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1、第十四讲蛋白质组学,一、基本概念：基因组(genome)：一个细胞或者生物体所携带的全部遗传信息。指细胞或生物体内一套完整“单倍体”遗传物质的总和，是由基因和基因外的核苷酸序列组成的。基因组学：在全基因水平上探索生命的本质规律性的学科。1986年 Thomas Roderrick 提出“基因组学”的概念。人类基因组计划（HGP）：人类全部基因序列的分析，是基因组学研究重要标志1986年提出，1990.10启动，23条染色体，约3.0109bp，预计15年完成。1998年（6%），2001年（1/3），2003年提前完成序列的测定，（2.02.5）万基因。中国科学院遗传研究所 人类基因组中心 参
2、与国际人类基因组计划，人类第3号染色体短臂DNA序列的测定，3.84 108bp。达到国际人类基因组计划协作组对“完成图”的要求。2003年4月15日，美、英、日、法、德、中6国领导人联名联合声明，宣告人类基因组计划圆满完成。我国达到国际先进水平 宏基因组学：人体肠道元基因组研究，揭示了肠道内微生物基因的多样性及其与疾病易感性和药物反应等相关的重要因素。,第一节 概 述,结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学的概念：为了揭示整个基因组转录、翻译与产物之间的调控关系。在基因组研究的基础上提出多层次的“组学”概念，结构基因组学：结构基因组：生物的全部基因组DNA序列。结构基因组学：基因的遗传图和物
3、理图制作，最终完成人类和其他重要模式生物的全部基因组DNA序列的测定和比较分析的学科。即：基因组静态结构规律性的分析，包括：不同物种之间的基因比较和基因组多态性分析。功能基因组学：功能基因组：细胞内所有具有生物学功能的基因，即表达一定功能的全部基因所组成的DNA序列，包括编码基因和调控基因。功能基因组学：研究基因组中功能基因的的学科。通过基因组及其功能基因组的研究，阐明整个基因组及其转录、翻译及产物关系的学科。系统地破译遗传密码蛋白质组学蛋白质组：指一个基因组、一个细胞或一种生物表达的所有蛋白质及其存在方式。蛋白质组学：以蛋白质组为研究对象，从整体蛋白质水平研究生命活动的本质规律和探索疾病发生
4、机制的学科。,基因组学与蛋白质组学的关系,基因组转录组蛋白质组代谢组,针对生物体不同角度的整体思想 组间是相互联系的，统一于生物体系统性,系统生物学,基因组学面临的挑战随着人类基因组计划的实施和推进，以及很多物种的基因组测序，生命科学研究已进入后基因组时代。但通过基因组的序列，无法阐明它所编码的蛋白质的高级结构和功能。尚不能从蛋白质水平上反映生命的本质。例如：（1）基因是蛋白质结构的“蓝本”，携带着遗传信息，仅凭细胞内mRNA的信息还不能预见基因的产物蛋白质的信息。（2）仅靠基因组序列无法回答生物体内外环境与基因的表达关系。蛋白翻译后修饰、剪接和加工等过程。蛋白质翻译后修饰、结构形成、蛋白质分
5、子间或与其它分子间的相互作用关系等。蛋白质本身的存在形式和变化规律，如翻译后修饰、蛋白质间相互作用以及蛋白质构象等问题。回答这些问题：还需要依赖于直接对蛋白质进行研究。阐明生命现象本质，仅仅依靠基因组学研究是不够的，提出了,蛋白质组学的产生和思想是时代发展的要求和产物：20世纪90年代中期，产生了蛋白质组学(proteomics)，由于人类基因组计划的实施和发展，生命科学研究已进入后基因组时代。研究生命现象，阐述生命活动的规律，只了解基因组的结构是不够的，还必须对生命活动的直接执行者蛋白质(数量、结构、性质、相互关系和生物学功能)进行全面深入的研究。传统的研究方式（对单个蛋白质研究）已无法满足
