维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第１期 明胶科学与技术 Ｖｄ．２８．Ｎｏ．１ ２００８年３月 Ｔｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆＧｅｌａｔｉｎ Ｍａｒ．２Ｏ０８． ８ 综述评论 墨 ０一。皂 ， ‘ — 蛋白质组学研究相关技术与应用 金锋 北京化工大学，北京１００（／２９ 摘要：蛋白质组学是以生物体系整体蛋白质为 （ｐｒｏｔｅｉｎ）与基因组（ｇｅｎｏｍｅ）两个词的结合，最 研究对象的新的研究领域。近年来，蛋白质组 早由澳大利亚学者Ｗｉｌｋｉｎｓ和Ｗｉｌｌｉａｎ等人于 学研究取得了令人鼓舞的进展，一些新技术也 １９９４年提出，是指基因组所表达的全部蛋白 得到迅猛的发展和改进。本文简单地介绍了 质。它与基因组相对应，也是一个整体的概 蛋白质组学相关技术的研究以及应用。 念。从这个定义上来看，蛋白质组内蛋白质 的数目应该等于基因组内编码蛋白质的基因 关键词：蛋白质组学；双向凝胶电泳；毛细管电 （准确地说应为开放阅读框，ＯＲＦ）的数目，但 泳；蛋白质芯片；生物信息学 在生物体内这样的蛋白质组是不存在的 。 蛋白质组学就是研究细胞内全部蛋白质 随着人类基因组测序计划的完成，生命科 的组成及其活动规律。与以往蛋白质化学的 学的重心开始转移到对基因的表达产物—一 研究不同，蛋白质组研究的对象不是单一或少 蛋白质的研究上来，蛋白质组学遂成为后基因 数的蛋白质，它着重的是全面性和整体性，需 时代的研究前沿和热点领域。 要获得体系内所有蛋白质组分的物理、化学及 因为蛋白质是基因功能活动的最终执行 生物学参数，如分子质量、等电点、表达量等， 者，是生命现象复杂性和多变性的直接体现 以及细胞内蛋白质之间的相互作用。主要在 者，因此人类要揭示整个生命活动的规律，就 整体水平上研究细胞内蛋白质的组成、结构及 必须研究基因的产物一一蛋白质，从基因水平 其活动规律。它旨在阐明生物体全部蛋白质 向蛋白质水平的深化成为了生物学研究发展 的表达模式及功能模式，其内容包括蛋白质的 的必然趋势。蛋白质具有自身特有的活动规 定性鉴定、定量检测、细胞内定位、相互作用研 律，随着生命活动的进程表现出极其动态的紧 究等，最终揭示蛋白质功能，是基因组ＤＮＡ序 密协调的变化。蛋白质在合成之后具有相对 列与基因功能之间的桥梁。 的修饰、转运和相互间作用能力，同时还 具有对外界因素发生反应的能力。因此，蛋白 ２蛋白质组学的研究意义 质组是一个在空间和时间上动态变化着的整 蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象 体，只有从蛋白质组学的角度对所有蛋白质的 的直接体现者，对蛋白质结构和功能的研究将 总和进行研究，即开展蛋白质组学研究，才能 直接阐明生命在生理或病理条件下的变化机 更加贴近对生命现象和本质的掌握，生命活动 制。蛋白质本身的存在形式和活动规律，仍依 的本质和活动规律才能找到答案Ｈｊ。 赖于直接对蛋白质的研究来解决。但传统的 对单个蛋白质的研究已不能满足后基因组时 １蛋白质组学的概念 代的要求，要对生命的复杂活动有全面深入的 蛋白质组（ｐｒｏｔｅｏｍｅ）一词，源于蛋白质 认识，必然要对蛋白质在整体、动态水平上研 维普资讯 http://www.cqvip.com
