蛋白质组学技术

蛋白质组学研究技术摘要：蛋白质组学是继基因组测序计划后崛起的一门新兴学科，逐渐成为后基因组时代的研究前沿和热点领域。作为2l世纪的核心学科之一，其研究技术得到了迅猛发展。本文综述了蛋白质组学的研究技术。关键词：蛋白质组学；蛋白质组学研究技术1994年澳大利亚科学家MarcWilkins[1]提出蛋白质组的概念，指的是一个基因组所表达的全部蛋白质。蛋白质组学(proteomics)是指应用各种技术手段来研究蛋白质组的一门新兴科学，其目的是从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成成分、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律。随着蛋白质组学的问世，蛋白质组学研究技术也已被应用到各种生命科学领域，且不断发展成熟。蛋白质组的研究能为生命活动规律提供基础，本文就蛋白质组学研究技术作一综述。1蛋白质样品制备技术样品制备是蛋白质组分析成功与否的关键，必须具有良好的重复性，同时需与后续的蛋白质分离和鉴定方法相匹配[2]。目前常用的样品制备技术有液相等电聚焦、亚细胞分级、吸附色谱、连续多步提取方法等[3]。激光捕获显微切割技术是上世纪末期发展起来的新技术。利用激光切割组织，能高效地从复合组织中特异性地分离出单个细胞或单一类型细胞群，显著提高样本的均一性。2蛋白质分离技术2．1双向凝胶电泳(2-DE)双向凝胶电泳的原理是第一向基于蛋白质的等电点不同用等电聚焦分离，第二向则按分子量的不同用SDS-PAGE分离，把复杂蛋白混合物中的蛋白质在二维平面上分开。近年来经过多方面改进已成为研究蛋白质组的最有使用价值的核心方法。2．2差异凝胶电泳(DIGE)双向凝胶电泳是蛋白质组分离技术中的经典技术。但其繁琐、不稳定和低灵敏度等缺点阻碍蛋门质组学的进一步发展；提高双向凝胶电泳的分离容量、灵敏度和分辨率以及对蛋白质差异表达的准确检测是目前双向凝胶电泳技术发展的关键问题。DIGE是一种标记分离蛋白技术，其方法是将两种或多种样品中的蛋白质采用不同的荧光标记后混合，在同一凝胶内进行电泳做定量蛋白质组分析。DIGE是以质谱为基础的选择性定量分析法，在一些领域中能够克服质谱的缺陷，例如，对蛋白质作完整的分析。DIGE不仅能检测到高丰度蛋白，且极大地提高了结果的准确性、可靠性和重复性[4]。当前，还有二维色谱(2D—LC)、二维毛细管电泳(2D—CE)、液相色谱-毛细管电泳(LC—CE)等新型分离技术。3蛋白质鉴定技术3．1氨基酸组成分析氨基酸组成分析法可提供蛋白质一级结构信息，耗资低，但速度较慢，所需蛋白质或肽的量较大，在超微量分析中受到限制；且存在酸性水解不彻底或部分降解而致氨基酸变异的缺点，故应结合蛋白质的其它属性鉴定。3．2生物质谱鉴定技术生物质谱鉴定技术已成为蛋白质组研究中主要的蛋白质鉴定技术[5-6]，具有高灵敏度、高分辨率、动态范围广、可应用于所有的生命科学领域等优点[7]。其基本原理是带电粒子在磁场中运动的速度和轨迹依粒子的质量与携带电荷比的不同而变化，从而可以据其来判断粒子的质量及特性[8]。目前常用的质谱主要有两种：电喷雾质谱和基质辅助激光解析／电离飞行时间质谱；当然，要精确鉴定某一蛋白质，通常要联合几种技术。以质谱技术为核心，开发出质谱鸟枪法(shot-gun)、毛细管电泳-质谱联用等新技术直接鉴定全蛋白质组分[9-10]。3．3蛋白质芯片技术蛋白质芯片技术[11]的出现给蛋白质组学的研究带来了新思路。它是用于分析蛋白质功能及相互作用的生物芯片。待分析样品中的生物分子与蛋白质芯片的探针分子杂交或相互作用或用其他分离方式分离后，用激光共聚焦显微扫描仪检测和分析杂交信号，从而实现高通量检测多肽、蛋白质及其他生物成分的活性、种类和相互作用。此技术快速、操作简便、样品用量少，可平行检测多个样品，可直接检测不经处理的各种体液和分泌物等。在蛋白质组学研究中较目前用的常规方法有明显优势[12]。4蛋白质间相互作用技术蛋白质间相互作用是细胞生命活动的基础和特征。目前主要的研究方法有以下几种。4．1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，灵敏度很高。目前此技术不但可用于体内检验蛋白质之间，蛋白质与小分子肽、DNA、RNA之间的相互作用，而且能用于发现新的功能蛋白质，研究蛋白质的功能，对于认识蛋白质组特定代谢途径中的蛋白质相互作用关系网络发挥了重要作用。这种技术可用于研究大量蛋白质间的相互作用，易自动化、高通量，但存在假阳性和假阴性现象。酵母双杂交系统提供的蛋白质之间可能的相互作用信息，还需通过进一步的生物化学实验确定和排除。4．2噬菌体展示技术主要是在编码噬菌体外壳蛋白质基因上连接一单克隆抗体基因序列。噬菌体生长时表面会表达出相应单抗，噬菌体过柱时，如柱上含有目的蛋白质，则可特异性地结合相应抗体。该技术具有高通量及简便的特点，与酵母双杂交技术互为补充，弥补了酵母双杂交技术的一些限制。缺陷是噬菌体文库中的编码蛋白均为融合蛋白，可能改变天然蛋白质的结构和功能，体外检测的相互作用可能与体内不符[13]。4．3串联亲和纯化(TAP)利用一种经过特殊设计的蛋白标签，经过两步连续亲和纯化，获得更接近自然状态的特定蛋白复合物。TAP技术可在低浓度下富集目的蛋白，得到的产物可用于活性检测及结构分析。因其高特异性和选择性可减小复杂蛋白质组分离的复杂性。TAP技术的开发是研究蛋白质相互作用方法学上的巨大突破。该方法集成了经典的亲和纯化和免疫共沉淀两种技术的优点，可快速得到生理条件下与目标蛋白真实相互作用蛋白质的特点。