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1、蛋白质组学 宁夏医科大学裴秀英peixiuying 从基因组学到蛋白质组学 基因数量有限性和基因结构的相对稳定性vs生命现象的复杂性和多变性 GenomeProteomeGenomicsProteomics 2020 1 11 2 对蛋白质的数量 结构 性质 相互关系和生物学功能进行全面深入的研究已成为生命科学研究的迫切需要和重要任务 Proteomics 2020 1 11 3 Theeraof omics basedscience 2020 1 11 4 第一节蛋白质组学的概念及其研究内容第二节蛋白质组学研究方法概述第三节蛋白质组学在疾病研究中的应用 主要内容 2020 1 11 5 第一
2、节蛋白质组学的概念及研究内容 Proteome由一个基因组genome或一个细胞表达的所有protein 特定条件下 proteinsexpressedbyagenome 1994年由澳大利亚学者Williams和Wilkins提出Proteomics在蛋白质水平上定量 动态 整体性地研究生物体 一 概念及研究内容 2020 1 11 6 对应于基因组的所有蛋白质构成的整体 不是局限于一个或几个蛋白质 同一基因组在不同细胞 不同组织中的表达情况各不相同 特定在空间和时间上动态变化着的整体 蛋白质组是 2020 1 11 7 蛋白质组学 proteomics 指应用各种技术手段来研究蛋白质组的一
3、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份 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 2020 1 11 8 主要研究内容 了解某种特定的细胞 组织或器官制造的蛋白质种类 明确各种蛋白质分子是如何形成类似于电路的网络的 描绘蛋白质的精确三维结构 揭示其结构上的关键部位 如与药物结合并且决定其活性的部位 2020 1 11 9 蛋白质组概念的提出标志着生命科学的一个崭新时代 蛋白质组时代已经开始 它是继基因组研究之后的又一 大学科 即以蛋白质组为研究对象 在蛋白质多肽谱和基因产物图谱技术的基础上发展起来的一门科学 是通过对基因表
4、达产物 蛋白质进行整体 动态 定量水平上的研究来阐述环境 疾病 药物等对细胞代谢的影响 并分析其主要作用机理 解释基因表达调节的主要方式 2020 1 11 10 Proteome 追究产生特定蛋白质在的缘由 进而找到应对的策略 人为的控制蛋白质组的表达 阐明已得到的蛋白质又将产生哪些后果 上游 下游 表达蛋白质组学 功能蛋白质组学 2020 1 11 11 2020 1 11 12 表达蛋白质组学 完全 蛋白质组学 目的是检测一种细胞类型或一种组织内基因组表达的所有蛋白质 差异 蛋白质组学 主要是筛选和鉴定不同种类或状态下各样本之间蛋白质组的区别与变化 在制药和疾病研究中的巨大潜力 2020
5、 1 11 13 蛋白质 蛋白质相互作用 蛋白质相互作用的图谱化 protein proteininteractionmapping 蛋白质相互作用的网络图 2020 1 11 14 蛋白质 其他分子相互作用 基因酶的底物 代谢物 代谢组学激素Ca2 2020 1 11 15 2020 1 11 16 2020 1 11 17 2020 1 11 18 功能蛋白质组学 functionalproteomics 的提出 功能蛋白质组 细胞在一定阶段或与某一生理现象相关的所有蛋白质 介于对个别蛋白质的传统蛋白质化学研究和以全部蛋白质为研究对象的蛋白质组学之间 2020 1 11 19 从局部入手研