・２ ・ 明胶科学与技术 ２ＯＯ８年３月 究，而蛋白质组学就是以细胞内全部蛋白质的 应样品中表达。由于使用相同的内标并在同 存在及其活动为研究对象。可以说蛋白质组 一块胶内分离，可避免使用不同凝胶时操作上 研究的开展不仅是生命科学研究进入后基因 的偶然误差和不平行性，消除了胶间差异，可 组时代的里程碑，也是后基因组时代生命科学 以准确地检测出两个不同样品蛋白表达上的 研究的核心内容之一。 ３蛋白质组学的研究技术 蛋白质组学研究主要依赖于４大技术：蛋 白质分离技术、蛋白质鉴定技术、蛋白质相互 电泳凝胶图谱，以及数据库的构建与搜索）。 ３．１蛋白质分离技术 双向凝胶电泳 差异，并保证了统计学上的可靠性及操作上的 可重复性。此法简单易行，灵敏度及效率均较 常规２Ｄ—ＰＡＧＥ高。 毛细管电泳（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，ＣＥ） ＣＥ技术是在高电场强度作用下，对毛细 电荷、电泳迁移率等差异进行有效分离，主要 作用分析及生物信息学（包括构建、分析双向 管（内径５ １０ｔｎｎ）中的待测样品按分子质量、 包括毛细管区带电泳（ＣＺＥ，依据不同蛋白质 的电荷质量比差异进行分离）、毛细管等电聚 双向聚丙烯酰胺凝胶电泳 （２Ｄ—ＰＡＧＥ） 焦（ＣＩＥＦ，依据蛋白质等电点不同在毛细管内 对蛋白质进行分离的原理是：第一向进行等电 形成ｐＨ梯度实现分离）以及筛板一ＳＤＳ毛细 聚焦，蛋白质沿ｐＨ梯度进行分离，至各自的 管电泳（依据ＳＤＳ一蛋白质复合物在网状骨架 等电点；再根据分子量的不同，在第一向基础 中迁移速率的不同而实现分离）等技术。ＣＥ 上．通过聚丙烯酰胺垂直的方向电泳进行分 技术对蛋白质的分离可实现在线自动分析，并 离。但目前该系统还面临着一些方法学上的 可用于分子量范围不适于２Ｄ—ＰＡＧＥ的样品， 问题：疏水性蛋白（如膜蛋白）难溶于样品缓冲 但也存在对复杂样品分离不完全的缺点 Ｊ。 液；高分子量蛋白、极酸和极碱性蛋白易在电 ３．２蛋白质鉴定技术 泳中丢失；低拷贝（拷贝数小于１０００）蛋白无 质谱技术 的基本原理是样品分子离子 法检测等。２Ｄ—ＰＡＧＥ是蛋白质组学研究的 化后，根据不同离子间荷质比（ｍ／ｅ）的差异来 关键技术，而双向荧光差异凝胶电泳（２Ｄ— 分离并确定分子量。传统的质谱技术在应用 ＤＩＧＥ）则在其基础上做了重大的改进。２Ｄ— 方面有很大局限性，但在８０年代早期出现的 ＤＩＧＥ在分离蛋白前，先用荧光素将蛋白样本 两种新的离子 技术，使质谱从仅能分析小分 作上标记，分离后再用质谱进行分析，这种方 子挥发物质到可以研究生物大分子。８０年代 法可以对实验组和对照组的蛋白质的表达进 末又发明了两种更新的离子化技术，一种是介 行精确且可重复的定时分析。２一ＤＩＣＥ获得 质辅助的激光解吸离子化（ＭＡＬＤＩ），另一种是 的数据可以用专门的系统管理。如ＰＡＲＩＳ系 电喷雾离子化（ＥＳＩ）。这些技术能快速而极为 统，它储存了电泳图像和信息，供研究者搜索 准确地测定生物大分子的分子量，再结合各种 及应用。 Ｄ ＧＥ ） ．．．．．．新的质谱分析技术，便可以在各种水平上研究 白质组研究从蛋白质深入到高级结构研究，以 差异凝胶电泳（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｉ ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅ． 蛋白质，为蛋白质研究开辟了新的道路，使蛋 ｓｉｓ，差异凝胶电泳 应用两种不同的荧光染 及可以对各种蛋白质之间的相互作用进行更 料分别标记不同的蛋白质样品后等量混合， 为深入的研究。 ２Ｄ—ＤＧＥ后置于荧光显微镜下观察，如同一 另外，对于蛋白质和多肽研究，质谱的发 斑点可见两种荧光即说明此蛋白质可同时在 展还有一个重要的用途是肽的测序，这是采用 两种样品中表达；反之，则说明蛋白质只在相 串联质谱（Ｔａｎｄｅｍ—ＭＳ），即在第一级质谱得 维普资讯 http://www.cqvip.com
