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Application Research Progress of Proteomics

蛋白质组学的应用研究进展



全 文 :生物技术通报
·综述与专论· BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2014年第1期
蛋白质组学的应用研究进展
尹稳1 伏旭2 李平1
(1. 兰州大学第二医院,兰州 730030 ;2. 兰州大学第二医院急救中心,兰州 730030)
摘 要 : 蛋白质组学(Proteomics) 是一门大规模、高通量、系统化的研究某一类型细胞、组织或体液中的所有蛋白质组成
及其功能的新兴学科。虽然基因决定蛋白质的水平,但是基因表达的水平并不能代表细胞内活性蛋白的水平,蛋白质组学分析是
对蛋白质翻译和修饰水平等研究的一种补充,是全面了解基因组表达的一种必不可少的手段。蛋白质组学相关技术的发展极大地
推动了蛋白质组学的研究进展,使其在各研究领域得到了广泛的应用。对蛋白质组学相关技术及其在各领域的应用进行了综述,
最后对蛋白质组学的发展趋势和应用前景作出展望。
关键词 : 蛋白质组学 双向凝胶电泳 质谱 生物信息学 应用现状
Application Research Progress of Proteomics
Yin Wen1 Fu Xu2 Li Ping1
(1. Lanzhou University Second Hospital,Lanzhou 730030 ;2. Department of Emergency,Lanzhou University Second
Hospital,Lanzhou 730030)
Abstract:  Proteomics is an emerging discipline for studying proteins composition and function in a type of cell, tissue or body fluids in a
large-scale, high-throughput and systematic level. While genes determine the level of protein, but the level of gene expression can not represent
the intracellular reactive protein levels. Proteomic analysis is a complement to the study of translation and modification and also an indispensable
tool for a comprehensive understanding of genome expression. The development of proteomic technologies has greatly promoted the progress of
proteomic research, and it has been widely used in various research fields.This paper revieweded the proteomic technologies and the applications
in various fields are also briefly reviewed. Finally, some future issues are presented.
Key words:  Proteomics Two-dimensional gel electrophoresis Mass spectrometry Bio-informactics Application status
