蛋白质组学

[原创]蛋白质组学研究概论

内容提要:1994年,澳大利亚Macquarie大学的Wilkins和Williams首先提出了蛋白质组(Proteome)的概念,它源于蛋白质(protein)与基因组(genome)两个词的杂合,定义为一个基因组所表达的蛋白质。通过研究这些蛋白的全部形式和活性,以及它们如何在生物体发育或对疾病应答反应中的变化,可以促进我们对系统水平的细胞行为的认识。同时,通过鉴定新的药物的靶分子和发展新的诊断标记,临床研究也有望受益于蛋白质组学的研究[1]。蛋白质组学的研究内容包括:1.蛋白质鉴定;2.翻译后修饰;3.蛋白质功能确定;4.医学蛋白质组学。目前研究蛋白质组的主要技术包括:激光显微捕获(LCM)-二维电泳(2D)-质谱(MS)的技术路线、LCM-蛋白抗体芯片技术路线、同位素标记亲和标签技术(Isotope Coded Affinity Tags, ICAT)、数据库设置与检索系统等。
在此,本文介绍了蛋白组学一些基本概念和蛋白质学在疾病治疗中的应用。
1.引言
人类基因组计划的实施已取得了巨大的成绩,一些低等生物和高等生物的DNA全序列已被测出,人类3%左右DNA的序列也已测定,迄今已测定的表达序列标签(EST)已大体涵盖人类的所有基因,生物学家们的研究重心已经从解释生命的所有遗传信息转移到在整体水平上对生物功能的研究,生命科学也随之进入了后基因组时代。人们对基因功能认识之迫切,促使产生了DNA芯片(DNA chip)、基因表达序列分析(Serial analysis of gene expression, SAGE)等高通量实验技术,尽管如此,还是难于从整体水平上对基因的活动规律进行阐明,因为生物功能的主要体现者是蛋白质。
目前功能基因组中所采用的策略,都是从细胞中mRNA的角度来考虑的,其前提是细胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平。但事实并不完全如此,从DNA-mRNA-蛋白质,存在三个层次的调控,即转录水平调控(Transcriptional control ),翻译水平调控(Translational control),翻译后水平调控(Post-translational control )。从mRNA角度考虑,实际上仅包括了转录水平调控,并不能全面代表蛋白质表达水平。实验也证明,组织中mRNA丰度与蛋白质丰度的相关性并不好,尤其对于低丰度蛋白质来说,相关性更差。更重要的是,蛋白质复杂的翻译后修饰、蛋白质的亚细胞定位或迁移、蛋白质-蛋白质相互作用等则几乎无法从mRNA水平来判断[1曾嵘. 夏其昌]。正是因为基因组学()有这样的局限性,上世纪90年代中期,在人类基因组计划研究发展及功能基因组学的基础上,国际上萌发产生了一门在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律的新兴学科-蛋白质组学(Proteomics),它以蛋白质组(Proteome)为研究对象,促使人们从整体水平上探讨细胞蛋白质的组成及其活动规律。
2、蛋白质组研究的兴起
1860年,Friedrich Miescher证实了细胞核中的某些核酸和蛋白质并不是遗传物质。
1940年,Beadle和Tatum把基因与其特定表达的蛋白产物联系起来,提出了一个基因-一个蛋白的概念。
1953年,Watson和Crick阐明DNA双螺旋结构。
1956年,Smithies和Poulik结合纸电泳和淀粉凝胶电泳分离血清蛋白质。
1961年,伴随mRNA的发现、遗传密码的破译和对蛋白合成中基因调控原理的阐明,定义了基因表达的最新概念。
1967年,Edman和Begg对蛋白质序列作出定义并完成自动化测序工作。
1970年,Kenrick和Margolis发明等电聚焦电泳和梯度凝胶电泳,双向凝胶电泳(two-dimensional gel electrophoresis,2-DE)的真正开始。
1972年,Bernstein等建立了拥有精选10个蛋白质结构晶体衍射图谱的蛋白质数据银行。
1975年,O.Farrel和Klose各自创建的蛋白质高分辨双向凝胶电泳。O.Farrel对大肠杆菌细胞抽提物双向电泳后,分离到1100个蛋白质组分,科学家就萌发了测定一个有机体的基因组所表达的全部蛋白质的设想,从此拉开了蛋白质组研究的序幕。
1981年,Anderson等发展了2-DE,使2-D PAGE成为药理学研究的核心方法。
1982年,Anderson提出构建人类蛋白质组的蓝图。
1986年,Roderick创造了""一词并将它作为某杂志的名称,次年出版。同年,瑞士的日内瓦大学成立了第一个蛋白质序列数据库。
1987年,成立了第一个蛋白质组公司,即大规模生物公司(Large Scale Biology Corpora)
1995年,Wilkins对“蛋白质组”作出定义,发表在1995年7月的Electrophoresis杂志上。1997年,他出版了第一本关于蛋白质组学的书。
1996年,澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中心:Australia Proteome Analysis Facility ( APAF )。
1999年,荷兰的Utrecht大学授予蛋白质组学教授头衔的第一人Humphery-Smith。
2000年3月发表了一个完整的生物体的全部蛋白质组,即genitalium支原体细菌的蛋白质组。
2001年,人类基因组测序完成,同年4月,在美国成立了国际人类蛋白质组研究学会(Human Proteome Organization, HUPO)。
2002年,在法国召开第一届人类蛋白质组研究学会年会,2004年10月将在中国北京召开的三届蛋白质组学会年会。
3、蛋白质学研究的技术路线
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