全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期:2008-01-22
基金项目:国家自然科学基金项目(30770069);教育部博士点专项科研基金项目(20060028001)
作者简介:刘洋(1984-),男,硕士研究生,主要从事植物-微生物相互作用的研究
通讯作者:宋未(1943-),研究员,博士生导师,E-mail:songwei@mail.cnu.edu.cn
晏月明(1960-),教授,博士生导师,E-mail:yanym@hotmail.com
蛋白质组学在农业生物科学研究中的应用
刘洋 刘琳 晏月明 宋未
(首都师范大学生命科学学院,北京 100037)
摘 要: 蛋白质组学是后基因组时代的新兴研究领域,详细介绍了蛋白质组学的原理和方法在农业生物科学研究
中的最新应用进展,提出了蛋白质组学技术目前所面临的问题,并展望了今后的发展前景。
关键词: 蛋白质组学 农业生物科学 应用
TheApplicationofProteomicsinResearchonAgricultural
BiologyScience
LiuYang LiuLin YanYueming SongWei
(ColegeofLifeSciences,CapitalNormalUniversity,Beijing100037)
Abstract: Proteomicsisoneofthemostactiveresearchfieldsinthepost-genomicsera.Inthispaper,thelatest
applicationoftheprincipleandmethodsofproteomicsintheAgriculturalbiologyscienceresearchisexpatiated;some
dificultiesintheresearchofproteomicsareilustrated;andthechalengeandprospectofproteomicsarediscused.
Keywords: ProteomicsAgriculturalbiologyscience Application
·综述与专论·
随着拟南芥、水稻、黑三杨和葡萄等高等植物
基因组计划的完成,生命科学进入功能基因组学时
代,一门以研究基因表达产物蛋白质的表达模式和
功能模式的新兴学科蛋白质组学应运而生。蛋白质
组(Proteome)的概念是由澳大利亚学者 Wilkins和
Wiliams于 1994年首次提出的[1],是指基因组表达
产生的所有相应蛋白质,即细胞或组织或机体全部
蛋白质的存在及活动方式 [2],以蛋白质的表达模式
和蛋白质的功能模式两个方面为主要研究内容。蛋
白质组学研究技术主要包括分离蛋白质和肽的分
离科学—2-DE技术,识别和定量分析肽科学-质谱
分析技术,以及数据管理和分析的生物信息学分离
技术[3]。当前蛋白质组学已成为 21世纪生物医学、
植物学、微生物学等研究领域最活跃的热点之一,
其理论和方法在植物学科中的应用方兴未艾,已渗
透到植物遗传学、植物生理学、植物发育生物学、植
物生态学、植物共生生物学和植物病理学等诸多学
科研究领域[4],为农学、林学、畜牧学和水产学等相
关农业生物科学领域的研究注入了新的活力,正如
科学界预言,21世纪生命科学的热点将从基因组
学转入蛋白质组学,后者将成为新的前沿[5]。
1 蛋白质组学技术在农学基础研究中的应用
1.1 作物遗传育种
蛋白质组学的研究对象是基因表达的产物,是
表型的决定因素。蛋白质组学技术能鉴定各种器
官、组织和细胞在生化和进化过程中发生变化的蛋
