Current Opinion in Biotechnology 2000,11:408-412
在過去的一年里,，隨著雙向電泳和質(zhì)譜以及不同研究程序的核心技術(shù)的改進,，蛋白質(zhì)組學保持持續(xù)快速進步,。注釋充分的蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在在一些領(lǐng)域出現(xiàn)了,，為系統(tǒng)研究提供了一個平臺,，在臨床應用諸如心血管和腫瘤學中尤其有發(fā)展前途,。大規(guī)模定量研究,，在功能和敏感性上與基因表達所達到的相媲美,，因而在蛋白質(zhì)水平正變?yōu)楝F(xiàn)實。
簡介
如果90年代是基因組的十年,，新世紀的頭十年正成為蛋白質(zhì)組學的十年,。蛋白質(zhì)組學技術(shù)生成的定量表達數(shù)據(jù)第一次可以在規(guī)模和敏感性上與基因水平相媲美。這個進展對于我們理解健康和疾病的細胞組成結(jié)構(gòu)以及對藥物,、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)有重要意義,。確實蛋白質(zhì)組學業(yè)已在大范圍應用中產(chǎn)生了重要發(fā)現(xiàn)。這篇文章綜述了蛋白質(zhì)組研究中的新概念,、革新技術(shù)以及生物應用,。
概念：結(jié)構(gòu)對量化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)組學
蛋白質(zhì)組學的最終目標不僅僅是將健康和疾病狀態(tài)下細胞表達的蛋白質(zhì)分類。最終目標是闡明細胞生命賴以進行的代謝,、信號傳導和調(diào)控網(wǎng)絡的組織和動力學,。另外，蛋白質(zhì)組學尋求理解這些網(wǎng)絡如何在疾病中失去功能以及如何通過干預諸如藥物和基因操作操縱它們的功能,。
這些是模糊不清的目標,，在它們能夠充分實現(xiàn)之前需要敏感性增強的技術(shù)和新的概念，但是對調(diào)節(jié)網(wǎng)絡作圖和細胞狀態(tài)診斷的任務在不斷進展,。在微生物中,， VanBogelen等[1]已經(jīng)識別了特殊細胞狀態(tài)的蛋白質(zhì)組信號，諸如分泌功能障礙和特殊磷來源的使用，并且目前正在結(jié)合基因組和蛋白質(zhì)組方法試圖作出完全的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡[2],。
然而,，大多數(shù)蛋白質(zhì)組研究都指向具體生理狀態(tài)下蛋白質(zhì)表達和功能的更近期的目標。這里,，兩個對立但是互補的策略已經(jīng)出現(xiàn)了,。一個是"表達"或者"定量調(diào)節(jié)"蛋白質(zhì)組學監(jiān)控一個細胞或組織里大數(shù)量蛋白質(zhì)的表達以及定量觀察在不同環(huán)境下，諸如藥物的存在或者在疾病組織里表達方式是如何改變的[3],。這使得它可能識別疾病特異性蛋白質(zhì),、藥物靶標和藥物毒性與效力的標記物，以及通過識別表達進行協(xié)調(diào)改變的蛋白質(zhì),。這是目前最廣泛應用和有效的蛋白質(zhì)組學模型,，現(xiàn)在還主要依賴于雙向電泳(2DE)。
第二個策略被稱為"細胞圖譜"或者"結(jié)構(gòu)"蛋白質(zhì)組學[4],。這里,，近期目標是識別蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，尤其是識別與其它蛋白質(zhì)相互作用并形成復合體的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),。通過記錄蛋白質(zhì)的物理相互作用，盡管沒有定量調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)組學的所集中的幅度,，這個策略可能對特別通路的具體研究證明高度有效,。盡管雙雜交以及相關(guān)的分析[5]對特異蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用的識別是重要的，結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學的最重要的技術(shù)是質(zhì)譜(MS),。
