1、第十四讲蛋白质组学一、基本概念：一、基本概念：基因组基因组(genome)：一个细胞或者生物体所携带的一个细胞或者生物体所携带的全部遗传信息全部遗传信息。指细胞或生物体内指细胞或生物体内一套完整一套完整“单倍体单倍体”遗传物质的遗传物质的总和总和，是由是由基因基因和和基因外基因外的核苷酸序列组成的。的核苷酸序列组成的。基因组学：基因组学：在在全基因水平上全基因水平上探索生命的本质规律性的学科。探索生命的本质规律性的学科。1986年年 Thomas Roderrick 提出提出“基因组学基因组学”的概念。的概念。人类基因组计划（人类基因组计划（HGP）：）：人类全部基因序列的分析，是人类全部基因
2、序列的分析，是基因组学研究重要标志基因组学研究重要标志1986年提出，年提出，1990.10启动，启动，23条染色体，约条染色体，约3.0109bp，预计，预计15年完成。年完成。1998年（年（6%），），2001年（年（1/3），），2003年年完成完成序列的测定，（序列的测定，（2.02.5）万基因。）万基因。中国科学院遗传研究所中国科学院遗传研究所 人类基因组中心人类基因组中心 参与国际人类基因组计划，人类第参与国际人类基因组计划，人类第3号染色体短号染色体短臂臂DNA序列的测定，序列的测定，3.84 108bp。达到国际人类基因组计划协作组对达到国际人类基因组计划协作组对“完成图完成
3、图”的要求的要求。2003年年4月月15日日，美、英、日、法、德、中，美、英、日、法、德、中6国领导人国领导人联名联合声明，宣告人类基因组计划联名联合声明，宣告人类基因组计划圆满完成。圆满完成。我国达到国际先进水平我国达到国际先进水平：人体肠道元基因组研究，揭示了肠道内微生物：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基因的多样性及其与疾病及其与疾病易感性和药物反应等相关的重要因素。易感性和药物反应等相关的重要因素。第一节第一节 概概 述述n结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学的概念：结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学的概念：为了揭示整个为了揭示整个基因组基因组转录、翻译转录、
4、翻译与与产物产物之间的之间的调控关系调控关系。在基因组研究的基础上。在基因组研究的基础上提出提出多层次多层次的的“组学组学”概念，概念，结构基因组学：结构基因组学：结构基因组：生物的全部基因组结构基因组：生物的全部基因组DNADNA序列。序列。结构基因组学：基因的遗传图和物理图制作，最终完成结构基因组学：基因的遗传图和物理图制作，最终完成人类人类和其他和其他重要模式生物重要模式生物的全部基因的全部基因组组DNADNA序列的序列的测定和比较分析测定和比较分析的学科。的学科。即：基因组即：基因组静态结构规律性静态结构规律性的分析，包括：不同物种之间的的分析，包括：不同物种之间的基因比较基因比较和基
5、因组和基因组多态性多态性分析。分析。功能基因组学：功能基因组学：功能基因组：细胞内所有具有功能基因组：细胞内所有具有生物学功能生物学功能的基因，即的基因，即表达一定功能的全部基因所组成的表达一定功能的全部基因所组成的DNA序列，包括序列，包括编码基因编码基因和和调控基因调控基因。功能基因组学：功能基因组学：研究基因组中研究基因组中功能基因的功能基因的的学科。通过基因组及其功能基因组的研究，阐明的学科。通过基因组及其功能基因组的研究，阐明整个整个基因组及其转录基因组及其转录、翻译及产物翻译及产物关系的学科。关系的学科。系统地破译遗传密码系统地破译遗传密码蛋白质组学蛋白质组学 蛋白质组：指一个基因
6、组、一个细胞或一种生物表达的蛋白质组：指一个基因组、一个细胞或一种生物表达的所有蛋白质所有蛋白质及其及其存在方式存在方式。蛋白质组学：以蛋白质组为研究对象，从蛋白质组学：以蛋白质组为研究对象，从整体蛋白质水平整体蛋白质水平研究生命活动的研究生命活动的本质规律本质规律和和探索疾探索疾病病发生发生机制机制的学科。的学科。l 基因组学与蛋白质组学的关系基因组学与蛋白质组学的关系基因组基因组转录组转录组蛋白质组蛋白质组代谢组代谢组u 针对生物体不同角度的整针对生物体不同角度的整体思想体思想u 组间是相互联系的，统一组间是相互联系的，统一于生物体于生物体系统性系统性系统生物学系统生物学基因组学面临的挑战