6、究蛋白质组的各个功能亚群体 将多个亚群体组合起来 逐步描绘出接近于生命细胞的 全部蛋白质 的蛋白质组图谱 2020 1 11 20 功能蛋白质组学从理论和技术上使以 全部蛋白质 为研究对象的蛋白质组学更具体化 更易于从时 空 量效方面动态 整体 深入地研究生理状态下同一组织细胞在不同发育阶段或同一组织细胞在不同个体间或同一基因组在不同组织细胞间 以及病理情况下同一疾病的不同发展阶段的蛋白质表达模式和功能模式的变化 揭示一些重要的生命现象和一些重大疾病的发生发展规律 2020 1 11 21 二 蛋白质组学的产生与发展 2020 1 11 22 基因组时代 后基因组时代 研究重点的转移标志 功能
7、基因组学 2020 1 11 23 人类基因组计划取得了巨大成绩 一些低等生物的DNA序列已被阐明 人类DNA序列的框架图已经测定 迄今已测定的表达序列标签 EST 几乎覆盖了人类所有基因 重点已从揭示生命所有遗传信息转移到在整体水平上对生物功能的研究 功能基因组学的主要任务 解析和综合大量的遗传信息 阐明基因遗传信息与人类生命活动之间的联系 2020 1 11 24 基因的功能是通过其产物 mRNA和蛋白质来体现的mRNA水平的基因表达研究取得进展 基因表达系列分析 serialanalysisofgeneexpression SAGE 微阵列 microarray 和DNA芯片 chip
8、但mRNA与蛋白质间的相关系数仅为0 4 0 5蛋白质自身特点 翻译后的加工修饰 转移定位 构象变化 蛋白质与蛋白质及蛋白质与其它生物大分子相互作用等 难以从DNA和mRNA水平得到解答 2020 1 11 25 进展 各国政府支持 国际著名研究和商业机构加盟 1996年澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中心 AustraliaProteomeAnalysisFacility APAF 2020 1 11 26 美国国立癌症研究院 NCI 投资1000万美元建立肺 直肠 乳腺 卵巢肿瘤的蛋白质组数据库 NCI和FDA共同投资数百万美元建立癌症不同阶段的蛋白质组数据库 英国建立三个蛋白质组研
9、究中心对已完成或即将完成全基因组测序的生物体进行蛋白质组研究 2020 1 11 27 Celera公司投资上亿美元独自启动了全面鉴定和分类汇总人类组织 细胞和体液中的蛋白质及其异构体 构建新一代的蛋白质表达数据库的工作 2020 1 11 28 1997年召开了第一次国际 蛋白质组学 会议1998年在美国旧金山召开了第二届国际蛋白质组学会议1999年1月在英国伦敦举行了应用蛋白质组会议 2020 1 11 29 我国也于1998年启动了蛋白质组学研究 在中科院上海生物化学研究所举办了两次全国性的蛋白质组学研讨会 2020 1 11 30 2003成立了中国人类蛋白质组组织 CHHUPO 并分
10、别于2003年9月 2004年8月以及2005年8月召开了中国蛋白质组学首届 第二届及第三届学术大会 2004年10月在中国北京召开了第三届国际蛋白质组学会议 2020 1 11 31 科技部已将疾病蛋白质组研究列入我国 973 计划项目和 863 计划项目 国家自然科学基金委员会也将 蛋白质组研究 列为重点项目 我国在鼻咽癌 白血病 肝癌和肺癌蛋白质组研究方面取得了较大的进展 2020 1 11 32 Projects HLPP thesecondinitiative butthefirstorganofhumanbeings 三 蛋白质体系 单一的蛋白质只具有某种单一的生物学功能机体更多的
11、生物学功能是由蛋白质体系完成的蛋白质体系 多种蛋白质核酸脂质金属离子 小分子蛋白质组 特定条件下 基因组所产生的所有蛋白质的组合 蛋白质组是所有蛋白质体系的组合 2020 1 11 34 一 一些经典的蛋白质体系 代谢过程均是由蛋白质体系中的许多组分协同实施的 合理思维 利用现有技术 在蛋白质组中寻找更多的蛋白质体系 根据体系中各组分的组合情况 分为 串联式级联式 cascade 联合 式 2020 1 11 35 1 串联式的蛋白质体系 代谢过程中常见 多种酶构成的各种酶系E1E2E3EnI A B P 2020 1 11 36 2020 1 11 37 2020 1 11 38 特征 其中
