全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期:2005-12-29
基金项目:国家自然科学基金(No.30271663)
作者简介:叶能胜(1975-),男,博士,研究方向:蛋白质组学相关研究
通讯作者:罗国安
·综述与专论· 2006年第3期
干细胞生物学和干细胞生物工程已经成为继
人类基因组之后最有影响力和最有应用前景的生
命科学研究领域之一。随着基因工程、胚胎工程、细
胞工程、组织工程等各种生物技术的快速发展,按
照即定目标在体外分离、培养干细胞己成为可能,
利用干细胞构建各种细胞、组织、器官作为移植技
术的供体来源,将成为干细胞应用的主要方向。但
是我们清楚地认识到干细胞研究还只是处于起始
阶段,在干细胞广泛应用于临床之前,干细胞基础
研究还有很长的路要走[1]。科学家们在积极研究干
细胞临床应用价值的同时,充分利用各种新研究方
法和实验技术促进干细胞研究的不断深入,以求更
好控制其分化过程,更加充分地实现其医用价值。
蛋白质组学是后基因组学时代的又一“组学”
技术,在临床疾病研究[2,3]、新药研发[4,5]等领域有着
广泛的应用,已经发展成为功能基因组学研究的有
力工具。蛋白质组学是从动态的角度对细胞、组织
进行整体蛋白表征,在蛋白质水平上研究基因及其
编码蛋白的功能,揭示细胞生理过程的分子机理。
蛋白质组学技术在干细胞研究中具有广泛的应用
前景[6],周咏明[7]曾就此领域的应用加以评述,干细
胞蛋白质组学研究相关报道日益增多,研究范围和
蛋白质组学在干细胞研究中的应用
叶能胜 罗国安 王义明
(清华大学生命科学与医学研究院,北京 100084)
摘 要: 蛋白质组学技术通过整合多项技术来分析生物体的全部蛋白质成分,通过考察不同状态下细胞或组织蛋
白质组的变化情况来了解细胞活动的分子机理。干细胞分化过程中受外界条件的影响其蛋白表达模式也表现出一定的
差异,对干细胞分化过程中进行蛋白质组学研究将有利于从蛋白质分子水平上阐明干细胞的分化机理。本文对蛋白质组
学及其在干细胞研究中的应用加以评述。
关键词: 蛋白质组学 干细胞 机理
AdvancesofProteomicsinStem CelsResearch
YeNengsheng LuoGuoan WangYiming
(InstituteofBiomedicine,TsinghuaUniversity,Beijing100084)
Abstract: Proteomicsinvolvestheintegrationofanumberoftechnologieswiththeaimofanalyzingthecomplete
complementofproteinsexpressedbyabiologicalsystem.Ithasbecomereadilyapparentthatexaminingchangesinthe
proteomeofersinsightintounderstandingcelularandmolecularmechanisms.However,theapplicationoftheproteomic
approachtothestudyofstemcelhasmadeitpossibletocharacterizeglobalalterationsinproteinexpressioninresponseto
variousstimuliand/orunderdiferentphysiologicalorpathophysiologicalconditions.Thispromisesnewinsightsintothe
celularmechanismsinvolvedinceldiferentiation.Stemcelshavegreatpotentialvalueinmedicine,andprovidedcel
replacementtherapytotreatsomediseases.Inparticulargainingknowledgeabouthowstemcelsdiferentiate,andonhow
thisprocessmightbecontroledtoproducetheparticularkindsoftissueneededfortreatment,isonlyjustbeginning.
Definitionofthesepopulationstoincreaseourunderstandingoftheprogramsthatcontroldiferentiation,self-renewal,and
possiblyplasticitywouldbeofgreatinterest.Therecentdevelopmentsinproteomicsandtheirpotentialapplicationtothestem
celarediscussed,andexamplesaregiven.
