蛋白质组学及其研究进展 蛋白质组学的含义 蛋白质组学研究的内容 蛋白质组学研究的手段 蛋白质组信息学 差异蛋白质组学 蛋白质组研究意义及前景.

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1 蛋白质组学及其研究进展 蛋白质组学的含义 蛋白质组学研究的内容 蛋白质组学研究的手段 蛋白质组信息学 差异蛋白质组学 蛋白质组研究意义及前景

2 讲授内容 一、蛋白质组学及其研究进展（晏本菊） 二、核酶、抗体酶（陈惠） 三、蛋白质定向进化—DNA Shuffling 技术（陈惠）
四、细胞信号传导、肽核酸（杨婉身）

3 生物化学专题 主讲教师 杨婉身 晏本菊 陈惠

4 蛋白质组学的含义 蛋白质组(Proteome)一词最早由澳大利亚学者 Ｗｉｌｋｉｎｓ等于1994年提出,指的是由一个基因组geneome或一个细胞、组织表达的所有protein。蛋白质组学(proteomics)是在蛋白质水平上定量、动态、整体性地研究生物体。 同基因组学一样,蛋白质组学不是一个封闭的、概念化的、稳定的知识体系,而是一个领域。它旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式,其内容包括蛋白质的定性鉴定、定量检测、细胞内定位、相互作用研究等,最终揭示蛋白质功能,是基因组ＤＮＡ序列与基因功能之间的桥梁。

5 蛋白质组功能模式(目前主要集中在蛋白质相互作用网络关系)的研究
蛋白质组学研究的内容 蛋白质表达模式(或蛋白质组组成)的研究 蛋白质组组成的分析鉴定是蛋白质组学中的与基因组学相对应的主要内容。它要求对蛋白质组进行表征,即实现所有蛋白质的分离、鉴定及其图谱化。双向凝胶电泳(2-DＥ)和质谱(Mass spectrometry)技术是当前分离鉴定蛋白质的两大支柱技术 蛋白质组功能模式(目前主要集中在蛋白质相互作用网络关系)的研究

6 　原核及简单真核生物的蛋白质组研究　 流感嗜血杆菌的蛋白质组研究 大肠杆菌的蛋白质组研究　 致病微生物的蛋白质组研究 酿酒酵母的蛋白质组研究

7 　流感嗜血杆菌的蛋白质组研究　　 流感嗜血杆菌(Hae mophilus influenzae)是第一个获得基因组全序列的生物.瑞士的一个小组通过2-DPAGE研究了流感嗜血杆菌的蛋白质组分,在ｐＨ3-10的范围内鉴定了约300个蛋白质组分,然后用有两个尿素浓度的麦黄酮(tricine)胶分离了很难分离到的5-20ku范围内的蛋白质,还鉴定了其中的80种.另外用肝素亲和层析将碱性蛋白质富集后,在ｐＨ6-11的范围内又鉴定了102个蛋白质,其中许多是核酸结合蛋白尤其是核糖体蛋白.华盛顿大学的另一个小组将双向电泳得到的流感嗜血杆菌303个蛋白质斑点进行质谱分析,确定了263个蛋白质,其中大部分是外膜蛋白,以及与能量代谢和大分子合成相关的蛋白质.另外发现了几种不能在基因组中找到对应序列的蛋白质.令人惊奇的是,大约22%的被鉴定了的蛋白质表现出与预计不同的等电点与分子质量,显示它们可能经过了翻译后加工.

8 大肠杆菌的蛋白质组研究　　 大肠杆菌全部4000多个基因的ＤＮＡ序列已被测定,人们想到如果把双向电泳得到的蛋白质谱与基因组分析结果联合起来,就会得到更多有用的信息.基于此想法,建立蛋白质 基因联合数据库,希望籍此来回答以下几方面的问题:ａ 所有编码基因的产物在双向图谱上的位置,ｂ 各种蛋白质的丰度,ｃ 不同条件下各种蛋白质表达水平及合成速率的变化,ｄ 各种蛋白质在细胞内的定位,ｅ 某些蛋白质翻译后修饰的方式及水平.目前,大肠杆菌的联合数据库已更新到第六版,大约包括1600个蛋白质斑点的数据,其中大约400个蛋白质斑点已与大约350个基因相对应(有些基因可能有多个蛋白质产物),对于这些蛋白质,这个数据库可以提供基因名称、蛋白质名称、EC 编号、功能范畴、Swiss-prot数据库编号、Ｇenbank序列号、基因图谱的位置、染色体上的转录方向以及一些生理信息(如在不同生长条件下该蛋白质在细胞内的丰度).　