白,为功能基因组学提供有用的信息,有助于对作
物发育过程机制的理解[6]。
Trisiriroj等[7]运用蛋白质组学分析方法对 5种
芳香型和 9种非芳香型共 14种水稻品种的种皮进
行了研究,发现芳香型水稻种皮中存在一种特殊的
三亚基蛋白质-谷醇溶蛋白。这项工作为水稻品种
的鉴定和选育提供了新的方法和依据。Cancel等[8]
运用 2-DE及蛋白图谱技术,研究柑橘属中两个异
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生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第3期
源亲本与其杂交子代叶片中的可溶蛋白的差异,进
而揭示亲代与子代的遗传关系。Xie等[9]对水稻父
代与杂交子代种子的蛋白表达进行分析,研究发现
杂交种的胚蛋白在其父代的蛋白图谱上都存在,这
揭示二者之间明显的遗传联系。
大豆育种方面,矮秆是重要的目标性状之一,
Chen等[10]以大豆野生型东农 42和矮秆突变体东泽
11为材料,利用近年来发展起来的双向电泳技术,
在蛋白质水平对两个材料的差异蛋白质进行筛选,
目的是鉴定与矮秆突变体相关的蛋白,为基因克隆
提供依据。研究发现,矮秆突变体相对野生型有 9
个蛋白差异点,其中 6个上调表达,3个下调表达。
该项工作有助于进一步了解大豆矮秆相关蛋白的
结构与功能,并可为大豆矮秆分子辅助育种提供参
考。
1.2 作物逆境胁迫应答
环境中的胁迫因子,如干旱、盐渍、寒害、臭氧、
机械损伤等,对农作物的生长发育和生存产生严重
影响。这些胁迫能引起大量蛋白质在种类和表达量
上的变化。蛋白质组学分析有助于详细了解胁迫因
子的伤害机制以及农作物的适应机制。
Yan等[11]用 150mMNaCl对水稻幼苗进行处理,
通过对其根部总蛋白的提取及蛋白质组学研究,得
到 34个上调蛋白点和 20个下调蛋白点,通过 MS
分析及数据库检索,鉴定出 12个蛋白点,它们归属
于 10种蛋白 (4种盐胁迫蛋白及 6种全新蛋白),
这些蛋白参与碳、氮和能量代谢,mRNA和蛋白质
的加工以及细胞骨架的稳定作用。这项研究对水稻
根部盐胁迫应答提供了新的视角,并且阐述了蛋白
质组学研究方法在植物生物学等相关领域强大的
推动作用。
Zang和 Komatsu[12]利用蛋白质组学方法检测经
甘露醇处理的水稻其叶鞘基部蛋白质的变化,以研
究植物对渗透胁迫的应答机制。研究发现,经 400mM
甘露醇处理后,共有 327个蛋白点被检测到,其中
虽甘露醇浓度和处理时间增加而上调的有 12个,
下调的有 3个。研究还发现,热激蛋白及 DNAK型
分子伴侣在渗透、低温、盐及干旱胁迫条件和用
ABA处理条件下均会被诱导,而 26S蛋白酶体调节
亚基仅在渗透胁迫时出现。这些结果表明水稻叶鞘
基部特殊蛋白的表达是与渗透压胁迫相适应的。
Han等[13]运用蛋白质组学方法对经不同高温强
度和处理时间的水稻幼苗进行研究,以更好地了解
水稻对高温胁迫的应答机制。通过 2-DE技术,共得
到 67个蛋白点在高温胁迫条件下被诱导,经质谱
分析,57种蛋白被鉴定,这些蛋白根据功能可划分
为 9类,其中下调蛋白主要与能量生产、次生代谢
以及基因表达相关,而上调蛋白主要是防御蛋白、
定位蛋白和贮藏蛋白。这项工作有利于进一步了解
水稻对高温胁迫的应答机制。
Agrawal等[14]运用 2-DE、氨基酸测序和免疫杂
交技术,研究臭氧对水稻幼苗蛋白的影响。研究发
现,臭氧能够使得 RuBisCO在内的叶片光合蛋白剧
烈减少以及某些与胁迫相关的蛋白的表达。Cui等[15]
在研究水稻对低温胁迫的适应机制时,将水稻幼苗
