人類(lèi)基因組計(jì)劃的成功實(shí)施，我們已初步掌握了自身的遺傳信息。但闡明人類(lèi)基因組整體功能的功能基因組學(xué)仍任重而道遠(yuǎn)。蛋白質(zhì)作為生命活動(dòng)的"執(zhí)行者"，自然成為生命科學(xué)研究的新"寵兒"。幾乎在所有生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，科學(xué)研究工作者都需要對(duì)細(xì)胞、組織或完整生物體的蛋白進(jìn)行定性描述或定量檢測(cè)。對(duì)一種細(xì)胞、組織或完整生物體所擁有的全套蛋白質(zhì)為特征的蛋白組學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)揮重要作用!

　　目前，我們對(duì)蛋白組學(xué)的了解需要更清楚、完整的信息，比如說(shuō)確定在細(xì)胞、組織或生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)種類(lèi)的數(shù)目，以及所有蛋白組分在不同條件下的表達(dá)水平等等。

　　盡管在生命科學(xué)領(lǐng)域，定量蛋白質(zhì)組學(xué)開(kāi)始顯現(xiàn)著越來(lái)越重要的作用。但對(duì)科學(xué)工作者和醫(yī)學(xué)研究人員來(lái)說(shuō)，技術(shù)上仍存在著巨大的挑戰(zhàn)。這些構(gòu)成蛋白組的各種蛋白會(huì)隨著不同組織、不同環(huán)境狀態(tài)而發(fā)生改變。一種蛋白在轉(zhuǎn)錄時(shí)，一個(gè)基因可以有多種mRNA形式的剪接，并且同一蛋白可能存在多種形式的翻譯后修飾。很多蛋白廣泛地存在各種生物體液中，而且它們的存在形式和濃度都存在著巨大差別。所以說(shuō)，蛋白質(zhì)組不僅僅是基因組的直接產(chǎn)物?，F(xiàn)在生命科學(xué)領(lǐng)域急需新的技術(shù)和研究方法對(duì)蛋白組信息有一個(gè)完整理解。

　　"從現(xiàn)在起，我們希望能夠?qū)我粚?shí)驗(yàn)中進(jìn)行所有蛋白進(jìn)行全面測(cè)定。這跟當(dāng)下我們所用的RNA-Seq技術(shù)差不多一樣。"RobertL.Moritz教授說(shuō)道。他的實(shí)驗(yàn)室一直致力于開(kāi)發(fā)新的技術(shù)和數(shù)據(jù)分析工具來(lái)定量檢測(cè)蛋白質(zhì)，尤其是在疾病狀態(tài)下，分析這些蛋白所發(fā)揮的作用。

　　在質(zhì)譜檢測(cè)中存在著一個(gè)技術(shù)難題，雖然質(zhì)譜能檢測(cè)蛋白組里所有蛋白(肽段)，但一些被預(yù)期出現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄水平上的多肽或蛋白，在質(zhì)譜中仍不能被檢測(cè)。"根據(jù)質(zhì)譜分析的序列，我們不一定能看到蛋白質(zhì)的整個(gè)氨基酸序列。但是，有時(shí)候我們能一直看到這個(gè)蛋白的某段序列。"RobertL.Moritz教授提到。所以需要建立一個(gè)分析方法來(lái)確定，對(duì)一個(gè)多肽的檢測(cè)為陰性是來(lái)自于實(shí)驗(yàn)儀器不能檢測(cè)到，還是來(lái)自于其他原因，比如說(shuō)就是實(shí)驗(yàn)處理后出現(xiàn)預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。RobertL.Moritz教授解釋道："之所以我們對(duì)某一個(gè)特定蛋白質(zhì)的任何肽段都檢測(cè)不到，原因可能是這個(gè)蛋白只在特定條件下，在特定的組織或細(xì)胞被表達(dá)。"

　　許多肽段能在質(zhì)譜中被檢測(cè)，而這些信息被統(tǒng)計(jì)在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，叫PeptideAtlas。2005年，PeptideAtlas數(shù)據(jù)庫(kù)成立，從開(kāi)始到現(xiàn)在，來(lái)自多種不同物種的質(zhì)譜數(shù)據(jù)仍在大幅增加和更新。它既是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)也對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了重要的查詢(xún)資源。

