1、第九章第九章 药物蛋白质组学药物蛋白质组学Pharmacoproteomics1.201.20世纪中后期，生命科学研究进入了分子生物学世纪中后期，生命科学研究进入了分子生物学时代。时代。2.2.随着人类基因组全序列测定，生命科学跨入了后随着人类基因组全序列测定，生命科学跨入了后基因组时代。基因组时代。3.3.因因mRNAmRNA的表达情况不能直接反应蛋白质的表达水的表达情况不能直接反应蛋白质的表达水平。平。4.4.蛋白质有自身特有的活动规律，如动态修饰、加蛋白质有自身特有的活动规律，如动态修饰、加工、转运定位、结构形成、代谢等，均无法从基因工、转运定位、结构形成、代谢等，均无法从基因组水平上的
2、研究获知。蛋白质构象病更难于只靠组水平上的研究获知。蛋白质构象病更难于只靠DNADNA序列来解释。序列来解释。第一节第一节 蛋白质组学概述蛋白质组学概述 背背 景景基因数量有限性和基因结构的相对稳定性基因数量有限性和基因结构的相对稳定性 VS VS 生命现象的复杂性和多变性。生命现象的复杂性和多变性。从从genome到到proteome对蛋白质的数量、结构、性质、相互关系对蛋白质的数量、结构、性质、相互关系和生物学功能进行全面深入的研究已成为和生物学功能进行全面深入的研究已成为生命科学研究的迫切需要和重要任务。生命科学研究的迫切需要和重要任务。一、一、蛋白质组学蛋白质组学 蛋白质组蛋白质组(P
3、roteome)的概念最先由的概念最先由Marc Wilkins提提出，指由一个基因组，或一个细胞、组织表达的出，指由一个基因组，或一个细胞、组织表达的所有蛋白质所有蛋白质(protein)。蛋白质组包含时间、空间的概念，随着组织、甚蛋白质组包含时间、空间的概念，随着组织、甚至环境状态的不同而改变。至环境状态的不同而改变。蛋白质的种类和数量在同一机体的不蛋白质的种类和数量在同一机体的不同细胞中是各不相同的。同细胞中是各不相同的。同一细胞，在不同时期、不同条件下，同一细胞，在不同时期、不同条件下，蛋白质组也是在不断改变的。蛋白质组也是在不断改变的。在病理或治疗过程中，细胞蛋白质的在病理或治疗过程
4、中，细胞蛋白质的组成及其变化与正常生理过程的也不组成及其变化与正常生理过程的也不同。同。（二）（二）蛋白质组学的概念蛋白质组学的概念 蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)是指研究蛋白质组的一门是指研究蛋白质组的一门新兴科学。是从整体的角度分析细胞内新兴科学。是从整体的角度分析细胞内动态变化动态变化的蛋白质组成成份、表达水平与修饰状态，了解的蛋白质组成成份、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能蛋白质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律。与细胞生命活动规律。蛋白质组研究与基因组研究是相辅相成的。蛋白质组研究与基因组研究是相辅相成的。1 1、蛋
5、白质蛋白质结构及其转录后修饰的微特征鉴定；结构及其转录后修饰的微特征鉴定；2 2、局部蛋白质组或比较蛋白质组学；、局部蛋白质组或比较蛋白质组学；3 3、蛋白质之间的相互作用。、蛋白质之间的相互作用。二、蛋白质组学的分类二、蛋白质组学的分类1.表达蛋白质组学表达蛋白质组学（expression proteomics）是研究差异样品间蛋白质表达量的变化。是研究差异样品间蛋白质表达量的变化。2.结构蛋白质组学结构蛋白质组学（structural proteomics）又）又称细胞图谱蛋白质组学，针对某一特定细胞称细胞图谱蛋白质组学，针对某一特定细胞器中全部蛋白质或蛋白质复合体的结构进行器中全部蛋白质
6、或蛋白质复合体的结构进行分析，确定它们在细胞质中的定位，了解蛋分析，确定它们在细胞质中的定位，了解蛋白质之间的相互关系。白质之间的相互关系。3.功能蛋白质组学功能蛋白质组学(functional proteomics)是是指对蛋白质间、蛋白质与指对蛋白质间、蛋白质与DNA/RNA 间的间的相互作用及蛋白质翻译后修饰的研究。以相互作用及蛋白质翻译后修饰的研究。以细胞内与某个功能有关或某种条件下的一细胞内与某个功能有关或某种条件下的一群蛋白质为主要研究内容，群蛋白质为主要研究内容，由此建立细胞由此建立细胞内外信号传递的复杂网络内外信号传递的复杂网络。三、蛋白质组与转录组的关系三、蛋白质组与转录组的