6、后基因组时代的。一个以“蛋白质组”为研究对象的生命科学的新时代诞生了。蛋白质组学的思想是在生物体或其细胞的“整体”蛋白质水平上来揭示和阐明生命活动的基本规律，而不是局限于一个或几个蛋白质。,二、蛋白质组学发展的重要标志,（1）高分辨双向凝胶电泳(2-DE)技术的建立20世纪70年代Farrell和Klose各自创建了蛋白质“高分辨”双向凝胶电泳(twodimensional gel electrophoresis，2-DE)。Farrel对大肠杆菌细胞抽提物进行双向电泳，分离到1100个蛋白质组分，从此拉开了蛋白质组研究的序幕。为蛋白质组学产生的技术保障。（2）蛋白质组计划的提出(蛋白质组学思
7、想的产生)20世纪80年代初，基因组计划提出前，曾有人提出“蛋白质组计划”，当时称为Human Protein Index计划，旨在分析细胞内的所有蛋白质。由于种种原因，这一计划被搁浅，并未实施。思路的提出，非常重要时机也很重要。,七个方面技术的进步思想的进步,（3）蛋白质组(proteome)的提出：蛋白质组学诞生的标志1994年，澳大利亚两位学者（悉尼Macquarie大学学生Wilkins和他的老师William）试图使用一个合适的术语描述“一个基因组所表达的全体蛋白质”。1994年年9月，他们在意大利召开的一个学术会议上首次提出了蛋白质组(proteome)这个新造的词。1995年7月
8、，Electrophoresis杂志上第一次刊登了第一篇蛋白质组学研究的论文。从此，蛋白质组研究的进展十分迅速不论基础理论还是技术方法，都在不断进步和完善。多种细胞的蛋白质组数据库已经建立，相应的国际互联网站层出不穷,（4）蛋白质组研究机构的成立1996年，澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中心。丹麦、加拿大、日本也先后成立了蛋白质组研究中心。在巨大财力的支持下，在美国各大药厂和公司，也纷纷加入了蛋白质组的研究行列。2001年4月，在美国成立了国际人类蛋白质组组织，随后欧洲、亚太地区都成立了区域性蛋白质组研究组织，试图通过合作方式，融合各方面力量，完成人类蛋白质组计划，在2002年和200
9、3年陆续启动了人类血浆、肝脏和脑蛋白质组的研究。促进了蛋白质组学研究和技术的进步。在生命科学领域，蛋白质组学研究形成了国际热点,（5）三大技术突破：等点聚集电泳技术2-DE核心技术之一20世纪80年代固相化pH梯度凝胶电泳(IPG)技术的发明和完善，改善了双向凝胶电泳的重复性和上样量。生物大分子质谱技术 20世纪80年代后期，电喷雾质谱(ESI-MS)和基质辅助的激光解吸飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)技术的发明，及其在蛋白质分析中的成功应用。图像和数据库分析技术：蛋白质双向电泳图谱的数字化和分析软件的问世，不但使得不少物种的双向电泳和蛋白质数据库相继建立和完善，而且促进了蛋白质组研究
10、的技术手段日渐完善。,（6）关于蛋白质组与基因组的新认识：蛋白质组是动态的过程，基因组是相对恒定的。一个基因并不只存在一个相应的蛋白质，可能会有几个，甚至几十个。（酶原酶、蛋白质修饰、酶切片段：如C3C3、C3a、C3b、C3c、C3d）蛋白质的表达（什么情况表达什么样的蛋白质），不仅取决于基因，还与机体所处的内外环境以及机体本身的生理状态有关。基因不是直接决定一个蛋白功能，往往是通过基因的转录、表达产生一个蛋白质前体，再进行加工、修饰，才成为具生物活性的蛋白质。蛋白质要通过一系列的运输过程，到达组织细胞内适当的位置才能发挥正常的生理作用。基因不能完全决定蛋白质后期加工、修饰以及转运定位的全过