9 致病微生物的蛋白质组研究　 　 蛋白质组的一个重要应用是在阐明新抗生素作用机理的研究上.当今,细菌对大多数抗生素都有了抗性,寻找作用于细菌内新的靶子的研究工作已经展开,找到了许多有效的抗菌化合物.但目前遇到的困难在于难以揭示新的化合物的作用靶子及其作用机理.有时虽在体外发现新化合物能够使某种蛋白质失活,但在体内是否有这种现象和这是否是抗菌的主要机制仍然未知,现在双向电泳分析提供了一个有效手段.例如在研究抑制核糖体类抗生素对细菌的作用机制时,对12种作用于翻译过程的不同阶段和核糖体内不同分子的抗生素加以考察,发现其中8种诱导冷休克反应的一系列蛋白质,另4种诱导一系列热休克反应的蛋白质,因此预计新的作用于核糖体的化合物也是诱导这两种反应,并且籍此可以推测大肠杆菌对冷热的反应发生于核糖体水平上.蛋白质组研究的重要优势在于能够从整体水平上分析不同条件下蛋白质谱的变化.例如作为一种差异显示技术,这一技术已被用于比较结核分枝杆菌与牛结核分枝杆菌蛋白的不同,结果发现一些在基因水平上很类似的蛋白在蛋白质水平上有很大差别,这可能部分解释近年来牛痘作为结核病疫苗会出现失败的现象

10 酿酒酵母的蛋白质组研究　 　 利用双向电泳技术分析酵母蛋白谱的工作早于蛋白质组概念的提出.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)基因组的完成及其蛋白质数据库在互联网上的建立,大大加速了这一工作.最新版的数据库包括6000多页,每页代表一个已知或推测的酵母蛋白.它包含以下几方面的信息:ａ 以序列为基础的已知和推测的酵母蛋白的特征信息,如分子质量、等电点、氨基酸组成、多肽片段大小等;ｂ 一些研究得到的关于各种蛋白质在翻译后加工、亚细胞定位、功能分类方面的信息;ｃ 从以往的超过5000篇关于酵母蛋白研究的文章中获得的有关各种蛋白质功能、相互作用、突变表型的信息.借助数据库的有力推动,在双向电泳蛋白质谱上最明显的蛋白质斑点的大部分得到鉴定.

11 正在丹麦进行的一项研究计划分别作出野生型和将基因系统缺失的缺陷型酵母的双向蛋白质图谱
正在丹麦进行的一项研究计划分别作出野生型和将基因系统缺失的缺陷型酵母的双向蛋白质图谱.初步的研究表明,缺失单一基因将导致的结果并不只是缺乏此基因编码的蛋白质,而是能导致其他一系列蛋白质量的改变.一些蛋白质减少而另一些蛋白质增多,当然还有一些蛋白质被加工修饰而导致性状改变.单一基因缺失的结果总是引起蛋白质组全局性的变化.大约20%的酵母基因缺失是致死性的,另外80%则不然,这时机体能通过调节蛋白质的表达来对抗这种内源性的变化.这种基 因缺失的研究可能会告诉我们一些关于细胞内蛋白质分子间相互“对话”和“作用”的重要信息,如蛋白质间的物理联系(这些蛋白质可能会组成蛋白质复合物)、信号传递途径,以帮助我们了解细胞是如何构成的以及是如何协同工作的。

