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蛋白質(zhì)組學(xué)的原理及應(yīng)用
蛋白怎么“讀”
“讀”，在字典里的意思是識(shí)取、讀取，放在蛋白研究中可以理解為對(duì)生物樣本中未知單一蛋白或復(fù)雜蛋白的篩選、鑒定或者定量檢測(cè)。
自2003年4月14日人類基因組計(jì)劃（HGP）宣告完成以來(lái)，基因組研究取得了舉世矚目的成就?；蚪M學(xué)雖然在基因活性和疾病的相關(guān)性方面為人類提供了有力證據(jù)，但實(shí)際上絕大多數(shù)疾病并不是因?yàn)榛蛐蛄懈淖兯斐?。并且，基因的表達(dá)方式錯(cuò)綜復(fù)雜，同樣的基因在不同條件下、不同生理期可能發(fā)揮著*不同的功能，許多生物學(xué)問(wèn)題僅從基因組水平來(lái)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要對(duì)生命活動(dòng)的直接執(zhí)行者——蛋白質(zhì)進(jìn)行更深入的研究。
蛋白質(zhì)組（proteome）一詞是澳大利亞科學(xué)家Williams和Wilkins于1994年首先提出的，它是指基因組表達(dá)的所有相應(yīng)蛋白質(zhì)的集合，即細(xì)胞、組織或機(jī)體全部蛋白質(zhì)的存在及其活動(dòng)方式。相比較基因組，蛋白質(zhì)組是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，其更容易受到環(huán)境因素的影響而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)組的變化更容易找到與疾病狀態(tài)和細(xì)胞生理病理過(guò)程相關(guān)的分子機(jī)理或可診斷疾病的分子標(biāo)志物。
蛋白質(zhì)組學(xué)是指利用各種技術(shù)手段來(lái)研究蛋白質(zhì)組的一門新學(xué)科，本質(zhì)上指的是在大規(guī)模水平上研究蛋白質(zhì)的特征，包括蛋白質(zhì)的表達(dá)水平、翻譯后的修飾、蛋白與蛋白相互作用等，由此獲得蛋白質(zhì)水平上的關(guān)于疾病發(fā)生、細(xì)胞代謝等過(guò)程的整體且全面的認(rèn)識(shí)。
隨著LC-MS-MS技術(shù)的迅猛發(fā)展，一篇2014年發(fā)表在nature上的文章展示了人類*個(gè)蛋白質(zhì)組草圖，擁有17，294個(gè)蛋白，這也代表蛋白質(zhì)組學(xué)在人體高通量的研究一個(gè)里程碑式的進(jìn)展。但是，目前僅僅是初步鑒定了這些蛋白，至于其功能等細(xì)致性工作僅僅是冰山一角，要“讀懂”蛋白質(zhì)，我們還有很長(zhǎng)的路要走。
目前，利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，我們可以解決如下問(wèn)題：
1、 單一蛋白鑒定
單個(gè)蛋白質(zhì)身份鑒定是生物化學(xué)領(lǐng)域常見(jiàn)的問(wèn)題，目前有兩大方法：Edman降解法和質(zhì)譜法。質(zhì)譜法又細(xì)分為兩類：MALDI-TOF和LC-MS/MS，主流文獻(xiàn)中的方法都是LC-MS/MS，LC-MS/MS具有更高的靈敏度和幾乎100%的可靠性，且具有MALDI-TOF不可比擬的從單一蛋白質(zhì)膠帶中準(zhǔn)確鑒定出多個(gè)蛋白質(zhì)組分的能力，也是目前使用極廣泛的蛋白質(zhì)組學(xué)手段。
2、 蛋白質(zhì)組全譜鑒定
蛋白質(zhì)組學(xué)的核心內(nèi)容之一就是蛋白質(zhì)鑒定，如2014年Nature發(fā)表的人類蛋白質(zhì)組草圖。傳統(tǒng)的方法如蛋白質(zhì)微量測(cè)序、氨基酸組成分析（如Edman降解法）費(fèi)時(shí)費(fèi)力、通量低，存在不容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；妥詣?dòng)化，結(jié)果靈敏度差等問(wèn)題。當(dāng)前主流的基于軟電離技術(shù)的液相色譜-質(zhì)譜系統(tǒng)（LC-MS/MS）是實(shí)現(xiàn)高通量蛋白鑒定的主要方法。
3、 蛋白質(zhì)定量
從生命活動(dòng)的直接執(zhí)行者——蛋白質(zhì)的角度研究生命現(xiàn)象和規(guī)律（特別是疾病防治和病理研究）已成為研究生命科學(xué)的主要手段。而這些研究往往離不開(kāi)對(duì)細(xì)胞、組織或器官中含有蛋白質(zhì)種類和表達(dá)量的研究。對(duì)處不同時(shí)期、不同條件下蛋白質(zhì)表達(dá)水平變化的研究，尋找生物標(biāo)志物，這些研究都需要對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定和定量。生物質(zhì)譜技術(shù)的出現(xiàn)和不斷成熟為蛋白質(zhì)差異表達(dá)分析提供了更可靠、動(dòng)態(tài)范圍更廣的研究手段。當(dāng)前，基于質(zhì)譜技術(shù)的定量技術(shù)主要有iTRAQ、SWATH、SILAC和Label-free。
4、 蛋白質(zhì)相互作用
蛋白質(zhì)很少單獨(dú)發(fā)揮作用，在所有生物功能中，蛋白質(zhì)復(fù)合物的功能占主導(dǎo)地位。在所有細(xì)胞中，蛋白質(zhì)是重要的組成部分，并且在大多數(shù)細(xì)胞功能中蛋白質(zhì)間的相互作用是基本的活動(dòng)。如基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞周期調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)控等一些基本過(guò)程都依賴于正常功能的蛋白質(zhì)復(fù)合物。干擾蛋白質(zhì)的合成或者擾亂蛋白復(fù)合物的組裝經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞功能的紊亂，并且zui終引發(fā)疾病。因此，在疾病病理生理學(xué)研究方面，蛋白質(zhì)之間相互作用的透徹研究已變得非常重要，由此也可以找到新的藥物作用靶細(xì)胞。通過(guò)液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)（LC-MS/MS）對(duì)IP、Co-IP、Pull-down等純化樣本中的蛋白混合物進(jìn)行鑒定，可同時(shí)鑒定目的蛋白及其相互作用蛋白，從而構(gòu)建與目的蛋白的蛋白質(zhì)相互作用譜。
5、蛋白質(zhì)翻譯后修飾
越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，許多重要的生命活動(dòng)、疾病發(fā)生不僅與蛋白質(zhì)的豐度相關(guān)，更重要的是被各類蛋白質(zhì)翻譯后修飾（PTMs）所調(diào)控。因此深入研究蛋白質(zhì)翻譯后修飾對(duì)揭示生命活動(dòng)的機(jī)理、篩選疾病的臨床標(biāo)志物、鑒定藥物靶點(diǎn)等方面都具有重要意義。如今，蛋白修飾已經(jīng)成為上蛋白質(zhì)研究的一個(gè)極其重要的領(lǐng)域，目前研究比較成熟的有磷酸化、乙酰化、糖基化、泛素化等。利用高質(zhì)量的蛋白質(zhì)修飾類抗體和富集材料，將修飾肽段富集，然后通過(guò)LC-MS/MS系統(tǒng)和生物信息學(xué)分析，即可實(shí)現(xiàn)修飾底物的高通量鑒定和修飾的動(dòng)態(tài)定量。