全 文 ： 综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年增刊
微生物蛋白组学的发展及前景
龙娟 杨晓红* 于桂宝
(西南大学园艺园林学院,重庆 400716)
摘 要: 随着人类基因组草图的绘制成功, 标志着后基因组时代的到来。由于基因的功能主要是通过其表
达蛋白质实现, 要了解基因的全部信息,必须深入研究不同基因编码的蛋白质,因此蛋白质组学 ( proteom ics)在生
命科学研究中具有重要的地位。蛋白组学是一门新兴科学,目前还处于起步阶段, 随着这项研究的不断深化, 必将
对人类的生活和生产带来重大影响。主要目的是对国内外蛋白组学的发展、研究现状以及应用前景进行简要阐
述。
关键词: 微生物 基因组 蛋白组 蛋白质组学
Development and Prospect ofM icrobial Proteom ics
Long Juan Yang X iaohong Yu Gu ibao
(C ollege of H orticulture and Landscap e A rchitecture, Southw est Univers ity, Chongqing 400716 )
Abstrac:t The success of m apping hum an genom e means that the postgenom ic e ra is com ing. The function of gene
depends on expressed pro teins. T o w ell know the whole inform ation o f genes, the pro teins coded by d ifferent genes have to
be studied mo re deep ly since they a re the fina l representatives of the spec ific genes. P roteom ics has been the key issue in
the b ioscience research. A t present, pro teom ics is a brandnew science. W ith the development of th is research, proteom ics
w ill m ake g rea t effcets on hum ans life and production. The purpose of th is a rtic le is to g ive a br ief rev iew on the status quo
and app licative foreg round o fm icrob ia l proteom ics.
Key words: M icroorgan ism Genom e P roteom e P ro teom ics
基金项目:重庆市科委自然基金 ( 9069 )和重庆市教委科学技术研究基金 ( 040216)资助
通讯作者:杨晓红, Em ai:l yangxh@ sw au. edu. cn, Te:l 02368251772
1 蛋白组学产生的背景
随着基因组研究的不断深入, 研究者发现基因
组计划仍然具有一定的局限性。基因调控研究表
明,即使是简单的微生物 (如大肠杆菌 )其基因组的
全部基因也不能同时表达,通常情况下,生物的基因
组只表达少部分基因, 而且表达的基因类型及其表
达程度随生物生存环境及内在状态的变化而表现极
大的差别,而且这种差别存在严格调控的时空特异
性 [ 1]。基因组计划即使已经确定某种生物基因组
内的全部基因,也不能告诉人们哪些基因在何时何
地以何种程度表达。为了弥补基因组计划这一天然
局限, 近年来人们相继引进一系列大规模基因表达
检测技术, 如微阵列法 ( m icroarray )、DNA 芯片
( DNA chips)、SAGE ( serial analysis o f gene expres
sion)
[ 2 ]等。这些方法虽然能够定性、定量且大规模
检测基因表达产物 mRNA, 但 mRNA由于自身存在
贮存、转运、降解、翻译调控及产物的翻译后加工,难
以准确地反映基因的最终产物 /基因功能的真正执
行体 蛋白质的质和量 [ 3]。
从上可见,基因虽然是遗传信息的源头,但功能
性蛋白是基因功能的执行体。基因组计划的实现固
然为生物有机体全体基因序列的确定,为未来生命
科学的研究奠定了坚实的基础, 但是它并不能提供
认识各种生命活动的直接分子基础,因此必须研究
生命活动的执行体 蛋白质,由此蛋白组学应运
