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(jìn),，蛋白質(zhì)組學(xué)保持持續(xù)快速進(jìn)步,。注釋充分的蛋白質(zhì)組學(xué)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(gè)平臺(tái),，在臨床應(yīng)用諸如心血管和腫瘤學(xué)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(dá)所達(dá)到的相媲美,，因而在蛋白質(zhì)水平正變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),。
簡介
如果90年代是基因組的十年，新世紀(jì)的頭十年正成為蛋白質(zhì)組學(xué)的十年,。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)生成的定量表達(dá)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(gè)進(jìn)展對(duì)于我們理解健康和疾病的細(xì)胞組成結(jié)構(gòu)以及對(duì)藥物、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)有重要意義,。確實(shí)蛋白質(zhì)組學(xué)業(yè)已在大范圍應(yīng)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(yīng)用,。
概念：結(jié)構(gòu)對(duì)量化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)組學(xué)
蛋白質(zhì)組學(xué)的最終目標(biāo)不僅僅是將健康和疾病狀態(tài)下細(xì)胞表達(dá)的蛋白質(zhì)分類,。最終目標(biāo)是闡明細(xì)胞生命賴以進(jìn)行的代謝、信號(hào)傳導(dǎo)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的組織和動(dòng)力學(xué),。另外,，蛋白質(zhì)組學(xué)尋求理解這些網(wǎng)絡(luò)如何在疾病中失去功能以及如何通過干預(yù)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(biāo),，在它們能夠充分實(shí)現(xiàn)之前需要敏感性增強(qiáng)的技術(shù)和新的概念,，但是對(duì)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)作圖和細(xì)胞狀態(tài)診斷的任務(wù)在不斷進(jìn)展。在微生物中,， VanBogelen等[1]已經(jīng)識(shí)別了特殊細(xì)胞狀態(tài)的蛋白質(zhì)組信號(hào),，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(luò)[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(dá)和功能的更近期的目標(biāo)。這里,，兩個(gè)對(duì)立但是互補(bǔ)的策略已經(jīng)出現(xiàn)了,。一個(gè)是"表達(dá)"或者"定量調(diào)節(jié)"蛋白質(zhì)組學(xué)監(jiān)控一個(gè)細(xì)胞或組織里大數(shù)量蛋白質(zhì)的表達(dá)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(dá)方式是如何改變的[3],。這使得它可能識(shí)別疾病特異性蛋白質(zhì),、藥物靶標(biāo)和藥物毒性與效力的標(biāo)記物，以及通過識(shí)別表達(dá)進(jìn)行協(xié)調(diào)改變的蛋白質(zhì),。這是目前最廣泛應(yīng)用和有效的蛋白質(zhì)組學(xué)模型,，現(xiàn)在還主要依賴于雙向電泳(2DE),。
第二個(gè)策略被稱為"細(xì)胞圖譜"或者"結(jié)構(gòu)"蛋白質(zhì)組學(xué)[4]。這里,，近期目標(biāo)是識(shí)別蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，尤其是識(shí)別與其它蛋白質(zhì)相互作用并形成復(fù)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(xué)的所集中的幅度，這個(gè)策略可能對(duì)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(duì)特異蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用的識(shí)別是重要的,，結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)的最重要的技術(shù)是質(zhì)譜(MS)。
技術(shù)：2DE和MS的改進(jìn)
定量調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)的區(qū)分是有用的,，然而必須強(qiáng)調(diào)大多蛋白質(zhì)組項(xiàng)目結(jié)合兩種方法并同時(shí)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(jìn)展。通過建立在zwitterionic去污劑[6]和有機(jī)溶劑[7]基礎(chǔ)上的樣品制備的持續(xù)進(jìn)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(jìn)展,，但是仍然是一個(gè)重要和未解決的問題。從一個(gè)組織獲得單一細(xì)胞類型樣品的挑戰(zhàn)通過使用一個(gè)激光捕獲顯微切割系統(tǒng)有所解決,，一個(gè)組織樣品附著在一個(gè)膠片上然后同樣的興趣細(xì)胞用一個(gè)激光束脫離下來[8],。