技術(shù)：2DE和MS的改進
定量調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學的區(qū)分是有用的,，然而必須強調(diào)大多蛋白質(zhì)組項目結(jié)合兩種方法并同時依賴2DE和MS。在過去的幾年里這些核心技術(shù)已經(jīng)看到了顯著的進展,。通過建立在zwitterionic去污劑[6]和有機溶劑[7]基礎(chǔ)上的樣品制備的持續(xù)進展,，令人煩惱的用2DE分離高度憎水的膜蛋白質(zhì)的問題有了逐漸的進展，但是仍然是一個重要和未解決的問題,。從一個組織獲得單一細胞類型樣品的挑戰(zhàn)通過使用一個激光捕獲顯微切割系統(tǒng)有所解決,，一個組織樣品附著在一個膠片上然后同樣的興趣細胞用一個激光束脫離下來[8]。
蛋白質(zhì)組學中MS的使用在功能和多樣性方面已經(jīng)有了一些顯著改進而繼續(xù)演進,。一些研究組已經(jīng)引入了新的蛋白質(zhì)標記方法學改進MS的功能和敏感性[9,10],。Aebersold和合作者[10]已經(jīng)發(fā)展了一個用同位素編碼的親和標簽(ICAT)標記肽的方法，它不僅支持復雜肽混合物的增強的分析也允許在蛋白質(zhì)表達水平對差異的精確定量,，這是MS為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)組學以前所沒有的功能,。MS與一個軟件工具FindMod的配對增強了該方法識別轉(zhuǎn)錄后修飾的能力[11]。定性蛋白質(zhì)復合體的技術(shù)也被引進,，包括基于液相色譜/串聯(lián)MS[12]的系統(tǒng)以及發(fā)展一個新的串聯(lián)親和純化(TAP)標簽從細胞樣品快速純化復合物[13],。其它樣品處理方法的進展近來允許對分泌囊中的肽用MS直接進行分析，可望用同樣的技術(shù)對其它細胞器進行分析[14],。
當然通過結(jié)合2DE和MS為基礎(chǔ)的方法蛋白質(zhì)組學獲得最低點的功能,。一個代表性的結(jié)合例子是Hochstrasser研究組[15]所發(fā)展的系統(tǒng),，整個2DE凝膠進行原位消化，電轉(zhuǎn)移到膜上并直接用MS掃描,，生成注釋的2D圖譜,。這樣的發(fā)展在一些專業(yè)蛋白質(zhì)組學公司已經(jīng)開創(chuàng)，現(xiàn)在可以使得蛋白質(zhì)組學在與項目本身復雜性相對應的規(guī)模上開展起來,。
蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫
蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫含有不同細胞狀態(tài)下獲得的注釋的2DE數(shù)據(jù),，它是基本的平臺，從數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)組研究解決具體的生物學和藥物學問題,。然而值得注意的是到目前相對少的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫已經(jīng)出現(xiàn)到公共區(qū)域里來了,。酵母蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(YPD; http://www.proteome.com/databases/index.html) 是一個最好和建立最久的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫，它的主辦者Proteome Inc(Beverly, MA)現(xiàn)在構(gòu)建WormPD[16],，它是一個線蟲C.elegans的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫,，該線蟲的完整基因組已經(jīng)被測序。在過去一年里最重要的數(shù)據(jù)庫發(fā)展是Hoffmann-La Roche構(gòu)建的流感噬血桿菌數(shù)據(jù)庫,，包含超過1000個獨立的2DE蛋白質(zhì)點的圖譜,，其中超過500個獨立蛋白質(zhì)目前已經(jīng)被識別[17]。