而生。
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
2 蛋白质组和蛋白质组学研究简介
蛋白质组 ( pro teom e) 一词最早出现于 1995年,
与基因组 ( genome) 相对应 [ 4]。基因指一个细胞单
倍型 ( haploidy ) 所含的全部遗传信息, 即 DNA或
RNA编码的遗传信息。蛋白质组则是指一个细胞
一生中表达的蛋白质总和。细胞一生包括细胞的生
长、分化以及受外源因子刺激状态等。这种定义的
蛋白质组又称功能蛋白质组。与之相应的是结构蛋
白质组,即基因组理论上编码的蛋白质总和 [ 1 ]。一
种生物一般只有一种基因组,却有不同的功能蛋白
质组。这些蛋白质组有组织特异性、年龄特异性、分
化特异性和生理特异性。一般认为同一组织或同一
组织中同一类型的细胞具有相同或近似的蛋白质
组。
蛋白质组学 ( proteom ics)是研究蛋白质组的一
个新领域,主要研究蛋白质的特性,包括蛋白质表达
水平、氨基酸序列、翻译后加工和蛋白质相互作用,
在蛋白质水平上了解细胞的功能、生理生化过程以
及疾病的病理过程等。基因的产物是蛋白质,生物
的表型通过蛋白质体现。对于某些基因, 由于转录
后加工和翻译后加工, 一个基因有着一个以上的蛋
白质产物。很多疾病不是由于基因变异, 而是蛋白
质的结构、功能、定位或表达发生了变化。蛋白质组
学能够通过氨基酸序列结合基因组学数据库确定编
码该蛋白质的基因, 能够推测未知蛋白质的功能
(如果发现一个蛋白质只出现在神经细胞的质膜
上,那么可以推测这种蛋白质与神经信号传导有
关 ) ,能够探明各种调控机理和生化途径, 在分子水
平探索疾病发生过程 [ 4] , 因此蛋白质组学有着十分
重要的意义。
2. 1 蛋白组学的研究材料
1995年, W asinger等 [ 4 ]在第一篇蛋白组研究文
章中的研究对象为目前已知的最小但能自主复制的
原核微生物 支原体 Mycoplasm a gen ita lium。
1996年,研究对象扩展到单细胞真核微生物 酵
母 [ 6]以及人体组织和病理标本 [ 7 ]。进而突破了早
期人们普遍认为的 蛋白组研究只适用于基因组已
完成的生物 的界限。1997年, 研究对象一下扩展
到 14种生物,其中虽然绝大多数是原核生物,但也
包含多真核生物如线虫 [ 8]。近几年来, 蛋白组研究
对象已无任何限制: 无需基因组计划完成 (当然完
成者更好 ) , 无原核生物 /真核生物, 单细胞 /多细
胞,组织之分。
2. 2 蛋白组学的研究方向
蛋白组学的研究前沿大致分为三个方向: ( 1 )
针对有基因组或转录组数据库的生物体或组织 /细
胞,建立其蛋白质组或亚蛋白质组 (或蛋白表达谱 )
以及蛋白组连锁群, 即 composit ional proteom ics研
究; ( 2)以重要生命过程或人类重大疾病为对象进
行生理 /病理体系或过程的比较蛋白组学研究
( comparative pro teom ics) ; ( 3)蛋白质组学支撑技术
平台和生物信息学的研究 [ 4]。
3 蛋白组学研究现状
3. 1 国外研究现状
Nature、Sc ience在 2001年 2月公布人类基因组
草图的同时, 分别发表了 And now for the pro
teom e [ 8]、 Proteom ics in genom eland [ 9]的评述与展
望,将蛋白组学的地位提高到前所未有的高度。近
年, N ature、Sc ience和 Cell以及其他一些重要杂志,
接连刊登有关蛋白组学的评论文章或原始论著, 明
确表明了蛋白组学已成为新世纪生命科学研究的前
沿。
国外大部分蛋白组表达谱的研究论文发表于
2000年下半年以后,且大多数建立在已完成基因表
达谱的基础上,表明目前在基因组或转录组基础上
开展蛋白质组表达谱的研究是一个新的方向。人类
重大疾病的蛋白组研究通常采用比较蛋白组分析方
法。近年来, 蛋白质组技术在研究细胞的增殖、分
化、异常转化、肿瘤形成等方面进行了有力的探索,
涉及到白血病、乳腺癌、结肠癌、膀胱癌、前列腺癌、
肺癌、肾癌和神经母细胞癌等,鉴定了一批肿瘤相关
蛋白,为肿瘤的早期诊断、药靶的发现、诊效判断和
预后提供了重要依据 [ 9]。
3. 2 国内研究情况
在 1995年国际上发表第一篇蛋白组学的研究
论文后不久,国家自然基金委即酝酿并于 1997年设
立了重大项目 蛋白组学技术体系的建立 。经过
几年努力,我国蛋白组学技术平台的建设有了飞跃
的发展,若干研究单位重点建立了技术平台,并在方
法学的跟踪与创新上做了不少工作,使现有技术平
