1．蛋白質(zhì)組學研究的研究意義和背景

隨著人類基因組計劃的實施和推進，生命科學研究已進入了后基因組時代。在這個時代，生命科學的主要研究對象是功能基因組學，包括結(jié)構(gòu)基因組研究和蛋白質(zhì)組研究等。盡管現(xiàn)在已有多個物種的基因組被測序，但在這些基因組中通常有一半以上基因的功能是未知的。目前功能基因組中所采用的策略，如基因芯片、基因表達序列分析(Serial  analysis  of  gene  expression,  SAGE)等，都是從細胞中mRNA的角度來考慮的，其前提是細胞中mRNA的水平反映了蛋白質(zhì)表達的水平。但事實并不*如此，從DNA  mRNA  蛋白質(zhì)，存在三個層次的調(diào)控，即轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控(Transcriptional  control  )，翻譯水平調(diào)控(Translational  control)，翻譯后水平調(diào)控(Post-translational  control  )。從mRNA角度考慮，實際上僅包括了轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控，并不能全面代表蛋白質(zhì)表達水平。實驗也證明，組織中mRNA豐度與蛋白質(zhì)豐度的相關(guān)性并不好，尤其對于低豐度蛋白質(zhì)來說，相關(guān)性更差。更重要的是，蛋白質(zhì)復雜的翻譯后修飾、蛋白質(zhì)的亞細胞定位或遷移、蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用等則幾乎無法從mRNA水平來判斷。毋庸置疑，蛋白質(zhì)是生理功能的執(zhí)行者，是生命現(xiàn)象的直接體現(xiàn)者，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究將直接闡明生命在生理或病理條件下的變化機制。蛋白質(zhì)本身的存在形式和活動規(guī)律，如翻譯后修飾、蛋白質(zhì)間相互作用以及蛋白質(zhì)構(gòu)象等問題，仍依賴于直接對蛋白質(zhì)的研究來解決。雖然蛋白質(zhì)的可變性和多樣性等特殊性質(zhì)導致了蛋白質(zhì)研究技術(shù)遠遠比核酸技術(shù)要復雜和困難得多，但正是這些特性參與和影響著整個生命過程。

        傳統(tǒng)的對單個蛋白質(zhì)進行研究的方式已無法滿足后基因組時代的要求。這是因為：(1)  生命現(xiàn)象的發(fā)生往往是多因素影響的，必然涉及到多個蛋白質(zhì)。(2)  多個蛋白質(zhì)的參與是交織成網(wǎng)絡(luò)的，或平行發(fā)生，或呈級聯(lián)因果。(3)  在執(zhí)行生理功能時蛋白質(zhì)的表現(xiàn)是多樣的、動態(tài)的，并不象基因組那樣基本固定不變。因此要對生命的復雜活動有全面和深入的認識，必然要在整體、動態(tài)、網(wǎng)絡(luò)的水平上對蛋白質(zhì)進行研究。因此在上世紀90年代中期，上產(chǎn)生了一門新興學科－蛋白質(zhì)組學（Proteomics），它是以細胞內(nèi)全部蛋白質(zhì)的存在及其活動方式為研究對象。可以說蛋白質(zhì)組研究的開展不僅是生命科學研究進入后基因組時代的里程碑，也是后基因組時代生命科學研究的核心內(nèi)容之一。

        雖然第1次提出蛋白質(zhì)組概念是在1994年，但相關(guān)研究可以追溯到上世紀90年代中期甚至更早，尤其是80年代初，在基因組計劃提出之前，就有人提出過類似的蛋白質(zhì)組計劃，當時稱為Human  Protein  Index計劃，旨在分析細胞內(nèi)的所有蛋白質(zhì)。但由于種種原因，這一計劃被擱淺。90年代初期，各種技術(shù)已比較成熟，在這樣的背景下，經(jīng)過各國科學家的討論，才提出蛋白質(zhì)組這一概念。

