基因组学中的蛋白质组学

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1、基因组学中的蛋白质组学如果你雇佣的建筑师设计你的家并给你看了一幅蓝图，这幅蓝图仅由 “windowwabeborogovestaircasedoorjub-jub夕组成。你可能会开始怀疑什么时 候可以看到你的房子。一些人对最近完成的人类基因顺序有类似的保留，即人类 基因顺序将会是改进生物学和药学的基因蓝图的先驱。解释一个一米107长的核 酸是怎样成为一个酵母细胞的？更别说3*109长的核酸成为老虎伍兹或是布兰妮. 斯皮尔斯-直到基因来解释这一步包括明白了编码的蛋白质和对生命有什么作 用，但是要弄清楚所有的这些蛋白质如何合作来实现细胞发展过程是一个当前需 要解决的事。在完成序列的奇境中，有很多基

2、因组学解释不了的，因此未来属于蛋白质组 学。分析蛋白质的完全补体，蛋白质组学不仅包括蛋白质的定性定量，还包括了 定位的决定因子，修饰，相互作用，活性，最后是它的功能。最初只包含二维空 间用电泳来定性和分离蛋白质，如今涉及到了大量蛋白质的特性过程，在这一领 域爆炸性地增长推动着它的多样性：基因组学和与它相关的更多新的蛋白质，强 大的蛋白质技术，如最新发展的质谱测定法，完全混合技术和从DNA排列中摆 脱，和新的计算工具，方法来反应，分析，解释灵菌毒素的大量数据。考虑从基因组序列转变到蛋白质组伴随而来的复杂的鉴别任务，蛋白质远远比核 酸复杂，不像DNA的修饰，蛋白质可以磷酸化，糖基化，乙酰化，泛素化

3、，法 尼基化，硫酸盐化，连接到GPI转折点，并且还有很多其他的修饰方法。一个基 因可以编码多种不同的蛋白质，他们可以通过产生交替拼剪的mRNA副本，它通 过不同的翻译起始端或终止端，或者通过在不同的mRNA密码子的遗传密码来翻 译，这样使蛋白质组比基因更复杂。所以它可能是蛋白质学家的机会，即人类的 基因大概是酵母的三倍，更重要的是蛋白质可以适应改变的条件通过改变在细胞 中的位置，分解成碎片或是调整稳定性如改变它们连接的化学键（如其他蛋白质， 核酸，脂类，小分子或者是其他配体）蛋白质水平通常不能反映mRNA的水平甚 至一个散开的结构也不能确定蛋白质的存在。最后一个蛋白质可能被包括更多的 反应过程

4、，反过来，不同的蛋白质可以表现相同的功能。我们在哪里？蛋白质前提是看似没什么用的上千的蛋白质其实有着特别的特征-这些在 新陈代谢和信号传递的途径中，在复制中，转录和翻译中，在分泌器和细胞骨架 网络中，和在其他复杂的细胞中，这些功能假定通过特殊细胞代谢过程努力了解 到的，在过去20年伴随着三个主要能量代谢过程。首先，用遗传学，细胞学， 生物化学，生物结构学结合到一起通过不同方向来解决同一个问题。第二，特殊 的基本细胞结构保存可以获得洞悉即从了解到的一个生物体可以马上应用到其 他的生物体。对海象和对木工就是这样的。第三，科技的发展-现在的分子生物 工具如DNA顺序，DNA重组，聚合酶反应可应用到新

5、的实验方法。随着蛋白质组学的出现，修饰的蛋白质现在已经参加到所有牵连的过程中。 这个额外的信息，然而不是起源于连续的小刻度分析的生物活性，而是来自更大 的更系统的研究，蛋白质组学，就像它的先驱基因组学一样，代表着一种新的研 究方向即不依靠特殊的细胞行为的模型实验来证明。这种科学明显无法取代，而 是会加速应用并联合传统生物研究方法。一般原则是蛋白质选择在细胞中联合其他一起工作并表达。因此，定义的新 蛋白质在完整细胞溶解中分离得到的经常会提供它的功能线索。最近的质谱法大 大的促进可快速允许鉴定蛋白质通过在两块凝胶中或是电泳中分离，分光色谱可 测量大量的缩氨酸（典型的如经过胰岛素消化的蛋白质），在基