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2006年增刊 龙娟等:微生物蛋白组学的发展及前景
台达到了国际先进水平。我国科学家已经在蛋白质
分析技术与方法、重大疾病如肝癌、维甲酸诱导白血
病细胞凋亡启动模型及维甲酸定向诱导胚胎干细胞
向神经系统分化的模型等的比较蛋白组研究以及一
些重要生理和病理体系的蛋白组成分研究方面获得
不少成就 [ 2]。
4 蛋白组学研究的主要技术
蛋白质组学所应用的核心技术包括样品制备、
分离、质谱分析和生物信息分析。为了避免其他蛋
白质组对所研究的蛋白质组的干扰, 纯化及富集特
定类型 (特定形态或功能 ) 的细胞非常重要。细胞
富集有以下几种方法:流式细胞仪法、抗体纯化法和
显微切割法。流式细胞仪法常用于血细胞的分离收
集。抗体纯化法利用抗体交联的磁性小珠筛选非聚
集的混合细胞群中某一类型细胞。显微切割法用于
分离实体组织中某一类型的细胞, 在切片上进行。
手工显微切割法获得的细胞较少而且容易污染,对
细胞的机械损伤较大。新近发展起来的激光捕获显
微切割法 ( lasercaptured m icrodissection , LCMD)可
以准确、快速地获得实体组织中特定类型的细
胞 [ 10]。
蛋白质双向电泳 ( twodimensiona l e lect rophore
sis, 2DE ) 是一种方便、灵敏的蛋白质分离方
法 [ 11]。第一相电泳根据蛋白质的不同等电点分离
各种蛋白质, 即等电聚焦法 ( isoelect ric focusing ,
IEF) 。第二向电泳根据蛋白质的不同分子量进一
步分离等电点相同的蛋白质,即 SDS聚丙烯酰胺凝
胶电 泳 ( SDSpo lyacrylam idege l elect rophoresis,
SDSPAGE ) 。电泳完成后的染色方法主要有考马
斯亮蓝染色、银染和荧光染色等。考马斯亮蓝染色
的灵敏度为微克级,银染的灵敏度可以达到纳克级,
新的荧光染料 SYPRO染色的灵敏度更高。双向电
泳图谱反映了蛋白质组的特性, 即蛋白质的种类和
含量。双向电泳图谱复杂,它的分析通常依赖于软
件分析。目前已有的蛋白质组双向电泳图谱资料包
括转化的羊膜表皮细胞、外周血单核细胞、胚肺成纤
维细胞以及其他一些人类组织和肿瘤的蛋白质组双
向电泳图谱。双向电泳可以将某一蛋白质与其翻译
加工后的蛋白质形式同蛋白酶水解后的蛋白质形式
分离开来,有的双向电泳图谱上有 1 / 4斑点是加工
后的蛋白质形式,这为具有不同活化功能状态的蛋
白质研究提供了很大方便。
双向高效液相层析 ( twod imensiona l h igh per
formance liqu id chromatography, 2DHPLC ) 也是一
种很好的蛋白质分离纯化方法 [ 12]。第一相根据分
子大小分离蛋白质, 第二相是反相层析。双向
HPLC分离蛋白质的容量比双向电泳大, 速度比双
向电泳快。最近发展起来的 HPLC与毛细管等电聚
焦相结合的蛋白质分离方法也比双向电泳快速、分
辨率高。蛋白质经双向电泳分离及图像分析后, 将
蛋白质斑点胶块切下,用蛋白酶 (通常用胰蛋白酶 )
对蛋白质样品进行胶内酶解,获得肽片段。利用质
谱分析肽片段,得到肽指纹图谱。利用生物信息学
将质谱分析结果与蛋白质数据库中的氨基酸序列进
行比较,如果数据库中有被研究蛋白质的氨基酸序
列,则可进一步结合已有资料进行分析,如果蛋白质
数据库中没有被研究蛋白质的氨基酸序列, 或者其
序列不全,则用 Edman降解法测定其全部氨基酸序
列,并将氨基酸序列输入蛋白质数据库。
质谱 ( mass spectrometry )技术是蛋白质组学研
究的核心技术 [ 11]。 20世纪 90 年代以后, 质谱
( mass spectrometry, M S )技术得到了迅速发展,该技
术的基本原理是将样品分子离子化后,根据离子间
质荷比 (m /s)的差异来分离并确定分子量。目前使
用基质辅助激光解吸离子化 -飞行时间质谱技术,
可以得到酶解肽段的分子量, 获得蛋白质的肽质量
指纹图 ( pept idem ass fingerprin,t PMF) , 然后通过相
应的数据库搜索来鉴定蛋白质 [ 13]。采用串联质谱
( tendamMS)的方法, 可以进行肽的测序,得出肽段
的氨基酸序列。此外, 近几年迅速发展的一种新的
质谱技术 表面增强激光解吸离子化 -飞行时间
质谱技术可以直接在固相的吸附了蛋白质的芯片表
面,使用脉冲氮激光能量,使被捕获的靶蛋白从芯片
表面电离出来,根据靶蛋白在离子装置中的飞行时
间,测量出其分子量。根据定位于固体表面物质的
性质不同,可将芯片分为化学型 ( chem ica l)和生物
