蛋白質組學及其應用研究

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　　摘要：蛋白質組學的概念最早是由澳大利亞學者Wilkins 和Williams于1994 年提出，細胞、組織或者機體的基因組所表達的全部蛋白就稱為蛋白質組學。蛋白質組學是一個研究蛋白質組及大范圍蛋白質的分離、分析、應用的學科。它不同于傳統的利用生物化學的方法研究單個蛋白質或某一類蛋白，而是在大規模水平上研究體系內全部蛋白質及其動態變化規律。隨著學科的發展，蛋白質組學的研究范圍也在不斷完善和補充，通過查閱大量文獻，總結蛋白質組學技術，并研究蛋白組學在生物醫學、轉基因技術、生物制藥技術等領域的。
　　關鍵詞：蛋白質組;蛋白質組學;蛋白質組學應用
　　中圖分類號：F24文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.034
　　蛋白質組（Proteome）是由蛋白質（Protein）和基因組（genomic）兩個詞的組合而來，是指生命體（包括細胞、組織等）的一個基因組所表達的所有蛋白質。其主要研究內容就是能在大規模水平上研究蛋白質的表達、翻譯后的修飾以及蛋白質與蛋白質之間的相互作用，從而來了解蛋白質參與細胞、人體代謝及其他生命功能的過程。
　　1蛋白質組學的定義
　　在經過全世界科學家的共同努力下，人類基因組計劃終于在2005年完成，同時還完成了十余種模式生物的全基因組序列的測定工作。雖然完成了基因組的測序工作，使得人類對自身基因的了解又到了一個新高度，但是基因是決定了生物具有某個性狀的潛能，而生命體真正的性狀是由環境和蛋白質相互作用來體現的。隨著人類基因組計劃的完成，科學家又進一步提出了后基因組計劃即基因功能研究，而蛋白質組學研究就是后基因組計劃中的一個重要組成。
　　雖然，人類對于蛋白質的關注要早于DNA，但就目前來看，人們對基因的研究興趣要遠遠高于蛋白質，尤其是在大規模水平上去研究蛋白質。研究表明，人類一共有24000個基因，但是蛋白質的種類卻多達50000種，這就說明由基因控制的蛋白質的表達并不是一一對應的，并且生命體的生命活動的完成是由大量蛋白質相互作用共同完成的，這就給人們研究蛋白質的功能帶來了巨大的困難。事實上，人類基因組編碼的蛋白質的功能有約一半是未知的，由此而知，對于基因功能的研究將是人們關注的重點。
　　1.1蛋白質組學研究技術
　　蛋白質組學主要是研究細胞、組織或者生命體基因組所表達的全部蛋白質，包括蛋白質的表達種類、表達量，再通過生物信息學的手段去了解蛋白質是如何參與生命體的生命活動。
　　不可否認的是，能在大規模水平上去研究蛋白質的表達等還存在著許多技術難題，比如蛋白質的表達量會存在較大的差距、蛋白質的分子量、溶解性也會存在較大的差距，如果在實驗過程中采用同樣的實驗方法，一定會存在蛋白質鑒定數量較少的情況出現，這也就不是實驗所要求的能在大規模水平上去研究蛋白質，因此需要針對不同的蛋白質特性采取不同的方法和技術進行研究，以下便是幾種研究蛋白質的相關方法。
　　1.1.1液相等電聚焦及膜電泳
　　蛋白質是兩性電解質，因此蛋白質可以根據所處溶液的pH不同發生不同方向的電離從而產生電離平衡，等點聚焦電泳就是根據蛋白質的這一化學特性，設置不同的pH梯度，在電泳的過程中使蛋白質聚集在不同的pH下以達到分離的目的。Rotifer TM（Bio-Rad）液體等電聚焦系統可以對血清樣品進行預先分級，Octopus TM液相等電聚焦系統可以將細胞內溶物分離為80個等電點組分。膜電泳是一種微量形式（低至100 μl）的液相等電聚焦。
　　1.1.2吸附色譜
　　在對大量蛋白質的分析過程中，由于蛋白質的溶液體系非常復雜，一般還包括其他細胞或組織成分，為了獲得較純的蛋白質，就需要對蛋白質體系進行分離。層析技術（色譜）是最常用的分離方法，進行層析后再結合雙向電泳的方法就可以對大量蛋白質進行分析。常用色譜方法的有離子交換色譜，疏水相互作用色譜，親和色譜，分子排阻色譜等，另外還可以將多級色譜技術技術進行組合以達到更好的分離效果。通過肝素活化凝膠富集的方法，可以將Haemophilus influenzae 低分子量蛋白質分為幾種不同的蛋白質成分，如脫氫酶相關蛋白，T-絡合物蛋白等。
　　1.1.3雙向電泳（2-DE）分離