        上蛋白質(zhì)組研究進展十分迅速，不論基礎(chǔ)理論還是技術(shù)方法，都在不斷進步和完善。相當多種細胞的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫已經(jīng)建立，相應的互聯(lián)網(wǎng)-站也層出不窮。1996年，澳大利亞建立了*1個蛋白質(zhì)組研究中心：Australia  Proteome  Analysis  Facility  (  APAF  )。丹麥、加拿大、日本也先后成立了蛋白質(zhì)組研究中心。在美國，各大藥廠和公司在巨大財力的支持下，也紛紛加入蛋白質(zhì)組的研究陣容。去年在瑞士成立的GeneProt公司，是由以蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫“SWISSPROT”  著稱的蛋白質(zhì)組研究人員成立的，以應用蛋白質(zhì)組技術(shù)開發(fā)新藥物靶標為目的，建立了配備有上百臺質(zhì)譜儀的高通量技術(shù)平臺。而當年提出Human  Protein  Index  的美國科學家Norm-sn  G.  Anderson也成立了類似的蛋白質(zhì)組學公司，繼續(xù)其多年未實現(xiàn)的夢想。2001年4月，在美國成立了人類蛋白質(zhì)組研究組織（Human  Proteome  Organization,  HUPO）,隨后歐洲、亞太地區(qū)都成立了區(qū)域性蛋白質(zhì)組研究組織，試圖通過合作的方式，融合各方面的力量，完成人類蛋白質(zhì)組計劃（Human  Proteome  Project）。

2．蛋白質(zhì)組學研究的策略和范圍

        蛋白質(zhì)組學一經(jīng)出現(xiàn)，就有兩種研究策略。一種可稱為“竭澤法”，即采用高通量的蛋白質(zhì)組研究技術(shù)分析生物體內(nèi)盡可能多乃至接近所有的蛋白質(zhì)，這種觀點從大規(guī)模、系統(tǒng)性的角度來看待蛋白質(zhì)組學，也更符合蛋白質(zhì)組學的本質(zhì)。但是，由于蛋白質(zhì)表達隨空間和時間不斷變化，要分析生物體內(nèi)所有的蛋白質(zhì)是一個難以實現(xiàn)的目標。另一種策略可稱為“功能法”，即研究不同時期細胞蛋白質(zhì)組成的變化，如蛋白質(zhì)在不同環(huán)境下的差異表達，以發(fā)現(xiàn)有差異的蛋白質(zhì)種類為主要目標。這種觀點更傾向于把蛋白質(zhì)組學作為研究生命現(xiàn)象的手段和方法。

        早期蛋白質(zhì)組學的研究范圍主要是指蛋白質(zhì)的表達模式（Expression  profile）,  隨著學科的發(fā)展，蛋白質(zhì)組學的研究范圍也在不斷完善和擴充。蛋白質(zhì)翻譯后修飾研究已成為蛋白質(zhì)組研究中的重要部分和巨大挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的研究也已被納入蛋白質(zhì)組學的研究范疇。而蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的解析即傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生物學，雖也有人試圖將其納入蛋白質(zhì)組學研究范圍，但目前仍獨樹一幟。

3．蛋白質(zhì)組學研究技術(shù)

        可以說，蛋白質(zhì)組學的發(fā)展既是技術(shù)所推動的也是受技術(shù)限制的。蛋白質(zhì)組學研究成功與否，很大程度上取決于其技術(shù)方法水平的高低。蛋白質(zhì)研究技術(shù)遠比基因技術(shù)復雜和困難。不僅氨基酸殘基種類遠多于核苷酸殘基（20/  4）,  而且蛋白質(zhì)有著復雜的翻譯后修飾，如磷酸化和糖基化等，給分離和分析蛋白質(zhì)帶來很多困難。此外，通過表達載體進行蛋白質(zhì)的體外擴增和純化也并非易事，從而難以制備大量的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學的興起對技術(shù)有了新的需求和挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)組的研究實質(zhì)上是在細胞水平上對蛋白質(zhì)進行大規(guī)模的平行分離和分析，往往要同時處理成千上萬種蛋白質(zhì)。因此，發(fā)展高通量、高靈敏度、高準確性的研究技術(shù)平臺是現(xiàn)在乃至相當一段時間內(nèi)蛋白質(zhì)組學研究中的主要任務。當前在蛋白質(zhì)組研究技術(shù)平臺的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展趨勢有以下幾個方面：

