蛋白质组学复习资料

蛋白质组学学习纲要

讲授内容

人类基因组序列（human genome project, HGP）揭示基因组的精细结构，显示了基因数量有限性和基因结构的相对稳定性，与生命现象的复杂性和多变性之间存在着巨大反差。促使人们认识到：基因只是遗传信息的载体。

基因组学在基因活性和疾病的相关性方面为人类提供了有力根据, 但是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。因此研究生命现象，阐释生命活动的规律，只了解基因组的结构是不够的，还须对生命活动的直接执行者——蛋白质进行更深入的探讨。事实上对蛋白质的数量、结构、性质、相互关系和生物学功能进行全面深入的研究已成为生命科学研究的迫切需要和重要任务。以“蛋白质组”（proteome）为研究对象的生命科学新时代已经到来。

第一节蛋白质组学的概念及其发展史

一、蛋白质组学的概念

蛋白质组是澳大利亚学者Williams和Wilkins于1994年首先提出, 源于蛋白质（protein）与基因组（genome）两个词的杂合，指“一个细胞或一个组织基因组所表达的全部蛋白质”。是对应于一个基因组的所有蛋白质构成的整体，而不是局限于一个或几个蛋白质。

同一基因组在不同细胞、不同组织中的表达情况各不相同，即使是同一细胞，在不同的发育阶段、不同的生理条件甚至不同的环境影

响下，其蛋白质的存在状态也不相同。因此，蛋白质组是一个在空间和时间上动态变化着的整体。而蛋白质组学(proteomics)是指应用各种技术手段来研究蛋白质组的一门新兴科学，其目的是从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成成份、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律。

研究内容主要包括：了解某种特定的细胞、组织或器官制造的蛋白质种类；明确各种蛋白质分子是如何形成类似于电路的网络的；描绘蛋白质的精确三维结构，揭示其结构上的关键部位——与药物结合并且决定其活性的部位。蛋白质组概念的提出标志着生命科学的一个崭新时代——蛋白质组时代已经开始，它是继基因组研究之后的又一“大学科”。即以蛋白质组为研究对象，在蛋白质多肽谱和基因产物图谱技术的基础上发展起来的一门科学，是通过对基因表达产物——蛋白质进行整体、动态、定量水平上的研究来阐述环境、疾病、药物等对细胞代谢的影响，并分析其主要作用机理、解释基因表达调节的主要方式。

要对“全部蛋白质” 进行研究是非常困难的，功能蛋白质组学的提出解决了这一难题，其研究对象是功能蛋白质组，即细胞在一定阶段或与某一生理现象相关的所有蛋白质，它是介于对个别蛋白质的传统蛋白质化学研究和以全部蛋白质为研究对象的蛋白质组学研究之间的层次，并把目标定位在蛋白质群体上，这一群体可大可小，从局部入手研究蛋白质组的各个功能亚群体，以便把多个亚群体组合起来，逐步描绘出接近于生命细胞的“全部蛋白质”的蛋白质组图谱。

功能蛋白质组学从理论和技术上使以“全部蛋白质”为研究对象的蛋白质组学更具体化，更易于从时、空、量效方面动态、整体、深入地研究生理状态下同一组织细胞在不同发育阶段或同一组织细胞在不同个体间或同一基因组在不同组织细胞间，以及病理情况下同一疾病的不同发展阶段的蛋白质表达模式和功能模式的变化，揭示一些重要的生命现象和一些重大疾病的发生发展规律。

二、蛋白质组学的产生与发展

20世纪中期以来，随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质空间结构的X射线解析，开始了分子生物学时代，对遗传信息载体DNA 和生命功能的主要体现者蛋白质的研究，成为生命科学研究的主要内容。90年代初期，美国生物学家提出并实施了人类基因组计划，经过各国科学家多年的努力，人类基因组计划取得了巨大成绩，一些低等生物的DNA序列已被阐明，人类DNA序列的框架图已经测定，迄今已测定的表达序列标签（EST）几乎覆盖了人类所有基因。在这样的形势下，生命科学已进入了后基因组时代。在后基因组时代，生物学研究的重点已从揭示生命所有遗传信息转移到在整体水平上对生物功能的研究。这种转向的第一个标志就是产生了一门称为功能基因组学的新科学。功能基因组学的主要任务是解析和综合大量的遗传信息，阐明基因遗传信息与人类生命活动之间的联系。基因的功能是通过其产物—mRNA和蛋白质来体现的。近年来利用基因表达系列分析（serial analysis of gene expression，SAGE）、微阵列（microarray）和DNA芯片（chip）等新技术研究mRNA水平上的基因活动规律取

得了较大进展。但mRNA水平的基因表达状况并不能完全代表蛋白质水平的状况，mRNA与蛋白质间的相关系数仅为0.4～0.5，蛋白质才是生命功能的主要执行者，它存在着翻译后的加工修饰、转移定位、构象变化、蛋白质与蛋白质及蛋白质与其它生物大分子相互作用等自身特点，难以从DNA和mRNA水平得到解答，从而促使人们从组织或细胞内整体蛋白质的组成、表达和功能模式去研究生命活动的基本规律。

自“蛋白质组”概念提出并开始从整体蛋白质水平研究生命现象以来，蛋白质组研究在国际上进展十分迅速。不论是基础理论，还是技术方法，都在不断地进步和完善。许多种细胞的蛋白质组数据库已经建立，相应的国际互联网站也层出不穷，众多的制药厂和公司在巨大财力的支持和商业利益的诱惑下纷纷加入蛋白质组研究领域，蛋白质组研究的文章每年成倍增长。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），得到了政府部门的大力支持。同年丹麦、加拿大也先后成立了国家蛋白质组研究中心，随后美国、丹麦、瑞士、瑞典、英国、法国、意大利、日本和德国等也加入了蛋白质组研究行列。国际著名学府如哈佛、斯坦福、耶鲁、密西根、华盛顿大学、欧洲分子生物学实验室、巴士德研究所、瑞士联邦工业学院均挤身此类研究。如美国国立癌症研究院（NCI）投资1 000万美元建立肺、直肠、乳腺、卵巢肿瘤的蛋白质组数据库。NCI和FDA共同投资数百万美元建立癌症不同阶段的蛋白质组数据库。英国建立三个蛋白质组研究中心对已完成或即将完