7、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。但通过进入后基因组时代。但通过基因组的序列，基因组的序列，无法阐明无法阐明它所编码的它所编码的蛋白质的蛋白质的高级结构高级结构和和功能功能。尚。尚不能不能从从蛋白质水平蛋白质水平上反映上反映生命的本质生命的本质。例如：例如：（1）基因是蛋白质结构的）基因是蛋白质结构的“蓝本蓝本”，携带着遗传信息，仅凭细胞内，携带着遗传信息，仅凭细胞内mRNA的信息的信息还不能预见还不能预见基因的产物基因的产物蛋白质的信息。蛋白质的信
8、息。（2）仅）仅靠靠基因组序列基因组序列无法回答无法回答生物体生物体内外环境与基因的表达关系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、蛋白质分子间或蛋白质翻译后修饰、结构形成、蛋白质分子间或与与其它其它分子间的相互作用关系等。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，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如翻译后修饰、蛋白质间相互作用以及蛋白质构象等问题。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。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
9、命现象本质，阐明生命现象本质，仅仅依靠仅仅依靠基因组学研究是不够的，提出了基因组学研究是不够的，提出了蛋白质组学的蛋白质组学的产生和思想产生和思想 是时代发展的要求和产物：是时代发展的要求和产物：20世纪世纪90年代中期年代中期，产生了蛋白质组学，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后基因组时代。研究生命现象，研究生命现象，阐述生命活动的规律，阐述生命活动的规律，只了解基因组只了解基因组的结构的结构是不够的是不够的，还必，还必须对须对生命活动的生命活动的直接执行者直接执行者蛋白
10、质蛋白质(数量、结构、性质、相互关系和生物数量、结构、性质、相互关系和生物学功能学功能)进行进行全面深入的研究全面深入的研究。传统的传统的研究方式研究方式（对（对单个蛋白质研究）单个蛋白质研究）已已无法满足无法满足后基因组时代后基因组时代的。的。一个一个以以“蛋白质组蛋白质组”为为研究对象研究对象的生命科学的新时代诞生了。的生命科学的新时代诞生了。蛋白质组学的思想蛋白质组学的思想 是在生物体或其细胞的是在生物体或其细胞的“整体整体”蛋白质水平蛋白质水平上来上来揭示和阐明揭示和阐明生命活动的生命活动的基本基本规律规律，而不是而不是局限于一个或几个蛋白质。局限于一个或几个蛋白质。二、蛋白质组学发展
11、的重要标志二、蛋白质组学发展的重要标志（1）高分辨双向凝胶电泳）高分辨双向凝胶电泳(2-DE)技术的建立技术的建立 20世纪世纪70年代年代Farrell和和Klose各自创建了蛋白质各自创建了蛋白质双向凝胶电泳双向凝胶电泳(twodimensional gel electrophoresis，2-DE)。Farrel对对大肠杆菌大肠杆菌细胞抽提物进行双向电泳，分离到细胞抽提物进行双向电泳，分离到1100个蛋白质组分，个蛋白质组分，从此拉开了从此拉开了蛋白质组研究蛋白质组研究的序幕。的序幕。为蛋白质组学产生的为蛋白质组学产生的技术保障技术保障。（2）蛋白质组计划的提出）蛋白质组计划的提出(蛋白
12、质组学思想的产生蛋白质组学思想的产生)20世纪世纪80年代初，基因组计划提出前，曾有人提出年代初，基因组计划提出前，曾有人提出“蛋白质组计划蛋白质组计划”，当时称为当时称为Human Protein Index计划，旨在分析细胞内的所有蛋白质。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。由于种种原因，这一计划被搁浅，并未实施。的提出的提出，非常重要，非常重要时机也很重要。时机也很重要。七个方面七个方面技术的进步技术的进步思想的进步思想的进步（3）蛋白质组）蛋白质组(proteome)的提出：的提出：l蛋白质组学诞生的标志蛋白质组学诞生的标志 1994年，澳大利亚年