3.1  蛋白質(zhì)組研究中的樣品制備

        通?？刹捎眉毎蚪M織中的全蛋白質(zhì)組分進行蛋白質(zhì)組分析。也可以進行樣品預分級，即采用各種方法將細胞或組織中的全體蛋白質(zhì)分成幾部分，分別進行蛋白質(zhì)組研究。樣品預分級的主要方法包括根據(jù)蛋白質(zhì)溶解性和蛋白質(zhì)在細胞中不同的細胞器定位進行分級，如專門分離出細胞核、線粒體或高爾基體等細胞器的蛋白質(zhì)成分。樣品預分級不僅可以提高低豐度蛋白質(zhì)的上樣量和檢測，還可以針對某一細胞器的蛋白質(zhì)組進行研究。

        對臨床組織樣本進行研究，尋找疾病標記，是蛋白質(zhì)組研究的重要方向之一。但臨床樣本都是各種細胞或組織混雜，而且狀態(tài)不一。如腫瘤組織中，發(fā)生癌變的往往是上皮類細胞，而這類細胞在腫瘤中總是與血管、基質(zhì)細胞等混雜。所以，常規(guī)采用的癌和癌旁組織或腫瘤與正常組織進行差異比較，實際上是多種細胞甚至組織蛋白質(zhì)組混合物的比較。而蛋白質(zhì)組研究需要的通常是單一的細胞類型。近在組織水平上的蛋白質(zhì)組樣品制備方面也有新的進展，如采用激光捕獲微解剖(Laser  Capture  Microdissection,  LCM)  方法分離癌變上皮類細胞。

3.2  蛋白質(zhì)組研究中的樣品分離和分析

        利用蛋白質(zhì)的等電點和分子量通過雙向凝膠電泳的方法將各種蛋白質(zhì)區(qū)分開來是一種很有效的手段。它在蛋白質(zhì)組分離技術(shù)中起到了關(guān)鍵作用。如何提高雙向凝膠電泳的分離容量、靈敏度和分辨率以及對蛋白質(zhì)差異表達的準確檢測是目前雙向凝膠電泳技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。國外的主要趨勢有第1維電泳采用窄pH梯度膠分離以及開發(fā)與雙向凝膠電泳相結(jié)合的高靈敏度蛋白質(zhì)染色技術(shù)，如新型的熒光染色技術(shù)。  

        質(zhì)譜技術(shù)是目前蛋白質(zhì)組研究中發(fā)展-快，也-具活力和潛力的技術(shù)。它通過測定蛋白質(zhì)的質(zhì)量來判別蛋白質(zhì)的種類。當前蛋白質(zhì)組研究的核心技術(shù)就是雙向凝膠電泳－質(zhì)譜技術(shù)，即通過雙向凝膠電泳將蛋白質(zhì)分離，然后利用質(zhì)譜對蛋白質(zhì)逐一進行鑒定。對于蛋白質(zhì)鑒定而言，高通量、高靈敏度和高精度是三個關(guān)鍵指標。一般的質(zhì)譜技術(shù)難以將三者合一，而近發(fā)展的質(zhì)譜技術(shù)可以同時達到以上三個要求，從而實現(xiàn)對蛋白質(zhì)準確和大規(guī)模的鑒定。

3.3  蛋白質(zhì)組研究的新技術(shù)

