蛋白質(zhì)組與臨床蛋白質(zhì)組學(xué)

蛋白質(zhì)組學(xué)

Proteomics碩士生學(xué)位課程：總學(xué)時(shí)數(shù)：36教學(xué)目的和要求1.掌握蛋白質(zhì)組與蛋白質(zhì)組學(xué)的基本概念，基本理論與基本方法。2.熟悉蛋白質(zhì)組研究的關(guān)鍵技術(shù)。3.熟悉利用蛋白質(zhì)組研究策略設(shè)計(jì)研究課題的基本思路。4.培養(yǎng)開展臨床蛋白質(zhì)組學(xué)與疾病蛋白質(zhì)組學(xué)研究的基礎(chǔ)能力。按照課程的總體要求，將課程分為12個(gè)專題進(jìn)行講授：1、蛋白質(zhì)組與蛋白質(zhì)組學(xué)2、蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的樣品制備與分離技術(shù)3、生物質(zhì)譜4、蛋白質(zhì)研究的其它方法（1）5、蛋白質(zhì)研究的其它方法（2）6、臨床蛋白質(zhì)組學(xué)與疾病蛋白組學(xué)7、藥物蛋白質(zhì)組學(xué)及其臨床應(yīng)用8、血漿/血清蛋白質(zhì)組學(xué)和體液蛋白質(zhì)組學(xué)9、亞細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)及研究進(jìn)展10、心血管系統(tǒng)與消化系統(tǒng)疾病蛋白質(zhì)組學(xué)11、神經(jīng)系統(tǒng)蛋白質(zhì)組學(xué)12、臨床腫瘤蛋白質(zhì)組學(xué)授課教師第1講:邱宗蔭教授第2講:顏玉蓉副教授第3講:母昭德副教授第4講:周蘭教授第5講:張雪梅教授第6講:馮濤教授第7講:張雪梅教授第8講:何於娟副教授第9講:顏玉蓉副教授第10講:馮濤教授第11講:周蘭教授第12講:周蘭教授參考教材與文獻(xiàn)主要參考教材：邱宗蔭，尹一兵等編著，臨床蛋白質(zhì)組學(xué)?？茖W(xué)出版社，2008.4。其它參考教材：1、R.J.Simpson.ProteinsandProteomics:ALaboratoryManual.（影印版）?？茖W(xué)出版社，2003。2、R.J.Simpson.PurifyingProteinsforProteomics.（影印版）?？茖W(xué)出版社，2004。3、夏其昌曾嶸等編著。蛋白質(zhì)化學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)?？茖W(xué)出版社，2004。4、陳主初肖志強(qiáng)主編。疾病蛋白質(zhì)組學(xué)?；瘜W(xué)工業(yè)出版社，2006。主要參考雜志1、Proteomics(WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim)2、Proteomics----ClinicalApplications(WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim)3、Electrophoresis(WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim)4、Molecular&CellularProteomics（MCP）[AmericanSocietyforBiochemistryandMolecularBiology(ASBMB)]5、JournalofProteomeResearch(AmericanChemicalSociety)相關(guān)雜志ProceedingsoftheNationalAcademyofScienceoftheUnitedStateofAmerica(美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊),簡(jiǎn)稱PNAS.JournaloftheNationalCancerInstitute(JournalofNCI)[OxfordUniversityPress(OUP)andNationalCancerInstitute(美國(guó)國(guó)家癌癥研究所,NCI)]JournalofBiologicalChemistry(JBC)(AmericanSocietyofBiochemistryandMolecularBiology,Inc.)授人以魚，不如授人以漁。

授人以魚，三餐之需；授人以漁，終生之用。我們應(yīng)該從這門課程中學(xué)習(xí)當(dāng)今生命科學(xué)前沿領(lǐng)域的研究思想，觀點(diǎn)和方法。第1講:

蛋白質(zhì)組與蛋白質(zhì)組學(xué)