　　PeptideAtlas數(shù)據(jù)庫(kù)允許科研工作者查到每個(gè)多肽的檢索記錄，以及每個(gè)多肽的所有特性。另外，PeptideAtlas同樣能給科研工作者在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)提供資源和指導(dǎo)。

　　近來(lái)，Moritz博士的研究小組，開(kāi)發(fā)了新一代數(shù)據(jù)庫(kù)，叫AltasProphet。它是一個(gè)更高精度，覆蓋率更廣，而且是在蛋白質(zhì)組學(xué)的背景下，升級(jí)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。他們認(rèn)為，質(zhì)譜技術(shù)仍有許多需要改進(jìn)的方面，比如說(shuō)速度和靈敏度這兩個(gè)方面?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了可供檢測(cè)并定量一些蛋白(包括一些蛋白的亞型)的新興技術(shù)，。

　　下面總結(jié)一下目前這些新興技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的研究運(yùn)用，以下面四個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。

　　1)對(duì)神經(jīng)退行性疾病(如阿茲海默癥)進(jìn)行蛋白組學(xué)相關(guān)標(biāo)志物跟蹤的研究

　　"我們已經(jīng)找到三種可以降低阿茲海默癥疾病風(fēng)險(xiǎn)的干預(yù)手段，全部都來(lái)自于蛋白組學(xué)的研究結(jié)果。"來(lái)自肯塔基大學(xué)生物化學(xué)教授AllanButterfield說(shuō)道。他跟加州大學(xué)歐文分校的研究人員合作在人類(lèi)衰老動(dòng)物模型研究中，用三種不同方式來(lái)干預(yù)動(dòng)物衰老(評(píng)估動(dòng)物在認(rèn)知上出現(xiàn)損傷的風(fēng)險(xiǎn))，包括改變飲食、改變身體活動(dòng)和智力刺激。

　　動(dòng)物模型是比格犬，它擁有跟人類(lèi)一樣β-肽序列，并具有學(xué)習(xí)復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)的能力。這些證明比格犬可以用于研究人類(lèi)中阿茲海默癥發(fā)生原因的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型。

　　科研工作者將12歲的比格犬分三組，*組喂富集抗氧化的食物;第二組進(jìn)行體能鍛煉干預(yù);zui后一組進(jìn)行智力訓(xùn)練組，這些干預(yù)在比格犬上持續(xù)了三年。通過(guò)zui后比格犬的認(rèn)知測(cè)試結(jié)果，這些經(jīng)歷過(guò)三種不同干預(yù)措施后15歲(12歲 3歲)比格犬跟4歲的比格犬的認(rèn)知能力相似。并發(fā)現(xiàn)比格犬在認(rèn)知上的改善伴隨著大腦中β淀粉樣蛋白塊水平下降。并且，這些干預(yù)后的比格犬大腦氧化應(yīng)激水平與4歲的比格犬幾乎一致。而對(duì)照組(正常飲食的比格犬)的大腦出現(xiàn)了跟阿茲海默氏癥一致病理癥狀。通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)檢測(cè)出大腦組織中氧化蛋白水平明顯增加。在這項(xiàng)飲食和生活方式干預(yù)改變認(rèn)知的研究中，科學(xué)工作者使用蛋白組學(xué)找到了與神經(jīng)退化性疾病相關(guān)的蛋白，也探索了這些蛋白之間的相互作用和信號(hào)調(diào)控通路，并證實(shí)了之前類(lèi)似研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在研究神經(jīng)變性疾病領(lǐng)域中，很難在病癥早期發(fā)現(xiàn)病理學(xué)等變化。如果在臨床疾病的發(fā)病前做一些相應(yīng)的干預(yù)，可能降低疾病的發(fā)生和減緩進(jìn)展、并提高生活質(zhì)量和延長(zhǎng)壽命。

　　目前蛋白質(zhì)組學(xué)面臨的挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)難以輸出。但是，如果生物信息學(xué)和質(zhì)譜等蛋白質(zhì)分技術(shù)進(jìn)步相一致時(shí)，這將標(biāo)志著蛋白質(zhì)組學(xué)的真正成熟。

　　2)在腫瘤研究中分析過(guò)表達(dá)的蛋白組來(lái)控制癌癥

　　來(lái)自密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院的DavidM.Luban教授說(shuō)："蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域內(nèi)存在一個(gè)重大的難題，很難做到在同時(shí)測(cè)到大量樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多團(tuán)隊(duì)在在這個(gè)難題上攻堅(jiān)克難，但目前這些新興的工具還遠(yuǎn)沒(méi)成熟到可供我們使用。"