7、关系 转录组研究的是转录组研究的是mRNAmRNA总和，蛋白质组研究总和，蛋白质组研究的是特定时间和空间组织、细胞或机体的的是特定时间和空间组织、细胞或机体的所有蛋白质，前者指导后者，但并不绝对，所有蛋白质，前者指导后者，但并不绝对，因为翻译有调控和后续修饰、跨膜转动作因为翻译有调控和后续修饰、跨膜转动作用。用。四、四、蛋白质组学的主要研究技术蛋白质组学的主要研究技术在基因组研究中所普遍采用的在基因组研究中所普遍采用的PCRPCR技术来对技术来对DNA/RNADNA/RNA扩增，痕量蛋白无法进行扩增。扩增，痕量蛋白无法进行扩增。蛋白质组也没有一种测序技术与基因组研究中蛋白质组也没有一种测序技术
8、与基因组研究中起关键作用的自动化的起关键作用的自动化的DNADNA测序技术相媲美。测序技术相媲美。ChipChip等技术的发展使我们对基因的研究可以高等技术的发展使我们对基因的研究可以高通量，而对蛋白质组的研究离高通量还有很大通量，而对蛋白质组的研究离高通量还有很大差距。差距。（一）双向凝胶电泳（一）双向凝胶电泳 双向凝胶电泳（双向凝胶电泳（two-dimensional two-dimensional（.维的，尺寸的）维的，尺寸的）electrophoresiselectrophoresis，2-2-DEDE）：是等电聚焦电泳和）：是等电聚焦电泳和SDS-PAGESDS-PAGE的组合，的组
9、合，即先进行等电聚焦电泳（按照即先进行等电聚焦电泳（按照pIpI分离），分离），然后再进行然后再进行SDS-PAGESDS-PAGE（按照分子大小），（按照分子大小），经染色得到的电泳图是个二维分布的蛋白经染色得到的电泳图是个二维分布的蛋白质图。质图。（二）生物质谱（二）生物质谱 质谱（质谱（Mass Spectrometry,MSMass Spectrometry,MS）是在高真）是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及分子结质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法，即样品分子离子化后，构的方法，即样品分子离子化后，根
10、据不根据不同离子间质核比（同离子间质核比（m/zm/z）的差异来分离并确）的差异来分离并确定分子量定分子量。基于：核素的准确质量是一多位小数，决基于：核素的准确质量是一多位小数，决不会有两个核素的质量是一样的，而且决不会有两个核素的质量是一样的，而且决不会有一种核素的质量恰好是另一核素质不会有一种核素的质量恰好是另一核素质量的整数倍。量的整数倍。使试样中各组分电离生成不同荷质比的离使试样中各组分电离生成不同荷质比的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使发生相反的速度色分析器，利用电场和磁场使发生相反的速度色散散离子束中速度
11、较慢的离子通过电场后偏转离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。时，它们的轨道便相交于一点。1.1.基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS MALDI-TOF-MS）基质附助激光解吸电离离子源（基质附助激光解吸电离离子源（MALDIMALDI）的）的原理是用激光照射样品与
12、基质形成的共结原理是用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量传递给生晶薄膜，基质从激光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移到生物物分子，而电离过程中将质子转移到生物分子或从生物分子得到质子，而使生物分分子或从生物分子得到质子，而使生物分子电离的过程。因此它是一种软电离技术，子电离的过程。因此它是一种软电离技术，适用于混合物及生物大分子的测定。适用于混合物及生物大分子的测定。2.2.电喷雾离子化质谱（电喷雾离子化质谱（ESI-MSESI-MS）在喷射过程中利用电场完成多肽样品的离在喷射过程中利用电场完成多肽样品的离子化，根据其质荷比差异进行分离，并确子化，根据其质荷