第２８卷第１期 金锋：蛋白质组学研究相关技术与应用 。３。 到肽的分子离子，选取目标肽的离子作为母离 平上筛选基因的多态性，有效地将基因与蛋白 子，与惰性气体碰撞，使肽链中的肽键断裂，形 质结合起来。成一系列离子，即Ｎ末端碎片离子系列（Ｂ系 列）和Ｃ末端碎片离子系列（Ｙ系列），将这些 蛋白质芯片（ｐｒｏｔｅｉｎ ｃｈｉｐ） 蛋白质芯片－８ 是高通量、微型化且自动化 碎片离子系列综合分析，可得出肽段的氨基酸 的抗体与蛋白质阵列技术，能够快速、高效、平 序列。最近， ｈＴｌ等应用纳喷串联质谱能在 行、高通量地分析蛋白质组，并能鉴定蛋白质 较低的ｆｍｏｌ量上测得肽段序列。在ＭＡＬ１）Ｉ— 之间或蛋白质与磷脂之间、与药物等小分子之 ＭＳ方面，近年来可用源后衰变一基质辅助激 间的相互作用，甚至还能鉴定酶与底物之间的 光解吸离子化质谱（ｐｏｓｔ—ＳＯＵｌ￣ｅ ｄｅｃａｙ ＭＡＬＤＩ 相互作用，是蛋白质组学研究比较有发展潜力 —ＭＳ，ＰＳＤ—ＭＡＬＤＩ—ＭＳ）技术测得肽序列。 的技术之一。根据研究目的的不同，探针蛋白 另外，Ｃｈａｔｉ等发展一种称为“ｐｒｏｔｅｉｎ ｌａｄｄｅｒ 可选用具有高度特异性、亲和性和生物活性的 ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ”的方法，通过对Ｅｄｍａｎ降解法的修 蛋白质，如抗原、抗体、受体或酶等。当前，蛋 改，产生一系列截去Ｎ端残基的肽段，用 白质芯片主要包括３种形式，即普通玻璃载玻 ＭＡＬＤＩ—ＭＳ测得这些肽段的质量，从而推测 片、多孔凝胶覆盖芯片及微孔芯片。其中以微 Ｎ端序列。Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ等利用羧肽酶Ｙ酶解法 孔芯片的灵敏度最高且蛋白质的用量少，理论 并结合ＭＡＬＤＩ—ＴＯＦ—ＭＳ质量分析法同样测 上可以平行地分析１０ ０００～１０ｏ ０００种生化反 得了Ｃ端的肽序列。Ｍａｎｎ等用串联质谱技术 应。目前蛋白质芯片技术在寻找差异表达蛋 分析肽段可得到这样的信息：Ｎ端质量、Ｃ端 白时还存在着一些局限性：①待检低丰度蛋白 质量和中间少数几个残基的序列，称为“肽序 往往被高丰度蛋白掩盖而无法检测到；②目前 列标记”（ｐｅｐｔｉｄｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｔａｇ ＰＳＴ），并认为这 只对占总蛋白一小部分的小分子量（１０—３０） 样的标记比部分肽序列信息在查库时更具限 ｘ １０３Ｄａ蛋白有效。此外，要保持芯片上所有 制性。 蛋白质的活性及构象，模拟体内蛋白质与其他 质谱有不少优点，还能用于翻译后修饰的 生物大分子的相互作用，并能准确地反映出不 分析（糖基化、磷酰化），但目前只适用于２０个 同状态下胞内蛋白质量的变化，都还有待于技 氨基酸以下的肽段。此外，还存在固有的局限 术上取得重大突破。 性，比如ｌｉｅ、Ｌｙｓ和Ｇｉｎ不能区分，有些肽的固 ３．４生物信息学 有序列不能用质谱法测定。 生物信息学是在生命科学、计算机科学和 ３．３蛋白质相互作用分析 数学的基础上逐步发展而形成的一门新兴交 生物传感芯片（ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｃｈｉｐ）质谱 叉学科，是以理解各种数据的生物学意义为目 生物传感芯片质谱－７ 是生物分子相互作 的，运用数学与计算机科学手段进行生物信息 用分析技术（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ， 的收集、加工、存储、传播、分析与解析的科 Ｂｉａ）与ＭＡＬＤＩ—ＴＯＦ—ＭＳ有机结合的产物， 学－９ 。生物信息学在基因组学和蛋白质组学 核心为一小块由金黄色玻璃底物构成的生物 的研究中起到了特殊的重要作用，因为基因组 传感芯片。在ＢＩＡ中，可溶性蛋白质与结合在 和蛋白质组研究提供的数据的数量之巨大在 芯片表面的相应固定生物分子一受体相结合 生物学史上是史无前例的。而且，蛋白质组比 而滞留在芯片上，再与加入的基质结合而与受 基因组具有更大的复杂性，因而蛋白质组信息 体分子解离，即可进行ＭＡＬＤＩ—ＴＯＦ—ＭＳ检 学更有挑战性。在后基因组时代，生物信息学 测，极大地提高了检测的灵敏度与自动化程 的研究内容已经从对基因组和蛋白质组数据 度。多用于筛选功能性蛋白质和在蛋白质水 的高效分析，转移到比较基因组学、代谢网络 维普资讯 http://www.cqvip.com