Keywords: Proteomics Stemcels Mechanism
生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第3期
方向也不断扩大,研究程度也进一步深入,作者对
此领域做进一步评述。
1 干细胞蛋白质组学研究
要全面推广干细胞技术在临床中的应用,必须
加强对干细胞的基础研究,特别是干细胞分化过程
的分子机理研究。蛋白质是生命活动的主体,必然
在干细胞分化过程中起着十分重要的作用,而蛋白
质组学技术具有动态分析的特点,可以对细胞分化
的不同时间点进行过程分析,从而在蛋白质分子水
平上揭示干细胞分化的分子机理。
目前蛋白质组学技术应用于干细胞研究主要
从两个角度着手,一种是研究干细胞的蛋白质组表
达,多采用二维电泳(2DE)分离干细胞蛋白,然后利
用基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱(MALDI-
TOF-MS)、电喷雾电离串联质谱(ESI-MS/MS)等质谱
分析技术对蛋白进行分析,借助蛋白质数据库检索
确定蛋白种类及相关信息,建立干细胞的蛋白信息
库,为进一步研究提供数据;另一种就是采用比较
蛋白质组学方法分析干细胞在不同环境或不同状
态下的蛋白表达差异,着眼于表达量发生变化的蛋
白,经质谱鉴定后进一步分析它们在细胞活动过程
中的生物功能,从而阐述干细胞分化的机理。
1.1 干细胞蛋白质组研究
对干细胞进行蛋白质组表达分析是干细胞蛋
白质组学研究的第一阶段,其主要目的在于干细胞
蛋白质数据库的建立,其中包括二维电泳图谱、干
细胞蛋白数据等。表 1列举了近年来有关干细胞蛋
白质组表达的相关文献。从目前文献报道情况来
看,干细胞蛋白质组研究主要集中在胚胎干细胞和
间充质干细胞上。也有文献报道只关注干细胞中单
一蛋白的表达情况,如 Kadri等[8]对 MSCs中的半乳
糖苷凝集素 1(galectin-1)蛋白表达情况进行研究,
认为该蛋白可能与 MSCs的免疫学功能有关。
在干细胞蛋白质组研究中,需要规模化地鉴定
表1 干细胞蛋白质组研究
干细胞蛋白,最大程度提供干细胞蛋白数据记录,
工作量比较大,费时费力。从文献报道情况来看,多
数干细胞蛋白质组研究采用 2DE与 MS(或 MS/MS)
相结合的研究方法, 但该方法尚不能实现智能
化,仅能提供有限数据。而利用自动化程度较高的
2DLC-MS/MS则可以鉴定更多蛋白,数据量明显增
多,其不足之处在于不能提供蛋白详细信息如分子
量、等电点等。
1.2 干细胞分化过程的比较蛋白质组学研究
比较蛋白质组学,也称为差异蛋白质组学[14],
比较蛋白质组是蛋白质组学研究的一个主要内容,
其核心在于寻找某种特定因素引起样本之间蛋白
质组的差异,揭示并验证蛋白质组在生理或病理过
程中的变化。通过进一步对蛋白质组差异信息分析
后,理论上可以推断造成这种变化的原因。因此,对
于临床上肿瘤预诊、药物靶标寻找、细胞调控分子
的鉴别等有着极大的实际意义。在干细胞研究中,
比较蛋白质组学主要用于干细胞分化机理研究,表
2列举近年来比较蛋白质组学技术在干细胞研究中
的应用概况。
从报道文献来看,有关比较蛋白质组学方法研
究干细胞更趋向深入,如 Foster等[28]则重点关注膜
蛋白及其相关蛋白在人骨髓间充质干细胞成骨分
化过程中的表达情况,共鉴定蛋白 463个,其中包
括 307个膜蛋白或膜相关蛋白,他们认为部分蛋白
可以作为 hMSCs成骨分化过程的分子标志物。我们
认为干细胞蛋白质组学研究还可以从细胞器等层
次深入研究,研究目的性更加明确,有利于干细胞
样品 研究方法 研究结果 文献
小鼠胚胎干细胞(ESCs) 2DLC-MS/MS 鉴定1790个蛋白,包括365个核蛋白和260个膜蛋白 [9]
小鼠R1胚胎干细胞 2DE 采用不同的IPG胶条分离ESCs蛋白, [10]
MALDI-TOF-MS 基于质谱分析共鉴定241个蛋白