进行渐进低温处理,经蛋白质组学分析后,发现其
显示不同的动态适应模式。Salekdeh等[16]对干旱胁
迫下以及恢复灌溉后水稻叶片蛋白质组进行分析,
发现干旱胁迫下有 42个差异蛋白点(上调/下调),
从而鉴定出一些干旱应答蛋白,这项工作为今后水
稻抗旱育种及改善农作物品质和提高产量提供了
科学依据。
1.3 作物品质改良和产量影响因子分析
影响农作物品质和产量的因素很多,近年来运
用蛋白质组学技术与方法对其机理进行研究和探
讨,对农产品性状的改良和产量的提高具有积极作
用。
Natarajan等[17]对野生型和栽培型大豆种子的
蛋白谱进行分析后,发现二者具有相似性,提高大
豆蛋白中含硫氨基酸的浓度,可以显著的改善大豆
蛋白的品质。
Salt等[18]经研究证明小麦生面团中形成泡沫的
可溶性蛋白对面团中的气泡具有稳定性作用,由此
可见双向电泳技术能快速有效地研究蛋白变化及
了解食品工艺机理。另外,与食品品质相关的农业
生物蛋白质组也有一些研究,如小麦谷蛋白、醇溶
蛋白等种子贮藏蛋白影响面团粘弹性及烘焙品质。
科研人员分别利用双向电泳技术对小麦胚乳、面筋
及灌浆期的小麦胚乳进行了蛋白组分析,试阐明相
关的生物化学特性,为提高面食产品的质量奠定理
2
2008年第3期
论基础[19]。
何中虎和晏月明等[20]对中国小麦品种品质评
价体系建立与分子改良技术的研究取得了重要进
展,特别是通过蛋白质组学方法发现了与面筋强度
直接相关的水溶性蛋白 WS-6,以及运用改进的
SDS-PAGE方法明确了面包和面条对亚基组成的要
求等研究成果,为进一步推动小麦品质改良工作提
供了新的理论依据。
在提高农产品产量方面,Bahrman等[21]通过比
较蛋白质组学方法研究不同小麦品种间氮肥施用
效果的差异,研究发现氮水平对小麦籽粒数量、干
重和含氮量的影响是很显著的,该研究对今后更好
地采取提高产量的有效措施具有重要的意义。
1.4 农作物-微生物相互作用机理
除环境因素外,作物的生长发育还与微生物的
活动密切相关。但作物受到微生物共生、寄生和病
菌侵害时,将改变体内蛋白的表达来完成信号的感
应、传递,引起作物相应的反应机制。因此研究相关
蛋白有利于更好地了解生物之间的相互作用[6]。
Kim等[22]用水稻病原菌对水稻悬浮培养细胞
进行处理,对诱导产生的病原相关蛋白 OsPR10,
异黄酮还原酶类似蛋白 OsPR10和 β-葡聚糖酶等
蛋白等进行了首次报道。为了解水稻黄斑驳病毒
(RYMV)对水稻产量的影响,Ventelon-Debout等[23]
对两个水稻品种 IR64(对该病毒敏感)和 Azucena
(相对不敏感)的悬浮培养细胞蛋白质组的研究表
明,病毒感染后两者分别有 40和 24个蛋白点表达
有明显变化,有些只在 IR64中表达,如 HSP70、PR-
10a、乙烯诱导蛋白等,有些只在后者中存在,如
ChaperoninCPN60-2等,而与糖酵解有关的酶在两
个品种中都有变化。
Chen等[24]利用双向电泳技术,分析水稻抗虫材
料、感虫材料受虫害与未受虫害的秧苗蛋白质的变
化,找到一个分子量为 40kD、等电点为 6.3的差显
蛋白质 P40,推测 P40与水稻受褐飞虱虫害后引起
的应答反应相关。Campo等[25]在研究玉米萌发种胚
对真菌侵染后的防御反应时发现,有 9个蛋白在真
菌侵染后上调表达,它们主要参与植物组织抗氧化
合解毒、蛋白质的合成和折叠。特别是翻译起始因
子 eIF-5A表达量提高,暗示它可能与植物防御反
应直接有关。此外,还有报道通过 2-DE分离分析
水稻在稻瘟病侵染条件下叶片蛋白的表达变化及
小麦在条锈菌、镰刀菌侵染时其根组织及叶片蛋白