・ｄ・ 明胶科学与技术 ２００８年３月 分析、基因表达谱网络分析、蛋白质结构与功 发现了一个２８ｋＤａ的特异蛋白质（ｃａｌｂｉｎｄｉｎ— 能分析，以及药物靶点筛选等，分别与功能基 Ｄ）表达减少。现在已经证明，环孢素Ａ的毒 因组、蛋白质组、结构基因组等研究领域互相 性与这种参与该粒子结合及运转的蛋白质减 配合、紧密相关，成为目前极其热门的系统生 少有关。物学研究的重要基石［ 。 ５展望 ４蛋白质组学研究的应用 随着研究技术的日益成熟，蛋白质组学在 ４．１ 蛋白质组学在医学中的应用 揭示诸如生长、发育和代谢等生命活动规 运用蛋白质组学研究手段，通过比较正常 律方面已有所突破，在生命科学领域、疾病基 和病理情况下细胞或组织中蛋白质在表达数 因组研究和新药开发、药物毒理学等方面的研 量、表达位置和修饰状态上的差异，可以发现 究应用也越来越广泛。我们有理由相信，随着 与病理改变有关的蛋白质和疾病特异性蛋白 基因组研究的进一步拓展，蛋白质研究数据的 质．这些蛋白质既可为疾病发病机制提供线 不断积累，尤其是随着新技术方法的不断突破 索，也可作为疾病诊断的分子标记，还可作为 和生物信息学工具的日益完善，蛋白质组学作 治疗和药物开发的靶标，其中肿瘤 “是蛋白 为跨越基因组与临床应用之间鸿沟的桥梁，必 质组研究应用最为广泛的领域。肿瘤蛋白质 将取得突飞猛进的发展，相信随着全世界生命 组学研究近年已开始启动，如对鼻咽癌、膀胱 科学研究的持续快速发展，蛋白质组学及其研 癌、乳腺癌、。肾癌、肺癌、卵巢癌、前列腺癌、肝 究技术必将成为２ｌ世纪的核心学科之一，并 癌等多种实体肿瘤和血液系统肿瘤，国内外均 将切实而广泛地对人类生活带来巨大影响，为 进行ｒ一定的研究，并取得了一些有意义的结 人类进步和发展做出更大的贡献¨ 。 果。 ４．２蛋白质组学在药物学中的应用 参考文献 由于各种疾病的发生和药物治疗靶点大 １张宏一．蛋白质组学研究技术及其进展．生 多数是在蛋白质（酶、受体及信号转导蛋白）水 物技术通报２ｏｏ５，４：３ｌ 平，蛋白质组学在寻找有效的药物靶点及新药 ２焦炳华，孙树汉主编．现代生物工程．北京： 开发方面有广 泛的应用。通过比较正常状态 科学出版社，２００６ 和疾病状态及药物治疗后细胞内蛋白质表达 ３金宏伟，黄回滨．蛋白质组学研究相关技术 的差异，进行高通量的筛选有可能找到有效的 新进展．国外医学临床生物化学与检验学 药物靶点。蛋白质组学在药物作用方面的应 分册２００５，２６（１２）：９Ｏ９～９１２ 用加速了一些潜在的药物鉴定及改进过 ４ Ｇｏｒｇ，Ａ．，Ｗｅｉｓｓ，Ｗ．，Ｄｕｎｎ，Ｍ．Ｊ．Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｗｏ 程。 。例如，应用蛋白质组技术分析降血脂 —－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ 药物洛伐他汀用药后的蛋白质表达变化，表明 ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ．Ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ ２００４，４（１２）：３６６５～ 洛伐他汀影响了与胆固醇代谢相关的一些蛋 ３６８５ 白质的表达。蛋白质组学的另一应用就是研 ５ Ｇａｒｃｉａ，Ｃａｍｐａｎａ Ａ．Ｍ．，Ｇａｍｉｚ，Ｇｒａｃｉａ Ｌ．， 究药物的毒理作用。Ｓｔｅｉｎｅｒ等通过二维凝胶 Ｂａｅｙｅｎｓ，Ｗ．Ｒ．，ｅｔ ａ１．Ｄｅｒｉｖａｔｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏ． 电泳比较正常’肾脏细胞与环孢素Ａ处理后。