12 　多细胞真核生物的蛋白质组研究 线虫的蛋白质组研究 果蝇的蛋白质组研究 　 人类的蛋白质组研究 　 植物的蛋白质组研究

13 线虫的蛋白质组研究 利用双向电泳技术,Ｂini对线虫(Ｃ.elegans)进行了蛋白质组分析,在等电点3.5-9和分子质量10-200kｕ的范围内可分辨2000个以上的蛋白质斑点,然后利用Ｅｄｍａｎ微量测序技术对其中24个斑点进行分析,得到其中12个蛋白质的Ｎ端序列.其余的由于Ｎ端封闭而未能测出序列.已测出的12个中有1个未能找到与其匹配的基因.另外11个与能量代谢、酸性核蛋白、Ｇ蛋白等对应.Ｃ.elegans的19000个基因已于1998年12月全部测出,预计会对蛋白质组的研究提供帮助

14 果蝇的蛋白质组研究　　 不同性别果蝇(Ｄｒｏｓｏｐｈｉｌａｍｅｌａｎｏｇａｓｔｅｒ)成虫的头、胸、腹部的蛋白质组图谱已被分别作出,总共约有1200个蛋白质被检出,其中的大多数在头、胸、腹中是相同的,但也发现了一部分其部位、性别特异的蛋白质.

15 　人类的蛋白质组研究　 　 人类的蛋白质组研究吸引了最多的注意力.由于人有着大量的组织、细胞类型和发育阶段,对人蛋白质组的研究主要聚焦在特异的组织、细胞和疾病上.已有的证据表明,尽管人的不同组织有着很大的功能差别,但其中的许多蛋白质是看家蛋白,因此它们的双向图谱可能也是近似的.这点与简单生物不同,简单生物在不同的发育阶段有着极不相同的蛋白质组.因此对于人类来说,一个高质量的基本的双向图谱是非常有用的,它可以作为其他组织、细胞的参照图谱.人的各种组织、器官、细胞乃至各种细胞器已被广泛研究.

16 植物的蛋白质组研究

17 人的各种体液(血液、淋巴、脊髓、乳汁和尿等)都被用于研究与某些疾病的关系
人的各种体液(血液、淋巴、脊髓、乳汁和尿等)都被用于研究与某些疾病的关系.最近澳大利亚科学家利用双向电泳技术研究眼泪中的蛋白质与生理状态的关系.他们发现了一种新的蛋白质,这个蛋白质非常相似于在乳腺癌细胞里高表达的另一种蛋白质.这个发现可能会提供疾病诊治的新的手段.在一项利用蛋白质组研究技术进行的酒精对人体毒性的研究中发现,乙醇会改变血清蛋白糖基化作用,导致许多糖蛋白的糖基缺乏,如转铁蛋白。

18 肿瘤至今仍是人类的一个顽敌. 癌细胞不仅有许多特异蛋白质产物,而且这些产物还会影响其他蛋白质的翻译后加工及许多蛋白质的表达水平
肿瘤至今仍是人类的一个顽敌.癌细胞不仅有许多特异蛋白质产物,而且这些产物还会影响其他蛋白质的翻译后加工及许多蛋白质的表达水平.肿瘤的蛋白质组研究能提供一些以往其他技术所不能提供的早期诊断依据,例如利用不同细胞组织的特征蛋白质谱,可以判别一些难以判定来源的肿瘤细胞的来源.丹麦的一个小组利用蛋白质组研究技术结合组织冰冻切片技术分析了150例膀胱癌病人的组织,发现在所有的鳞状细胞瘤的尿液中均能发现一种化学引诱剂———银屑素(ｐｓｏｒｉａｓｉｎ),推测其极可能作为这种肿瘤的早期标志物.　

19 基因组计划无疑为医疗、医药领域带来一场革命,但也应该看到,单纯的遗传分析很难诊断多因素的疾病
　　基因组计划无疑为医疗、医药领域带来一场革命,但也应该看到,单纯的遗传分析很难诊断多因素的疾病.复杂的基因间相互作用,细胞内活动和环境的影响都会影响基因的表达及蛋白质的翻译后加工.因此,可靠的诊断和治疗应基于机体渐进发展过程的调控及失调,并且必须考虑到环境因素的影响.蛋白质组的研究正是探索这一领域的有力武器.人们不难预期,基因组计划的不断推进会给蛋白质组研究提供更多更全的数据库;生物信息学的发展会给蛋白质组计划提供更方便有效的计算机分析软件;国际互联网会使各国各领域科学家有关蛋白质组研究的成果出现新的集成;新的技术会不断涌现,蛋白质组研究方法会象ＰＣＲ技术一样易于操作,并渗透到人类活动的方方面面,对工业、农业、医疗卫生各行各业带来新的革命