ProteomeandProteomics重慶醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院邱宗蔭zongyin141@126.com本次講授的內(nèi)容Ⅰ、從基因組到蛋白質(zhì)組Ⅱ、蛋白質(zhì)組與蛋白質(zhì)組學(xué)的內(nèi)涵Ⅲ、關(guān)于蛋白質(zhì)Ⅳ、蛋白質(zhì)組與基因組的差別Ⅴ、蛋白質(zhì)組學(xué)的研究策略Ⅰ、從基因組到蛋白質(zhì)組對(duì)人類文明產(chǎn)生重大影響的

科學(xué)技術(shù)工程曼哈頓計(jì)劃阿波羅計(jì)劃人類基因組計(jì)劃2023/2/1413人類基因組計(jì)劃在科學(xué)上的目的，是測(cè)定組成人類基因組的30億個(gè)核苷酸的序列。從而奠定闡明人類所有基因的結(jié)構(gòu)與功能，解讀人類的遺傳信息。TheHumanGenomeTheInternationalHumanGenomeConsortiumInitialsequencingandanalysisofthehumangenomeNature,409,February15,860-921(2001)Venteretal.(Celera)TheSequenceoftheHumanGenomeScience,291,February16,1304-1351(2001)Genespredicted

inHumanGenome

Int’lConsortiumCeleraknowngenes14,88217,764novelgenes16,89621,350Total31,77839,114人類基因數(shù)縮水再縮水由于測(cè)序技術(shù)方法的不斷發(fā)展，對(duì)基因組分析的誤差也在逐漸縮小。人類基因組數(shù)量也從3－4萬(wàn)，縮水到了25000左右。2007年，根據(jù)Broad研究所一項(xiàng)發(fā)表在《PNAS》上的研究表明，人類基因目錄如Ensembl、RefSeq和Vega包括了許多開放閱讀框，它們是任意出現(xiàn)的而不是蛋白質(zhì)編碼區(qū)域。這些發(fā)現(xiàn)將人類基因組中的蛋白質(zhì)編碼基因數(shù)目減少到了20500個(gè)。隨著研究的進(jìn)一步深入，這個(gè)數(shù)目還可能會(huì)有變化。而人類基因組中蛋白質(zhì)編碼基因數(shù)量之少，也是令人驚訝的。人們認(rèn)識(shí)生命過程分子機(jī)制的

60年歷程1944AvideevidencethatDNAisthehereditarymaterial1953Watson&CrickpublishthedoublehelicalstructureofDNA1963Nirenbergelucidatesthegeneticcode1964Perutzconnectsthe3-Dstructureofproteinstotheaminoacidsequence1972-74DevelopmentofrecombinantDNAtechnology1975-85DevelopmentoftechniquesforrapidDNAsequencingpost-genomeera1990InitiationoftheHumanGenomeProject1995Firstcompletegenomepublished(流感嗜血桿菌基因組序列首次被破譯，在此后不到兩年的時(shí)間，近50個(gè)細(xì)菌的基因組序列已被完成)1996AffymetrixpublishesaboutGeneChip2001HumanGenomeProjectcompletedInTheNews:“If2000wastheyearoftheGenome,2001willbetheyearoftheProteome”NightlyBusinessReport 12/27/00TimeMagazine7/3/00TheEconomist12/9/00chemistry&engineeringnews7/31/00ScientificAmerican7/001994年，澳大利亞科學(xué)家MarcWilkins提出蛋白質(zhì)組概念。ThetermwascoinedbyMarcWilkinsin1994inthesymposium:"2DElectrophoresis:fromproteinmapstogenomes"inSiena,Italy,andwassubsequentlypublishedin1995,whichwaspartofhisPhDthesis.Wilkinsusedittodescribetheentirecomplementofproteinsexpressedbyagenome,cell,tissueororganism.WasingerVC,CordwellSJ,Cerpa-PoljakA,YanJX,GooleyAA,WilkinsMR,DuncanMW,HarrisR,WilliamsKL,Humphery-SmithI.(1995)."Progresswithgene-productmappingoftheMollicutes:Mycoplasmagenitalium".Electrophoresis