质组的表达变化[26~28]。
在豆科植物和固氮根瘤菌间的共生结合形成
的根瘤中,类菌体周隙(PS,Peribacteroidspace)是类
菌体周膜(PBM,Peribacteroidmembrane)与细菌质
膜之间的间隙,是共生体成员之间交换代谢产物的
媒介。Saalbach等[29]用蛋白质组学分析方法,鉴定了
PBM与 PS中的蛋白,结果表明 PS甚至 PBM的制
备物中含有大量的类菌体蛋白。Panter等[30]从大豆
根瘤中分离出环行细菌的 PBM蛋白,并对其进行
N端测序。共获得了 17个 PBM蛋白的蛋白质数
据,其中 6个蛋白质是已知功能的同源蛋白质,并
首次证明 HSP60和 HSP70两种同源蛋白在共生体
中作为细胞质蛋白质翻译时和翻译后转运的分子
物质基础。此外,Sarma等[31]研究大豆和土壤细菌间
的共生固氮过程,2-DE分离类菌体蛋白证明类菌
体在氮、碳代谢中表达了一个主要的、精细的蛋白
网络,但缺乏脂肪酸和核酸代谢,几个蛋白参与了
细胞解毒、胁迫调节和信号传达。这些研究对于深
入了解农作物与根瘤固氮菌的互利共生关系及其
相关分子机制具有重要的意义。
目前,在多年研究与植物相联合的细菌的工作
基础上,着手以水稻种子萌发过程中向外分泌的可
溶性蛋白为切入点,探讨种子际固有微生物群落瞬
时动态变化的相关物质基础,为深入了解种子际微
生物的行为及进一步改善植物与其联合的微生物
的相互作用关系提供科学依据。
1.5 亚细胞蛋白质组研究
农作物蛋白质组学研究目前已经深入到亚细
胞水平,即研究在一个细胞器内表达的蛋白质组。
亚细胞组分分析提供了功能基因组学的有用信息,
包括基因组序列开放阅读框、亚细胞组分功能蛋白
的鉴定,以及与这些组分生物发生相关的新组分的
鉴定。目前该方面研究比较多的是叶绿体和线粒体
蛋白质组的研究。
Tsugita等[32]首先对水稻叶绿体进行了蛋白质
组的分析。经双向电泳分离检测出 276个蛋白点,
对 16个蛋白进行了 N-端序列分析,并对其中 13
刘洋等:蛋白质组学在农业生物科学研究中的应用 3
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第3期
个蛋白进行测序分析。这是首次对水稻叶绿体蛋白
质组分析的报道,提供了水稻叶绿体蛋白的概况。
Peltier等[33]利用双向电泳、质谱及氨基酸序列测定
等方法,对豌豆叶绿体中类囊体的蛋白质进行了系
统地分析,并在数据库中进行了检索,鉴定了 61个
蛋白质,并确定了其中 33个蛋白质的功能和结构。
此外,叶绿体中核糖体蛋白[34,35]、叶绿体内外膜蛋
白[36,37]等也得到了相应的研究。
线粒体是进行呼吸作用的细胞器。Heazlewood
等[38]将蛋白质组学方法同反向高效液相质谱技术
相结合对纯化的水稻线粒体蛋白进行分离,鉴定了
149个蛋白点,并确定了 85个蛋白的功能,其中包
括线粒体的许多主要的功能蛋白。Joshua等[39]也对
水稻蛋白进行了研究分析,发现这些蛋白质中绝大
部分为线粒体专一性蛋白。
Milar等[40]利用蛋白质组学技术分析水稻幼苗
在缺氧和有氧条件下线粒体蛋白的差异表达,发现
在有氧条件下参与呼吸作用的氧化酶活性明显提
高,而无氧条件下,线粒体中 b/c复合物和细胞色
素 c1氧化酶的丰度却很低。Juliete等[41]对豌豆的
叶、根和种子线粒体中的蛋白质进行分离和鉴定
后,发现一些蛋白质的表达具有器官特异性。此外,
关于农作物其他亚细胞蛋白质组,如高尔基体蛋白
质组[42]、淀粉体蛋白质组[43]等的研究也有相关报
道。
2 蛋白质组学技术在林学研究中的应用