Klose和合作者[18]近來也報道了它們正在進行的程序發(fā)展小鼠蛋白質(zhì)組的數(shù)據(jù)庫,，開始的重點放在大腦蛋白質(zhì),。在人類，Celis等建立的膀胱癌數(shù)據(jù)庫[19]仍然是目前所能獲得的最大和注釋最好數(shù)據(jù)庫之一,，盡管再過幾年一定會看到生成大范圍的人組織的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫,。設(shè)計解決人和其它生物體具體生物問題的較小蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫的數(shù)目現(xiàn)在已經(jīng)很龐大，超過了此綜述所談的范圍,。Expasy網(wǎng)站是主要SWISS-2D PAGE蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫和其它資源的主頁,，含有大量的鏈接，仍然是探索公共蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)庫的最佳平臺,。
基礎(chǔ)生物學
解決基礎(chǔ)生物學問題的蛋白質(zhì)組學項目的數(shù)目目前已經(jīng)很大了并且繼續(xù)增長,。一部分這反映了"蛋白質(zhì)組學"這個詞的廣泛用途，不僅包含了大規(guī)模生物技術(shù)研究也包括了使用2DE,、MS或其它技術(shù)系統(tǒng)研究蛋白質(zhì)的任何項目,。
從蛋白質(zhì)組學浮現(xiàn)出來的對普通生物學的一個最重要的主題是深入探索基因和蛋白質(zhì)關(guān)系的本質(zhì)。在上述Klose及同伴的小鼠蛋白質(zhì)組項目中[18],，基于蛋白質(zhì)多樣性,，幾百個小鼠基因被定位到染色體上。這些研究所呈現(xiàn)的是許多蛋白質(zhì)修飾與具體的基因相關(guān),，于是一個蛋白質(zhì)應該被認為不是一個而是許多基因的表現(xiàn)型[20],。同樣的，一個基因突變會影響許多蛋白質(zhì)。最終,，這種研究會導致更成熟的理解健康和疾病中基因和細胞功能的關(guān)系,。
結(jié)合免疫層析技術(shù)和2DE以及隨后的MS仍然是研究一個細胞蛋白質(zhì)組的一個具體亞系的主要載重馬。無數(shù)基礎(chǔ)細胞機制的研究正用這個方法進行著,。比如,，用抗磷酸酪氨酸和抗磷酸色氨酸抗體的免疫印跡被用來從小鼠成纖維細胞中提取超過500個磷酸化的蛋白質(zhì)，其中至少100個在用血小板衍生的生長因子(PDGF)刺激后進行了磷酸化改變[21],。這些研究揭示了PDGFb受體下游新的推測的信號傳導途徑,，并使用到其它信號傳導途徑。第二個例子,，免疫沉淀被用來從E.coli提取伴娘分子GroEL,，與超過300各新翻譯的多肽形成復合體，它們隨后用2DE進行分離,。這個技術(shù)使得能夠研究介導蛋白質(zhì)折疊的GroEL的功能,，并是一個典型的蛋白質(zhì)組學技術(shù)如何能夠被用來靶向和研究一個具體的細胞成分亞系。這一部分的最后值得提出蛋白質(zhì)組學是植物生物學和農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的新興領(lǐng)域[23],。植物蛋白質(zhì)組學研究包括定性個體和系的鑒定,、評估群體內(nèi)部和之間的遺傳多變性[23]。
臨床研究
蛋白質(zhì)組學的潛能在臨床范圍似乎是無限的,，因為與任何給定疾病狀態(tài)相關(guān)的蛋白質(zhì)現(xiàn)在能夠容易地被識別,，如果樣本充分而且在一個合適的規(guī)模上進行研究。現(xiàn)在有無數(shù)個蛋白質(zhì)組學為基礎(chǔ)臨床研究,，每個月項目的數(shù)目都在增加。一組有意思的數(shù)據(jù)近來來自新西蘭的奧克蘭大學,，那里人海馬蛋白質(zhì)組圖譜的構(gòu)建導[24]致了在精神分裂癥中識別出18個異常表達的蛋白質(zhì),，其中的一些發(fā)現(xiàn)定位在6號染色體的同一區(qū)域[25]。這些蛋白質(zhì)在此疾病的發(fā)病原理中的作用目前正被研究之中,。