13、，澳大利亚两位学者两位学者（悉尼（悉尼Macquarie大学学生大学学生Wilkins和他的老师和他的老师William）试图使用一个试图使用一个合适合适的的术语术语描述描述“一个基因组所表达的全体蛋白一个基因组所表达的全体蛋白质质”。1994年年年年9月，他们在意大利召开的一个学术会议上月，他们在意大利召开的一个学术会议上首次首次提出了提出了蛋白质组蛋白质组(proteome)这个这个新造的词新造的词。1995年年7月，月，Electrophoresis杂志上第一次刊登了杂志上第一次刊登了第一篇第一篇蛋白质组学蛋白质组学研研究的论文。究的论文。l从此，蛋白质组研究的进展十分迅速从此，蛋白质组
14、研究的进展十分迅速不论不论基础理论基础理论还是还是技术方法技术方法，都在不断进步和完善。，都在不断进步和完善。多种细胞的蛋白质组多种细胞的蛋白质组数据库数据库已经建立，相应的已经建立，相应的国际互联国际互联网站网站层出不穷层出不穷（4）蛋白质组研究机构的成立）蛋白质组研究机构的成立1996年，年，澳大利亚澳大利亚建立了世界上建立了世界上第一个蛋白质组第一个蛋白质组研究中心。研究中心。丹麦、加拿大、日本也先后成立了丹麦、加拿大、日本也先后成立了蛋白质组研究中心蛋白质组研究中心。在在巨大财力巨大财力的支持下，在美国各大药厂和公司，也的支持下，在美国各大药厂和公司，也纷纷纷纷加入加入了蛋白质组了蛋白
15、质组的研究行列。的研究行列。2001年年4月，在月，在美国美国成立了成立了国际人类蛋白质组国际人类蛋白质组组织，组织，随后随后欧洲、亚太地区欧洲、亚太地区都成立了都成立了区域性区域性蛋白质组蛋白质组研究组织，研究组织，试图通过合作方式试图通过合作方式，融合各方面力量，融合各方面力量，完成人类蛋白质组计划完成人类蛋白质组计划，在在2002年和年和2003年陆续启动了年陆续启动了人类血浆人类血浆、肝脏肝脏和和脑蛋白质组脑蛋白质组的研究。的研究。促进了蛋白质组学研究和技术的进步。促进了蛋白质组学研究和技术的进步。l在生命科学领域，在生命科学领域，蛋白质组学研究形成了蛋白质组学研究形成了国际热点国际热
16、点（5）三大技术突破：）三大技术突破：等点聚集电泳技术等点聚集电泳技术2-DE核心技术之一核心技术之一20世纪世纪80年代年代固相化固相化pH梯度凝胶电泳梯度凝胶电泳(IPG)技术的发明和完善，改善了技术的发明和完善，改善了双向凝胶电泳的重复性和上样量。双向凝胶电泳的重复性和上样量。生物大分子质谱技术生物大分子质谱技术 20世纪世纪80年代年代后期，后期，电喷雾质谱电喷雾质谱(ESI-MS)和和基质辅助的激光解吸飞行基质辅助的激光解吸飞行时间时间质谱质谱(MALDI-TOF-MS)技术的发明，及其在技术的发明，及其在蛋白质分析蛋白质分析中的成功中的成功应用。应用。图像和数据库分析技术：图像和数
17、据库分析技术：蛋白质双向电泳蛋白质双向电泳图谱的数字化图谱的数字化和和分析软件分析软件的问世，不但使得不少物种的问世，不但使得不少物种的的双向电泳和双向电泳和蛋白质数据库蛋白质数据库相继相继建立和完善建立和完善，而且，而且促进了促进了蛋白质组研蛋白质组研究的技术手段日渐完善。究的技术手段日渐完善。（6）关于蛋白质组与基因组的新认识：）关于蛋白质组与基因组的新认识：蛋白质组是蛋白质组是动态动态的过程，基因组是的过程，基因组是相对恒定相对恒定的。的。一个基因一个基因并并不只不只存在一个相应的蛋白质，可能会有几个，甚至几十个。存在一个相应的蛋白质，可能会有几个，甚至几十个。（酶原（酶原酶、蛋白质修饰
18、、酶切片段：如酶、蛋白质修饰、酶切片段：如C3C3、C3a、C3b、C3c、C3d）蛋白质的表达（什么情况蛋白质的表达（什么情况表达表达什么样什么样的蛋白质），不仅取决于基因，还的蛋白质），不仅取决于基因，还与机体所处的与机体所处的内外内外环境环境以及机体本身的以及机体本身的生理状态生理状态有关。有关。基因不是基因不是直接决定直接决定一个蛋白功能，往往是通过基因的一个蛋白功能，往往是通过基因的转录、表达转录、表达产生一产生一个个蛋白质蛋白质前体前体，再进行再进行加工加工、修饰修饰，才成为具，才成为具生物活性生物活性的蛋白质。的蛋白质。蛋白质要蛋白质要通过通过一系列的一系列的运输运输过程，到达组
19、织细胞内过程，到达组织细胞内适当的位置适当的位置才能发挥才能发挥正常的生理正常的生理作用。作用。基因基因不能不能完全完全决定决定蛋白质蛋白质后期加工后期加工、修饰修饰以及以及转运定位转运定位的全过程，这些的全过程，这些过程中的任何一个步骤过程中的任何一个步骤发生细微的差错，发生细微的差错，即可即可导致导致机体的机体的疾病疾病。（7）蛋白质组研究的重大成就）蛋白质组研究的重大成就 纽约纽约Rockefeller大学的大学的细胞和分子生物学家细胞和分子生物学家Gun-ter Blobel博士博士 在在“蛋白质蛋白质内在内在的的信号分子信号分子、调节调节自身的自身的细胞内细胞内转运和定位转运和定位”
