【1.4】蛋白质组与蛋白质组学

蛋白质组的概念是1994年由Marc Wilkins提出的,但在80年代初,在基因组计划提出之前,就有人提出过类似的蛋白质组计划,当时称为人类蛋白质索引(Human Protein Index),旨在分析细胞内所有的蛋白质。但由于种种原因,这一计划被搁浅。90年代初期,各种技术已比较成熟,在这样的背景下,经过各国科学家的讨论,才提出蛋白质组这一概念。1996年,澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中心——澳洲蛋白质分析中心(Australia Proteome Analysis Facility ,APAF)。随后,丹麦、加拿大、日本和瑞士相继成立了蛋白质组研究中心。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),欧洲、亚太地区也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,完成人类蛋白质组计划(Human Proteome Project)。

蛋白质组学的研究内容大致可以分为两大类:结构蛋白质组学和功能蛋白质组学。前者的主要研究方向包括蛋白质氨基酸序列以及三维结构的解析、种类分析和数量确定;后者则以蛋白质的功能和相互作用为主要目标。

1. 蛋白质分离

迄今为止大通量分离蛋白质的主要方法是二维聚丙烯酰胺凝胶电泳(双向电泳)。这项技术起源于70年代,应用了20多年并已建立了多种不同细胞及组织类型的资料库。双向电泳是依据等电点和大小的不同在电场中将不同蛋白质分开,在平面聚丙烯酰胺凝胶上形成一个二维的图谱。双向电泳可以看作是先进行一次等电聚焦,然后再沿着等电聚焦电泳条带垂直方向进行SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳。通常一块普通的二维凝胶可以分辨出2 000个蛋白质,即使最熟练的技术员用最好的凝胶也只能分辨出11 000个蛋白质

2. 蛋白质分析

蛋白质经二维电泳分离后,可以将单个的蛋白样点从凝胶中切割出来,用蛋白水解酶消化成多个多肽片段,用蛋白质谱仪进行分析。目前有两种主要方法:基质辅助激光解析电离飞行质谱(matrix-assisted laser desorption inoization-time of flight mass spectrometry,MALDI-TOF MS)和电喷雾电离串联质谱(electrospray ionization-tandem mass spectrometry,ESI- MS)。前者可获得多肽片段质量的资讯,后者可获得多肽片段详细的资料。虽然两种操作的方式截然不同,但其原理都是带电粒子在磁场中,运动的速度和轨迹依粒子的质量与携带电荷比的不同而变化,从而来判断粒子的质量和特性。

3. 蛋白质相互作用

在每一个细胞的生命进程中,大多数蛋白质通过直接的物理相互作用与其他蛋白质共同行使功能。通过掌握能够与某种蛋白质发生相互作用的一些蛋白质的特性,便可推断出该蛋白的功能。例如,一个功能未知的蛋白质被发现与一系列和细胞生长有关的蛋白质有相互作用,那么可以推测该未知蛋白质参与了类似的细胞生长过程。因此绘制细胞中蛋白质-蛋白质相互作用的图谱,对了解这种细胞的生物学属性有重大意义。

酵母双杂交系统(Yeast two-hybrid system,见第章分子生物学技术)是广泛运用于大范围内蛋白质-蛋白质相互作用研究的一种体内方法;蛋白质芯片可以用于蛋白质相互作用的体外研究。蛋白质芯片在研发上有一定难度,因为蛋白质拥有十分精密的三维立体结构,而且必须被固定在芯片的表面。目前许多大规模研究蛋白-蛋白相互作用的蛋白芯片正在研发当中。基于现已掌握的基因组测序信息,计算机分析也已经被广泛运用于推测蛋白质之间的功能性相互作用。计算机分析能够快速的描绘出许多生物个体的蛋白质-蛋白质相互作用图谱,指导运用实验室方法准确地绘制出整个基因组规模上的蛋白质-蛋白质相互作用图谱。

总结:

  • 蛋白质组是指一个给定的细胞、特定的组织或整个生物体表达的所 有蛋白质(The proteome is the entire set of expressed proteins in a given type of cells, tissues or an organism at a given time under defined conditions).
  • 蛋白质组学研究的是蛋白质组。研究蛋白质组一般需要先用由等电 聚焦电泳和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳构成的二维电泳技术,分离蛋 白质组中的各种蛋白质,然后再用质谱进行鉴定(Proteomics, the study of the proteome, usually begin with the separation of proteins by 2D gel electrophoresis. In the first dimension, the proteins are separated by isoelectric focusing, which resolves proteins on the basis of charge. In the second dimension, proteins are separated by size using SDS-PAGE. The mass spectrometer allows for determination of the separated proteins).

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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