英國Harefield醫(yī)院的Dunn及同事幾年來致力于蛋白質(zhì)組學在心臟疾病中的一個主要臨床應用,，此項目近來已經(jīng)被綜述[26]。這項工作建立在良好的蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)庫的堅實基礎(chǔ)之上,，近年的工作包括識別擴張性心肌病的疾病特異性蛋白質(zhì)[27,28]以及研究抗內(nèi)皮細胞抗體作為潛在的預測慢性心臟移植排斥的實驗[29],。但是在腫瘤學蛋白質(zhì)組學找到了其最廣泛的臨床應用，主要通過用2DE為基礎(chǔ)的技術(shù)比較正常和腫瘤組織,。過去的一年里已經(jīng)看到在一定范圍腫瘤類型的蛋白質(zhì)組學研究的文獻發(fā)表,，其中最引人注意的是膀胱和乳腺癌的研究。在膀胱鱗狀細胞癌中,，Celis等[30]使用上述的他們的數(shù)據(jù)庫識別出幾個疾病特異的蛋白質(zhì),，它們被用來制作抗體識別轉(zhuǎn)移損傷。該組發(fā)現(xiàn)了psoriacin作為膀胱鱗狀細胞癌的蛋白質(zhì)標記物，它可能提供了一個有用的,、非創(chuàng)傷性的方法進行疾病監(jiān)控[31],。
在過去的幾年里，一些研究組已經(jīng)描述了乳腺癌的蛋白質(zhì)組研究,。最近研究報道的第一步是在正常腔和肌上皮乳腺細胞中分離超過1700個蛋白質(zhì)點,，它們在兩種細胞類型中差異表達[32]。兩種細胞類型的分離是這個研究的一個重要特點,，因為～95%的乳腺腫瘤是腔細胞起源的,。這個詳細研究的下一階段將確定腫瘤細胞的蛋白質(zhì)組以及鑒別其與健康腔細胞蛋白質(zhì)組的區(qū)別。
毒理學
毒理學可能是蛋白質(zhì)組學應用的一個最重要的應用,。2DE是一個高度敏感的手段篩選毒性和探索毒性機制,。通過比較一個給定藥物治療后蛋白質(zhì)的表達與未處理情況下蛋白質(zhì)表達的比較，有可能憑與藥物效力或毒性相關(guān)的成套蛋白質(zhì)改變識別生物化學通路的改變,。當為已知毒性的化合物構(gòu)建一個足夠大的蛋白質(zhì)組標志的文庫時,，有可能用它來評價新化合物的毒性。然而,，進入公共范圍的對毒理學的大規(guī)模蛋白質(zhì)組學研究還很少,。一個在Imperial College London/SmithKline Beecham的一個研究組所進行的研究，其報道了在大鼠暴露在puramycin aminonucleside后用2DE和NMR為基礎(chǔ)對腎小球毒性的研究[33],。通過監(jiān)控尿中的蛋白質(zhì),，該研究使得能夠比以前更詳細地理解與腎小球毒性相關(guān)的蛋白質(zhì)尿的本質(zhì)與演進。第二個近來的例子,，在兔鉛毒性模型的研究中識別了一些蛋白質(zhì)在增加鉛劑量后表達的改變,，其中的一些分子暫時識別為谷胱苷肽－S－轉(zhuǎn)移酶的突變體，可能會發(fā)展為人類鉛毒性的有價值的標記物[34],。其它近來出現(xiàn)的值得注意的蛋白質(zhì)組毒理學研究報告包括一個環(huán)孢菌素A毒性的分析,，它揭示了一個新的牽涉到鈣結(jié)合蛋白質(zhì)calbindin-D的毒性機制[35]，以及正在進行的暴露嚙齒類動物于過氧化物酶體增殖物后肝蛋白質(zhì)的改變[36,37],。然而,，盡管無數(shù)其它毒理研究使用了蛋白質(zhì)組學工具諸如2DE和MS，蛋白質(zhì)組學在常規(guī)毒理學的潛力還未實現(xiàn),。
結(jié)論
過去的一年已經(jīng)看到蛋白質(zhì)組學持續(xù)的技術(shù)進展以及生物體蛋白質(zhì)組織和功能上主要和持續(xù)的數(shù)據(jù)流的開端,。尤其是，在編輯從微生物到人腫瘤范圍的蛋白質(zhì)表達數(shù)據(jù)庫以及在無數(shù)生物體中識別大范圍細胞狀態(tài)特異的蛋白質(zhì)上有了重要進步,。2DE和MS技術(shù)是現(xiàn)代蛋白質(zhì)組學的主要驅(qū)動力,，并在不僅的將來仍會是這樣，盡管更長的時間內(nèi)新方法包括抗體為基礎(chǔ)的技術(shù)和蛋白質(zhì)芯片會挑戰(zhàn)它們的主導地位,。然而,，在將來的幾年里有可能通過現(xiàn)存的技術(shù),，蛋白質(zhì)組學會幫助克服許多現(xiàn)代生物學和生物技術(shù)的最有挑戰(zhàn)性的問題。