13、比差异进行分离，并确定分子质量。定分子质量。飞行时间质量分析器（飞行时间质量分析器（TOFTOF）的原理是离子）的原理是离子在电场作用下加速飞过飞行管道，根据到达在电场作用下加速飞过飞行管道，根据到达检测器的飞行时间不同而被检测即测定离检测器的飞行时间不同而被检测即测定离子的质荷比（子的质荷比（M/ZM/Z）与离子的飞行时间成正）与离子的飞行时间成正比，检测离子。比，检测离子。肽质量指纹谱（肽质量指纹谱（PMFPMF）肽质量指纹谱（肽质量指纹谱（Peptide Mass Peptide Mass Fingerprinting,PMFFingerprinting,PMF）是蛋白质被识别特异）是蛋
14、白质被识别特异酶切位点的蛋白酶水解后得到的肽片段的质酶切位点的蛋白酶水解后得到的肽片段的质量图谱。由于每种蛋白的氨基酸序列（一级量图谱。由于每种蛋白的氨基酸序列（一级结构）都不同，当蛋白被水解后，产生的肽结构）都不同，当蛋白被水解后，产生的肽片段序列也各不相同，因此其肽质量指纹图片段序列也各不相同，因此其肽质量指纹图也具有特征性。也具有特征性。传统的蛋白质组学分析传统的蛋白质组学分析 蛋白质样品用蛋白质样品用2-DE2-DE分离分离 EdmanEdman降解降解 从凝胶上切下蛋白质点，并酶解蛋白质从凝胶上切下蛋白质点，并酶解蛋白质 单个蛋白质点的多肽混合物单个蛋白质点的多肽混合物 借助基质的激
15、光解吸和离子化质谱借助基质的激光解吸和离子化质谱 电喷离子化质谱电喷离子化质谱 （MALDI-TOF MS)(EST-MS/MS)MALDI-TOF MS)(EST-MS/MS)多肽质谱指纹多肽质谱指纹 ESI-MSESI-MS序列标记序列标记 （peptide mass fingerprintpeptide mass fingerprint）（sequence tagsequence tag）利用生物信息学，进行数据库搜索利用生物信息学，进行数据库搜索 确定蛋白质确定蛋白质（三）蛋白质芯片（三）蛋白质芯片 蛋白质芯片（蛋白质芯片（protein chip）是一种高通量）是一种高通量的蛋白功能
16、分析技术，可用于蛋白质表达的蛋白功能分析技术，可用于蛋白质表达谱分析，研究蛋白质与蛋白质的相互作用，谱分析，研究蛋白质与蛋白质的相互作用，甚至甚至DNA蛋白质、蛋白质、RNA蛋白质的相互蛋白质的相互作用，筛选药物作用的蛋白靶点等。作用，筛选药物作用的蛋白靶点等。蛋白芯片技术的研究对象是蛋白质，其原理蛋白芯片技术的研究对象是蛋白质，其原理是对固相载体进行特殊的化学处理，再将已是对固相载体进行特殊的化学处理，再将已知的蛋白分子产物固定其上知的蛋白分子产物固定其上(如酶、抗原、抗如酶、抗原、抗体、受体、配体、细胞因子等体、受体、配体、细胞因子等)，根据这些生，根据这些生物分子的特性，捕获能与之特异性
17、结合的待物分子的特性，捕获能与之特异性结合的待测蛋白测蛋白(存在于血清、血浆、淋巴、间质液、存在于血清、血浆、淋巴、间质液、尿液、渗出液、细胞溶解液、分泌液等尿液、渗出液、细胞溶解液、分泌液等)，经，经洗涤、纯化，再进行确认和生化分析。洗涤、纯化，再进行确认和生化分析。（四）酵母双杂交（四）酵母双杂交 酵母双杂交系统酵母双杂交系统是在酵母双杂交系统酵母双杂交系统是在真核模式生物酵母中进行的，研究活真核模式生物酵母中进行的，研究活细胞内蛋白质相互作用，具有很高灵细胞内蛋白质相互作用，具有很高灵敏度的研究蛋白质之间关系的技术。敏度的研究蛋白质之间关系的技术。对蛋白质之间微弱的、瞬间的作用也对蛋白质之间微弱的、瞬间的作用也能够通过报告基因的表达产物敏感地能够通过报告基因的表达产物敏感地检测得到。检测得到。（五）生物信息学（五）生物信息学 生物信息学生物信息学(Bioinformatics)(Bioinformatics)是通过综合利是通过综合利用生物学，计算机科学和信息技术等研究生用生物学，计算机科学和信息技术等研究生物信息的采集，处理，存储，传播，分析和物信息的采集，处理，存储，传播，分析和解释等各方面的一门学科，揭示大量而复杂解释等各方面的一门学科，揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘。的生物数据所赋有的生物学奥秘。
