[J].质谱学报，1998，19（4）：48-48.
　　[24]潘映红.蛋白质组学在转基因生物检测和研究中的应用前景[J].中国农业科技导报，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.
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