这些分离技术与2-DE相互补充或不同分离模式组合，将成为蛋白质组学高通量分析的重要工具[14]。4．4表面等离子共振技术(SPR)为研究蛋白质之间相互作用的全新手段。典型代表是瑞典BIACORE的单元蛋白质芯片。SPR技术的特点是检测快速、安全，不需标记物或染料，灵敏度高。除用于检测蛋白质之间的相互作用外，还可用于检测蛋白质与核酸及其他生物大分子之间的相互作用，并且能实时监测整个反应过程。因此，SPR技术在检测生物大分子特异性相互作用上比传统方法更具优势。5蛋白质组生物信息学基因组学和蛋白质组学的研究产生了大量的数据,由于蛋白质组比基因组有着更大的复杂性，因而蛋白质组生物信息学研究有着更大的必要性和复杂性。蛋白质组生物信息学的研究内容主要包括大量蛋白质组学实验信息的产生，对这些数据的处理，以及结果的分析和发布等。一些主要的数据库有SWISS-PROT、TrEMBL、PIR等[15]，另外还有一些二维胶的数据库和蛋白质相互作用的数据库等。蛋白质组研究的整个过程实际上都与生物信息学密切相关，无论是双向电泳图谱的分析，还是质谱数据的解析，尤其是最终蛋白质组数据库的建立，实验室间的相互比较，都依赖于生物信息学的建立和发展。综上所述，随着蛋白质组学研究逐渐成为当前生命科学中的前沿热点，相关研究技术也在不断成熟，其受重视的程度和进展显而易见。有理由相信，随着蛋白质组学研究技术的不断进步，蛋白质组学研究必将为疾病预防、早期诊断与有效治疗带来新的希望。参考文献[1]WasingerVC,CordwellSJ,Cerpa-poljakA,eta1.Progresswithgene-productmappingoftheMollicutes:Mycoplasmagenitalium[J].Electrophoresis,1995,16:1090-1094.[2]徐菲菲，刘秀华.蛋白质组学技术进展及其在微循环研究中的应用[J].生理科学进展，2010,41(6):429-434.[3]杨国堂，李艳艳，张伟，等.蛋白质组学及其技术体系[J].食品与药品，2010,l2(05):206-209.[4]TimmsJF,CramerR.Differencegelelectrophoresis[J].Proteomies,2008,8(23-24):4886-4897.[5]GstaigerM,AebersoldR.Applyingmassspectrometry-basedproteomicstogenetics,genomicsandnetworkbiology[J].NatRevGenet,2009,10(9):617-627.[6]LiuH,LangJ,WangXR,eta1.Comparativeproteomicanalysisofhumanadenomyosisusingtwo-dimensionalgelelectrophoresisandmassspectrometry[J].FertiliSterili,2008,89(6):1625-1631.[7]FranceseS,DaniFR,TraldiP,eta1.MALDImassspectrmnetryimaging,fromitsoriginsuptotoday:thestateoftheart[J].CombChemHighThroughputScreen,2009,12(2):156—174.[8]金锋.蛋白质组学研究相关技术与应用[J].明胶科学与技术，2008(1):6-9.[9]LengqvistJ,UhlenK,LehtioJ.iTRAQcompatibilityofpeptideimmobilizedpHgradientisoeleetriefocusing[J].Proteomics,2007,7(11):1746—1752.[10]HerreroM,SimoC,IbanezE,eta1.Capillaryeleetrophoresis-massspectrometryofSpirulinaplatensisproteinsobtainedbypressurizedliquidextraction[J].Electrophoresis,2005,26(21):4215-4224.[11]HengZhu,MelinBasin,RhondaBangham,etal.Globalanalysisafproteinactivitiesusingproteomechips[J].Science,2001,293:2101-2105.[12]ChenL,FatimaS,PengJ,ela1.SELDIproteinchiptechnologyforthedetectionofserumbiomarkersforliverdisease[J].ProteinPeptLett,2009,16(5):467—472.[13]ThieH,MeyerT,SchirrmannT,eta1.Phagedisplayderivedtherapeuticantibodies[J].CurrPharmBiotechnol,2008,9(6):439-446.[14]GloecknerCJ,BoldtK,SchumacherA,eta1.Tandemaffinitypurificationofproteincomplexesfrommammaliancellsbythestrep／LAG(SF)-TAPTag[J].MethodsMolBiol,2009,564:359-372.[15]马袁君，程震龙，孙野青.生物信息学及其在蛋白质组学中的应用[J].生物信息学，2007,6(1):38-48.