型 ( biological) 两种类型。 ( 1)化学型芯片的构想来
源于经典色谱,具有疏水性表面、亲水性表面、阳离
子交换表面、阴离子交换表面和固相金属亲和层析
表面,以及混合性表面等几种表型, 通过疏水力、静
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
电力、共价键等结合样品中的蛋白质。 ( 2)生物型
芯片则是把生物活性分子 (如抗体、受体、酶、DNA
等 )结合到芯片表面, 利用抗原抗体、受体配体、
酶 底物, 以及蛋白质DNA之间的相互作用来捕获
样品中的靶蛋白。
5 蛋白组学的应用
继基因组计划之后的蛋白组学研究已经成为生
命科学研究的主要内容。蛋白组学的研究有非常广
阔的发展前景,对分析临床疾病的分子机制、发现新
的预测和诊断疾病的分子标志、找到药物作用的新
靶点、加速新药物的研发等,有极重要的临床实用意
义。
5. 1 蛋白组学与新药物的开发
由于疾病的发生与发展、药物的作用大多是在
蛋白质水平上进行, 而且蛋白组学研究又克服了蛋
白质表达和基因之间的非线性关系, 因此将蛋白质
应用于新药研究,通过对疾病与正常细胞中蛋白质
进行比较,发现可以成为药物筛选的作用靶标的、与
一些疾病相关的蛋白质。还可以通过对疾病发生的
不同阶段蛋白质的变化进行分析, 发现一些疾病不
同时期的蛋白标记物, 这样不仅对药物发现具有指
导意义, 还可成为未来诊断学、治疗学的基础理
论 [ 15]。癌症被称为当今人类的一大天敌,因而抗肿
瘤药物的开发也就成为了科学家们研究的重点。现
今大多数抗癌药物都伴有严重的毒副作用, 特别是
对晚期癌症病人进行单一化疗或联合放疗、过热疗
法时, 经常伴随着癌细胞对细胞抑制剂耐药性发
生 [ 17]。如果能发现在耐药细胞系中表达异常的蛋
白质或者与细胞毒性密切相关的蛋白质, 就能以此
蛋白为靶点设计用于联合用药的新化学单位 ( new
chem ical ent ities), 也可以此信息为参考, 设计避免
产生耐药性或毒副性的药物。另外造成癌症病人死
亡率极高的主要原因是肿瘤的转移。现在国内一些
实验室已经开始利用蛋白质组学技术, 通过对高低
转移细胞株蛋白的比较, 来寻找与肿瘤转移相关的
蛋白质。同时也可以高转移株中特异表达的蛋白质
为靶点,开发抑制肿瘤转移的新药 [ 16]。
在抗生素方面, 由于传染病仍是死亡的主要原
因,因而抗感染药是近年来各国新药开发的热点之
一。但面对抗生素耐药问题以及不断出现新的微生
物的感染性疾病, 旧的方法显得束手无策。其根本
原因就在于对药物的作用机制缺乏透彻的认识。蛋
白质组学技术可以让人们清楚地了解细菌内哪些蛋
白质会在抗生素的作用下发生改变,以及发生何种
变化。根据这些变化, 并以蛋白质作为新药设计的
靶点,筛选出新一类的抗生素 [ 18]。同时还可选取一
些耐药菌株,考察其耐药机制。
5. 2 蛋白质组学在肿瘤标记物中的应用
肿瘤的早期发现是肿瘤防治中的关键。寻找有
价值的肿瘤特异性标志物对肿瘤的早期诊断和有效
治疗具有重要意义。在一个细胞由非疾病状态转变
为肿瘤的过程中,细胞内蛋白质表达谱会发生一系列
显著的变化,使用蛋白质组分析技术能够从细胞整体
水平上显示出肿瘤发生、发展过程中蛋白表达谱的变
化 [ 14]。由于肿瘤的复杂性和组织的异质性,获得适
当的细胞群体进行肿瘤蛋白组研究显得越来越重要。
激光捕获显微切割技术 ( laser capture m icrod issec
tion)是近几年发展的一项可以直接从组织样品中获
取特异细胞群的技术,该技术对寻找肿瘤标志物有重
要作用。目前已经在前列腺癌、膀胱癌、结直肠癌、肾
细胞癌等癌细胞中找到特异表达的蛋白质,这些蛋白
质可能成为这些疾病的诊断标记物 [ 16]。
6 存在问题及展望
理论上蛋白质组应该包含一种组织或细胞所表
达的全部蛋白质,但是蛋白质分析技术尚没有一种
类似基因分析中 PCR扩增的技术使得低丰度蛋白
质得以扩增,同时, 低丰度蛋白通常被高丰度蛋白掩
盖而很难分离 [ 19 ]。另外,由于蛋白质组技术仍有许
多不足之处,比如对极端酸性、碱性和难溶性蛋白质
的分离和鉴定仍很困难, 因而许多重要蛋白质的信
息可能会丢失。所以, 一方面要将现有的技术手段
取长补短综合运用,另一方面需要进一步丰富和发
展蛋白质组研究技术,增加其敏感性、稳定性、可重
复性和特异性。
蛋白质组学是在蛋白质水平上大规模研究基因
功能的强有力的工具。随着蛋白质组学技术的进一
步发展以及相关数据库的进一步充实,蛋白质组学
会有更广阔的发展前景, 对现代生物学及生物技术
的发展做出重大贡献。
(下转第 99页 )
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