20、的研的研究上取得卓越的成就，究上取得卓越的成就，获得了获得了1999年诺贝尔年诺贝尔医学奖和生理学奖医学奖和生理学奖。蛋白质自剪接及其机理蛋白质自剪接及其机理 近年来发现蛋白质间亦存在近年来发现蛋白质间亦存在类似于类似于mRNA分子内的剪接分子内的剪接，具有自身具有自身特有的活动规律特有的活动规律。这种自主性这种自主性不能不能从基因编码序列中从基因编码序列中预测预测，而只能对其最终的，而只能对其最终的功能蛋白功能蛋白进行分析。进行分析。（8）综上所述：）综上所述：基因基因是是遗传信息遗传信息的的源头源头而而蛋白蛋白是基因功能的是基因功能的执行体执行体。基因组计划的基因组计划的实现实现，为为生物
21、体生物体 全部基因序列全部基因序列的确定、的确定、为为未来生命科未来生命科学研究学研究奠定了坚实奠定了坚实的基础，的基础，但但不能提供不能提供认识各种认识各种生命活动生命活动直接的直接的分子基础，必须研究分子基础，必须研究生命活动生命活动的的执行体执行体 蛋白质这一重要环节。蛋白质这一重要环节。蛋白质组学蛋白质组学 重点重点研究研究生命活动生命活动的的执行体（蛋白质）执行体（蛋白质）这一环节，这一环节，是阐明生命活动本质是阐明生命活动本质不可缺少不可缺少的、比基因组研究更的、比基因组研究更复杂的后续部分复杂的后续部分，蛋白质组学蛋白质组学将成为将成为21世纪生命科学研究的主要任务。世纪生命科学
22、研究的主要任务。提出了合成生物学理念提出了合成生物学理念世界之热点世界之热点三、蛋白质组学的研究内容三、蛋白质组学的研究内容l蛋白质组：是一个整体概念，不同于蛋白质组：是一个整体概念，不同于孤立地孤立地研究研究某种某种蛋白质分子的功能。蛋白质分子的功能。l蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)：是从整体上研究细胞或组织内，是从整体上研究细胞或组织内，特定特定的的时间时间和和空间空间内内全部蛋白质全部蛋白质的的组成组成及其及其相互相互作用作用规律的规律的学科学科。是一项。是一项系统性系统性的的多方位多方位的科学研究和探索。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
23、蛋白质在复杂的细胞环是应用二维电泳、质谱、生物医学信息学等技术研究全套蛋白质在复杂的细胞环境中的功能。境中的功能。l蛋白质组学分类（按研究内容）蛋白质组学分类（按研究内容）表达蛋白质组学表达蛋白质组学(protein expression proteomics)在不同机体状态中，细胞或组织中，在不同机体状态中，细胞或组织中，全部蛋白质的全部蛋白质的表达及其变化规律表达及其变化规律的研究。的研究。细胞图谱蛋白质组学细胞图谱蛋白质组学(cell mapping proteomics)。主要研究蛋白质间的主要研究蛋白质间的相互作用相互作用，以明确细胞间，以明确细胞间信号转导通路信号转导通路的复杂机制
24、。的复杂机制。l蛋白质组学的研究内容：主要包括蛋白质组学的研究内容：主要包括7个方面个方面蛋白质蛋白质结构结构、蛋白质、蛋白质功能功能、蛋白质的、蛋白质的丰度丰度变化、蛋白质变化、蛋白质修饰修饰、蛋白质、蛋白质分布分布、蛋白质的、蛋白质的相互作用相互作用、蛋白质、蛋白质与疾病的关联性与疾病的关联性等。等。1、蛋白质结构、蛋白质结构u蛋白质是一种生物大分子，具有三维空间结构，蛋白质是一种生物大分子，具有三维空间结构，执行执行复杂的复杂的生物学功能生物学功能。u蛋白质分子的结构一般分为蛋白质分子的结构一般分为一级结构一级结构与与空间结构空间结构两类。两类。u蛋白质的蛋白质的一级结构一级结构(prl
25、mary struture)即蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列即蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序顺序(sequence)，也是蛋白质，也是蛋白质最基本的结构最基本的结构。它是由。它是由基因上遗传密码的排基因上遗传密码的排列顺序列顺序所决定的。所决定的。u蛋白质的蛋白质的空间结构：空间结构：指蛋白质分子的多肽链经指蛋白质分子的多肽链经折叠和盘曲折叠和盘曲构成特有的比较构成特有的比较稳定的空间结构稳定的空间结构，它包括蛋白质的二级、三级和四级结构。，它包括蛋白质的二级、三级和四级结构。u在组学水平上在组学水平上，解析和阐明，解析和阐明蛋白蛋白一级结构一级结构和和高级结构高级结构的关系的关系。2、蛋