　　蛋白質雙向電泳的第一向是根據等電點的不同進行等電聚焦電泳，第二向是根據分子大小不同進行SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE），電泳后染色得到二維的蛋白質電泳圖，在通過和數據庫比對就可以達到對數千種蛋白質鑒定的效果。 隨著雙向電泳技術上樣量和檢測靈敏度的提高，現在可分離的蛋白質點可達10000個，這是一個巨大的突破，也使得人們在大規模水平上對蛋白質的研究達到了新高度，但是不可避免的是，雙向電泳技術也存在巨大的技術劣勢，比如含量較低的蛋白質在電泳圖譜上無法被觀察到、不溶性蛋白質無法進行電泳等。
　　1.2生物信息學
　　蛋白質組學就是在大規模水平上去研究生命體的蛋白質的表達水平，因此對于成千上萬種的蛋白分析，生物信息學就顯得尤為重要。生物信息學在蛋白質組學研究上的應用主要是通過計算機對收集的數據進行處理，通過匹配數據庫從而對蛋白質進行鑒定，之后對鑒定的大量蛋白質進行注釋，從而能對蛋白質的功能有一定的了解。近些年，由于各種大型計算機的發展，蛋白質組學的研究效率、精確度已經越來越高，建立的蛋白質數據庫也已經超過500個。
　　在蛋白質組的分析過程中，生物信息學不僅可以用在數據庫的查閱和資料的整合上，在對生命規律的發現及預測也有極重要的作用。蛋白質分析軟件主要是應用在蛋白質組鑒定和識別（如雙向電泳圖像分析、Edman降解的序列組合、質譜數據的綜合分析等），對有價值的未知蛋白進行分析和預測（包括序列分析 、結構預測、結構域、電點等性質的檢測等）。 　　隨著信息時代科學技術的迅速發展，生物信息學這一新型學科得以進步為基因的功能研究提供了更新、更快、更準確的技術手段。
　　相比于基因組，蛋白質組是更加復雜，更具有挑戰性，更迫切需要生物信息學提供大量有序的數據。因此，發展生物信息學對蛋白質組學的數據進行搜選、處理和應用必將成為現代生物信息學發展的必然趨勢。
　　2蛋白質組學研究技術的應用
　　2.1蛋白質組學在轉基因研究上的應用
　　前文介紹了蛋白質組學研究的幾類技術手段，事實上這幾類技術也能為研究轉基因做出貢獻。例如傳統的轉基因生物檢測無法系統地了解蛋白質變化，但利用蛋白質雙向電泳技術再結合蛋白質質譜就可以很好的避免這個缺陷，從而精確地確定外源基因對受體生物蛋白質表達的影響。利用無標記分子互作分析傳感技術，再結合蛋白質色譜分離和質譜鑒定技術，就可以避免傳統的轉基因生物檢測過程中無法完成的生物分子無標記快速檢測和互作分析的缺陷，滿足快速、高通量分析轉基因生物目標蛋白或抗體結合蛋白的需求。借助先進的蛋白質組學技術可以構建基于蛋白質的轉基因生物新檢測評價和研究技術體系，從而實現對轉基因生物蛋白質變化情況的深入了解和對大量樣本轉基因生物目標蛋白質的精準、高通量和無標記檢測，以及實現無需抗體和純化蛋白直接對轉基因生物所有目標基因表達蛋白質的快速精確檢測。
　　2.2蛋白質組學在生物醫學上的應用
　　蛋白質組學技術在生物醫學上最重要的是通過比較發病機體與正常機體的蛋白質變化，從而尋找新的疾病標志物，進而可以設計治療疾病的新藥物。
　　雖然，基因是控制機體的一系列的生命活動，也決定了機體的潛在表型，但是蛋白質才是生命活動的執行體。現在人體的許多疾病，包括遺傳性的疾病和非遺傳性的疾病，如癌癥、心腦血管疾病都可以通過蛋白質組學的方法去研究。
　　在所有疾病中，最讓人類頭疼的非癌癥莫屬，對于癌癥的蛋白質組學研究的主要包括對癌變機體的全蛋白質研究以及對特異蛋白的分析。對全蛋白進行分析有利于對腫瘤進行系統的分析，從而可以改進癌癥的診斷和治療;而對特異蛋白的研究有利于發現新的特異性生物標記物。蛋白質組學在各種不同類型的癌癥研究中發現腫瘤標志蛋白，從而實現診斷和治療，如色素瘤、肺癌、肝癌、膀胱癌，腎癌等多種常見癌癥的研究。
　　2.3蛋白質組學在其他方面的應用
　　當然，蛋白質組學并不是只有在生物信息學、轉基因的研究和檢測、生物醫學上可以被應用，蛋白質組學與它的技術經過這幾年的發展和研究，在農作物品種鑒定，新藥開發，微生物等領域都得到廣泛的應用。我們甚至可以將用來研究蛋白質組學的技術來研究其他難題。
　　3對蛋白質組學研究的未來展望
　　雖然蛋白質組學技術已經有了很大的進步，但目前的蛋白質組學研究手段尚存在很多的不足。具體表現在：
　?。?）蛋白質組學實驗的分辨率及鑒定能力還需進一步提高。
　?。?）對疏水性較強，分子量較小或較大，酸堿性較強的蛋白進行研究困難較大。
　　（3）蛋白質雙向電泳分離蛋白后，對于膠上蛋白質的回收還需有較大的改進與提高。
　　因此簡化實驗儀器的操作，使得整個實驗能進行自動化、快速分析才是蛋白質組學研究的未來方向。蛋白質組的研究已開辟了一個廣闊而重大的生命科學的嶄新領域，其研究成果勢必會大大豐富基因組計劃的研究結果，并將使人類對生命的本質及其發生發展過程的認識到達一個前所未有的高度。
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