第四章 蛋白组学概论及其研究方法
蛋白质组学研究方法与实验方案
蛋白质组学研究方法与实验方案1. 什么是蛋白质组学？好吧，咱们先聊聊什么是蛋白质组学。
想象一下，咱们的身体就像一个精密的机器，每个部件都有它的角色，而这些部件就是蛋白质。
蛋白质组学，简单来说，就是研究这些蛋白质的科学。
通过它，我们能够了解它们的结构、功能，以及它们在身体里是如何相互作用的。
就像侦探破案一样，蛋白质组学帮我们解开生命的奥秘。
真是既神秘又有趣，尤其是当你发现一些小细节时，那种“啊哈！”的感觉，简直让人兴奋得想跳起来！2. 蛋白质组学的研究方法2.1 样本准备首先，样本准备可是一门艺术。
你不能随便拿个东西就往实验室一扔，这样可不行哦！一般来说，样本可能是血液、细胞或者组织。
准备这些样本时，注意卫生和安全，搞得像开派对一样，干净利索才行。
样本收集后，我们需要把它们冷藏，保持它们的新鲜度，毕竟没人想要一份过期的蛋白质套餐，对吧？2.2 蛋白质提取接下来，我们进入蛋白质提取的阶段。
想象一下，像是在厨房里做大餐，首先要把食材准备好。
提取蛋白质就像把牛肉从牛排里切下来，一刀切下去，油油的鲜香就出来了。
我们用各种化学试剂，像是盐酸、乙醇这些，来分离出蛋白质，得小心别让它们变成一团糟。
处理得当，才能确保后面的分析顺利进行。
3. 蛋白质分析3.1 质谱分析然后就是蛋白质分析环节。
这时候，质谱仪就像一位高级侦探，能够识别出蛋白质的身份。
你可以把质谱想象成一个超级厉害的放大镜，它能让我们看到蛋白质的分子量和结构。
分析结果能告诉我们这些蛋白质的种类、数量，甚至还可以了解它们的相互作用。
哇哦，真的是一门高科技的艺术呢！3.2 数据解读最后，我们得对数据进行解读。
就像读一本悬疑小说，刚开始可能没看懂，但越往后看越有趣。
这个过程需要耐心和细心，数据可能会让你感到困惑，但一旦你理解了其中的奥妙，简直就像解开了一个千古之谜。
通过这些数据，我们能够找到疾病的潜在标志物，或者探索新药物的目标，真是让人感到自豪的工作！4. 实验方案小贴士当然啦，在整个实验过程中，有几个小贴士可以帮助你事半功倍。
蛋白质组学研究的主要内容和方法
蛋白质组学研究的主要内容和方法蛋白质组学，听起来好像个高深的学问，实际上呢，它就是研究蛋白质这个“小家伙”的一门学问。
咱们都知道，蛋白质是构成生命的基本单位，没了它，咱们可就没法运转了。
想象一下，蛋白质就像是咱们身体里的小工人，负责着各种各样的任务，比如说修复受损的细胞、推动新陈代谢、甚至调节咱们的情绪。
是的，情绪！那可不是开玩笑的，很多时候，咱们的心情波动跟体内的蛋白质水平有着千丝万缕的关系。
说到蛋白质组学，首先得提到它的主要内容。
它就是要搞清楚各种蛋白质在不同的环境、不同的细胞里是怎么工作的，怎么互相配合的。
想想一场大合唱，歌手们得配合得天衣无缝，才能唱出美妙的旋律。
而在身体里，这些蛋白质就像是合唱团里的每一个成员，各自有各自的角色。
如果有哪个成员跑偏了，整个合唱就得打折扣。
所以，蛋白质组学研究的目的，简单说，就是要弄清楚这些小工人们的工作状态，看看谁在忙活，谁又在偷懒。
再说方法，蛋白质组学的工具可真是五花八门。
有的像个大魔法师，能把成千上万种蛋白质一锅端；有的则像个细心的小侦探，能分析出每个蛋白质的结构和功能。
提到的就是质谱分析，这玩意儿就像是一台超级放大镜，能把蛋白质拆得干干净净，然后告诉你它们的分子量。
你想啊，这就好比是你去市场买菜，摊贩告诉你每种菜的价格，哪个贵哪个便宜，心里就有数了。
还有一种常用的方法叫做二维电泳。
说白了，就是把蛋白质分成两部分，一部分按照电荷，另一部分按照分子量。
就像是把水果按颜色和大小分类，最后你就能清楚地看到每种蛋白质的“长相”，多有趣啊！还有西方印迹法，也就是我们俗称的“WB”，这玩意儿就像是在给蛋白质做个身份登记，看看它们是不是干净，是否有被污染的可能。