20 功能蛋白质组学 功能蛋白质组学的提出及概念
功能蛋白质组学是指从动态和整体的角度研究蛋白质的功能及其结构基础，是位于对个别蛋白质的传统研究和以全部蛋白质为研究对象的蛋白质组研究之间的层次。 功能蛋白质组学的研究内容 蛋白质群体研究

21 数据库 说明 WWW地址 蛋白质序列库: SWISS-PROT 内容丰富,提示详尽 PIR较 TrEMBL (EMBL的翻译) /OWL (非冗余库) 核苷酸数据库: EMBL 欧州分子生物学 GenBank美国生物工程信息中心 ldbESTCDNA序列标记

22 模体与域: PROSITE 序列模体 BLOCKS 保守序列 ProDom蛋白质域 SBASE蛋白质域 二维电泳(2DPAGE): WORLD-2DPAGE国际2DPAGE库的完整索引 lLinksto2DPAGEPhoretix公司的连络表 2DWG二维电泳图谱元库 Flicker成对电泳图谱比较 三维结构库: PDB蛋白质三维结构坐标库 SWISS-MODEL从序列模建结构 SWISS-3DIMAGE三维结构图示 DSSP二级结构命名ftp://ftp.ebi.ac.uk/pub/databases/dssp FSSP蛋白质结构家族ftp://ftp.ebi.ac.uk/pub/databases/fssp/

23 翻译后修饰: O-GLYCBASE糖基化 PHOSPHOBASE磷酸化 deltamass翻译后修饰汇编 基因组库: dblist基因组库目列 GDB基因组库 OMIM遗传病表型 GeneCards生物医学知识

24 代谢库: Boehringer图代谢路径图 ENZYME酶及其反应的命名 Ecolyc大肠杆菌中间代谢 HinCys嗜血流感中间代谢 WIT酶和代谢途径 相互作用: GIF-DB果蝇发育中的基因相互作用 KEGG基因相互作用 Deletion酵母功能基因组

25 表3　用于蛋白质鉴定的数据库搜索软件 属性参数/软件名称 WWW地址蛋白质质量+蛋白质序列标记PeptideSearchhttp:// TagIdenthttp://expasy.hcuge.ch/sprot/tagident.html 蛋白质的肽质印记: MassSearchhttp://cbrg.inf.ethz.ch/subsection3-1-3.html MS-Fithttp://falcon.ludwig.ucl.ac.uk/ucsfhtml/msfit.htm PetideSearchhttp:// ProFoundhttp://prowl.rockefeller.edu/PROWL/prot-id-main.html

26 表3　用于蛋白质鉴定的数据库搜索软件 属性参数/软件名称 WWW地址蛋白质质量+蛋白质序列标记PeptideSearchhttp:// TagIdenthttp://expasy.hcuge.ch/sprot/tagident.html 蛋白质的肽质印记: MassSearchhttp://cbrg.inf.ethz.ch/subsection3-1-3.html MS-Fithttp://falcon.ludwig.ucl.ac.uk/ucsfhtml/msfit.htm PetideSearchhttp:// ProFoundhttp://prowl.rockefeller.edu/PROWL/prot-id-main.html MultiIdenthttp://expasy.hcuge.ch/sprot/multiident.html

27 蛋白质组学研究的手段 蛋白质组分析概述 蛋白质组研究的核心──用于分离的双向电泳(2 -DE)
蛋白质组技术的支柱———鉴定技术(Identication) 蛋白质组研究的百科全书———数据库(database) 蛋白质组技术的规模———高流通量筛选(HTS)

