蛋白质组学

蛋白质组学(Proteomics)

90年代初期开始实施的人类基因组计划,在经过各国科学家近10年的努力下,已经取得了巨大的成就。不仅完成了十余种模式生物(从大肠杆菌、酿酒酵母到线虫)基因组全序列的测定工作,还有望在2003年提前完成人类所有基因的全序列测定。

那么,知道了人类的全部遗传MM即基因组序列,就可以任意控制人的生老病死吗?其实并不是这么简单。基因组学(genomics)虽然在基因活性和疾病的相关性方面为人类提供了有力根据,但实际上大部分疾病并不是因为基因改变所造成。

并且,基因的表达方式错综复杂,同样的一个基因在不同条件、不同时期可能会起到完全不同的作用。关于这些方面的问题,基因组学是无法回答的。所以,随着人类基因组计划的逐步完成,科学家们又进一步提出了后基因组计划,蛋白质组(proteome)研究是其中一个很重要的内容。

那么,基因组和蛋白质组到底有什么联系?我们可以这样理解生命,遗传信息从DNA(基因)转变为一种被称作mRNA的中间转载体,然后再合成各式各样的结构蛋白质和功能蛋白质,构成一种有机体,完成生命的功能。基因→ mRNA→蛋白质,三位一体,构成了遗传信息的流程图,这即是传统的中心法则。

现在已经证明,一个基因并不只存在一个相应的蛋白质,可能会有几个,甚至几十个。什么情况下会有什么样的蛋白,这不仅决定于基因,还与机体所处的周围环境以及机体本身的生理状态有关。并且,基因也不能直接决定一个功能蛋白。

实际上,往往是通过基因的转录、表达产生一个蛋白质前体,在此基础上再进行加工、修饰,才成为一个具生物活性的蛋白质。这样的蛋白质还通过一系列的运输过程,到组织细胞内适当的位置才能发挥正常的生理作用。基因不能完全决定这样的蛋白质后期加工、修饰以及转运定位的全过程。

而且,这些过程中的任何一个步骤发生微细的差错即可导致机体的疾病。纽约Rockefeller大学的细胞和分子生物学家Günter Blobel博士就是因其“蛋白质内在的信号分子活性,调节自身的细胞内转运和定位”研究上的卓越成就,获得了1999年诺贝尔医学奖和生理学奖。

近些年来人们又发现蛋白质间亦存在类似于mRNA分子内的剪切、拼接,具有自身特有的活动规律。这种自主性不能从其基因编码序列中预测,而只能通过对其最终的功能蛋白进行分析。因此说,基因虽是遗传信息的源头,而功能性蛋白是基因功能的执行体。

基因组计划的实现固然为生物有机体全体基因序列的确定、为未来生命科学研究奠定了坚实的基础,但是它并不能提供认识各种生命活动直接的分子基础,其间必须研究生命活动的执行体-蛋白质这一重要环节。蛋白质组学(proteomics)研究即旨在解决这一问题。

蛋白质组(proteome)一词,源于蛋白质(protein)与 基因组(genome)两个词的杂合,意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”,即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础,也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。

通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析,我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”,它们可成为新药物设计的分子靶点,或者也会为疾病的早期诊断提供分子标志。确实,那些世界范围内销路最好的药物本身是蛋白质或其作用靶点为某种蛋白质分子。

因此,蛋白质组学研究不仅是探索生命奥秘的必须工作,也能为人类健康事业带来巨大的利益。

与基因重组、表达、序列分析的快速、自动化程度相比,到最近为止,机体组织细胞内蛋白质的序列分析只是实验室小规模研究项目。随着对生物学、物理、化学及信息学的各种尖端技术的综合应用,蛋白质组研究也正逐步变成高产量、高精确度的分析过程。

现今,蛋白质组研究中主要应用的技术包括:双相电泳(2-DE)、新型质谱(MS)技术、数据库设置与检索系统等。为了保证分析过程的精确性和重复性,大规模样品处理机器人也被应用。

整个研究过程包括:样品处理、蛋白质的分离、蛋白质丰度分析、蛋白质鉴定等步骤。当前,蛋白质组分析虽然以双相电泳和质谱分析为其技术基础,但离不开各种先进的数据分析和图象分析软件及网络技术的支持。

