蛋白质组学 蛋白质组学

蛋白质组学(Proteomics)是蛋白质的遗传学. 除了发生突变, 基因组结构保持不变, 但是蛋白却由于细胞种类及环境的不同动态表达为不同结构. 虽然只有部分DNA遗传信息通过mRNA被转录到蛋白质合成过程中, 但事实上细胞活动是在蛋白水上进行的. 所以蛋白质组学与基因组学同等重要, 甚至更为重要. 尽管重要, 与DNA能够识别互补序列而形成双螺旋链并通过PCR技术扩增相比, 蛋白质不能由序列选择性合成和被周围环境修正, 蛋白质组学刚刚起步. 最终目标将是代谢物组(matabolome)或生理组(physiolome)的靶物, 用以研究蛋白质的真正意义, 但是现在研究还仅停留在观测蛋白质是否被表达的阶段.

最常使用的分离蛋白质的方法是采用二维凝胶(2D-Gel)(通常18 x 18 cm, 150mg蛋白质), 然后使用质谱法来确定蛋白质种类和表达水平. 通常一维坐标采用等电聚焦的pH值梯度, IEF垂直方向上的另一维采用聚丙烯酰胺凝胶电泳后的尺寸分布(SDS-PGE). 从凝胶中萃取的蛋白质以肽酶(如胰岛素)水解, 然后质谱分析, 例如基质辅助激光解吸飞行时间质谱(MALDI-TOF), 从而给出肽片断的部分序列, 最终通过数据检索给出蛋白质种类的信息. 偏向选用胰岛素的原因是它能切除C-末端的氨基酸如赖氨酸和精氨酸从而产生等量正电荷分配. 等量正电荷有利于正离子的质谱分析并利于粗略量化肽的数量.  在MALDI中矩阵中的有机分子吸收激光将电离能传递给被分析的肽, 所以温和的离子化有利于出现整个肽的峰而不是出现碎片峰.  如果肽样品处于液相色谱的溶液中甚至需要更温和的离子化方法, 如电喷雾液相色谱质谱(ESI-MS), 但是灵敏度将较MALDI降低. 由于多级MS离子阱质谱仪或准稳态注入渡越时间(QTOF)技术使提纯肽后能够观测小的肽碎片, 序列分析也成为可能. 像上面看到的, 二维凝胶是非常有用的工具, 但是也有一些局限. 首先, 熟练的分析员必须得到可重现的数据, 但很多情况下低表达率蛋白质达不到筛选标准. 尤其是蛋白质有强憎水性时(许多膜的蛋白质包裹引起了药物研究者的极大兴趣, 但它们在凝胶中不移动). 太大或太小的蛋白质也会产生问题. 为了增大溶解并简化分析, 蛋白质混合物可根据几种理化性质如电荷,体积,憎水性,粘度等预分离, 这是一种很好的解决办法. 根据细胞内有机物预分离应该有助于细胞分类和所给蛋白质的定位.    

如DNA芯片一样, 二维凝胶问题的另一个解决方法, 抗体或蛋白质序列芯片应运而生. 多维色谱如吸收检测多元毛细管电泳, 或HPLC也是一种可与二维凝胶竞争的方法, 但是溶解度仍然远低于二维凝胶, 而且需要强大的数据检索/分析支持. 有时基因组非预期的蛋白质会奇异般的产生在蛋白质组中. 这是我们没有完成蛋白质表达控制信息的直接标志. 最近报道“基因捕获法”发现了表达被遗漏了的新基因. 这种方法使用转位子在基因组中随机加入b-牛乳糖等标志蛋白然后筛选预期蛋白质(Nat. Biotechnol. 2002, 20, 58). 

蛋白质样品基本上是在两种条件下制备的, 在两块二维凝胶上的差异被用做研究. 因而结果必需可重现才能用于比较分离二维凝胶, 但这并不容易. 一种解决之道是在不同蛋白质上使用荧光染料或不同质量的示踪剂. 另一个问题是少量的蛋白质可能由于另一种蛋白质大量存在而被忽略. 这就需要可比较目标物, 例如常规细胞/癌细胞, 健康细胞/感染细胞, 愉悦的细胞/压力大的细胞, 通常在相关条件下扮演重要角色的蛋白质表现出不同的表达. 另外, 如果研究了高温沙漠中或高压海底的生物的蛋白质表达, 将有可能给出恶劣天气下植物繁殖的线索.

蛋白质组学的另一个根本局限是与基因数量相对稳定相比, 蛋白质表达不稳定. 一种蛋白质在整个生命过程中可能只产生一次或者根本不产生. 所以, 如果有人试图研究所有可产生的蛋白质, 那将是长期而艰巨的工作. 但是确实有人在做这项工作. 技术日新月异, 与10年前一个科学家用一年时间发现2~3种蛋白质相比, 现在的蛋白质组学技术可以仅仅使用质谱来推断蛋白序列并使用遗传信息库鉴别蛋白种类. 有朝一日人类蛋白质组计划也将如基因组计划一样付诸实施. Oxford GlycoScience和Large Scale Biology是现在蛋白质组学研究的领袖.

 reference 蛋白质组学: Nature, 1999, 402, 715-720  

蛋白质相互反应如蛋白质表达一样重要. 现今表面等离子体耦合(SPR)是研究蛋白质联接的常规技术. 当一个蛋白质与芯片相连后它们会在芯片的另一面发光从而可以用来检测散射, 反射角与联结的蛋白分子量成比例. 所以如果另一种蛋白质与芯片相连, 反射角是否增大, 可以反映蛋白质联结紧密程度. 通常在芯片上使用较小的配体而在其上联结大的蛋白质所以角度变化很大. 另外, 由于连续加入反应试剂, 可以分析联结速率和脱离速率. 芯片被植于金上, 使用化学键合法或链酶亲和素-生物素键合法在其上固定小配体. 现在Biacore是唯一的SPR经销商.