12、几个关键步骤的酶通常都能发生变构反应 从而调控了整个体系运行 最终产物对体系中起始反应的抑制是最常见的负反馈调控 2020 1 11 39 2 级联式蛋白质体系 特点1 体系中的一些酶一般以酶原或复合体形式存在 特点2 前一个活性酶激活后一个酶原 或前一个活性分子影响后一个复合物的解离 释放一个活性的蛋白质组分 特点3 经过每一次级联的激活 就产生一次放大作用 2020 1 11 40 2020 1 11 41 3 联合 式的蛋白质体系 蛋白质体系是一些组分 以蛋白质为主 通过一些分子间的作用形成一个整体 而后完成某种较为复杂的功能 2020 1 11 42 补体激活 2020 1 11 43
13、 二 存在于细胞中的一些蛋白质体系 膜上的蛋白质体系电子传递系统和ATP合酶新生肽链和核糖体受体信号序列识别颗粒 SRP 2020 1 11 44 细胞质中的蛋白质体系核糖体分子伴侣蛋白酶体信号转导体系 2020 1 11 45 细胞核内的蛋白质体系核小体复制点转录起始复合物核糖核蛋白 RNP 2020 1 11 46 细胞外的蛋白质体系沟通细胞和维护细胞 介导神经细胞信号传递的蛋白质体系细胞外间质体系 2020 1 11 47 从分子水平上研究细胞中各种细胞器和体系的结构与功能 实际上是在研究蛋白质体系的结构与功能 2020 1 11 48 第二节蛋白质组学研究方法概述 2020 1 11
14、49 ProteomicsAnalysis Samplepreparation Proteinseparation Processing ImageAnalysis ProteinIdentification PTMIdentification Proteinquantification 2020 1 11 50 蛋白质组研究更为复杂和困难 蛋白质数目大大超过基因数目 蛋白质随时间和空间而变化 2020 1 11 51 发展高通量 高灵敏度 高准确性的研究技术平台是现在乃至相当一段时间内蛋白质组学研究中的主要任务 当前主要任务 2020 1 11 52 一 蛋白质组表达模式的研究方法 2020
15、 1 11 53 研究蛋白质组的组成成分支撑技术主要有双向凝胶电泳 以质谱为代表的蛋白质鉴定技术及生物信息学分析 蛋白质组表达模式 expressionprofile 2020 1 11 54 2020 1 11 55 生物学问题的提出 实验模型的设计 实验组和对照组样品的制备 蛋白样品的IEF和PAGE电泳分离 图像扫描和初步分析 感兴趣蛋白点的切取 胰酶对脱色后蛋白质的消化 质谱的多肽指纹图 微测序分析 质谱结果的生物信息学分析和比对 新蛋白质的发现 其它实验的进一步验证 蛋白信息的初步获得 蛋白质组研究的基本技术路线 蛋白质样品的制备 双向电泳 图像分析 转印至膜上的蛋白 凝胶中的蛋白
16、溶液中的蛋白 混合肽 蛋白质质量 N端测序 肽序列质谱数据 肽指纹图 数据搜索 新的或已知蛋白 蛋白转录后修饰的鉴定 一 蛋白质组研究中的样品制备 通常可采用细胞或组织中的全蛋白质组分进行蛋白质组分析 也可以进行样品预分级 即将细胞或组织中的全体蛋白质分成不同部分 分别进行研究 2020 1 11 58 样品预分级的主要方法 蛋白质溶解性 可溶性蛋白 非溶性蛋白等蛋白质定位 膜蛋白 核蛋白等蛋白质细胞器定位 线粒体 高尔基体 叶绿体等 2020 1 11 59 样品预分级主要作用在于提高低丰度蛋白质的上样量和检测灵敏度 2020 1 11 60 组织水平上的蛋白质组样品制备 临床样本都是各种细胞或组织混杂 而且状态不一 如肿瘤中癌变的上皮类细胞总是与血管 基质细胞等混杂 2020 1 11 61 激光捕获显微切割 lasercapturemicrodissection LCM 可直接在显微镜下从组织切片中精确分离特定的细胞或细胞群 2020 1 11 62 双向电泳分析中的样品制备 制备原则 应使所有待分析的蛋白样品全部处于溶解状态 包括多数疏水性蛋白 且制备方法应具有可重现性 防止样