ESI-MS/MS
人脐血干细胞 2DLC-MS/MS 鉴定了脐血干细胞中215个蛋白 [11]
人脐血干细胞 2DE 从5个不同来源UCB干细胞中共同 [12]
nanoLC-MS/MS 表达的52中鉴定了其中22个蛋白。
人脐血骨髓间充质干细胞 2-DE
(UCB-hMSCs) MALDI-TOF-MSMALDI-LIF 对UCB-hMSCs蛋白进行表达,共鉴定蛋白205个(含145 [13]
T-TOF/TOFMS 种蛋白,另60种可能是异构体或者发生蛋白修饰作用
2
2006年第3期
表2 比较蛋白质组学在干细胞研究中的应用
的功能研究。
相对于干细胞蛋白质组研究来说,干细胞比较
蛋白质组学更具有实际应用价值,可以对调控干细
胞生长、分化的各种因素加以比较分析,有利于实
现干细胞分化的人工调控,以满足临床上细胞移植
手术的需求。但是我们同时还看到干细胞比较蛋白
质组学研究还存在一些不足的地方,例如,2DE与
MALDI-TOF-MS相结合的技术路线在蛋白质组学
研究仍居首要位置,所以在干细胞研究中也常常作
为首选技术,但是 2DE技术在蛋白定量方面明显不
足,所以在文献报道中一般都通过其他分子生物学
方法来验证蛋白质组学的实验结果,如 Western
bloting,RT-PCR和荧光标记等,如果将同位素标记
亲和标签(ICAT)技术引入就可以解决比较蛋白质
组学研究中蛋白定量问题[26]。
1.3 其他相关研究
胚胎干细胞的增殖、分化能力与外界环境密切
相关。Prowse[29]和 Lim等[30]分别对新生纤维原细胞
系(HNF02)和STO细胞系进行蛋白质组学研究,鉴
定的蛋白结果表明功能蛋白参与了 ESCs的生长、
增殖等过程,这与两种细胞系具有维持 ESCs增殖
和多能性的功能相符合。
2 存在的问题及其前景
蛋白质组学从概念提出到现在,基础理论和实
验技术在不断发展和完善,已经广泛应用到生命科
学、药物学及分析化学各个领域,逐渐成为科学研
叶能胜等:蛋白质组学在干细胞研究中的应用 3
生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第3期
究的前沿。但是蛋白质组学的发展还面临着一些亟
待解决的问题:首先,样品制备过程中如何更加充
分地提取蛋白;如何提高蛋白检测灵敏度,特别是
低拷贝蛋白的检测;蛋白质组学实验操作的自动
化、智能化还有待进一步提高。其次,目前蛋白质组
学研究多集中在蛋白质组的表达模式研究,对于蛋
白功能和蛋白质之间相互作用的研究还没有完全
展开,真正要实现蛋白质组学研究来解释生命过程
分子机理,还必须进行蛋白功能研究,而这又是一
项十分浩大的工程,需要通过发展高通量的方法来
加速蛋白质组学研究的进程。短短十年时间,蛋白
质组学的发展已经取得惊人的成就,主要表现在对
癌症等疾病标志物的发现,在疾病发展初期就可以
实现临床诊断,而且较传统方法有更高的准确率,
疾病标志物在临床上还可以用来监测疾病治疗状
况,起到一定的预后作用。随着蛋白质芯片技术等
新技术的不断发展,高通量的蛋白质组学研究方法
将会促进蛋白质组学的发展,使之为人类健康事业
做出更大的贡献。
干细胞研究近年来多次为科学界所关注,曾多
次被科学家们列入世界十大科技进展、热门科技
等。一项又一项惊人发现使人们对干细胞的认识不
断加深,对如何充分利用干细胞的生物特性也有了
初步认识。但是干细胞研究还只是处于起步阶段,
干细胞全面用于临床治疗,包括治疗性克隆在内,
还有很多基础理论问题需要深入研究,还需要借助
各种科学技术,如蛋白质组学、代谢组学等,来加快
对干细胞的基础研究,从分子水平上控制干细胞的
增殖、分化和生长。我们相信随着科技的不断进步,
人们对干细胞的认识不断加深,干细胞将更加合理
地应用到人类健康事业之中。
参 考 文 献
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