随着基因组计划的完成, 生命科学研究开始进 性蛋白的水平[3], 且转录水平的分析不能反应翻译
入以基因组学、蛋白质组学、营养组学、代谢组学 后对蛋白质的功能和活性起至关重要作用的蛋白修
等“ 组学” 为研究标志的后基因组时代。蛋白质组 饰过程[4], 如酰基化、泛素化、磷酸化或糖基化等。
(proteome) 一词最早是由澳大利亚科学家 Wilkins 和 而蛋白质组学除了能够提供定量的数据以外, 还能
Williams 于 1994 年 提 出[1],1995 年 7 月 最 早 见 诸 提供包括蛋白定位和修饰的定性信息。只有通过对
于 Electrophoresis 杂志[2], 意指一个细胞或组织中由 生命过程中蛋白质功能和蛋白质之间的相互作用以
基因组表达的全部蛋白质。蛋白质组学(proteomics) 及特殊条件下的变化机制进行研究, 才能对生命的
是一门大规模、高通量、系统化的研究某一类型细胞、 复杂活动具有深入而又全面的认识。近年来, 蛋白
组织、体液中的所有蛋白质组成、功能及其蛋白之 质组学技术取得了长足的发展, 随着新技术的不断
间的相互作用的学科。 涌现, 其应用范围也不断扩大。本文对蛋白质组学
虽然基因决定蛋白质的水平,mRNA 只包含了 相关技术及其在各研究领域的应用进行了简要的归
转录水平的调控, 其表达水平并不能代表细胞内活 纳和评述, 并对蛋白质组学的发展趋势和应用前景
收稿日期 :2013-09-05
基金项目 : 甘肃省科技计划基金资助项目(0708NKCA129), 兰州大学第二医院医学研究基金项目(YJ2010-08)
作者简介 : 尹稳, 女, 硕士, 研究方向 : 蛋白质组学 ;E-mail :yinwen0508@163.com
通讯作者 : 伏旭, 男, 硕士, 研究方向 : 生物化学与分子生物学 ;E-mail :fuxu0910@163.com
33 2014年第1期 尹稳等 : 蛋白质组学的应用研究进展
作出展望。
1 蛋白质组学的分类
根据研究目的和手段的不同, 蛋白质组学可以
分为表达蛋白质组学、结构蛋白质组学和功能蛋白
质组学。表达蛋白质组学用于细胞内蛋白样品表达
的定量研究。其研究技术为经典的蛋白质组学技术
即双向凝胶电泳和图像分析。在蛋白质组水平上研
究蛋白质表达水平的变化等, 是应用最为广泛的蛋
白质组学的研究模式。以绘制出蛋白复合物的结构
或存在于一个特殊的细胞器中的蛋白为研究目标的
蛋白质组学称为“ 细胞图谱” 或结构蛋白质组学,
用于建立细胞内信号转导的网络图谱并解释某些特
定蛋白的表达对细胞产生的特定作用[5]。功能蛋白
质组学以细胞内蛋白质的功能及其蛋白质之间的相
互作用为研究目的, 对选定的蛋白质组进行研究和
描述, 能够提供有关蛋白的糖基化、磷酸化, 蛋白
信号转导通路, 疾病机制或蛋白 - 药物之间的相互
作用的重要信息。
2 蛋白质组学的主要研究技术
蛋白质组学研究的进展是由技术推动的, 同时
也受到技术的限制。蛋白质组学研究的技术水平很
大程度上决定了研究成功的可能性。蛋白质组学研
究的核心就是能够系统地鉴定一个细胞或组织中表
达的每一个蛋白质并确定每一个蛋白质的突出性能。
蛋白质组学的主要相关技术有双向凝胶电泳、差异
凝胶电泳、质谱分析等。其中双向电泳技术从开发
到应用已经 30 多年[6], 是蛋白质组学研究的核心
技术之一 ; 差异凝胶电泳技术[7]能够进行大样本统
计分析, 且灵敏度高 ; 质谱技术包括生物质谱、飞
行时间质谱、电喷雾质谱等, 通常与双向电泳等蛋
白分离技术相联用, 具有灵敏、准确、自动化程度
高等特点, 是蛋白鉴定的核心技术。除了上述几种
主要的技术外, 近年来蛋白质芯片技术、酵母双杂
交系统和生物信息学分析也应用于蛋白质组学。由
于其操作简便, 样品用量少并能对多个样品进行平
行检测, 蛋白质芯片技术与其他常规方法相比具有