26、白质功能、蛋白质功能u自然界自然界种类繁多种类繁多的的蛋白质，蛋白质，决定了决定了生物学功能生物学功能的的多样性多样性，u作为生命物质基础的作为生命物质基础的蛋白质蛋白质是是生物功能的载体生物功能的载体。u蛋白质的生物学功能：主要体现在以下蛋白质的生物学功能：主要体现在以下7个方面：个方面：具有生物催化功能；具有生物催化功能；具有调节功能；具有调节功能；具有运输功能；具有运输功能；具有运动功能；具有运动功能；可作为机体的结构成分；可作为机体的结构成分；具有防御和保护功能；具有防御和保护功能；可作为生物体发育和生长的营养物质。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、只有通过蛋白质
27、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相互作用，才能发挥蛋白质的功能3、蛋白质的丰度变化、蛋白质的丰度变化u通过通过对各种对各种蛋白质的蛋白质的识别识别和和定量定量化，对化，对不同状态不同状态细胞的蛋白质细胞的蛋白质差异表差异表达达进行比较。如：不同进行比较。如：不同时间和环境条件下，时间和环境条件下，蛋白质在蛋白质在细胞内细胞内表达的表达的相相对含量对含量的变化。的变化。4、蛋白质修饰、蛋白质修饰u蛋白质蛋白质翻译后修饰翻译后修饰的研究对的研究对阐明蛋白质的功能阐明蛋白质的功能具有重要作用。具有重要作用。u很多很多mRNA转录产生的蛋白质要经历转录产生的蛋白质要经历翻译后修饰
28、翻译后修饰（如磷酸化、糖基化、（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酶原激活等）。如：蛋白激酶的磷酸化和去磷酸化u翻译后修饰翻译后修饰是蛋白质是蛋白质调节功能调节功能的重要方式，在生物功能调节中起重要作的重要方式，在生物功能调节中起重要作用。用。5、蛋白质分布、蛋白质分布u不同发育、生长期和不同生理、病理条件下，不同发育、生长期和不同生理、病理条件下，不同的细胞类型的不同的细胞类型的基因表基因表达达是不一致的是不一致的。细胞和组织的分化。细胞和组织的分化执行特定功能。执行特定功能。u如：如：T Cell和和B Cell介导细胞免疫和体液免疫介导细胞免疫和体液免疫表达蛋
29、白差异。表达蛋白差异。u因此，对蛋白质表达的研究应该因此，对蛋白质表达的研究应该精确到细胞精确到细胞甚至甚至亚细胞水平亚细胞水平。6、蛋白质与蛋白质的相互作用、蛋白质与蛋白质的相互作用细胞的细胞的任何活动任何活动都需要蛋白质与蛋白质、蛋白质与其它分子的都需要蛋白质与蛋白质、蛋白质与其它分子的相互作用相互作用。对于阐明对于阐明细胞细胞乃至乃至整个生命活动整个生命活动的的分子作用机制分子作用机制具有重要的意义。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。蛋白质相互作用是蛋白质相互作用的基础。激素激素受体：调控一系列过程，执行特定的功能；受体：调控一系列过程，执行特定的功能；B细胞激活、分
30、化产生抗体的过程。细胞激活、分化产生抗体的过程。蛋白质相互作用网络蛋白质相互作用网络7、蛋白质与疾病的关联性、蛋白质与疾病的关联性蛋白质组学成为蛋白质组学成为寻找寻找疾病疾病分子标记分子标记和与药物作用和与药物作用靶标靶标最有效的方法之一，由此最有效的方法之一，由此产生了产生了疾病蛋白质组学疾病蛋白质组学。运用蛋白质运用蛋白质组学研究手段组学研究手段，比较比较正常和病理情况下，蛋白质正常和病理情况下，蛋白质表达的差异表达的差异。探寻疾病相关的特异蛋白质，作为疾病诊断的探寻疾病相关的特异蛋白质，作为疾病诊断的分子标记分子标记，以及治疗和药物，以及治疗和药物开发的开发的靶标靶标。深入深入了解了解疾
31、病疾病特异性蛋白质特异性蛋白质的的结构和功能结构和功能，对，对疾病机理疾病机理的阐明、的阐明、疾病诊断疾病诊断及及治疗治疗提供理论根据和提供理论根据和解决途径解决途径。对人类而言，蛋白质组学的研究对人类而言，蛋白质组学的研究最终要服务于人类的健康最终要服务于人类的健康，促进分子医学，促进分子医学的发展，例如，的发展，例如，寻找药物的靶分子寻找药物的靶分子。很多。很多药物本身就是蛋白质药物本身就是蛋白质，而很多，而很多药药物的靶分子物的靶分子也也是蛋白质是蛋白质，同时，药物也可以，同时，药物也可以干预蛋白质与蛋白质干预蛋白质与蛋白质的相互作的相互作用。用。蛋白质组学的研究内容（蛋白质组学的研究内