　　Luban博士和他的同事在zui近的一項(xiàng)研究中，利用腫瘤干細(xì)胞上的生物標(biāo)記物，分離出來(lái)兩種乳腺癌腫瘤干細(xì)胞亞型：ALDH、CD44雙陽(yáng)性和ALDH、CD24雙陽(yáng)性干細(xì)胞群。在癌癥研究中，對(duì)于腫瘤干細(xì)胞的特性了解非常重要，這方面的研究可以找到腫瘤轉(zhuǎn)移的機(jī)理，以及對(duì)攻克癌癥耐藥難題有很大的幫助。

　　科學(xué)工作者首先使用蛋白質(zhì)組學(xué)來(lái)分析比較這兩種不同亞型的乳腺癌干細(xì)胞的蛋白表達(dá)情況。通過(guò)這一步他們鑒定出了3304種蛋白在兩種細(xì)胞亞型中存在差異。接下來(lái)，他們使用無(wú)標(biāo)記蛋白定量手段，還找到并研究了這兩種不同干細(xì)胞表型的分子調(diào)控機(jī)理。Luban博士說(shuō)："在這項(xiàng)研究中，我們已經(jīng)通過(guò)代謝組學(xué)確定了幾個(gè)關(guān)鍵蛋白，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始下一步的研究。"

　　無(wú)標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組分析技術(shù)可以檢測(cè)一種蛋白相匹配的的所有肽段，并可以確定它在總蛋白中所占的具體比例。在蛋白組學(xué)中常用的標(biāo)記蛋白分析技術(shù)，如果細(xì)胞數(shù)非常少的條件下，對(duì)樣品分析存在很大的挑戰(zhàn)，而這一技術(shù)正好可以解決這一難題?，F(xiàn)在他們希望能通過(guò)這個(gè)辦法對(duì)腫瘤干細(xì)胞(少于10,000個(gè)細(xì)胞)的樣品中蛋白進(jìn)行更為細(xì)致蛋白質(zhì)組學(xué)分析。

　　3)通過(guò)蛋白組學(xué)解析生物行為學(xué)的問(wèn)題

　　來(lái)自哥倫比亞大學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)LeonardFoster博士分析比較了蜜蜂體內(nèi)的1,200種蛋白，試圖從蜜蜂體內(nèi)蛋白表達(dá)組信息與蜜蜂行為學(xué)上建立一種。

　　"在蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域仍普遍存在著一個(gè)難題：蛋白組學(xué)實(shí)驗(yàn)往往費(fèi)時(shí)耗力，而且一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很難重復(fù)。這個(gè)難題需要通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)來(lái)解決?，F(xiàn)有的一些實(shí)驗(yàn)方法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能很好地解釋生物行為學(xué)上的問(wèn)題，也就是說(shuō)很多實(shí)驗(yàn)結(jié)論不能有效地支持這些生物的行為學(xué)等現(xiàn)象。"LeonardFoster博士說(shuō)道。

　　LeonardFoster博士和他的研究小組對(duì)蜜蜂與其體外寄生螨蟲(chóng)之間的相互作用感興趣。蜜蜂存在兩個(gè)可遺傳的抵御體外寄生螨蟲(chóng)的生物機(jī)制：一個(gè)是集體行為模式;另一個(gè)是對(duì)螨蟲(chóng)的敏感程度的機(jī)制。而這兩個(gè)機(jī)制在不同蜜蜂之間所起的調(diào)控作用也存在差異，而目前這兩個(gè)遺傳學(xué)和生物信號(hào)傳導(dǎo)的機(jī)理都不清楚。

　　LeonardFoster博士和他的同事測(cè)量了蜜蜂觸角和幼蟲(chóng)體內(nèi)大約1,200種蛋白質(zhì)的相對(duì)豐度，還描述了這些蛋白在蜜蜂免疫力，以及蜜蜂跟寄生蟲(chóng)之間所起的調(diào)控作用。這一次研究證明了蛋白表達(dá)譜與蜜蜂行為模式之間存在著相關(guān)性。