再说说蛋白质组学的应用，真是多得让人眼花缭乱。
咱们可以通过研究某种疾病的蛋白质变化，找到新的治疗方案。
这就像侦探破案，蛋白质的变化就好比是罪犯留下的线索。
比如说，研究癌症的蛋白质组学，科学家们就能从肿瘤细胞中找到异常蛋白，进而开发出靶向治疗药物，真是了不起！想想看，这不仅能拯救无数生命，还能让患者重拾希望，太神奇了。
蛋白质组学的研究方法和进展
蛋白质组学的研究方法和进展蛋白质是细胞中最重要的一类生物大分子，不仅构成生物体的大部分物质，而且参与多种生物过程。
在生物学的研究中，蛋白质组学就是广泛用于研究蛋白质及其解析结构、功能和相互作用的一种技术。
蛋白质组学技术的不断发展，为科学家们提供了更广阔的研究领域和更深入的认识和理解。
一、蛋白质分离技术蛋白质在细胞中有着多种不同的类型和数量，分离这些蛋白质对于进一步的研究至关重要。
凝胶电泳是一种最早应用于蛋白质分离的技术，在这一技术中，蛋白质被分离到一条凝胶条中，并且能够根据其分子量进行鉴定。
近年来，液相色谱技术得到快速发展，以逆相高效液相色谱（RP-HPLC）为主的技术广泛应用于蛋白质的分离、富集和纯化中。
二、蛋白质鉴定技术现代蛋白质组学技术的特点是高通量、高分辨率、高灵敏度和准确率。
鉴定样品中的所有蛋白质非常复杂，多组学技术的整合在蛋白质组学的研究中显得尤为重要。
代表性的鉴定技术是质谱法，可将蛋白质析出后离线或在线进行鉴定。
其中，MALDI-TOF 质谱技术是蛋白质鉴定中的重要方法之一，该技术使用激光脱附离子化（MALDI）策略以减少化学修饰和分离过程对蛋白质结构的影响。
三、蛋白质表达技术从DNA转录到蛋白质翻译的过程，是生物体逐步实现功能的一个重要环节。
蛋白质表达技术是在外部体系中重现这一过程的有效方法，在研究中应用极为广泛。
常见的蛋白质表达系统有大肠杆菌、酵母、哺乳动物等，其中，大肠杆菌是最常用的单细胞表达体系。
近年来，蛋白质表达与修饰的转化药学已经成为一个热门领域，各种新型表达体系也层出不穷。
四、蛋白质数据分析鉴定蛋白质，只是蛋白质组学研究的第一步，有关数据分析和解释的关键环节，对于进一步的研究显得尤为重要。
目前，由于蛋白质比较庞大并且互相之间联系复杂，因此数据分析技术的不断发展就格外重要了。
从最初的数据搜索和标识，到后来的蛋白质序列分析、结构预测、功能预测和网络分析等，蛋白质数据分析技术已经成为蛋白质组学研究的重要环节。
蛋白质组学PPT课件
代谢性疾病蛋白质组学研究通过对糖尿病、肥胖症等代谢 性疾病相关蛋白质的分析，发现了一些与代谢过程密切相 关的关键蛋白质。这些蛋白质涉及糖代谢、脂肪代谢等多 个方面，为药物研发和个体化治疗提供了新的思路和靶点 。同时，对代谢性疾病蛋白质组学的研究也有助于深入了 解疾病的发病机制，为疾病的预防和治疗提供科学依据。
蛋白质组学揭示基因表达 的复杂性
蛋白质组学研究关注基因表达的最终产物蛋白质，揭示了基因表达的复杂性和多样性 。蛋白质的表达和功能受到多种因素的影响 ，如翻译后修饰、蛋白质相互作用等，这些
因素在基因组学研究中难以全面考虑。
蛋白质组学与代谢组学的关系
代谢组学为蛋白质组学提供上下文
代谢组学研究生物体内小分子代谢物的变化，为蛋白质组学提供了上下文和背景。蛋白 质的功能和表达往往与代谢物的变化相互关联，了解代谢物的变化有助于更深入地理解 Nhomakorabea02
蛋白质组学研究技术
蛋白质分离技术
双向凝胶电泳技术
通过改变电泳的pH值和电场强度， 将复杂的蛋白质混合物分离成多 个有序的蛋白质带，以便后续的 鉴定和分析。
蛋白质芯片技术
将蛋白质固定在固相支持物上， 通过与特定的配体或抗体相互作 用，实现对蛋白质的快速、高通 量筛选和检测。
蛋白质免疫沉淀技
术