蛋白質(zhì)組學(xué)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(jìn)而繼續(xù)演進(jìn)。一些研究組已經(jīng)引入了新的蛋白質(zhì)標(biāo)記方法學(xué)改進(jìn)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(gè)用同位素編碼的親和標(biāo)簽(ICAT)標(biāo)記肽的方法,，它不僅支持復(fù)雜肽混合物的增強(qiáng)的分析也允許在蛋白質(zhì)表達(dá)水平對(duì)差異的精確定量，這是MS為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)組學(xué)以前所沒有的功能,。MS與一個(gè)軟件工具FindMod的配對(duì)增強(qiáng)了該方法識(shí)別轉(zhuǎn)錄后修飾的能力[11],。定性蛋白質(zhì)復(fù)合體的技術(shù)也被引進(jìn)，包括基于液相色譜/串聯(lián)MS[12]的系統(tǒng)以及發(fā)展一個(gè)新的串聯(lián)親和純化(TAP)標(biāo)簽從細(xì)胞樣品快速純化復(fù)合物[13],。其它樣品處理方法的進(jìn)展近來允許對(duì)分泌囊中的肽用MS直接進(jìn)行分析,，可望用同樣的技術(shù)對(duì)其它細(xì)胞器進(jìn)行分析[14]。
當(dāng)然通過結(jié)合2DE和MS為基礎(chǔ)的方法蛋白質(zhì)組學(xué)獲得最低點(diǎn)的功能,。一個(gè)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(gè)2DE凝膠進(jìn)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(xué)公司已經(jīng)開創(chuàng)，現(xiàn)在可以使得蛋白質(zhì)組學(xué)在與項(xiàng)目本身復(fù)雜性相對(duì)應(yīng)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(xì)胞狀態(tài)下獲得的注釋的2DE數(shù)據(jù),，它是基本的平臺(tái)，從數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)組研究解決具體的生物學(xué)和藥物學(xué)問題,。然而值得注意的是到目前相對(duì)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(gè)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(gè)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(cè)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(gè)獨(dú)立的2DE蛋白質(zhì)點(diǎn)的圖譜,，其中超過500個(gè)獨(dú)立蛋白質(zhì)目前已經(jīng)被識(shí)別[17],。Klose和合作者[18]近來也報(bào)道了它們正在進(jìn)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(diǎn)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(huì)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(jì)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(xué)數(shù)據(jù)庫的最佳平臺(tái)。
基礎(chǔ)生物學(xué)
解決基礎(chǔ)生物學(xué)問題的蛋白質(zhì)組學(xué)項(xiàng)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(xué)"這個(gè)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(xiàng)目,。
從蛋白質(zhì)組學(xué)浮現(xiàn)出來的對(duì)普通生物學(xué)的一個(gè)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(xiàng)目中[18]，基于蛋白質(zhì)多樣性,，幾百個(gè)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(gè)蛋白質(zhì)應(yīng)該被認(rèn)為不是一個(gè)而是許多基因的表現(xiàn)型[20],。同樣的,，一個(gè)基因突變會(huì)影響許多蛋白質(zhì)。最終,，這種研究會(huì)導(dǎo)致更成熟的理解健康和疾病中基因和細(xì)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(gè)細(xì)胞蛋白質(zhì)組的一個(gè)具體亞系的主要載重馬。無數(shù)基礎(chǔ)細(xì)胞機(jī)制的研究正用這個(gè)方法進(jìn)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(xì)胞中提取超過500個(gè)磷酸化的蛋白質(zhì)，其中至少100個(gè)在用血小板衍生的生長因子(PDGF)刺激后進(jìn)行了磷酸化改變[21],。這些研究揭示了PDGFb受體下游新的推測(cè)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑,，并使用到其它信號(hào)傳導(dǎo)途徑。第二個(gè)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(fù)合體,，它們隨后用2DE進(jìn)行分離。這個(gè)技術(shù)使得能夠研究介導(dǎo)蛋白質(zhì)折疊的GroEL的功能,，并是一個(gè)典型的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)如何能夠被用來靶向和研究一個(gè)具體的細(xì)胞成分亞系,。這一部分的最后值得提出蛋白質(zhì)組學(xué)是植物生物學(xué)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(xué)研究包括定性個(gè)體和系的鑒定,、評(píng)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(xué)的潛能在臨床范圍似乎是無限的，因?yàn)榕c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(shí)別,，如果樣本充分而且在一個(gè)合適的規(guī)模上進(jìn)行研究。