蛋白质组学总论

SystemsBiology----Proteomics现代分子生物学技术基本原理与应用byLiuShilian(刘师莲)DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyE-mail:[e-mail]:88382346-0(O)ContentsBriefIntroductionofProteomics\SystemsBiology2D-gelElectrophoresisOtherTechnologyInvolvedMassSpectrometryApplicationFromSingleto“Omics”20thcentury50s，ProteinDNAClarifyofDNAdoublehelixstructureFromthemainstreamThelate20thcenturytothebeginningofthecentury，DNAProteomicsFromthemainstreamTheimplementationandcompletionofHGP(Thecarrierofgeneticinformation)(Actorsoffunction)(Individualworkshop)(Team/Omics)ProteinVs.ProteomicsSingleproteinAllsequenceanalysisStressthestructureandfunctionStructuralBiologyIdentificationforthebehaviorofanysinglecomponent.ComplexmixturePartialsequenceanalysisStresstheidentificationforproteinsbymatchingindatabaseSystemsBiologyIdentificationforthebehaviorofsystems—Large-scaleresearchScience291:1221,2001tocomplementeachother生物学研究现状—新生物学形式20世纪90年代,由于基因、表达序列标签（EST)和蛋白质序列数据库的发展（阐明了细菌、酵母、线虫和果蝇及人类基因组完整序列并建立了相应的数据库）；引入易于操作的、基于浏览器的生物信息学工具（几秒钟内从完整的基因组内检索特定的核酸或蛋白质序列）寡核苷酸微阵（将感兴趣样品的DNA混合物荧光标记后与微阵进行杂交，可一次探测几千基因的表达以代替几千Northern印迹分析）提示：每种蛋白质所表达的功能只有在同一细胞内其他蛋白质的功能和活性同时表达时才有意义！做宏观思考，去理解系统而不只是理解组分和寻求复杂性的意义！TraditionstudyforsingleproteinVS.Proteomicsstudy生命现象发生往往由多因素影响,必然涉及到多个蛋白质;多个蛋白质的参与是交织成网络的、或平行发生，或呈级联因果；在执行生理功能时蛋白质的表现是多样的、动态的，并不像基因组那样基本固定不变。因此，要对生命的复杂活动有全面和深入的认识，必然要在整体、动态、网络的水平上对蛋白质进行系统研究。ChallengeBackground1994:MarcWilkinsItalianSiena,2-DE,Meeting“Proteome”aconcept1994:KeithWilliamsAustraliaMacguaricprofsuggested“AllproteinfromthelivingbodyarescreeningandanalysedofsequencebyMSdifferentDNAfasttestsequencetosupplyallanalyinmoleculerlevel…..”WasingerVC,CordwellSJ,Cerpa-PoljakA,YanJX,GooleyAA,WilkinsMR,DuncanMW,HarrisR,WilliamsKL,Humphery-SmithI.Progresswithgene-productmappingoftheMollicutes:Mycoplasmagenitalium支原体生殖器.Electrophoresis.1995Jul;16(7):1090-4Proteome“Theanalysisoftheentireproteincomplementexpressedbyagenome,orbyacellortissuetype.”WasingerVCetalProgresswithgene-productmappingofthemollicutes:Mycoplasmagenitalium.Electrophoresis16(1995)1090-1094TwoMOSTrelatedtechnologies:1.2-Delectrophoresis:Separationofcomplexproteinmixtures2.Massspectrometry:IdentificationandstructureanalysisProteomics蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象，研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学它在本质上指的是在大规模水平上、整体角度研究蛋白质特征：细胞内动态变化的蛋白质组成成份表达水平（量）翻译后的修饰（成熟与调控）蛋白与蛋白相互作用（信号通路）等由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识蛋白质组学的作用和意义蛋白质组学可视为分子生物学的大规模筛选技术，目的在于归类细胞中的蛋白质的整体分布，鉴定并分析感兴趣的个别蛋白，最终阐明它们的关系与功能。