6、因组数据中经过 氢硅酸消化的顺序得到的预计的多肽。尽管清楚鉴定一种蛋白质不能总是通过鉴 定大量的多肽，在串联的分光仪中，多肽在分光仪中成片段的运动并且能瞬间鉴 定更多的多肽顺序。一个简单的多肽顺序一般可以决定一个蛋白质，先进的自动 化，提高了它的敏感度，高生产力和先进的生物分馏技术。大部分的可利用数据 的结合扩大了分光仪应用到更多的工作中。例如，复杂的兆道尔顿蛋白质可以纯 化，在它们的成分中加入标记成分，这些成分可以在凝胶电泳被识别，这种分析 可以应用到其他复杂的物质中，人类的剪接体，酵母细胞复杂的核小体和豌豆中 的叶绿体在凝胶分路分离，直接分析复杂的蛋白质并鉴定混合的不均匀的蛋白质 部件，经

7、常使用一维或者二维空间在色谱分析之前进行层析处理，这个办法可以 应用到整个酵母细胞水解出来的189种蛋白质和最近发现的1484种蛋白质，包 括蛋白质的整体面积和那些在细胞中含量较少的。补体在分光仪中，酵母的杂交系统应用到寻找蛋白质伴侣（和一个蛋白质相 连的）已经丰富了基因学，实验已经进行了去皮处理。例如，15个蛋白质连接 酵母mRNA剪接体，29种蛋白质被包括在隐杆线虫的生长中，噬菌体的55种蛋 白质，260种病毒免疫蛋白和5345啤酒酵母蛋白，对于酵母，超过假定的相互 作用的2700种蛋白质，包括至少2000种蛋白质已经被鉴定，大部分通过杂化实 验，这种相互作用的数据可直观的当作蛋白质网络，

8、随着一个分析给网络提供 条件（包含2300种蛋白质相关联）。在这个网络中蛋白质正确的相连接是通过注 解的数据支持的。超过70%特征蛋白质伴侣已经被鉴定并通过伴侣的性能进行功 能分类（相比之下，只有12%的蛋白质在网络中保持不变和缓慢的连接）一个不 知道功能的蛋白质联合一个已知功能的蛋白质暂时的作为伴侣分配在相同的细 胞种类中。蛋白质分布在细胞中现在可以在基因的水平上处理，在一个旅行促进转位子 标记和分析，超过11000酵母链的生成，超过2000啤酒基因的影响。间接的免 疫荧光法是被用于确定亚细胞分布，超过1300个标记蛋白。生物化学也是如此， 受到完整顺序信息的影响。全部预测的酵母细胞已经被融

9、化到纯净花蒸馏塔转移 酶中，这种可以使生物化学基因具有融化的酵母64个水池中有96个蛋白质聚集 的能力。水池可以被分配到任何一个生物化学反应中，并且在水池中负责活性的 蛋白质可以被迅速识别。因为中心来源于一些类既有简单基因的酵母链中，基因 编码活性可迅速被知道。由于可利用的基因组序列数量的扩大，准确的计算方法已经发展到假定那些 我们不知道的蛋白质功能即不依赖氨基酸，类似一种趋势蛋白质的全部序列都存 在或者不存在与基因组中（揭示一系列中所有成员存在或者不存在与生物体中）， 并且由于可能会表现在相同的细胞过程中，另一种趋势是以观察为基础，观察到 在生物体中许多蛋白质有两个主要部分组成，在另一个生物

10、体中主要部分是两个 分开的蛋白质，连个主要明显的整体的溶解现象的存在暗示在第二个生物体中两 个分开的蛋白质是相互作用的。第三个趋势明白在不同的基因序列中有着相同序 列的临近基因，这一情形暗示每个编码蛋白质的功能都是相互联系的，如在原 核细胞的操纵中，典型的蛋白质特殊功能，但是一些例子也在真核细胞中发现。尽管准确的说出不是蛋白质组学技术，DNA序列经常提供信息让我们明白大 小相当的收集到的蛋白质功能，基因的互补副本一般编码表现相同的反应过程， 证明酵母基因操作是在细胞分裂过程，孢子形成和两期生长中，表达外形暗示或 者揭示mRNA （因此，假设蛋白质是他们的产物）在疾病过程如癌症并且结果可 以被应

11、用到肿瘤的分类。微微阵列技术可以鉴别蛋白质属类，如膜结合和隐含蛋 白已经通过它们的RNA的分布来鉴别，并且结合到DNA序列上的蛋白质可以通 过双链DNA序列的作用来鉴别。微阵列基础序列可以用于发现多态性（DNA多 样性），因此，联合蛋白质多样性的疾病早期应用到这种趋势来正确定义十五分 之十四带着已知乳房癌基因遗传病人的突变，BRCA1。蛋白质组和基因组给当前的我们一个轰动，我们应该明白蛋白质可以再在复 杂的剪接体，肌动蛋白的相互作用，肮病毒蛋白的共同进化，白血珑过多症中表 达升高中找到而且已经不是生物学家过去认为的传统意义上的特殊功能。相反， 这些结果经常会提供一个合适的范围定位蛋白质以便接下