11、程，这些过程中的任何一个步骤发生细微的差错，即可导致机体的疾病。,（7）蛋白质组研究的重大成就纽约Rockefeller大学的细胞和分子生物学家Gun-ter Blobel博士 在“蛋白质内在的信号分子、调节自身的细胞内转运和定位”的研究上取得卓越的成就，获得了1999年诺贝尔医学奖和生理学奖。蛋白质自剪接及其机理近年来发现蛋白质间亦存在类似于mRNA分子内的剪接，具有自身特有的活动规律。这种自主性不能从基因编码序列中预测，而只能对其最终的功能蛋白进行分析。,（8）综上所述：基因是遗传信息的源头而蛋白是基因功能的执行体。基因组计划的实现，为生物体 全部基因序列的确定、为未来生命科学研究奠定了坚
12、实的基础，但不能提供认识各种生命活动直接的分子基础，必须研究生命活动的执行体 蛋白质这一重要环节。蛋白质组学 重点研究生命活动的执行体（蛋白质）这一环节，是阐明生命活动本质不可缺少的、比基因组研究更复杂的后续部分，蛋白质组学将成为21世纪生命科学研究的主要任务。提出了合成生物学理念世界之热点,三、蛋白质组学的研究内容,蛋白质组：是一个整体概念，不同于孤立地研究某种蛋白质分子的功能。蛋白质组学(proteomics)：是从整体上研究细胞或组织内，特定的时间和空间内全部蛋白质的组成及其相互作用规律的学科。是一项系统性的多方位的科学研究和探索。是应用二维电泳、质谱、生物医学信息学等技术研究全套蛋白质
13、在复杂的细胞环境中的功能。蛋白质组学分类（按研究内容）表达蛋白质组学(protein expression proteomics)在不同机体状态中，细胞或组织中，全部蛋白质的表达及其变化规律的研究。细胞图谱蛋白质组学(cell mapping proteomics)。主要研究蛋白质间的相互作用，以明确细胞间信号转导通路的复杂机制。蛋白质组学的研究内容：主要包括7个方面蛋白质结构、蛋白质功能、蛋白质的丰度变化、蛋白质修饰、蛋白质分布、蛋白质的相互作用、蛋白质与疾病的关联性等。,1、蛋白质结构蛋白质是一种生物大分子，具有三维空间结构，执行复杂的生物学功能。蛋白质分子的结构一般分为一级结构与空间结构
14、两类。蛋白质的一级结构(prlmary struture)即蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序(sequence)，也是蛋白质最基本的结构。它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。蛋白质的空间结构：指蛋白质分子的多肽链经折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构，它包括蛋白质的二级、三级和四级结构。在组学水平上，解析和阐明蛋白一级结构和高级结构的关系。,2、蛋白质功能自然界种类繁多的蛋白质，决定了生物学功能的多样性，作为生命物质基础的蛋白质是生物功能的载体。蛋白质的生物学功能：主要体现在以下7个方面：具有生物催化功能；具有调节功能；具有运输功能；具有运动功能；可作为机体的结构成分；具有防御和保护功
15、能；可作为生物体发育和生长的营养物质。,蛋白质功能不是孤立的、只有通过相互作用，才能发挥蛋白质的功能蛋白质组水平上，全面理解蛋白质的生物学功能和联系,3、蛋白质的丰度变化通过对各种蛋白质的识别和定量化，对不同状态细胞的蛋白质差异表达进行比较。如：不同时间和环境条件下，蛋白质在细胞内表达的相对含量的变化。,4、蛋白质修饰蛋白质翻译后修饰的研究对阐明蛋白质的功能具有重要作用。很多mRNA转录产生的蛋白质要经历翻译后修饰（如磷酸化、糖基化、酶原激活等）。如：蛋白激酶的磷酸化和去磷酸化翻译后修饰是蛋白质调节功能的重要方式，在生物功能调节中起重要作用。5、蛋白质分布不同发育、生长期和不同生理、病理条件下
16、，不同的细胞类型的基因表达是不一致的。细胞和组织的分化执行特定功能。如：T Cell和B Cell介导细胞免疫和体液免疫表达蛋白差异。因此，对蛋白质表达的研究应该精确到细胞甚至亚细胞水平。,6、蛋白质与蛋白质的相互作用细胞的任何活动都需要蛋白质与蛋白质、蛋白质与其它分子的相互作用。对于阐明细胞乃至整个生命活动的分子作用机制具有重要的意义。蛋白质相互作用是蛋白质相互作用的基础。激素受体：调控一系列过程，执行特定的功能；B细胞激活、分化产生抗体的过程。,蛋白质相互作用网络,7、蛋白质与疾病的关联性蛋白质组学成为寻找疾病分子标记和与药物作用靶标最有效的方法之一，由此产生了疾病蛋白质组学。运用蛋白质组