7(7):1090–94.2001年2月15日，英國(guó)《自然》周刊在發(fā)布人類基因組框架圖時(shí)，同期登載了一條關(guān)于人類蛋白質(zhì)組研究組織（HumanProteomeOrganization,HUPO）成立的消息，標(biāo)題就叫“現(xiàn)在是蛋白質(zhì)組了”。人類蛋白質(zhì)組組織（HUPO）是一個(gè)國(guó)際事務(wù)、學(xué)術(shù)和政府成員的聯(lián)盟。HUPO成立后，歐洲、亞太地區(qū)相繼成立了區(qū)域性蛋白質(zhì)組研究組織。

Nature,March13,2003HUPO的工作重點(diǎn)為人類疾病與健康協(xié)調(diào)公共蛋白質(zhì)組組織的活動(dòng)鼓勵(lì)有關(guān)人類蛋白質(zhì)組和生物模型蛋白質(zhì)組知識(shí)的廣泛傳播將各國(guó)和各地區(qū)的蛋白質(zhì)組研究組織統(tǒng)一在一個(gè)國(guó)際性的組織之中

DNACompletedescriptionofgenesinanorganism

RNA

CompletedescriptionofmRNAinagenome

ProteinCompletedescriptionofproteinsexpressedbyagenome

Metabolites

CompletedescriptionofmetabolitesexpressedbyagenomeCatalogofallprotein-DNA,protein-RNA,andprotein-proteininteractionsGenomeGenomicsTranscriptomeTranscriptomicsProteomeProteomicsMetabolomeMetabolomicsInteractomeSystemBiologyGlobalTargetedGlobalTargetedGlobalTargetedFunctionalgenomicsor“phenomics”Ⅱ、蛋白質(zhì)組與蛋白質(zhì)組學(xué)的內(nèi)涵蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組的英文是PROTEOME，它來(lái)源于PROTEins和genOME兩個(gè)詞的組合，意思是Proteinsexpressedbyagenome，即由基因組表達(dá)的蛋白質(zhì)。隨后，學(xué)者們對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)的含義作了進(jìn)一步的闡述，認(rèn)為“proteome”代表一個(gè)完整生物或生物體不同細(xì)胞組合中的全部蛋白質(zhì)。因此，目前認(rèn)為蛋白質(zhì)組的內(nèi)涵是一個(gè)細(xì)胞、一類組織或一種生物的基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)。

蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）旨在闡明生物體全部蛋白質(zhì)的表達(dá)模式及功能模式，其內(nèi)容包括鑒定蛋白質(zhì)的存在方式（修飾形式），研究其結(jié)構(gòu)、功能、定量和相互作用等。ProteomicsProteomicscanbedefinedasthequalitativeandquantitativecomparisonofproteomesunderdifferentconditionstofurtherunravelbiologicalprocesses.“Proteomicsincludesnotonlytheidentificationandquantificationofproteins,butalsothedeterminationoftheirlocalization,modifications,interactions,activities,and,ultimately,theirfunction.”(StanleyFields.ProteomicsinGenomeland.Science16February2001291:1221-1224)從認(rèn)識(shí)生命的科學(xué)理論體系看，

蛋白質(zhì)組學(xué)屬于系統(tǒng)生物學(xué)的范疇。在過去的半個(gè)多世紀(jì)里，生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究主要是基于分析方法或還原方法（reductionapproach）來(lái)探求生命現(xiàn)象的本質(zhì)。其基本的研究思路是建立在將生物系統(tǒng)分解，或還原成各個(gè)組成部分的基礎(chǔ)上。人們按照這種還原主義的研究策略已經(jīng)獲得了大量和重要的關(guān)于生物學(xué)“部件”的認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)于單個(gè)基因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能有了越來(lái)越深入的了解。但是，還原主義研究策略的固有缺陷是難以從整體上了解生命系統(tǒng)的協(xié)同行為，更談不上去了解生命系統(tǒng)協(xié)同行為的變化如何導(dǎo)致人類疾病的發(fā)生、發(fā)展，以及生命現(xiàn)象紛繁復(fù)雜的變化。

系統(tǒng)生物學(xué)

