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检验医学与蛋白质组学(一)——蛋白质组学概述.

笔者苏洛 2018-12-11 04:26 PM 1544人围观 技术


一、蛋白质组学概念

       随着人类基因组计划的实施和推进,生命科学研究已进入了后基因组时代。在这个时代,生命科学的主要研究对象是功能基因组学,包括结构基因组研究和蛋白质组研究等。尽管现在已有多个物种的基因组被测序,但在这些基因组中通常有一半以上基因的功能是未知的。目前功能基因组中所采用的策略,如基因芯片、SAGE等,都是从细胞中mRNA的角度来考虑的,其前提是细胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平。但事实并不完全如此,从DNA、mRNA、蛋白质,存在三个层次的调控,即转录水平调控(Transcriptional control),翻译水平调控(Translational control),翻译后水平调控(Post-translational control )。从mRNA角度考虑,实际上仅包括了转录水平调控,并不能全面代表蛋白质表达水平。实验也证明,组织中mRNA丰度与蛋白质丰度的相关性并不好,尤其对于低丰度蛋白质来说,相关性更差。更重要的是,蛋白质复杂的翻译后修饰、蛋白质的亚细胞定位或迁移、蛋白质-蛋白质相互作用等则几乎无法从mRNA水平来判断。毋庸置疑,蛋白质是生理功能的执行者,是生命现象的直接体现者,对蛋白质结构和功能的研究将直接阐明生命在生理或病理条件下的变化机制。蛋白质本身的存在形式和活动规律,如翻译后修饰、蛋白质间相互作用以及蛋白质构象等问题,仍依赖于直接对蛋白质的研究来解决。虽然蛋白质的可变性和多样性等特殊性质导致了蛋白质研究技术远远比核酸技术要复杂和困难得多,但正是这些特性参与和影响着整个生命过程。

       传统的对单个蛋白质进行研究的方式已无法满足后基因组时代的要求。这是因为:①生命现象的发生往往是多因素影响的,必然涉及到多个蛋白质。②多个蛋白质的参与是交织成网络的,或平行发生,或呈级联因果。③在执行生理功能时蛋白质的表现是多样的、动态的,并不象基因组那样基本固定不变。因此要对生命的复杂活动有全面和深入的认识,必然要在整体、动态、网络的水平上对蛋白质进行研究。因此在上世纪90年代中期,国际上产生了一门新兴学科-蛋白质组学(Proteomics),它是以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象。可以说蛋白质组研究的开展不仅是生命科学研究进入后基因组时代的里程碑,也是后基因组时代生命科学研究的核心内容之一。

       国际上蛋白质组研究进展十分迅速,不论基础理论还是技术方法,都在不断进步和完善。相当多种细胞的蛋白质组数据库已经建立,相应的国际互联网站也层出不穷。1996年,澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中心:Australia Proteome Analysis Facility(APAF)。丹麦、加拿大、日本也先后成立了蛋白质组研究中心。在美国,各大药厂和公司在巨大财力的支持下,也纷纷加入蛋白质组的研究阵容。去年在瑞士成立的GeneProt公司,是由以蛋白质组数据库“SWISSPROT” 著称的蛋白质组研究人员成立的,以应用蛋白质组技术开发新药物靶标为目的,建立了配备有上百台质谱仪的高通量技术平台。2001年4月,在美国成立了国际人类蛋白质组研究组织(Human Proteome Organization, HUPO),随后欧洲、亚太地区都成立了区域性蛋白质组研究组织,试图通过合作的方式,融合各方面的力量,完成HGP。


二、蛋白质组学发展趋势


       在基础研究方面,近两年来蛋白质组研究技术已被应用到各种生命科学领域,如细胞生物学、神经生物学等。在研究对象上,覆盖了原核微生物、真核微生物、植物和动物等范围,涉及到各种重要的生物学现象,如信号转导、细胞分化、蛋白质折叠等等。在未来的发展中,蛋白质组学的研究领域将更加广泛。

       在应用研究方面,蛋白质组学将成为寻找疾病分子标记和药物靶标最有效的方法之一。在对癌症、早老性痴呆等人类重大疾病的临床诊断和治疗方面蛋白质组技术也有十分诱人的前景,目前国际上许多大型药物公司正投入大量的人力和物力进行蛋白质组学方面的应用性研究。

       在技术发展方面,蛋白质组学的研究方法将出现多种技术并存,各有优势和局限的特点,而难以象基因组研究一样形成比较一致的方法。除了发展新方法外,更强调各种方法间的整合和互补,以适应不同蛋白质的不同特征。另外,蛋白质组学与其它学科的交叉也将日益显著和重要,这种交叉是新技术新方法的活水之源,特别是,蛋白质组学与其它大规模科学如基因组学,生物信息学等领域的交叉,所呈现出的系统生物学(System  Biology)研究模式,将成为未来生命科学最令人激动的新前沿。


三、蛋白质组与基因组的关系


       基因是遗传信息的携带者,蛋白质则是生命活动的执行者,蛋白质组与基因组相对应,但二者又有不同之处:基因组是一个静态的概念,一个有机体只有一个确定的基因组,组成该有机体的所有不同细胞都共用一个确定的基因组;而蛋白质组则是一个动态的概念,在同一个机体的不同组织和细胞中,在同一机体的不同发育阶段,在不同的生理状态下,乃至在不同的外界环境下都是不同的,因而蛋白质组要比基因组复杂得多。如此复杂的蛋白质组表现了各种复杂的生命活动,每一种生命运动形式,都是特定蛋白质群体在不同时间和空间出现,并发挥功能的不同组合的结果。目前功能基因组中所采用的策略,如基因芯片、基因表达序列分析等,都是从细胞中 mRNA的角度来考虑的,其前提是细胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平,但是 mRNA并不能提供这些信息。从DNA到mRNA再到蛋白质,存在着3个层次的调控,即转录水平调控,翻译水平调控,翻译后水平调控,只从mRNA角度考虑,实际上仅包括了转录水平调控,并不能全面代

       表蛋白质表达水平。由于基因剪切、转录产物选择性剪接、翻译起止点的变化、mRNA 上三联体密码的移码突变等,导致基因遗传信息的表现规律复杂。此外,翻译后的修饰,如糖基化、磷酸化、乙酰化、硫酸化等;蛋白质在细胞中的位置、稳定性的变化;与配基的结合,如蛋白质、核酸、脂类等,均导致蛋白质组要比基因组复杂多个数量级,不再是经典的一个基因一个蛋白的对应关系,例如对于细菌,可能为1.2~1.3;对于酵母则为3;而对于人,则可高达10。实验也证明,组织中mRNA丰度与蛋白质丰度的相关性并不好,尤其对于低丰度蛋白质来说,相关性更差。而对于蛋白质的亚细胞定位或迁移、蛋白质-蛋白质相互作用等进一步的研究,更是无法从mRNA水平着手,事实上,早在DNA/RNA 表达发生变化前,蛋白质信号通路的激活就可以迅速导致细胞游走、死亡、转化。因此,利用基因组的研究成果进行大规模的蛋白质组研究已经成为必然。

来源: 赢享分子诊断
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