肾 ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｆｏｒ ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｅｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ 脏细胞的蛋白质表达丰度变化，来研究环孢素 ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ．Ｊ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．Ｂ Ａｎ— Ａ对小鼠肾脏的毒性作用机制。结果发现，在 ａｌｙｔ．Ｔｅｃｈｎｏ１．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｌｉｆｅ Ｓｃｉ．，２ＯＯ３，７９３ 环孢素Ａ作用后的。肾脏蛋白二维凝胶图谱中 （１）：４９～７４ （下转第２０页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
－２０－ 明胶科学与技术 ２００８年３月 研究结果指出，实验温度为ｌ０℃，胶液浓 高；在胶液浓度为６．６７％时，随着实验温度的 度在４％～９％范围内时，随着胶液浓度的增 升高，勃氏黏度逐渐下降。通过实验我们还发 加．其凝冻强度逐渐升高；当胶液浓度为 现，明胶中的含水量对其凝冻强度、勃氏黏度 ６．６７％时，改变体系温度，随着实验温度的升 会产生一定影响，按绝干胶和按含水量１２％ 高，明胶的凝冻强度逐渐下降。胶液浓度、温 的商品胶配制胶液，测定结果存在一定的偏 度对明胶勃氏黏度的影响规律与其对凝冻强 差。所以，不同方法配制胶液所得的凝冻强 受的影响规律一致。当实验温度为６ｏｃＣｌ时， 度、勃氏黏度结果不可一同比较，应相对。 随着胶液浓度的增加，明胶的勃氏黏度逐渐升 ： 。：…｝一々‘｛一々‘々一‘…Ｌ’‘十‘审・‘争‘牛・午‘寸‘々“ ‘々‘十‘审・‘ ・々‘々’‘争‘ ‘审‘々 争‘夺・々・‘ ‘‘ ，‘ ・辛・ ・々・‘ ・＋・夸・々・ （上接第４页） ６刘维薇，吕元．蛋白质组学研究技术及其临 息学２００４，２（２）：２９ 床应用．中华检验医学杂志，２００４，２７：６２５ １０ Ｅｎｇｌｂｒｅｃｈｔ，Ｃ．Ｃ．，Ｆａｃｉｕｓ，Ａ．Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ ～６２９ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｉｎ ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ．Ｃｏｍｂ Ｃｈｅｍ．Ｈｉｇｈ ７ Ｓｅｏｎｇ，Ｓ．Ｙ．Ｍｉｃｒｏｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｒｏｔｅｉｎ Ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ Ｓｃｒｅｅｎ ２００５，８（８）：７０５ ｃｈｉｐ：ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎｕｎｏｂｉｌｉ．１ｌ王延华，邹晓莉主编．蛋白质理论与技术． ｚａｔｉｏｎ．Ｃｌｉｎ．Ｄｉａｇｎ．Ｌａｂ．１ｍｍ￣ｗ１．２００２，９ 北京：科学出版社，２００５ ｆ ４ ：９２７～９３０ １２程津培．世界前沿科技发展报告．：Ｊ匕京：科 ｝； Ｂｏｇｍｓｋｉ，Ｍ．Ｓ．，Ｍｃｌｎｔｏｓｈ，Ｍ．Ｗ．Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ 学出版社，２００６ ｉｎｆｏｍｍｔｉｃｓ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｏｌｎｉｃｓ．Ｎａｔ￣ｅ ２００３，４２２ １３李喜先．２ｌ世纪１００个交叉科学难题．北 （６９２８）：２３３～２３７ 京：科学出版社，２００５ ９陈铭．后基因组时代的生物信息学．生物信