28 目前双向凝胶电泳一般只能分辨到 个蛋白质点(SPOT),而一个细胞系可以表达上万个基因,加上蛋白质加工修饰的多样性,一个样品中的蛋白种类可达106种。因此,对于一些低拷贝蛋白,通常先将蛋白粗提液通过亲和柱纯化,再由一维或二维电泳分离。单向电泳的优点在于几乎所有蛋白质均溶于ＳＤＳ,分子量在 范围内均能有效分离,极酸、极碱蛋白极易检出。双向凝胶电泳(2-dimensional gel electrophoresis)原理简明,第一向进行等电聚焦,蛋白质沿ｐＨ梯度分离,至各自的等电点;随后,在沿垂直的方向进行分子量的分离。80年代固相化ｐＨ梯度(ＩｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄｐＨｇｒａｄｉｅｎｔｓ,IPG)的发明和完善,解决了ｐＨ梯度不稳的问题,使2-ＤＥ的重复性和上样量大为改善。

29 双向凝胶电泳（2-DE） 概念 样品的制备 高分辨率和重复性 分离后的斑点检测(spot detection)

30 蛋白质组研究的发展以双向电泳技术作为核心
蛋白质组研究的发展以双向电泳技术作为核心. 双向电泳由Ｏ’Ｆarrell，s于1975年首次建立并成功地分离约1000个Ｅ ｃｏｌｉ蛋白,并表明蛋白质谱不是稳定的,而是随环境而变化 。双向电泳原理简明,第一向进行等电聚焦,蛋白质沿ｐＨ梯度分离至各自的等电点,随后,再沿垂直的方向进行分子量的分离. 目前,随着技术的飞速发展,已能分离出10000个斑点(ｓｐｏｔ)

31 样品制备和溶解同样事关2- ＤＥ的成效,目标是尽可能扩大其溶解度和解聚,以提高分辨率 用化学法和机械裂解法破碎以尽可能溶解和解聚蛋白,两者联合有协同作用 对ＩＥＦ样品的预处理涉及溶解、变性和还原来完全破坏蛋白间的相互作用,并除去如核酸等非蛋白物质 。理想的状态是人们应一步完成蛋白的完全处理 。低丰度蛋白在细胞内可能具有重要的调节功能,代表蛋白质组研究的“冰山之尖”,故分高低丰度蛋白是一种挑战亚细胞分级和蛋白质预分级、提高加样量(已达到1～15ｍｇ级的标准) 、应用敏感性检测,可以提高其敏感性 如一种多肽免疫2 -ＤＥ印迹是利用几种单克隆抗体技术来分析和检测提高组蛋白和核糖体蛋白等碱性蛋白的分离是另一难点， 由于碱性ｐＨ范围内凝胶基质的不稳定及逆向电渗流的产生,对pI超过10的碱性蛋白,通过产生0～10%的山梨醇梯度和16%的异丙醇可减少之， 亦可用双甲基丙烯酰胺来增加基质的稳定性。

32 2 -ＤＥ面临的挑战是高分辨率和重复性 ：高分辨率确保蛋白最大程度的分离,高重复性允许进行凝胶间配比
2 -ＤＥ面临的挑战是高分辨率和重复性 ：高分辨率确保蛋白最大程度的分离,高重复性允许进行凝胶间配比.对2-ＤＥ而言,有3种方法分离蛋白: 1)ISO-DALT以Ｏ’Farrell,s技术为基础 第一向应用载体两性电解质,在管胶内建立ｐＨ梯度 随着聚焦时间的延长,ｐＨ梯度不稳,易产生阴极漂.2)NEPHＧＥ用于分离碱性蛋白(ｐＨ>7.0) 如果聚焦达到平衡状态,碱性蛋白会离开凝胶基质而丢失 因此,在等电区域的迁移须在平衡状态之前完成,但很难控制 3)IPG-DALT发展于80年代早期.由于固相ｐＨ梯度的出现解决了ｐＨ梯度不稳的问题 .ＩＰＧ通过immobiline共价偶联于丙烯酰胺产生固定的ｐＨ梯度,克服了ＩＥＦ的缺点,从而达到高度的重复性 目前可以精确制作线性、渐进性和Ｓ型曲线,范围或宽或窄的ｐＨ梯度. 新的酸性ｐＨ3-5或碱性ｐＨ6-11的IPG凝胶梯度联合商品化的Ｐｈ4-7的梯度可对蛋白质形成蛋白质组重叠群从而有效分离.