17、学研究手段，比较正常和病理情况下，蛋白质表达的差异。探寻疾病相关的特异蛋白质，作为疾病诊断的分子标记，以及治疗和药物开发的靶标。深入了解疾病特异性蛋白质的结构和功能，对疾病机理的阐明、疾病诊断及治疗提供理论根据和解决途径。对人类而言，蛋白质组学的研究最终要服务于人类的健康，促进分子医学的发展，例如，寻找药物的靶分子。很多药物本身就是蛋白质，而很多药物的靶分子也是蛋白质，同时，药物也可以干预蛋白质与蛋白质的相互作用。,蛋白质组学的研究内容（7方面）蛋白质结构蛋白质功能蛋白质的丰度变化蛋白质修饰蛋白质分布蛋白质与蛋白质的相互作用蛋白质与疾病的关联性在生物体、组织、细胞整体高度，从功能执行者角度，研
18、究生命本质规律。蛋白质组学是一个整体概念，而不是孤立地研究某种蛋白质分子的功能。,四、蛋白质组学的特点,与基因组比较，蛋白质组具有7方面特点,蛋白质组学具有7个特点多样性无限性动态性时空性蛋白质的相互作用多种研究技术互补与互助性体现了组学的整体思想：在全局的高度解释生命科学本质规律是组学基本思路。体现了蛋白质组学的复杂性：全方位揭示生物体中，所有蛋白质的变化和运行规律。将在蛋白质组学的应用中进一步理解。,本节小结主要内容蛋白质组的概念蛋白质组学的研究历史（重要标志）蛋白质组学的研究内容（7）蛋白质组学的特点（7）蛋白质组学是一个整体概念，而不是孤立地研究某种蛋白质分子的功能。蛋白质整体上研究生
19、命本质规律。,第二节：蛋白质组学研究技术,蛋白质组研究关键技术：1 975年，Farrell等建立了高分辨率二维电泳技术。20世纪80年代，建立了质谱技术、生物医学信息学以及蛋白质芯片等技术蛋白质组技术研究现状蛋白质组研究是人类基因组测序完成后生命科学领域的又一热点，在技术层面上，与自动化、高通量的基因测序相比还相差很远。蛋白质组研究要达到灵敏、特异和高通量还有待相关技术的发展。尽管问题重重，蛋白质组研究方法还是取得了突飞猛进的发展。蛋白质组研究的难点：条件苛刻：蛋白质分子只能在相对严格的pH、温度等理化条件下保持空间立体构象，分离、纯化及鉴定所需实验条件要求较高；难于检测：蛋白质难以像核酸一
20、样，通过PCR扩增，难以检测微量的蛋白质；难以分析：生物信息学如何将蛋白质组相关数据库和软件结合起来进行综合分析也有难度；技术成熟度相对较低：不溶性蛋白、膜蛋白和极酸或极碱性蛋白质，目前尚无理想的检测方法。,一、二维聚丙烯酰胺凝胶凝胶电泳技术,蛋白质组学技术发展很快，已建立很多相关分析技术。如：毛细血管等电聚焦、多维色谱、微流芯片等技术。二维凝胶电泳是目前蛋白质组学研究的主要方法。分离复杂蛋白混合物最基本的工具，可同时分离 数千种蛋白。是目前所有电泳技术中分辩率最高，信息量最多的技术。特点：分辨率高、重复性高和微量制备的性能。,1、样品制备技术是关键环节。获得高分辨和高度重复的2-DE图谱，样
21、品制备是极其关键的一步。样本类型和来源不相同，根据实际情况采取不同的条件和方法。样品中，不同蛋白丰度、溶解度、敏感度均不同。样品制备的基本原则：根据研究的目的不同，权衡利弊，采取不同的样品制备方法和策略；样品制备时为减少蛋白质的降解，可以采用蛋白酶抑制剂和低温加以保护；除去影响的物质，如：盐离子、离子去污剂、核酸、多糖、脂类、酚类和不溶性物质等；样品裂解液应新鲜配制，并分装冻存，勿反复冻融；为了提高疏水蛋白的溶解性，可采用分步提取以获取更丰富的蛋白质信息；组织样品中含有不同类型的细胞，样品具有异质性，应该先对待测样品进行处理，可以采用免疫亲和技术或激光捕获显微切割技术(LCM)，激光捕获显微切