利用抗体与目标蛋白质的特异性 结合，将目标蛋白质从复杂的混 合物中分离出来，常用于蛋白质 相互作用的研究。
详细描述
癌症蛋白质组学研究通过对癌症细胞和正常细胞蛋白 质表达谱的比较，发现了一系列与癌症发生发展相关 的关键蛋白质。这些蛋白质涉及细胞信号转导、细胞 周期调控、细胞凋亡等多个方面，为癌症治疗提供了 潜在的药物靶点。
案例二：神经退行性疾病蛋白质组学研究
蛋白质组学研究方法
2. 蛋白质的分离
2D-DIGE中内标的重要性
以样品中的蛋白点与其内 标的比值作为其定量数据
使不同凝胶之间的点的分 析和定量更加精确
使不同凝胶之间的匹配更 加可信
使实验间的误差与样品之
分间析的说明差：异区分开来
1)在没有内标的情况下，我们通过AB两
块胶的分析，会得出结论： 图中红色圆
环所标记的蛋白质点在处理组(样品3和
样品4)表达量增高；
2)通过内标的校正，我们可以证明，这
实际上是由凝胶之间的误差造成的，并
不是样品之间的真实差异。
2x4x
2. 蛋白质的分离
多维液相色谱
亲和色谱（AC） 离子交换色谱（IEC） 反相高效液相色谱（
RP-HPLC）
顺序使用基于不同物理化学
。
凝胶
丙烯酰胺缓冲
液: CH2=CH-
CO-NH-R,
1x4x
R ：羧基或叔
2. 蛋白质的分离
不同pH和长度的IPG胶（以BIO-
RAD的ReadyStrip™ IPG 胶条为例）
相对聚焦功率表示在使用不同长度或 pH 范围的 IPG 胶条时，在第一维中预 期获得的增强的分辨率。 为 7 cm pH 3–10 IPG 胶条任意分配基线聚焦功率 1.0 以便计算其他胶条的相对聚焦功率
x6 x
1.
蛋白质组学简介
蛋白质调控及功能实现的复
杂性 DNA
Riboso me
tRN A mRN A Polypeptide
Protei n
x7 x
1. 蛋白质组学简介
蛋白质组学研究特点
x8 x
1. 蛋白质组学简介
蛋白质组学研究内容
蛋白质组学的研究方法
蛋白质组学的研究方法蛋白质组学是运用先进的分析技术，通过对细胞内的蛋白质分子进行检测、分离、同位素标记与定量等方法，研究不同细胞型、组织型、发育阶段以及病变状态等生物样本中蛋白质组成及其功能性调控的科学。
它是一门综合性学科，既涉及生物化学、蛋白质工程、分子生物学等学科，也涉及信息学及计算机科学等学科，运用了各种生物学技术和数学模型，将复杂的生物体蛋白质组织成一个有机的整体，从而更好地了解蛋白质的结构与功能关系。
蛋白质组学的研究方法主要包括：一、蛋白质分离与鉴定：蛋白质分离是蛋白质组学的基础步骤，其目的是从生物样本中提取蛋白质。
常用的技术包括凝胶电泳、膜分离、微萃取、液相色谱法以及离心分离等。
蛋白质分离之后，还需要进行鉴定，以获得蛋白质的名称及其细胞定位等信息，以便进行后续研究。
常用的方法包括凝集试验、蛋白质印迹、Western blotting、质谱分析以及二级结构分析等。
二、定量蛋白质组学：定量蛋白质组学是指利用有效的检测技术，对生物样本中的蛋白质进行定量分析，以便获得蛋白质组成及其功能性调控情况的精确信息。
定量蛋白质组学技术主要包括酶标记蛋白质定量、质谱定量以及流式细胞蛋白质定量等。
三、蛋白质组学的应用：蛋白质组学的研究结果可以用来研究基因调控、细胞信号转导、疾病机理等方面的问题。
它可以帮助研究人员更好地理解生物的复杂性，并为有效的治疗策略的制定提供重要的参考和指导。
它还可以用于研究新型药物的研究和开发，为疾病的治疗提供新的思路。
蛋白质组学的发展前景广阔，它不仅可以用于解决当前生物学上的实际问题，还可以为未来的研究提供重要的科学研究基础。
随着技术的进步和数据量的增加，蛋白质组学技术将会为生物学研究带来更多的惊喜和发现。
蛋白组学定量蛋白质组学.ppt
2
常用研究方法
以质谱技术为基础的化学标记定量方法 荧 光 差 示 双 向 凝 胶 电 泳 技 术 （ F－2D－