32、容（7 7方面）方面）蛋白质结构蛋白质结构 蛋白质功能蛋白质功能 蛋白质的丰度变化蛋白质的丰度变化 蛋白质修饰蛋白质修饰 蛋白质分布蛋白质分布 蛋白质与蛋白质的相互作用蛋白质与蛋白质的相互作用 蛋白质与疾病的关联性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，研究生命本质规律。在生物体、组织、细胞整体高度，从功能执行者角度，研究生命本质规律。蛋白质组学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。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。1、多样性、多样性基因组基因组作为遗传信息的载体，具有作为遗传信息的载体，具有同一性同一性。单细胞生物，不
33、论在什么样的生长条件下，基因组是不变的。单细胞生物，不论在什么样的生长条件下，基因组是不变的。多细胞生物，同多细胞生物，同一个个体一个个体的基因组在不同发育阶段或不同种类的细胞里都的基因组在不同发育阶段或不同种类的细胞里都是同样的，知道了个体内某一细胞内的基因组就等于知道了该个体所有细是同样的，知道了个体内某一细胞内的基因组就等于知道了该个体所有细胞的基因组。胞的基因组。蛋白质组蛋白质组蛋白质是生命活动的主要蛋白质是生命活动的主要执行者执行者，在同一机体的不同发育阶段有明显的差异，在机体的不同组织和不同细胞在同一机体的不同发育阶段有明显的差异，在机体的不同组织和不同细胞，以及生理状态与疾病阶段
34、也各不相同。，以及生理状态与疾病阶段也各不相同。不同类型的细胞或同一个细胞在不同的活动状态下，蛋白质组的构成是不不同类型的细胞或同一个细胞在不同的活动状态下，蛋白质组的构成是不一样的。一样的。四、蛋白质组学的特点四、蛋白质组学的特点u 与基因组比较，蛋白质组具有与基因组比较，蛋白质组具有7方面特点方面特点2、无限性、无限性基因组基因组核心任务是测定所有的核心任务是测定所有的DNA碱基。例如，芽殖酵母基因组有碱基。例如，芽殖酵母基因组有1 200万万bp，人类基因组的最新统计为人类基因组的最新统计为30亿个亿个bp。测定的基因组不论大小，其核苷酸的数量是测定的基因组不论大小，其核苷酸的数量是明确
35、明确的。的。蛋白质组蛋白质组蛋白质的种类蛋白质的种类究竟有多少究竟有多少很难说清，蛋白质组是基因组表达的所有蛋白很难说清，蛋白质组是基因组表达的所有蛋白质，没有考虑蛋白质的修饰。质，没有考虑蛋白质的修饰。细胞内大部分蛋白质在翻译后进行修饰，主要有磷酸化、糖基化、酰基细胞内大部分蛋白质在翻译后进行修饰，主要有磷酸化、糖基化、酰基化等，修饰蛋白质具有特定的物理化学性质和生物学功能。化等，修饰蛋白质具有特定的物理化学性质和生物学功能。如果把一个修饰蛋白视为一种新的蛋白质，那么蛋白质组的蛋白质数量如果把一个修饰蛋白视为一种新的蛋白质，那么蛋白质组的蛋白质数量将远远大于相应的基因组的基因数量。将远远大于
36、相应的基因组的基因数量。在这个意义上，人们在这个意义上，人们估计估计人类蛋白质组的蛋白质的种类为人类蛋白质组的蛋白质的种类为20万万-200万万，显而易见，对蛋白质组的蛋白质数量的估计是非常模糊的。显而易见，对蛋白质组的蛋白质数量的估计是非常模糊的。3、动态性、动态性 基因组基因组 一个个体的基因组，从个体诞生到死亡，始终保持不变。一个个体的基因组，从个体诞生到死亡，始终保持不变。蛋白质组蛋白质组在个体的生命活动中却在个体的生命活动中却总是总是变动不停。重要任务是测定蛋白质组里发生变变动不停。重要任务是测定蛋白质组里发生变化的蛋白质。化的蛋白质。生命活动中的蛋白质可以生命活动中的蛋白质可以大致
37、分为两类大致分为两类：一类是比较：一类是比较稳定稳定的，另一类则是的，另一类则是变化变化的蛋白质，如负责信号转导或细胞活动调控的蛋白质。的蛋白质，如负责信号转导或细胞活动调控的蛋白质。蛋白质的蛋白质的差异和变化差异和变化，是生命活动的重要方式。发现在，是生命活动的重要方式。发现在正常和病理状态正常和病理状态下下出现差异的蛋白质，常常是认识和防治疾病的关键；出现差异的蛋白质，常常是认识和防治疾病的关键；测定一个细胞或组织含有的全部蛋白质种类的研究就是通常所说的测定一个细胞或组织含有的全部蛋白质种类的研究就是通常所说的蛋白质蛋白质组学。组学。鉴定出一个细胞或组织中的所有蛋白质是一项费时费钱的工作，