近年来,应用蛋白质组学技术来研究林木生长
发育以及林木对生物与非生物胁迫的反应已使得
人们对林木生物学有了较多地了解[44]。蛋白质组学
成为林业生物学的重要内容,广泛涉及遗传育种、
逆境生理、组织器官、林木病害及木材材性等研究
方面。
2.1 林木遗传育种
Huang等[45]建立具有高分辨率和稳定性的矮化
杉木叶片蛋白质的双向电泳图谱,研究杉木矮化突
变的机理。通过提取同一生长环境下的野生型杉木
及矮化突变型杉木新梢顶端的叶片总蛋白,并运用
DIGE技术进行分析,发现与野生型杉木相比,在矮
化突变型杉木的叶片组织中,有 14个蛋白质表达
水平显著增加,另外 15个蛋白质表达水平显著下
降。所得的 29个差异蛋白质可能与杉木矮化突变
的发生有关。Bareneche等[46]比较了 6个欧洲国家
的 23中橡树,分析了幼苗的总蛋白质,共得到 530
种蛋白质,其中 101个具有多态性,实验结果显示
种内和种间的距离非常接近,并且证实无梗花和夏
栎 2个种的遗传分化水平很低。
2.2 林木逆境胁迫应答
关于逆境生理方面的研究,Renaut等[47]运用蛋
白质组学方法研究了低温胁迫对杨树蛋白表达的
影响。以在 23℃条件下正常生长的植株为对照,分
析了 3个月大受 4℃低温胁迫 7d和 14d的杨树的
叶子蛋白质组的变化,结果发现在检测到的 800多
个蛋白质中有 60个受到低温胁迫的影响,并对其
中的 26个蛋白进行了质谱鉴定,其中在胁迫条件
下消失或表达量下调的蛋白质主要是与能量代谢
有关的蛋白,新出现或表达量上调的蛋白包括伴侣
蛋白、热激蛋白、脱水素和其他胚胎发育晚期丰富
蛋白等。
2.3 林木组织器官蛋白质组学分析
Jorge等[48]从不同树木的叶子,或同一树木的不
同部位,或在 1d的不同时间取样,利用蛋白质组学
技术方法研究发现 100个蛋白表达有差异,此项研
究为评估同一树种中蛋白表达变化提供基础和依
据。此外,鉴于针叶是针叶树种的重要器官,与其植
株生长密切相关,Ekramoddoulah等[49]还针对西部
白松针叶蛋白的季节性变异进行研究,并对几个发
生变异的蛋白质进行了 N端测序分析。Liang等[50]
应用双向电泳技术分析龙眼胚胎分化发育过程中
蛋白质组分的变化,从而揭示出龙眼胚胎发育过程
中特异蛋白的出现或消失,对胚胎的分化发育具有
重要的作用。此外,还有 Costa等[51]对海生松木质部
在器官水平上进行的蛋白鉴定。
2.4 林木病害蛋白质组学分析
Fan等[52]对毛泡桐和白花泡桐同龄、同方位的
病株健叶、病株病叶和健株健叶蛋白质进行了单向
和双向 SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳分析研究。单向电
泳结果表明,毛泡桐和白花泡桐病株健叶、病株病
叶和健株健叶的蛋白质在种类和数量上存在一定
的差异;双向电泳结果表明,毛泡桐与白花泡桐在
健株健叶、病株健叶和病株病叶蛋白质变化方面具
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2008年第3期
有一定的相似性,即在两种泡桐健株健叶和病株健
叶中存在的一种 pI6.8、MW24kD的蛋白多肽,而这
个蛋白多肽在病株病叶中观察不到,由此可以认为
该蛋白可能与泡桐丛枝病相关。
2.5 林木木材材性蛋白质组学分析
木材材性是树木的重要生长指标之一,为了实
现木材的材性改良,发掘林木本身的基因资源,木
材形成的分子生物学基础研究至关重要。Vander
MK等[53]利用 2-DE和氨基酸序列分析方法分析了
杨树形成层区域,未成熟木质部区域和成熟木质部