　　另外，zui近他們另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)半乳糖誘導(dǎo)了PKA1基因(表達(dá)PKA蛋白的催化亞基)表達(dá)，而葡萄糖會(huì)抑制該基因的表達(dá)。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，研究工作者鑒定了在真菌病原體、新型隱球菌等其他類(lèi)似疾病的真菌的分泌蛋白吧被哪些蛋白調(diào)控。

　　"這種定量檢測(cè)蛋白方法非常，半定量方法不能對(duì)培養(yǎng)基上清中的分泌蛋白進(jìn)行測(cè)定。"LeonardFoster博士研究小組通過(guò)這個(gè)定量檢測(cè)的方法鑒定了與真菌的生存，和對(duì)宿主毒性以及對(duì)鐵離子攝取相關(guān)的61種分泌蛋白，其中5個(gè)的表達(dá)分泌與PKA1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)調(diào)控相關(guān)。

　　4)蛋白翻譯后修飾的挑戰(zhàn)

　　蛋白翻譯后修飾作為蛋白質(zhì)的一個(gè)特性，但這一特性給質(zhì)譜等蛋白質(zhì)組學(xué)的實(shí)驗(yàn)在定量和評(píng)估被修飾后的多肽埋下了巨大的難題。

　　"在對(duì)染色質(zhì)生物研究領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)發(fā)出一類(lèi)高質(zhì)量抗體來(lái)識(shí)別蛋白翻譯后修飾是現(xiàn)在急需解決的問(wèn)題!"來(lái)自俄亥俄州立大學(xué)的MichaelA.Freitas博士說(shuō)，"但目前為止，所能使用的這種高品質(zhì)抗體仍為數(shù)甚少。"

　　然而，即使有這樣的抗體可用，但它們所識(shí)別具體表位會(huì)被臨近肽段翻譯后修飾而發(fā)生改變，從而變得毫無(wú)用處，或達(dá)不到檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，組蛋白H3K9S10就是一個(gè)典型的例子。在Freitas博士的實(shí)驗(yàn)室，他們經(jīng)常會(huì)使用用同位素標(biāo)記的氨基酸(stableisotopelabelingbyaminoacidsincellculture,SILAC)來(lái)做蛋白組學(xué)的質(zhì)譜分析。他們發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)組和處理組中用這種帶同位素標(biāo)記氨基酸的培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)胞一段時(shí)間，然后進(jìn)行蛋白組學(xué)分析有很多優(yōu)勢(shì)。這個(gè)方法可以進(jìn)行相對(duì)定量，從而通過(guò)質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)分析確定單個(gè)蛋白的翻譯后修飾的程度。但是這個(gè)方法也存在著缺點(diǎn)，比如說(shuō)在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中，被限制只能使用1到2種標(biāo)簽，另外這個(gè)方法不太適合一些不能培養(yǎng)的樣品，以及"路徑"太復(fù)雜的蛋白的質(zhì)譜分析。這個(gè)方法也不適合現(xiàn)行的一種"自上而下"的蛋白組學(xué)分析方法。如果蛋白被蛋白酶消化產(chǎn)生的多肽片段，通過(guò)檢測(cè)肽段的N末端不能確定在這個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生翻譯后修飾，是否與其它區(qū)域(多肽片段)的修飾有關(guān)。這個(gè)難題也將是蛋白組學(xué)研究翻譯后修飾中所面臨的巨大限制。

　　Freitas博士和他的同事和其他科研工作者合作，實(shí)現(xiàn)了這種"自上而下"的蛋白組質(zhì)譜分析。首先將一個(gè)完整的蛋白質(zhì)置于質(zhì)譜儀中，然后通過(guò)高能量的力物理破壞這個(gè)蛋白質(zhì)變成零散的多肽片段。zui后通過(guò)對(duì)這些多肽片段的質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重新"組裝"出這個(gè)蛋白。這樣就保留了這個(gè)蛋白上所有的翻譯后修飾信息。通過(guò)這個(gè)方法，F(xiàn)reitas博士和他的同事研究了乳腺癌細(xì)胞中幾種不同組蛋白亞型在細(xì)胞中的功能，以及在細(xì)胞周期中蛋白組的動(dòng)態(tài)變化，并將一些清楚的翻譯后修飾作為惡性增殖的潛在生物標(biāo)志。

　　未來(lái)十年的科學(xué)研究將越來(lái)越顯示出定量蛋白組學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重大意義!

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