(System/SystemsBiology)系統(tǒng)生物學(xué)將生命過程作為一種大系統(tǒng)，而不是作為孤立的很多部分來(lái)進(jìn)行定性和定量研究。它借助和發(fā)展多學(xué)科交叉的新的技術(shù)策略和方法，研究生命系統(tǒng)中所有組成成分的系統(tǒng)行為、相互聯(lián)系以及動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)而揭示生命系統(tǒng)的基本規(guī)律與調(diào)控手段。以生物系統(tǒng)內(nèi)的所有組成部分及其相互關(guān)系為對(duì)象，通過大規(guī)模動(dòng)力學(xué)分析，用數(shù)學(xué)方法抽象出生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和運(yùn)行規(guī)律。將當(dāng)前生物科學(xué)知識(shí)全面系統(tǒng)地聯(lián)系在一起組建超級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)----對(duì)盲人摸象認(rèn)識(shí)論的革命盲人摸象這個(gè)諺語(yǔ)是對(duì)“只見樹木、不見森林”認(rèn)識(shí)論的諷刺。遺憾的是，我們都曾經(jīng)受到過這種認(rèn)識(shí)論的影響。隨著對(duì)大象表觀基因組、基因組、轉(zhuǎn)錄組，蛋白質(zhì)組以及糖組越來(lái)越精確的分析，人們?cè)絹?lái)越多地了解到事物的整體屬性及其本質(zhì)。但即便如此，我們?nèi)孕枰栏鞑糠质窃鯓訁f(xié)調(diào)運(yùn)作從而組成一個(gè)完整的大象的。整體由部分構(gòu)成圖片來(lái)源：WildlifeStockPicturesMiningproteomesToidentifyasmanycomponentsoftheproteomeaspossibleMappingofproteomesofvariousorganismsandtissuesComparisonofproteinexpressionlevelsforthedetectionofdiseasebiomarkersDepartmentofGenomics&ProteomicsDepartmentofGenetics&BiochemistryStanleyFields.ProteomicsinGenomeland.Science

16February2001291:1221-1224Ⅲ、關(guān)于蛋白質(zhì)Proteinsarepolyamides,theirmonomericunitsarecomprisedof20different-aminoacidsProteinsmainbuildingblocksandfunctionalmoleculesofthecell20%ofcellweight(water:70%)fourlevelsofstructure3–10nmFunctionofProteinsEnzymaticproteins(catalystsforsuchfunctionsasdigestion)Structuralproteinse.g.collagenandelastin(connectivetissue)Contractileproteinse.g.myosin(musclemovement)Transportproteinse.g.hemoglobinmolecules(oxygentransport)Storageproteinse.g.casein(majorsourceofaaforbabymammals)Hormonalproteinse.g.insulin(heblood)Receptorproteins(buildintothemembraneofnervecells)Defensiveproteins(antibodiestoprotectagainstdiseases)Riscommonlyoneof20differentsidechainsAtpH7boththeaminoandcarboxylgroupsareionizedaminogroupalphacarboncarboxylgroupsidechaingroupAminoAcid

氨基酸是組成肽和蛋白質(zhì)的基本單位FamiliesofAminoAcidsThecommonaminoacidsaregroupedaccordingtowhethertheirsidechainsare:acidic

D,EbasicK,R,HunchargedpolarN,Q,S,T,YnonpolarG,A,V,L,I,P,F,M,W,CHydrophilicaminoacids(unchargedpolar)areusuallyontheoutsideofaproteinwhereasnonpolarresiduesclusterontheinsideofproteinBasicoracidicaminoacidsareverypolarandaregenerallyfoundontheoutsideofproteinmoleculesPeptideBondsAminoacidsarejoinedtogetherbyanamidelinkagecalledapeptidebond.ThetwobondsoneithersideoftherigidplanarpeptideunitexhibitahighdegreerotationpeptidebondsrotationoccurshereProteins