质量变化依赖于氮原子数目，因此对未 知的蛋白质难以进行定量。
10
（二）稳定同位素标记的必需氨基酸体 内标记(SILAC法)
高等动物细胞的生长中需要一些必需氨基酸的摄入，如赖氨酸 (Lys)、亮氨酸(Leu)、苯丙氨酸(Phe)等，这些氨基酸细胞自身 无法合成，需要从外界摄入补充。
在培养细胞时，可以在培养介质中特异的加入用稳定同位素标 记的某一种必需氨基酸，在经过适当的培养时间后，细胞中合 成的含有这类氨基酸的蛋白质几乎都掺入了标记的氨基酸 。
31
MCAT策略流程：定性
Lys只在Trypsin酶切后的末端，所以产生的b离子都没有被修饰；所有的y 离子带Lys，因此被修饰。
在MS/MS图谱上，所有的b离子是单一条带出现，所有的y离子是成对出现， 丰度比例一样，且相差同样的m/z。
容易区分b离子和y离子，容易读出氨基酸序列。
32
MCAT策略流程：定量
36
–COOH羧基标记
通过对羧基酯化进行 标记
用H和D标记的甲醇酯 化标记，来定量研究 蛋白质表达量的差异
37
羧基酯化标记进行蛋白定量研究
比例＝2 : 1
38
缺点：
特异性不是很好，在C末端和Asp和 Glu残基上都有标记，且效率不均
采用的标记条件容易引起天冬酰胺 (Asn)和谷氨酰胺(Gln)的去酰胺
蛋白质组学的研究方法和进展
蛋白质组学的研究方法和进展蛋白质组学的研究方法主要包括样品制备、质谱分析以及数据分析三个阶段。
在样品制备阶段，研究人员需要选择合适的方法来提取和纯化蛋白质。
常用的方法包括差凝蛋白法、电泳法、柱层析法等。
质谱分析是蛋白质组学的核心技术，主要有两种方法：质谱图谱分析和质谱定量分析。
质谱图谱分析可以通过比对已知蛋白质的质谱图数据库来鉴定未知蛋白质；质谱定量分析可以测定样品中各个蛋白质的数量变化。
数据分析是蛋白质组学研究的关键环节，用于解读大量的质谱数据。
近年来，蛋白质组学的研究取得了诸多重要进展。
首先，高通量质谱技术的发展使得大规模蛋白质组学研究成为可能。
比如，液相色谱和质谱联用技术（LC-MS/MS）可以同时检测数千种蛋白质，大大提高了鉴定和定量蛋白质的效率和准确性。
其次，全蛋白质组学的研究范围不断拓展。
除了研究细胞蛋白质组，研究人员还开始探索组织蛋白质组和生物体蛋白质组等更高层次的组学研究。
通过研究这些复杂组织中蛋白质的种类和功能，可以深入了解细胞和生物体的复杂生理和病理过程。
此外，蛋白质组学也开始向单细胞水平的研究发展，可能为研究细胞发育、疾病药物靶点等方面提供新的突破口。
蛋白质组学在医学和生命科学领域有着广泛的应用前景。
通过深入了解蛋白质组的变化和相互作用，可以揭示细胞和生物体的生理和病理过程，为疾病的早期检测和诊断提供重要依据。
蛋白质组学也可以用于发现新的疾病标志物、筛选新药靶点以及评估药物的疗效和安全性。
此外，蛋白质组学还可以用于研究生命起源、进化以及各种生物学过程的分子机制。
总之，蛋白质组学的发展必将为生命科学研究带来更多的突破和进展。
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第四章蛋白质组学及其研
究方法概况
蛋白质组(proteome)由澳大利亚学者Williams和
Wilkins于1994年首先提出，源于蛋白质
(protein)与基因组(genome)两个词的组合，即”
一个细胞或一个组织基因组所表达的全部蛋白质"。
蛋白质组对应于基因组的所有蛋白质构成的整体，
不局限于一个或几个蛋白质。
在不同细胞和组织
中，同一基因组的表达情况各不相同，蛋白质组
在空间和时间上是呈动态变化的整体。
激光显微切割技术整合蛋白组学研究的操作流程
向上进行第二向SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)。