自1995年蛋白质组(proteome)一词问世到现在,虽然只有短短的五年多时间,蛋白质组学研究却得到了突飞猛进的发展。

1995年,悉尼大学Humphery Smith I实验室与Williams等4家实验室合作,对至今已知最小的自我复制生物(一种支原体)进行了蛋白质成分的大规模分离与鉴定后,到1996年,蛋白质组研究对象已迅速扩展到单细胞真核生物-酵母以及人体正常组织、病理标本等。

参与国家在1995年只有澳大利亚,而到1997年时已有美国、丹麦、瑞士、英、法、日、瑞典、意、德等10个国家加入。国际著名学府哈佛、斯坦福、耶鲁、密执安、华盛顿大学、欧洲分子生物学实验室、巴士德研究所、瑞士联邦工业学院等均挤身此类研究。

如今澳大利亚悉尼大学与Macquarie大学仍处领先水平,但美欧多家实验室已奋起直追。

不过,蛋白质组学为一种新生领域,目前还处于初期发展阶段,仍有许多困难有待克服。如双相电泳和质谱分析的灵敏度还很难将体内微量的调节蛋白质精确分析。而这种微量调控蛋白的精确表达在生命过程中起到关键性作用。

另外,当前质谱分析仪的价格十分昂贵,约为DNA序列分析仪的十倍之多,严重影响了它的普及和被广泛应用。再者,成千上万种蛋白质间及蛋白质与其它生物大分子间的相互作用和作用方式的复杂性同样也是蛋白质组研究所面临的问题。

近年来,我国的人类基因组研究正在迅速开展,并取得了许多有意义的成果。我国曾有很好基础的蛋白质领域方面的研究,如人工合成胰岛素等。然而,蛋白质组研究在国际上正如火如荼、轰轰烈烈,我国则刚启动。

如何抓住国际上蛋白质组学研究刚刚启动的时机,迅速地进入到蛋白质组学的国际前沿,是摆在我国生命科学研究发展方向决策中的一个重要问题。

生命科学的最前沿──蛋白质组学研究开始在我国启动,由中国科学院上海生物化学研究所、上海生理研究所、中国科技大学等多家单位联合组成的课题组,目前已通过国家自然科学基金委员会的专家评审。

有关专家指出,这一全新研究领域的启动,必将对我国下一世纪生命科学的发展产生重大影响。

蛋白质是生命功能的主要体现者,拥有自身特有的活动规律,这些活动规律尚不能从基因组水平获知。为了充分了解和全面认识生命活动的奥秘,90年代中期,在人类基因组研究计划的基础上,萌发了一门新兴的学科──蛋白质组学,即从蛋白质组的水平进一步认识生命活动的机理和疾病发生的分子机制。

蛋白质组概念自提出以来仅3年时间,目前已引起世界各国科学家的高度重视,美、英、日、澳等发达国家已纷纷组建了蛋白质组研究中心,许多大制药厂看到这一研究领域的潜在应用价值,也纷纷投入巨资,并已开始进行环境变化、病毒感染、药物应用等对细胞作用的研究。

科学家们预测,随着人类基因组全部测序工作的完成,21世纪生命科学的研究重心将从基因组学转移到蛋白质组学,生命科学领域内一个崭新的时代──蛋白质组时代即将开始。

我国在蛋白质科学研究领域有较好的基础,近年来,在人类基因组计划、新生肽链和蛋白质折叠、脑的功能原理和分子基础的研究等方面,均取得了一些有意义的、具有国际水平的成果。

作为我国生命科学领域一流的研究机构之一,中科院上海生化所在基因和蛋白质(酶)的结构和功能研究领域有较强的基础和实力,曾取得牛胰岛素的二硫键重组的化学合成的重大成果。该研究所此次承担了蛋白质组学研究中的主要任务,并于去年先后召开了两次有关蛋白质组的中外专家学术研究会。

目前,中科院上海生化所已全面展开了前期的研究工作,以率先建立这一生命科学最新领域的研究体系,探索分析方法,筛选研究对象,并取得初步进展。

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