与基因组学的研究内容在互补的水平上研究细胞的分子构架，又都在各自的水平上提供增强对方效应的信息，因此二者存在很强的且带有系统性相互关系。蛋白质组概念的提出是基因组的一个逻辑性的发展和延伸。蛋白质组是对应于一个基因组的所有蛋白质构成的整体，而不是局限于一个或几个蛋白质DiscoveryScienceVSHypothesis-drivenScience核心思想是整体性研究，即以生物体内某一类物质为对象进行完整的研究。基因组学和蛋白质组学的目标是细胞内全部的基因和蛋白质。通常不针对具体的生物学问题或科学假设，其目标主要是把全部研究对象测定清楚，称为“发现的科学”（DiscoveryScience）....广有机结合--更深刻更全面的揭示生命复杂体系和行为仅限于研究细胞内个别的基因或蛋白质的结构功能属于“小科学”，其实施则离不开具体的生物学问题或科学假设，被称为“假设驱动的科学”(Hypothesis-drivenScience)....深随着人类基因组计划的实施，生命科学步入了后基因组时代，出现了不同于以往经典实验生物学的全新研究方式--“生物大科学”经典实验生物学生物大科学SystemsBiology系统生物学是针对后基因组时代需求而产生的生命科学研究领域的一门新兴学科对于后基因组时代的研究者而言，生命并非是一架基于还原论原理建造的“自动机”，而是一个按照与还原论大相径庭的方式构成的“复杂系统”。为了研究这样的生命复杂系统，除了实验科学以外，还需要理论科学的介入。系统生物学具有这样一个特点----对理论的依赖和建立模型的需求。系统生物学的理想就是要得到一个尽可能接近真正生物复杂系统的理论模型；系统生物学是建立在经典实验生物学、生物大科学、系统科学和计算数学(计算生物学）等基础上的一门交叉科学。SystemsBiology系统生物学的创始人LeroyHood，美国西雅图系统生物学研究所(全球第一个系统生物学研究所)所长:Manybiologicalproblems,particularlyhumandiseases,fallintothecategoryof“systemsproblems”--LeroyHood许多的生物问题，尤其是涉及到人类疾病方面的问题，都属于系统性的问题，不是研究清楚单个基因或者蛋白质就可以解决的。Systemsbiology—anapproachthatstudiesbiologicalproblemsthroughstudyinginterrelationshipsofalloftheelements(gene,protein,RNA,…)inasystemratherthanstudyingthemoneatatime.--LeroyHood系统生物学——是一种研究复杂生物问题的新方法，该方法主要研究生物体中所有的要素(基因、蛋白质、RNA等)之间的相互关系，而不是针对性地研究个别基因或者蛋白质.SystemsBiologyDefinitionofsystemsbiologyICSB2001,2ndInternationalConferenceonSystemsBiology；SystemsBiologyisthequantitativestudyofbiologicalprocessesaswholesystemsinsteadofisolateparts.ThegoalofSystemsBiologyistheconstructionandexperimentalvalidationofmodelsthatexplainandpredictthebehaviorofbiologicalsystems.建立模式并以实验来证实其可预测的生物体的表现Tounderstandphysiologyanddiseaseatthelevelofmolecularpathwaysandregulatorynetworksincells,tissues,organs,andultimatelythewholeorganism从“点”到“面”到“系统”的思维认识上的“相位移动”Protein–Proteomics--system复杂网络的典型代表:生物分子网络酵母细胞中的蛋白质相互作用网络(A.-L.Barabási,NATUREREVIEWSGENETICS,2004)“Biosystem=SystemsBiology”Concept概念:是研究一个生物系统中基因、mRNA、蛋白质、代谢小分子等所有组成成分的构成,以及在特定条件下这些组分间的相互关系。它是由叙述科学转变为定量预测的科学。方法：将DNA、RNA、蛋白质以及三者彼此之间的交互作用等信息加以整合，去建立出数学计量模型，以期掌握所有生物基因与组织间的关系及机理核心思路（两种“整合”（Integration））：是小科学(经典实验生物学)和大科学(组学)的整合，是实验生物科学与理论科学如计算科学、数学的整合。应用：在新药研发、疾病防治、优良品种培育等方面有着广阔的应用前景。生命科学进入了“组学”时代，是生命科学研究进程中的革命Howissystemsbiologystudied?Itisusuallydoneinthreesteps:biologicalsystemsaresystematicallyperturbedbybiological,genetic,orchemicalmeans(选择特定的生物系统亚细胞\细胞\组织\个体水平);responsesofthebiologicalsystemsaremeasuredatthelevelofgene,protein,metabolites,andpathways（进行各种“组学”的研究）;thedataareintegratedtoformulatemathematicalmodelsthatdescribeandquantifythenatureorstructureoftheentiresystem（将所得信