22、割技术在倒置显微镜下将激光束聚集在所选择的组织切片区域，实现对靶细胞的收集。,2、基本原理Smithies和Poulik(1956)最早建立了二维电泳技术。,PI,MW,2、基本原理基本原理：符合电泳的原理，二维电泳双向电泳第一向电泳：等电聚焦电泳（高压电泳）基于蛋白质等电点不同进行蛋白质分离，将样品在固相化pH梯度的凝胶上进行电泳。蛋白质样品在电场中迁移，达到其等电点位置时停止迁移移。第二向电泳：SDS-PAGE（低压电泳）SDS带负电荷，与蛋白质多肽链结合后掩盖了蛋白质原有的电荷差别。蛋白质所带电荷与其分子量大小有关，蛋白质分子量越大，所带电荷越多，在电泳凝胶上，蛋白质按分子量大小排列。显
23、色：考马斯亮蓝染色（灵敏度较低）银染（灵敏度高，不利于后续质谱分析）同位素标记荧光标记：灵敏度高，兼容下游的鉴定技术,见下图,PI,MW,OFarrell舣向电泳的经典方法(引自郭尧君 蛋白质电泳实验技术，2005年),二维凝胶电泳示意图,3、二维凝胶电泳操作程序和设备制备蛋白质样品第一向电泳第二向电泳凝胶染色凝胶成像及分析蛋白质斑点鉴别,Proteomics Experimental Workflow,样品制备,第一向 IEF电泳,第二向 SDS-PAGE电泳,染色,图像采集和分析,蛋白斑点切取,蛋白质鉴定,二维电泳分析装置介绍,第二向垂直电泳系统-低通量、中等通量,第一向等电聚焦系统,双向
24、电泳图像分析软件,DeCyder 2-D v6.5 差异分析软件,Typhoon Trio多功能扫描仪,全自动斑点挖取系统,Bio-Rad 蛋白质组研究平台方案(Bio-Rad ProteomeWorks System),Part I样品制备区Sample Preparation公用实验区Public InstrumentsRotofor System等电点分离系统(等电点不同将蛋白分开）Prep 491分子量分离系统(分子量不同将蛋白分开）Eluter胶洗脱系统(将蛋白从胶内洗脱至溶液中）Biologic LP低压层析分离系统Duo Flow中高压层析分离系统Extracting Kit蛋白
25、样品抽提试剂盒,Part IV自动蛋白切取及质谱接入Spot Cutter&Mass 公用实验区Public InstrumentSpot Cutter with Fluorescent蛋白自动切取系统（带荧光）Mass Import 质谱接入Bio-Plex蛋白芯片鉴定系统,Part III成像分析区Imaging Analysis公用实验区Public InstrumentsVersa Doc平场多色成像系统,生物信息学工作站Worksbase Bioinformatics Workstation,消耗品供应中心Consumable Supply Center,服务 ServiceIEF(
26、多套）+PROTEAN II Dodeca Cell(12块胶系统）高通量实验室）,科研 Research IEF(一维等电聚焦系统）+Mini P 3+PROTEAN II XL(二维凝胶电泳系统2块胶）低通量实验室 PROTEAN II Multi Cell(12块胶系统）高通量实验室,Part II双向电泳区2D Electrophoresis各个实验组Individual Lab,PDQuest二维分析数据库软件,ATRA诱导HL-60细胞凋亡启动时蛋白二维凝胶电泳,pI聚焦电泳：pH3-10，14%聚丙烯酰胺凝胶，银染,结果分析（蛋白质组信息）表达蛋白质的数量（n 凝胶点的数目）蛋白质分子质量（MW）蛋白质等电点（PI）蛋白质相对表达丰度（点的灰度值）蛋白质的鉴定：肽质量指纹图谱分析2-DE与质谱分析一体化实现2DE技术的高通量分析,凝胶电泳：变性处理破坏蛋白二硫键和高级结构。是构成蛋白质的各个亚基，而非完整的功能蛋白质。,二维凝胶电泳技术小结样品制备原则二维凝胶电泳原理操作流程和电泳图谱分析,