38、需要大量鉴定出一个细胞或组织中的所有蛋白质是一项费时费钱的工作，需要大量的人力和物力。相比之下，测定的人力和物力。相比之下，测定差异蛋白差异蛋白质的任务需要的投入就小得多。质的任务需要的投入就小得多。功能蛋白质组学：功能蛋白质组学：以以变化为主变化为主的蛋白质组学。比较在不同生长状态下或病的蛋白质组学。比较在不同生长状态下或病理情况下，同一种细胞或组织的蛋白质组内的差异蛋白质。理情况下，同一种细胞或组织的蛋白质组内的差异蛋白质。4、时空性、时空性基因组基因组DNA通常位于细胞核内，保持稳定，基因组测定通常位于细胞核内，保持稳定，基因组测定不受时空不受时空的影响。的影响。mRNA，时间时间是主要
39、的参考因素，在发育的不同阶段或细胞的不同活动是主要的参考因素，在发育的不同阶段或细胞的不同活动时期，时期，mRNA的表达是不一样的。的表达是不一样的。在研究转录组或基因芯片时需要考虑时间，不需要考虑空间的影响。在研究转录组或基因芯片时需要考虑时间，不需要考虑空间的影响。蛋白质组蛋白质组不仅要考虑不仅要考虑时间时间的因素，更要考虑的因素，更要考虑空间空间的影响。的影响。不同的蛋白质分布在细胞不同部位，功能与其空间定位密切相关。不同的蛋白质分布在细胞不同部位，功能与其空间定位密切相关。许多蛋白质在细胞内不是静止不动的，常常在不同的亚细胞环境里运动许多蛋白质在细胞内不是静止不动的，常常在不同的亚细胞
40、环境里运动并发挥作用。并发挥作用。例如，细胞周期调控，在例如，细胞周期调控，在细胞核内，磷酸酯酶细胞核内，磷酸酯酶Cdc25 蛋白激酶蛋白激酶Cdc2去去磷酸化磷酸化激活激活Cdc2 使细胞进入分裂期。使细胞进入分裂期。l 如果如果DNA损伤，蛋白激酶损伤，蛋白激酶Cdc25一种一种14-3-3蛋白蛋白从细胞核内转运到胞质从细胞核内转运到胞质内，内，导致导致核内的核内的Cdc2保持磷酸化和失活状态，使细胞保持磷酸化和失活状态，使细胞停滞在停滞在G2期期l不同的相互作用和同一时空相互作用不同的相互作用和同一时空相互作用时时变化？时时变化？5、蛋白质的相互作用、蛋白质的相互作用基因组基因组基因组基
41、因组的的基因表达基因表达的各种的各种mRNA是彼此孤立的，互不干扰。是彼此孤立的，互不干扰。蛋白质组蛋白质组蛋白质彼此间有着广泛的蛋白质彼此间有着广泛的相互作用相互作用。“孤立蛋白质孤立蛋白质”是不存在是不存在的。的。蛋白质的蛋白质的功能功能离不开离不开蛋白质与蛋白质或蛋白质与其他生物大分子之间的蛋白质与蛋白质或蛋白质与其他生物大分子之间的相相互作用互作用，专门术语（一个新的名词）：，专门术语（一个新的名词）：相互作用组相互作用组。相互作用组相互作用组 研究可以分为两类：研究可以分为两类：一是研究蛋白质一是研究蛋白质相互作用的网络相互作用的网络，细胞内的许多活动，如：信号转导等，细胞内的许多活
42、动，如：信号转导等，都是通过一个都是通过一个复杂而广泛复杂而广泛的蛋白质相互作用的蛋白质相互作用网络网络来实现的；来实现的；二是二是蛋白质复合体蛋白质复合体组成的分析。组成的分析。蛋白质复合体通常可以分为两种：一种是结构型的蛋白质复合体，如核孔蛋白质复合体通常可以分为两种：一种是结构型的蛋白质复合体，如核孔复合体，这一类通常复合体，这一类通常比较稳定比较稳定；另一种则是功能型蛋白质复合体，只有在执行功能时才聚合在一起，很不另一种则是功能型蛋白质复合体，只有在执行功能时才聚合在一起，很不稳定。例如，负责转录的转录蛋白质复合体或者负责稳定。例如，负责转录的转录蛋白质复合体或者负责DNA复制的复制蛋
43、白复制的复制蛋白质复合体。质复合体。6、多种研究技术、多种研究技术基因组基因组既无量的变化，也没有质的变化。既无量的变化，也没有质的变化。基因组研究中，基因组研究中，DNA测序技术测序技术是一个是一个最基本和最主要最基本和最主要的工具。由于基因组的工具。由于基因组的均一性和简单性，使得一种单一的技术就能胜任基因组研究任务。的均一性和简单性，使得一种单一的技术就能胜任基因组研究任务。易于体外复制、或扩增易于体外复制、或扩增PCR、测序技术。技术成熟度高。、测序技术。技术成熟度高。蛋白质组蛋白质组由于蛋白质组由于蛋白质组 具有复杂性、多样性和时空性。具有复杂性、多样性和时空性。研究技术就远远不止一
44、种，技术难度也远远大于基因组研究技术。研究技术就远远不止一种，技术难度也远远大于基因组研究技术。蛋白质组研究技术可以简单地分为两大类：蛋白质组研究技术可以简单地分为两大类：第一类是蛋白质组的第一类是蛋白质组的分离技术分离技术，双向电泳技术、细胞分级分离技术、亲和，双向电泳技术、细胞分级分离技术、亲和色谱技术都是蛋白质组常用的分离技术；色谱技术都是蛋白质组常用的分离技术；第二类是蛋白质组的第二类是蛋白质组的鉴定技术鉴定技术，其核心是质谱技术，蛋白质芯片技术、噬，其核心是质谱技术，蛋白质芯片技术、噬菌体显示技术和大规模双杂交方法等。菌体显示技术和大规模双杂交方法等。u总之，蛋白质组研究总之，蛋白质