33 分离后的斑点检测(ｓｐｏｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎ)亦很重要. 所采用的检测策略和分离后所采用的方法的相互作用是很重要的
分离后的斑点检测(ｓｐｏｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎ)亦很重要 .所采用的检测策略和分离后所采用的方法的相互作用是很重要的. 此外,还需考虑反应的线性、饱和阈/动态范围、敏感性、对细胞蛋白群的全体定量分析的适应性、可行性. 目前,没有一种蛋白染色覆盖广泛的浓度和ＰＩ及分离后分析技术. 银染已成为一种检测2- DＥ的流行方法,可检测少到2～5ｎｇ的蛋白,因此较考马斯亮蓝Ｒ- 250敏感. 多数糖蛋白不能被考马斯亮蓝染色,一些有机染料不适于ＰＶＤＦ膜 放射性标记不依赖其代谢的活性,并仅适于对合成的蛋白质检测.另有一种改良的2- ＤＥ(差异凝胶电泳),即应用两种不同的染料荧光标记两个样品,使在同一凝胶上电泳后的凝胶图象为两个,避免了几种2 -ＤＥ的比较,可在纳克级进行检测.

34 蛋白质组技术的支柱——鉴定技术 与质谱(mass spectrometry)相关的技术 氨基酸组分分析
图象分析技术(Image analysis) 微量测序(micro-sequencing)

35 质谱技术的现状 质谱技术的应用 肽质指纹术（peptide mass fingerprint,PMF）
肽片段（peptide fragment)的部分测序

36 质谱技术的应用 蛋白质和DNA的序列测定 分析复合体的蛋白质组 研究蛋白质修饰 分析单核苷酸多态性 研究生物分子的相互作用
鉴定蛋白质的三维结构

37 图象分析技术 　　“满天星”式的2 ＤＥ图谱分析不能依靠本能的直觉,每一个图象上斑点的上调、下调及出现、消失,都可能在生理和病理状态下产生,必须依靠计算机为基础的数据处理,进行定量分析 在一系列高质量的2 －ＤＥ凝胶产生(低背景染色,高度的重复性)的前提下,图象分析包括斑点检测、背景消减、斑点配比和数据库构建。 首先,采集图象通常所用的系统是电荷耦合ＣＣＤ(charge coupled device) 照相机;激光密度仪(laser densitometers)和Phospho或Fluoro-imagers,对图象进行数字化 并成为以象素(pixels)为基础的空间和网格 其次,在图象灰度水平上过滤和变形,进行图象加工,以进行斑点检测. 利用laplacian Gaussian, DOG(difference of Gaussians) opreator使有意义的区域与背景分离,精确限定斑点的强度、面积、周长和方向 图象分析检测的斑点须与肉眼观测的斑点一致 在这一原则下,多数系统以控制斑点的重心或最高峰来分析,边缘检测的软件可精确描述斑点外观,并进行边缘检测和邻近分析,以增加精确度 通过阈值分析、边缘检测、销蚀和扩大斑点检测的基本工具还可恢复共迁移的斑点边界

38 联邦数据库互渗事例

39 用肽序列标记搜索dbEST库 CID谱和肽序列标记 从dbEST中搜索到的匹配序列

40 从SW ISS-2DPAGE的人肝参考图中蛋白斑点的击示事例

41 a-乳清蛋白的一个酶解肽段的CID谱 翻译后修饰的自动解释的示意图

42 Novel or previously studied protein
Protein sample 2-D PAGE Image analysis 蛋 白 质 组 的 分 析 流 程 Elution Blotting Excision Protein in gel Partial degradation Protein in solution Protein on membrane Peptide mixture Edman degradation MS Mass of protein N-terminal sequence Peptide mass fingerprint Peptide sequence MS/MS data Database searching Novel or previously studied protein Characterization of post-translocation modifications

43 成像分析软件MelanieII功能示意图

44 差异蛋白质组研究 差异蛋白质组学的研究在技术上有更高的 可实现性 差异蛋白质组学反映了蛋白质的动态本质
差异蛋白质组学具有广泛和明确的应用前景

45 差异蛋白质组学的研究方法 双向电泳 用于蛋白质定量和比较研究的质 谱相关技术 SELDI蛋白质芯片技术