区域在春夏秋冬四季的蛋白质表达谱,并得到了
18个蛋白质的氨基酸序列,通过数据库的检索,赋
予了包括与细胞壁和木质素生物合成相关的酶及
谷氨酰胺合成酶在内的 10种木质部蛋白质可能的
功能。另外,还有对海岸松[54]、冈尼桉[55]等树种在木
材材性方面的蛋白质组学分析报道。
3 蛋白质组学在畜牧学和水产学研究中的
应用
3.1 肉类品质性状蛋白质组研究
运用蛋白质组学对畜类骨骼肌蛋白质进行研
究,可以为评定肉品质性状提供新的方法和依据。
Chaze等[56]突破传统 2-DE对碱性蛋白分离的局限,
利用改进的 2-DE技术对牛骨骼肌中 pH7~11范围
内的蛋白进行分离,最后将 32个不同基因所表达
的 60个蛋白点通过 PMF技术鉴定出来,并根据其
主要功能分为 7类。这项改进的 2-DE技术对研究
畜类骨骼肌中的碱性蛋白具有十分重要的贡献。
Sayd等[57]利用 2-DE技术研究猪屠宰 20min后
的肌质蛋白,根据肉品质性状,将其分为亮、暗 2
组,发现 2组间有 22个蛋白表达差异,暗色肌肉因
具有充足的线粒体酶而存在较多的氧化代谢,与糖
酵解相关的酶则在亮组肌肉中过量表达。蛋白质组
学技术为研究肉类色泽变化的机理提供了新的思
路和依据。Remignon等[58]直接对肌肉蛋白片段进行
分析,认为蛋白质的改变很可能是导致家禽 PSE肉
综合症的直接原因。Hamelin等[59]对绵羊肌肉肥大
现象进行蛋白质组学研究分析后,认为铁转运蛋白
与 a-1-抗胰蛋白酶的相互作用导致了肌肉的肌原
性增殖。Lametsch等[60]通过研究发现猪的补偿性生
长可以改变其肌肉的蛋白质组,这有助于进一步了
解补偿性生长与蛋白周转变化、肉质软化之间的关
系。
Bosworth等[61]对受低氧温胁迫的斑马鱼的鱼肉
进行研究分析,发现低氧对 6个低丰度蛋白产生影
响,而不影响蛋白的表达模式。Martinez等[62,63]将双
向电泳技术用于鱼种属和鱼肉组织的鉴定,研究北
极和热带品种死亡后的变化特征及某些添加剂在
鱼肉加工过程中的影响。
3.2 神经组织蛋白质组研究
为探寻下丘脑蛋白与高产蛋量之间的关系,
Kuo等[64]利用蛋白质组学方法对两种母鸡在产蛋
前和产蛋期间下丘脑蛋白进行研究,得到 8个在两
种鸡苗生长阶段不同的蛋白点,并对其中的 6个进
行质谱鉴定,发现这些蛋白与调节基因表达、信号
转导及脂类代谢相关,其中,异类核蛋白可能是一
种筛选高产蛋鸡的新分子标记。Zupanc等[65]将以被
清楚界定的小脑病变模式与差异蛋白质组学相结
合,通过比较成年硬骨鱼神经受损后前后其脑内蛋
白质组的变化,进而揭示与神经组织修复再生的某
些相关机制。
3.3 逆境胁迫应答
Zili等[66]运用双向电泳和MALDI-TOFMS技术,
对冷冻储藏前后的黑鲈精子的蛋白质组进行研究,
以揭示冷冻处理对其影响。结果发现,处理前后相
比,21个蛋白质点发生变化,其中 13个明显下调,
8个完全消失。目前的研究发现,精子经过冷冻储
藏,至少有两个蛋白对精子的持续运动性行为减弱
及其相应受精卵的孵化率降低有关。Silvestre等[67]
运用蛋白质组学,研究重金属镉的短期和长期作用
对中华绒蝥蟹前腮蛋白表达的影响。研究发现,经
过镉的长、短期作用,一些生物体中重要的氧化还
原酶类,如谷胱苷肽 S转移酶、硫氧化还原过氧化
酶、组织蛋白酶 D和抗氧化酶等,表达上调或表达
过量,表明中华绒蝥蟹抵御重金属镉的作用是通过
抗氧胁迫机制实现的。
4 蛋白质组学技术应用研究中存在的问题
在农业生物科学研究中,运用蛋白质组学方法
可望快速解决一些利用传统方法较难解决的重大
问题,如确定作物、害虫或家畜生长发育的蛋白质