明显优势[8]; 酵母双杂交系统主要针对活细胞内蛋
白质的研究,近年来已经发展到检测小分子-蛋白质,
DNA-蛋白质及 RNA-蛋白质之间的相互作用上 ; 物
信息学是蛋白质组学研究的核心技术之一, 由于通
过双向电泳, 质谱或蛋白质芯片所获得的数据通常
都是高通量且比较复杂, 只有通过生物信息学分析
才能对蛋白质的种类、结构和功能进行分析确定。
3 蛋白质组学的应用现状
3.1 蛋白质组学在疾病研究中的应用
蛋白质组学在疾病研究中的应用主要是发现新
的疾病标志物, 鉴定疾病相关蛋白质作为早期临床
诊断的工具, 以及探索疾病的发病机制和治疗途径。
人类的许多疾病已经从蛋白质组学方向展开研究,
并取得了一定的进展。Lei 等[9]通过 2-DE 和基质辅
助激光解析电离飞行时间质谱等蛋白质组学相关技
术对膀胱癌患者的尿蛋白进行分离鉴定, 获得 14 个
差异表达的蛋白质, 这些差异表达的蛋白可能是诊
断和检测膀胱癌的潜在尿标志物。McKinney 等[10]
应用亚细胞蛋白质组学方法对原发性和转移性的 4
个胰腺癌细胞差异表达的蛋白质进行鉴定, 有 540
个蛋白质是原发性癌细胞特异性的,487 个具有转
移部位癌细胞特异性。通过统计学分析鉴定出 134
个显著性差异表达的蛋白质, 可用于进一步研究以
确定其在肿瘤发生和转移过程中的作用。Tetaz 等[11]
应用尿蛋白质组学方法对肾移植后 3 个月获得的 29
个尿样进行分析, 鉴定出 18 个预测慢性移植肾功能
障碍(CAD) 的生物标志物, 其中 8.860 kD 的蛋白
标志物在预测 CAD 方面具有最高的诊断性能。这些
生物标记物在肾移植后 3 个月即可检测出, 最长可
以鉴定出在移植后 4 年可能发生 CAD 的病人。Brea
等[12]应用双向电泳联合质谱技术, 对 12 例心源性
脑栓塞症患者和 12 例粥样硬化血栓性梗死患者的
血清蛋白进行差异比较, 发现触珠蛋白相关蛋白和
淀粉样蛋白 A 等蛋白质在粥样硬化血栓性梗死患者
中的血清水平显著升高。Wen 等[13]对人类美洲锥
虫病患者的血清蛋白质组学进行了研究, 以探索其
潜在的病理生理学机制。通过 MALDI-TOF MS/MS
对高丰度和低丰度锥虫病患者的血清蛋白进行分
析, 分别获得 80 和 14 个差异表达的蛋白质。检测
出的心脏相关蛋白和黏着斑蛋白与血纤维蛋白溶酶
原的表达水平的增加为临床人类美洲锥虫病心肌损
伤和发展的研究提供了一组比较全面的生物标志物。
34 生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第1期
Kikuchi 等[14]首次应用标准的散弹蛋白质组学分析
方法对非小细胞肺癌的两种主要亚型和正常肺组织
进行了深入蛋白质组学分析, 鉴定出许多新的可作
为潜在诊断和治疗的分子标志物的差异表达蛋白。
3.2 蛋白质组学在遗传病学研究中的应用
蛋白质组学在遗传病学中的应用主要是为了探
索遗传病的发病机制, 寻找用于遗传病的早期诊断
的生物标记和特异性的药物靶点等。常见的遗传病
主要包括 : 单基因遗传病, 多基因遗传病, 线粒体
遗传病及体细胞遗传病等。Polprasert 等[15]应用蛋
白质组学方法对遗传性球形红细胞增多症(HS, 单
基因遗传病) 的红细胞膜蛋白变化进行研究, 分离
鉴定出 56 个差异表达的蛋白质, 通过蛋白质网络分
析出包括细胞死亡, 细胞循环及遗传性和血液性紊
乱 3 个 HS 相关的重要网络, 为进一步研究和了解
HS 相关的发病机制提供了参考。Yang 等[16]对阿尔
茨海默病( 多基因遗传病) 模型大鼠的脑突触体进
行了蛋白质组学分析,得到 14 种差异表达的蛋白质,
通过 MALDI-TOF MS 鉴定出 α-2-珠蛋白链和与细胞
凋亡和信号转导有关的肽基脯氨酸反式异构酶 A 与
丝切蛋白 -1 三种蛋白, 这些差异表达的蛋白有助于