12、来的分析。朝向何方？到目前为止，大多数蛋白质组测定已经形成一个分类模式，但是在未来将会 看到更多的从事对细胞过程动力学的研究。蛋白质组成一个细胞不是静态的，因 此，获得一个定量对比物在细胞环境发生改变以后是非常重要的。蛋白质组计划 渐增的认可如定量分析的实施。例如，同位素可使两种蛋白质得到标记，或者是 重的标记或者是轻的标记，然后混合，用胰蛋白酶分解使蛋白质的亚基增多，因 为两个群体中的多肽可以被鉴定，除了含有两种大量不同的标记，被质谱法定量 是可行的。这些研究是他们在早期阶段和它们巨大的潜能。越来越多的，蛋白质 将进行大量的分析来了解他们的多样性修饰。密不可分的纯化趋于应用在特异性 抗体、金

13、属元素、凝集素或者是其他的试剂中可以丰富蛋白质修饰，并可以通过 光谱检测到。这些方案类型可以在蛋白质水平上成为可行的去跟踪一系列复杂的 细胞如T细胞遇到抗原发生的一系列反应。质谱法指导分析进步，表现在实验中 从复杂蛋白质吸收来的混合多肽鉴定技术的逐步提升，这些过程可能允许人类组 织被用作蛋白质的来源并且提出可行的早期致病原的发现（通过治病细胞的蛋白 质和正常细胞蛋白质作对比）。蛋白质的分离和纯化技术将继续改进。生物化学基因计划标记蛋白质的纯化 工具将特别是和很多细菌的基因序列，但是它可以应用到多细胞生物体。这些和 其他的过程都会共同的充分利用蛋白质序列。一系列可能在体内产生标记了的蛋 白质，在

14、体外转录，多肽合成，或者和蛋白质抗体结合或者低核苷酸的适配子结 合。他们的潜在作用包括：揭示蛋白质和蛋白质，蛋白质和小分子物质，蛋白质 和其他配体之间的相互作用，修饰酶和底物的识别 如蛋白质激酶，和寻找酶活性。一个先驱者保证这是一种趋势，纳升液滴蛋白 质通过共价固定化就是例子。超过10，000个例子可以证明这种技术有盲点。若 干实验的蛋白质在这种序列格式中试验的和另一种蛋白质或者小分子物质相互 作用，并且通过蛋白激酶的质谱。定向排列将允许鉴定在生物体中所有可以实行 特殊修饰的底物酶；例如，已经测得的蛋白质排列几乎全部系列的预测得蛋白质 激酶在酵母细胞中他们的活性可表现在17种底物上。蛋白质数据

15、库将会变得更加复杂如果他们可以帮助科学家使大量的实验测 量迅速出现。要求从追踪所有的每个分析蛋白质家族（如SH3领域）的配体到分 类所有已经知道的蛋白质激酶，蛋白质磷酸酶或者其他活性修饰的底物的范围。 另外，蛋白质数据也需要综合压缩表达，基因突变或者反义分析和多态性指导的 结果。作为蛋白质组数据积累，我们将可以更好的把不相干的信息分为三部分来 获得蛋白质在细胞中的作用。蛋白质组学将会迎来一个时代，即它们关于以前不 确定的蛋白质趋向于假设他们的功能的启示。我们需要什么？对于一块负载着很多的研究方法的领地，惊人的数量需求蛋白质组可能是一 种新技术。这是复杂的一个实验，它充分合理的允许自动化需求去完

16、成蛋白质在 基因上的价值。那些当前勉强有上千的专业分析生物学家每天都忙于他们喜爱的 蛋白质上。我们需要的是可以被细胞生物基因组学，生物物理基因学，生理基因 学等等解释的实验方法来提供功能线索。另外，一个蛋白质包括很多种类信息， 它的性能需要在蛋白质组和理想的定量方式基础上鉴定。我们已经讨论过的，存在技术一和更重要的，试剂(一系列的基因，质粒， 菌株，蛋白质和其他类似物)并且处理这些试剂的工具必须迅速的从专门的基因 组和蛋白质组中传播并集中到其他的地方去。仅当每个实验可以充分的利用蛋白 质组学。此外，新趋势适当的增长是可能的即更多的研究者参加到这一领域。一个跨科学性的精神来自激起全球蛋白质功能分析的热情。基因组学家需要 和化学家谈论，生理学家需要和物理学家谈论，细胞生物学家需要和计算机科学 家谈论。问题是如此的宏伟，专门技术来回答它们需要光谱方面的知识。这个结 合了新技术和它的广阔的散布伴随的大量的收集工程将会在当基因测序工程的 完成的那伟大的一天到达顶峰。概要蛋白质组一大幅度的细胞蛋