        做過雙向凝膠電泳的人一定會抱怨它的繁瑣、不穩(wěn)定和低靈敏度等缺點。發(fā)展可替代或補充雙向凝膠電泳的新方法已成為蛋白質(zhì)組研究技術(shù)主要的目標。目前，二維色譜  (2D-LC)、二維毛細管電泳  (2D-CE)、液相色譜－毛細管電泳  (LC-CE)  等新型分離技術(shù)都有補充和取代雙向凝膠電泳之勢。另一種策略則是以質(zhì)譜技術(shù)為核心，開發(fā)質(zhì)譜鳥-槍法(Shot-gun)、毛細管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用  (CE-MS)等新策略直接鑒定全蛋白質(zhì)組混合酶解產(chǎn)物。隨著對大規(guī)模蛋白質(zhì)相互作用研究的重視，發(fā)展高通量和高精度的蛋白質(zhì)相互作用檢測技術(shù)也被科學家所關(guān)注。此外，蛋白質(zhì)芯片的發(fā)展也十分迅速，并已經(jīng)在臨床診斷中得到應用。

3.4  蛋白質(zhì)組生物信息學

        蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫是蛋白質(zhì)組研究水平的標志和基礎(chǔ)。瑞士的SWISS-PROT擁有目前世界上大，種類多的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫。丹麥、英國、美國等也都建立了各具特色的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫。生物信息學的發(fā)展已給蛋白質(zhì)組研究提供了更方便有效的計算機分析軟件；特別值得注意的是蛋白質(zhì)質(zhì)譜鑒定軟件和算法發(fā)展迅速，如SWISS-PROT、Rockefeller大學、UCSF等都有自主的搜索軟件和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。近發(fā)展的質(zhì)譜數(shù)據(jù)直接搜尋基因組數(shù)據(jù)庫使得質(zhì)譜數(shù)據(jù)可直接進行基因注釋、判斷復雜的拼接方式。隨著基因組學的迅速推進，會給蛋白質(zhì)組研究提供更多更全的數(shù)據(jù)庫。另外，對肽序列標記的從頭測序軟件也十分引人注目。

4．  蛋白質(zhì)組學發(fā)展趨勢

        在基礎(chǔ)研究方面，近兩年來蛋白質(zhì)組研究技術(shù)已被應用到各種生命科學領(lǐng)域，如細胞生物學、神經(jīng)生物學等。在研究對象上，覆蓋了原核微生物、真核微生物、植物和動物等范圍，涉及到各種重要的生物學現(xiàn)象，如信號轉(zhuǎn)導、細胞分化、蛋白質(zhì)折疊等等。在未來的發(fā)展中，蛋白質(zhì)組學的研究領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。

        在應用研究方面，蛋白質(zhì)組學將成為尋找疾病分子標記和藥物靶標-有效的方法之一。在對癌癥、早老性癡呆等人類重大疾病的臨床診斷和治療方面蛋白質(zhì)組技術(shù)也有十分誘人的前景，目前上許多大型藥物公司正投入大量的人力和物力進行蛋白質(zhì)組學方面的應用性研究。

        在技術(shù)發(fā)展方面，蛋白質(zhì)組學的研究方法將出現(xiàn)多種技術(shù)并存，各有優(yōu)勢和局限的特點，而難以象基因組研究一樣形成比較一致的方法。除了發(fā)展新方法外，更強調(diào)各種方法間的整合和互補，以適應不同蛋白質(zhì)的不同特征。另外，蛋白質(zhì)組學與其它學科的交叉也將日益顯著和重要，這種交叉是新技術(shù)新方法的活水之源，特別是，蛋白質(zhì)組學與其它大規(guī)?？茖W如基因組學，生物信息學等領(lǐng)域的交叉，所呈現(xiàn)出的系統(tǒng)生物學（System  Biology）研究模式，將成為未來生命科學令人激動的新前沿。