对阿尔茨海默病发病机制的了解。Rabilloud 等[17]
研究了线粒体 tRNA 基因的点突变对线粒体蛋白结
构的影响, 通过双向凝胶电泳和质谱技术对健康人
和和病态下的线粒体蛋白的表达进行研究发现, 核
编码的细胞色素 C 氧化酶的亚单位蛋白的表达水平
明显降低, 表明线粒体 tRNA 基因的点突变会影响
核编码蛋白的稳态水平。
3.3 蛋白质组学在药物研究中的应用
随着蛋白质组学的快速发展, 相关的研究技术
在药物研究领域的应用也越来越多, 为快速, 特异,
高通量的药物研究提供了有力的技术支持。Huang
等[18]应用蛋白质组学方法对奥利司他抗肿瘤药物
处理过的人卵巢癌细胞 SKOV3 的蛋白质表达变化进
行了研究, 鉴定出 71 个差异表达的蛋白质, 其中与
肿瘤发生有关的关键酶 PKM1/2 在经过奥利司他处
理后表达显著下调, 证明奥利司他是一种潜在的卵
巢癌抑制剂, 并可以作为新的抗肿瘤辅助药物。Lin
等[19]应用蛋白质组学技术对阿霉素处理的人子宫
癌细胞的蛋白表达变化进行研究发现, 有 37 种差
异表达的蛋白质, 为阿霉素抗性的子宫癌细胞的治
疗提供了诊断和治疗标志物。Li 等[20]利用双向电
泳联合质谱技术对蓝藻细菌衍生的微囊藻素 - 亮氨
酸 - 精氨酸(MCLR) 诱导的神经毒性相关的蛋白
进行鉴定发现,MCLR 处理的海马区与神经变性疾
病、氧化应激及能量代谢相关蛋白的表达发生变化,
且 MCLR 能够诱导抑制蛋白磷酸化和神经微管相关
蛋白 tau 的异常高度磷酸化, 证明 MCLR 可以诱导
神经中毒效应, 导致记忆损伤及神经退行性病变等。
Bauer 等[21]对紫杉醇类药物治疗乳腺癌复发的患者
应用蛋白质组学方法进行分析, 在其组织中发现 α-
防卫素过度表达, 大量研究表明 α-防卫素可以作为
预测紫杉醇类药物对乳腺癌治疗作用的生物学标记
物。OConnell[22]等应用液相色谱 - 质谱联用技术
对 DU145,22RV1 和 PC-3 三种前列腺癌细胞系与相
应的多西他赛抗性的子代细胞系间差异表达的蛋白
进行鉴定, 鉴定出的差异表达的蛋白质有助于进一
步了解细胞抗性的潜在生化机制, 对提高临床疗效
有着至关重要的作用。
3.4 蛋白质组学在植物学研究中的应用
利用蛋白质组学在植物领域进行研究的报道已
经很多, 如对农作物的不同组织、器官和亚细胞水
平的蛋白组的研究, 植物突变体差异表达蛋白的鉴
定, 环境胁迫条件下蛋白表达水平变化的研究等。
Khatoon 等[23]利用蛋白质组学方法对大豆幼苗在低
氧和水胁迫条件下的应答机制进行了研究分析, 对
根部的蛋白进行分离鉴定出 27 个差异表达的蛋白斑
点, 其中与代谢和能量相关的蛋白表达增加, 而存
储相关的蛋白表达水平降低。与低氧胁迫条件相比,
水胁迫条件下存储蛋白和疾病 / 防御蛋白的表达下
调对大豆幼苗的生长产生更大的抑制作用。Aghaei
等[24]通过双向凝胶电泳技术对盐胁迫下大豆蛋白
质表达谱进行了研究分析, 检测到 7 个重复性较好
的差异表达的蛋白, 研究表明盐度能改变一些胚轴
和根部特定蛋白的表达, 这些差异表达的蛋白可能
与耐盐性相关。Ngara 等[25]利用双向凝胶电泳电泳
联合质谱技术对盐胁迫条件下高粱幼苗叶子的蛋白
表达进行研究, 在盐胁迫下有 118 个显著变化的蛋
35 2014年第1期 尹稳等 : 蛋白质组学的应用研究进展
白, 鉴定出的差异表达的蛋白可以分为 6 大类, 包
括已知的和推定的胁迫应答蛋白。Anne-Catherine
等[26]应用 2D-DIGE 技术对香蕉的耐旱性进行研究,
从叶子蛋白质组中鉴定出 24 种差异表达的蛋白质。
通过蛋白质组学分析表明在受胁迫植物中存在一种
新的平衡, 其中呼吸, 活性氧的代谢以及一些脱氢
酶的体内平衡发挥着一个比较重要的作用。Randall
小组[27]运用蛋白质组学方法对八倍体草莓的低温