現(xiàn)在有無數(shù)個(gè)蛋白質(zhì)組學(xué)為基礎(chǔ)臨床研究,，每個(gè)月項(xiàng)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(xué)，那里人海馬蛋白質(zhì)組圖譜的構(gòu)建導(dǎo)[24]致了在精神分裂癥中識(shí)別出18個(gè)異常表達(dá)的蛋白質(zhì),，其中的一些發(fā)現(xiàn)定位在6號(hào)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(xué)在心臟疾病中的一個(gè)主要臨床應(yīng)用,，此項(xiàng)目近來已經(jīng)被綜述[26],。這項(xiàng)工作建立在良好的蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)庫的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)之上，近年的工作包括識(shí)別擴(kuò)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(xì)胞抗體作為潛在的預(yù)測(cè)慢性心臟移植排斥的實(shí)驗(yàn)[29],。但是在腫瘤學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)找到了其最廣泛的臨床應(yīng)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(xué)研究的文獻(xiàn)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(xì)胞癌中，Celis等[30]使用上述的他們的數(shù)據(jù)庫識(shí)別出幾個(gè)疾病特異的蛋白質(zhì),，它們被用來制作抗體識(shí)別轉(zhuǎn)移損傷,。該組發(fā)現(xiàn)了psoriacin作為膀胱鱗狀細(xì)胞癌的蛋白質(zhì)標(biāo)記物，它可能提供了一個(gè)有用的,、非創(chuàng)傷性的方法進(jìn)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(bào)道的第一步是在正常腔和肌上皮乳腺細(xì)胞中分離超過1700個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn),，它們?cè)趦煞N細(xì)胞類型中差異表達(dá)[32]。兩種細(xì)胞類型的分離是這個(gè)研究的一個(gè)重要特點(diǎn),，因?yàn)椤?5%的乳腺腫瘤是腔細(xì)胞起源的,。這個(gè)詳細(xì)研究的下一階段將確定腫瘤細(xì)胞的蛋白質(zhì)組以及鑒別其與健康腔細(xì)胞蛋白質(zhì)組的區(qū)別。
毒理學(xué)
毒理學(xué)可能是蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用的一個(gè)最重要的應(yīng)用,。2DE是一個(gè)高度敏感的手段篩選毒性和探索毒性機(jī)制,。通過比較一個(gè)給定藥物治療后蛋白質(zhì)的表達(dá)與未處理情況下蛋白質(zhì)表達(dá)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(shí)別生物化學(xué)通路的改變。當(dāng)為已知毒性的化合物構(gòu)建一個(gè)足夠大的蛋白質(zhì)組標(biāo)志的文庫時(shí),，有可能用它來評(píng)價(jià)新化合物的毒性,。然而，進(jìn)入公共范圍的對(duì)毒理學(xué)的大規(guī)模蛋白質(zhì)組學(xué)研究還很少,。一個(gè)在Imperial College London/SmithKline Beecham的一個(gè)研究組所進(jìn)行的研究,，其報(bào)道了在大鼠暴露在puramycin aminonucleside后用2DE和NMR為基礎(chǔ)對(duì)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(xì)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(jìn),。第二個(gè)近來的例子，在兔鉛毒性模型的研究中識(shí)別了一些蛋白質(zhì)在增加鉛劑量后表達(dá)的改變,，其中的一些分子暫時(shí)識(shí)別為谷胱苷肽－S－轉(zhuǎn)移酶的突變體,，可能會(huì)發(fā)展為人類鉛毒性的有價(jià)值的標(biāo)記物[34]。其它近來出現(xiàn)的值得注意的蛋白質(zhì)組毒理學(xué)研究報(bào)告包括一個(gè)環(huán)孢菌素A毒性的分析,，它揭示了一個(gè)新的牽涉到鈣結(jié)合蛋白質(zhì)calbindin-D的毒性機(jī)制[35],，以及正在進(jìn)行的暴露嚙齒類動(dòng)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(xué)工具諸如2DE和MS,，蛋白質(zhì)組學(xué)在常規(guī)毒理學(xué)的潛力還未實(shí)現(xiàn)。
結(jié)論
過去的一年已經(jīng)看到蛋白質(zhì)組學(xué)持續(xù)的技術(shù)進(jìn)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(dá)數(shù)據(jù)庫以及在無數(shù)生物體中識(shí)別大范圍細(xì)胞狀態(tài)特異的蛋白質(zhì)上有了重要進(jìn)步。2DE和MS技術(shù)是現(xiàn)代蛋白質(zhì)組學(xué)的主要驅(qū)動(dòng)力,，并在不僅的將來仍會(huì)是這樣,，盡管更長的時(shí)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(huì)挑戰(zhàn)它們的主導(dǎo)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(xué)會(huì)幫助克服許多現(xiàn)代生物學(xué)和生物技術(shù)的最有挑戰(zhàn)性的問題。