网络与相关代谢酶;分离鉴定农药蛋白质靶分子;
刘洋等:蛋白质组学在农业生物科学研究中的应用 5
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第3期
确定不同动植物品种及其不同生理状态的标志蛋
白等等。
在第二届全国植物蛋白质组学学术讨论会上
(2007),多位学者提出应从现阶段需要和未来发展
考虑,充分利用我国农业生物资源特色,选择几个
关系到我国农业发展和农业生物研究水平的重大
问题为切入点开展研究。同时,分析了当今深入开
展农业生物蛋白质组学研究所面临的主要问题:如
研究的相当部分生物种类缺乏基因组研究基础;大
量新蛋白质分离鉴定工作效率低;复杂蛋白质分离
难度大;缺少供快速质谱鉴定的数据库等。
要克服这些困难和限制性因素,除了在项目经
费方面给予倾斜外,更重要的是在研究方法上应有
所突破。针对后者,Chang等[68]指出,尽管蛋白质组
学许多研究领域中的应用目前已取得了令人欣喜
的进展,但其研究技术方法仍存在着一些问题,如
所制备的样品有时不能真实地反映其生物学特性,
作为蛋白质分离检测核心技术的双向电泳技术也
存在着低拷贝数蛋白质得不到检测、部分蛋白(如
膜蛋白)不溶于样品缓冲液而易丢失、分子量过大
(>200kD)或过小(<10kD)蛋白质不易分离等问题,
使得近年来蛋白质组学的深入研究受到一定的影
响。当前,研究技术体系的优化和改进仍成为蛋白
质组学研究的主要目标之一。
vanWijk[69]和 Ruan[70]等也针对蛋白质组学技术
中存在的问题进行了讨论,认为虽然双向电泳技
术具有其他蛋白质分离技术无可比拟的分离功
能,目前仍然存在着一些技术细节上的挑战与缺
陷。主要有以下几个方面:蛋白质样品制备效率偏
低;疏水性蛋白难于分离与检测;极端酸性或碱性
蛋白质难于分离;蛋白质的动态分辨率有待提高;
自动化程度需进一步提高;蛋白质定量的准确性
需要提高。
5 前景与展望
蛋白质组学解决了在蛋白质水平上大规模直
接研究基因功能的问题,是通过生化途径研究蛋白
质功能的重大突破。蛋白质组分析作为专门的技术
体系已广泛用于生命科学与农业科学研究领域的
研究。蛋白质组学的基础研究与分析应用正以指数
增长方式发展,它对现代生命科学与农业科学的介
入与贡献将可能使人们的认识由间接的基因、核酸
层次深入到生命的直接执行体-蛋白质层次,更将
蛋白质研究推进到前所未有的深度。不难看出,它
是基因组计划由结构走向功能的必然,是生命科学
由分析走向综合的必经之路,也是连接微观分子系
统与宏观生物系统的桥梁,蛋白质组研究将成为
21世纪生命科学的重要支柱[71]。
生命科学与农业科学有着紧密不可分割的联
系,近年来利用已有的工作基础和样品本身的特
性,科研工作者们已探索了农业生物蛋白质组的快
速经济分离鉴定方法,包括双向电泳样品制备方法
改进,蛋白质组预分离,蛋白质组多维色谱分离,蛋
白质复合体分离,荧光素标定蛋白,纳升级色谱分
离和 MS/Ms分析复杂和未知的蛋白等。今后应重
点解决以下几方面的问题:功能蛋白和差异蛋白分
析,主要技术路线是双向电泳分离、多维色谱分离
和质谱分析;蛋白质修饰分析,主要技术路线是修
饰蛋白的富集分离和质谱分析;蛋白质复合体和蛋
白质相互作用网络分析,主要利用现有的蛋白质研
究技术和设备开展蛋白质复合体的分离鉴定等。
随着蛋白质组学研究的深入发展,通过加强同
国际间的学术合作及资料交流,建立全球共享的数
据库系统,将最终揭示基因组的结构和功能,并将
推动农业生物科学研究领域取得重大突破。
参考 文献
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