45、组研究对技术的依赖性对技术的依赖性和要求和要求远远超过基因组学远远超过基因组学，目前，蛋，目前，蛋白质组学的研究技术白质组学的研究技术还有很多不完善之处还有很多不完善之处，许多，许多新技术正在研发新技术正在研发之中。之中。是生命科学的主旋律：是生命科学的主旋律：自自20世纪中期，分子生物学技术世纪中期，分子生物学技术诞生以来，诞生以来，生命科生命科学的学的主旋律主旋律一直一直围绕围绕着着核酸与蛋白质核酸与蛋白质展开。展开。具有具有互补与互助性互补与互助性：后基因组时代，蛋白质组研究和基因组研究后基因组时代，蛋白质组研究和基因组研究依然是形依然是形影相随影相随的两个重要领域，它们之间互相补充。的
46、两个重要领域，它们之间互相补充。基因注释：基因注释：基因组测序完成后，最主要任务是基因注释，找出所有可能的基因组测序完成后，最主要任务是基因注释，找出所有可能的基因及其产物的功能。基因及其产物的功能。u基因注释的出错率较高，若以蛋白质组的数据作参考，注释的正确率基因注释的出错率较高，若以蛋白质组的数据作参考，注释的正确率会大幅度提高。会大幅度提高。u真核生物的基因大多真核生物的基因大多是非连续性是非连续性的，即由外显子和内含子所组成。确的，即由外显子和内含子所组成。确定定完整的基因完整的基因也非易事，利用蛋白质的序列来推测和确定基因的全长也非易事，利用蛋白质的序列来推测和确定基因的全长也是很有
47、帮助的。也是很有帮助的。7、蛋白质组与基因组的互补与互助性、蛋白质组与基因组的互补与互助性蛋白质组学具有蛋白质组学具有7 7个特点个特点 多样性多样性 无限性无限性 动态性动态性 时空性时空性 蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用 多种研究技术多种研究技术 互补与互助性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组学基本基本思路思路。体现了蛋白质组学的复杂性：体现了蛋白质组学的复杂性：全方位全方位揭示生物体中，所有蛋白质的变化和揭示生物体中，所有蛋白质的变化和运行规律。运行规律。将在蛋白质组学的应用中进一步理解。将
48、在蛋白质组学的应用中进一步理解。本节小结本节小结主要内容主要内容蛋白质组的概念蛋白质组的概念蛋白质组学的研究历史（重要标志）蛋白质组学的研究历史（重要标志）蛋白质组学的研究内容（蛋白质组学的研究内容（7 7）蛋白质组学的特点（蛋白质组学的特点（7 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命本质规律。能。蛋白质整体上研究生命本质规律。第二节：蛋白质组学研究技术第二节：蛋白质组学研究技术l蛋白质组研究关键技术：蛋白质组研究关键技术：1 975年，年，Farrell等建立了高分辨率等建立了高分辨
49、率二维电泳二维电泳技术。技术。20世纪世纪80年代，建立了年代，建立了质谱技术质谱技术、生物医学信息学生物医学信息学以及以及蛋白质芯片蛋白质芯片等技术等技术l蛋白质组技术研究现状蛋白质组技术研究现状蛋白质组蛋白质组研究是人类基因组研究是人类基因组测序完成后测序完成后生命科学领域的生命科学领域的又一热点又一热点，在技术层面上，与在技术层面上，与自动化自动化、高通量高通量的的基因测序基因测序相比还相比还相差很远相差很远。蛋白质组研究要达到蛋白质组研究要达到灵敏灵敏、特异特异和和高通量高通量还还有待有待相关技术的发展。相关技术的发展。尽管问题重重尽管问题重重，蛋白质组研究方法还是取得了，蛋白质组研究
50、方法还是取得了突飞猛进的发展突飞猛进的发展。l蛋白质组研究的难点：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、温度等理化条件下保持空间立体构保持空间立体构象象，分离、纯化及鉴定，分离、纯化及鉴定所需实验条件要求较高所需实验条件要求较高；难于检测：蛋白质难于检测：蛋白质难以难以像核酸一样，像核酸一样，通过通过PCR扩增，扩增，难以检测微量的蛋白质难以检测微量的蛋白质；难以分析：生物信息学如何将难以分析：生物信息学如何将蛋白质组相关数据库蛋白质组相关数据库和和软件结合软件结合起来进行综合分析起来进行综合分析也有难度也有难度；技