应答机制进行了研究, 通过对“Jonsok”和“Frida”
两种品系经过不同时间的冷处理后进行双向凝胶电
泳和定量蛋白质组学分析, 鉴定出 135 种特异表达
的蛋白质, 并鉴定出许多耐寒性相关的生物标记分
子。Zhao 等[28]应用质谱和分子生物学技术对乳腺
癌患者的糖基化磷脂酰肌醇锚定蛋白进行了蛋白质
组学鉴定, 发现糖基化磷脂酰肌醇锚定蛋白表达水
平的增加有助于恶性乳腺癌上皮细胞的去分化, 可
作为乳腺癌诊断和潜在治疗靶点。
3.5 蛋白质组学在食品科学研究中的应用
蛋白质组学技术的迅速发展为食品科学研究提
供了新的研究思路和技术, 在食品中过敏的检测、
食品成分的鉴定等食品科学研究领域已经具有广泛
的应用。Coscia 等[29]应用蛋白质组学研究技术对牛
奶的蛋白质和人乳的微量成分进行检测, 收集了 62
个正常分娩的和 11 个早产初乳样品, 通过蛋白质组
学相关研究发现在人初乳中存在完整的牛 α-S1-酪蛋
白,α-1-酪蛋白被认为是在人乳中分泌的牛乳过敏
原, 可能是纯母乳喂养婴儿对牛奶过敏的原因之一。
Hong 等[30]通过液相色谱联合质谱技术对古代食物
残渣进行鉴定发现, 食物残渣中存在牛奶成分, 此
研究为古代的残留物的分析及其他考古领域提供了
一种新的研究方法。Pedreschi 等[31]将鸟枪法蛋白
质组学方法应用于烘烤饼干中花生过敏原的检测,
通过检测花生过敏原 Ara h 的 3/4 水解肽段来确定花
生的存在, 建立的检测方法在微量级水平即可检测
出花生过敏原的存在。李明云等[32]通过对不同裂
解液配方、等电聚焦程序和上样量等条件的优化,
建立了大黄鱼肝脏蛋白质组双向电泳的相关技术体
系, 提高了大黄鱼肝脏蛋白双向电泳图谱的分辨率,
为大黄鱼肝脏蛋白质组学的进一步研究奠定了基础
。Andrade 等[33]应用比较蛋白质组学方法对预成熟
的和成熟期的芒果在成熟过程中差异表达的蛋白进
行鉴定, 通过 2-D 凝胶电泳和液相色谱 - 质谱技术
共鉴定出 47 种差异表达的蛋白质。在这些蛋白质中,
与碳固定和激素的生物合成相关的蛋白在成熟过程
中减少, 而与分解代谢和压力应答相关的蛋白逐渐
积累, 为芒果成熟过程中的生物学变化提供了一个
概括性的研究。
3.6 蛋白质组学在微生物学研究中的应用
蛋白质组学研究技术已应用到生命科学的各种
领域, 在微生物学研究中, 可用于病原微生物致病
机制、耐药机理、病毒感染的研究以及新型疫苗的
研发等。Fernandez 等[34]对加入羧甲基纤维素的培
养基培养的葡萄孢菌蛋白质通过双向凝胶电泳分离,
选择 267 个蛋白斑点用于 MALDI-TOF MS 分析鉴定
发现, 许多蛋白质在其致病过程中具有重要的作用。
Fang 等[35] 利 用 2-DE 和 MALDI-TOF MS 对 草 莓 炭
疽菌感染的草莓幼苗叶子的蛋白质组进行研究, 鉴
定出 49 个显著差异表达的蛋白质, 在感染后期, 开
尔文循环和糖酵解途径相关蛋白的表达受到抑制,
此研究增加了对病原抗性机制的了解。Ansong 等[36]
利用液相色谱 - 质谱联用技术对对数期、静止期和
低 pH/ 低 Mn 条件下沙门氏菌(S.typhi Ty2) 的蛋白
质组进行鉴定, 共鉴定 2 066 个蛋白质。研究发现
S.typhi Ty2 存在一组高表达蛋白, 推测这些蛋白与
S.typhi 的病原性和宿主专一性有关。Zhang 等[37]应
用比较蛋白质组学方法对外膜蛋白 P5 缺陷突变菌株
副猪嗜血杆菌 SC096 的蛋白质组进行研究, 得到 24
种差异表达的蛋白质, 主要包括碳水化合物、脂肪、
氨基酸代谢相关蛋白, 转录翻译因子及伴侣蛋白等。
在牛乳腺炎的宿主和病原菌的应答机制的研究, 蛋
白质组学分析技术被用于病原菌毒性因子、抗原蛋
白的鉴定及用于分离牛乳腺炎致病菌株的特异性蛋
白, 为临床乳腺感染的病原菌应答机制的研究提供了