iTRAQ技术原理图
iTRAQ试剂标记原理（4种标记）iTRAQ试剂包括3部分：
1.报告部分
2.肽反应部分
3.平衡部位
报告部分共有4种：质量数分别为114~117Da，最多可同时标记4组样品。
iTRAQ试剂结构
肽反应部分：能与肽链N端及赖氨酸侧链发生共价连接，从而将报告部分
iTRAQ试剂标记原理（8种标记）iTRAQ试剂包括3部分：
1.报告部分
2.肽反应部分
3.平衡部位
报告部分共有8种：质量数分别为113~121Da，因此iTRAQ最多可同时标
iTRAQ试剂结构
记8组样品。
iTRAQ实验流程
iTRAQ实验流程。
收集不同组别的样本并分别提
1、收集不同组别的样本并分别提
取蛋白质；
2、蛋白质经过还原，封闭后用胰
蛋白酶酶切；
3、各组样本的肽段混合物分别用
不同的iTRAQ试剂标记；
4、等量混合各样本中的标记肽段；
5、MS/MS质谱检测及分析。
2、各组肽段分别用4种iTRAQ试剂
标记(例如对照组用iTRAQ 117标记，其他3个实验组分别用iTRAQ 114, 115, 116标记)；
3、标记好的各组样本等量混合，液相分离和质谱分析.
4、不同样本中蛋白质的差异表达可通过二级质谱中iTRAQ试剂的峰面
积确定，如图所示：与对照组相比，该蛋白在3个处理组(114-116)中的相对表达量较高。
5、根据该肽段的二级质谱峰图，结合数据库检索，得到蛋白的定性信息。
Label-free定量蛋白质组学
◆理论依据：蛋白质丰度与质谱数据一级谱
呈现定相关性
肽段峰强度或二级谱数目呈现一定相关性。
◆定量方法：1、信号强度法：基于一
级谱图母离子强度（谱图峰高、谱图峰
面积、谱图峰容量等）。
2、谱图计数
法：基于肽段匹配的二级谱图数目。
◆复杂的蛋白样品首先经过酶解形成肽
段，再经过广泛分级，由自动化的串联
质谱鉴定。
这种方法可以分析全细胞裂
解样品和组织抽提物，也可以分析亚细
胞分级组分、分离的细胞器等其他亚蛋
白质组。
举例比较：
莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtti) 是一种直径约10 μm的单细胞真核绿藻，
目前是生物燃料氢气，生物柴油和烃的原料。
•相比于高等植物，莱茵衣藻结构简单，生长迅速，遗传背景清晰，基因组测序已完
成，是科研中一种良好的模式生物。
•IF：4.2
成，是科研中种良好的模式生物。
•4组技术重复
•技术路线•90 ug •3ug •3ug •90 ug
•3ug •3组生物学重复
•A: 用以评估技术重复定量准确性（4组技术重复）
•B: 用以评估生物学重复定量准确性（3组生物学重复）
•蛋白定量值评估
✓在蛋白表达差异1-2.5倍范围内，iTRAQ 和Label free 定量结果均较为准确（红线标注范围）而在蛋白表达差异3-10倍范围内，iTRAQ 定量值与实际值相差较大（蓝线标注范围）。
•鉴定蛋白和定量蛋白数目比较
•技术重复•生物学重复
•921
•558
•639
•896
•128•210•329
•124✓Label-free 可比iTRAQ 多鉴定30-40%蛋白，多定量40-62%蛋白。
•iTRAQ 和Label free 定量相关性分析
•生物学重复鉴定蛋白数比较
•61%•67%
三次生物学重复，iTRAQ overlap蛋白比例为61%，Label free overlap蛋白比例为67%。
•GO注释分析比较
本研究中，富集于胡萝卜
素生物合成、谷胱甘肽代
谢、线粒体电子转运、核
小体组装、磷酸戊糖转运
等生物学进程的蛋白来自
于Label‐free方法。
蛋白质翻译后修饰的研究
蛋白质相互作用研究
翻译后修饰
抗
SDS-PAGE
切取
搜索数据库得到与。