较多的理论依据, 通过兽类病原菌蛋白质组学分析已
经鉴定出疫苗研发的潜在作用靶点, 并阐明了在宿主
环境下细菌从入侵到存活的前在作用机制[38,39]。
3.7 蛋白质组学在生物膜研究中的应用
生物膜在活细胞及其外界环境之间形成了一个
36
4
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第1期
重要屏障, 还用于划分真核生物细胞内的细胞器。
大约有 1/4-1/3 的细菌的基因用于编码细菌的内膜或
外膜的蛋白质。这些蛋白执行一些基本的生理功能,
如代谢物、有毒物质或抗生素的排出, 维持细胞内
离子的动态平衡及能量的产生和转换等。对于真核
生物的细胞器膜, 其高度专业化的功能大多是由膜
上的相应蛋白质执行完成的。Liu 等[40]利用比较膜
蛋白质组学方法对 H5N1 病毒分别感染 6 、12 和 24
h 的人肺腺癌细胞 A549 进行蛋白分析鉴定, 得到 24
个差异表达的蛋白质, 其中 57% 为膜蛋白或膜相关
蛋白, 通过 siRNA 技术鉴定出与病毒增殖相关的几
种蛋白, 对病毒感染过程中宿主膜蛋白作用的了解
提供了新的认识。Vishvanath 等[41]应用比较蛋白质
组学方法对碳青酶烯抗性菌株—— 鲍氏不动杆菌的
内膜部分进行研究, 鉴定出 19 个过表达的和 4 个表
达下调的蛋白质, 在表达上调的蛋白质中包括 β-内
酰胺酶、代谢酶和核糖体酶蛋白等, 在鲍氏不动杆
菌产生耐药性的过程中, 低水平的表面抗原有助于
逃避宿主的防御机制。Wang 等[42]应用 2-D 差异凝
胶电泳技术对非洲爪蟾蜍的外胚层和中胚层组织的
膜组分中的蛋白质含量进行了比较分析, 鉴定出一
些在一个或其他组织中含量丰富的蛋白质, 包括细
胞骨架和细胞信号转导的调节者, 有助于阐明胚胎
中的各种不同组织的特定功能。Jia 等[43]对乙醇诱
导的肝硬化模型大鼠进行了动态的质膜蛋白质组学
分析, 通过 2-D 凝胶电泳和串联质谱鉴定出 16 种差
异表达的蛋白质。这些差异表达的蛋白质可能是酒
精性肝硬化治疗的新药物靶点。
展望
蛋白质组学是一门在蛋白质水平上认识生命机
理的学科, 其学术理念和相关技术方法已被广泛应
用于生命科学的各个领域, 涉及多种重要的生物学
现象, 并已成为人类重大疾病诊断、治疗和寻找药
物靶点的有效方法之一。虽然蛋白质组学还存在一
些问题, 如蛋白质组学的相关技术在自动化操作、
灵敏度检测方面存在某些缺陷 ; 由于仪器价格昂贵
使得相关技术的推广受到限制 ; 蛋白质组学方法标
准不统一,各实验室的结果不能很好地重复等。但是,
作为一门新兴学科, 其广阔的应用前景却是不容置
疑的。由于存在蛋白质翻译后的修饰和定位, 蛋白
质组学分析是对翻译和修饰水平等研究的一种补充,
是全面了解基因组表达的一种必不可少的手段。
蛋白质组学的广泛应用为其发展提供了更多的
需求和发展方向, 在以后的研究中, 蛋白质组学的
研究将会出现多技术、多学科的交叉, 这种交叉是
新技术、新方法的活水之源, 蛋白质组学技术与基
因组学、生物信息学等领域的交叉, 呈现出的系统
生物学研究模式, 将会成为生命科学研究的新前沿,
如 : 蛋白质组学在代表了 21 世纪毒理学发展方向的
系统毒理学方向的研究。此外,蛋白质组学在艾滋病、
神经退行性疾病、严重帕金森病和老年性痴呆等人
类重大疾病的攻克方面也具有十分诱人的前景。可
以预见的是, 将来可以开发出综合运用蛋白质组学、
生物信息学和基因组学等多学科相关技术的蛋白质
组芯片, 能够快速、灵敏、准确地分析鉴定人类疾
病的相关信息, 为疾病的临床诊断和治疗提供一定
的科学理论依据。相信在未来的发展中, 蛋白质组
学的研究领域和应用前景将会更加广泛。
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(责任编辑 狄艳红)