aremoleculesthatcontainoneormorepolypeptidechainsPolymerscontaining:2aminoacidresiduesarecalleddipeptides3-//- tripeptides3-10-//- oligopeptidesMany-//- polypeptides蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)有四個(gè)層次1234序列↓構(gòu)型↓活性↓調(diào)節(jié)Mathewsetal(2000)Biochemistry(3e)p.195Alpha-helixBeta-sheetPrimarystructureSecondarystructureTertiarystructureQuaternarystructure3DStructureofProteinAlpha-helixBeta-sheetLoopandTurnTurnorcoilHemeGroupsinHemoglobinPositivelyChargedcanyon蛋白質(zhì)的物理﹑化學(xué)特性(一)1.蛋白質(zhì)的大小與形狀蛋白質(zhì)分子量變化范圍很廣，從幾千到幾十萬(wàn)，大多數(shù)蛋白質(zhì)的平均分子量約為4萬(wàn)～5萬(wàn)，更大的蛋白質(zhì)通常由多個(gè)亞基組成。2.蛋白質(zhì)的構(gòu)象不需要共價(jià)鍵的變化，就能使立體結(jié)構(gòu)改變的立體結(jié)構(gòu)現(xiàn)象稱為構(gòu)象（conformation）。蛋白質(zhì)的構(gòu)象取決于其一﹑二﹑三﹑四級(jí)結(jié)構(gòu)。某些蛋白質(zhì)的構(gòu)象還受結(jié)合輔基的影響。蛋白質(zhì)的物理﹑化學(xué)特性(二)3.蛋白質(zhì)的電荷通常每個(gè)蛋白質(zhì)含有一個(gè)氨基末端和一個(gè)羧基末端，往往還有帶電荷的氨基酸側(cè)鏈。因此，蛋白質(zhì)在溶液中呈現(xiàn)酸-堿效應(yīng)。當(dāng)pH為某一數(shù)值時(shí)，蛋白質(zhì)所帶正電荷和負(fù)電荷數(shù)相等，分子凈電荷為零，此pH即為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)（pI）。當(dāng)pH>pI時(shí)，蛋白質(zhì)分子帶負(fù)電荷；當(dāng)pH<pI時(shí)，蛋白質(zhì)分子帶正電荷。大多數(shù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)介于pH4.5～7.0，在pH約為7.4的生理?xiàng)l件下帶負(fù)電荷，蛋白質(zhì)的物理﹑化學(xué)特性(三)4.蛋白質(zhì)的疏水性一般情況下，天然蛋白質(zhì)構(gòu)象中，由于疏溶劑作用，疏水基團(tuán)位于分子內(nèi)部。非極性側(cè)鏈在疏水區(qū)域以疏水鍵結(jié)合，這是穩(wěn)定蛋白質(zhì)的重要因素。5.蛋白質(zhì)的溶解性蛋白質(zhì)分子中，氨基酸殘基上的可電離基團(tuán)處于蛋白質(zhì)的表面。對(duì)于球狀蛋白質(zhì)，這些表面電荷保證它們具有特定的水溶性以及在水性生理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)其特殊功能所必須的結(jié)構(gòu)靈活性。JuangRH(2004)Proteomics蛋白質(zhì)的氨基酸排列是由其基因的

單核苷酸序列所決定GenomeTranscriptomeProteomeDNARNAProtein復(fù)制Replication轉(zhuǎn)錄Transcription翻譯Translation逆轉(zhuǎn)錄ReverseTranscriptionGenotypestoPhenotypes核糖體蛋白質(zhì)的生物合成Gene:continuousstretchofDNA,fromwhichaparticulartypeofproteinscanbemade轉(zhuǎn)錄(transcription)是以DNA中的一條單鏈為模板，以四種三磷酸核苷（NTP）為原料，在DNA依賴的RNA聚合酶催化下合成RNA鏈的過程。1.Transcription2.Splicingpre-mRNA內(nèi)含子外顯子RNA剪接(RNAsplicing):將轉(zhuǎn)錄形成的mRNA前體(pre-mRNA)中的內(nèi)含子剪除，將外顯子連接起來(lái)形成一個(gè)連續(xù)的RNA分子的加工過程。生物的基因序列中，包含了內(nèi)含子（intron）與外顯子（exon），兩者交互穿插，組成基因。其中內(nèi)含子并不表現(xiàn)，外顯子才是能夠轉(zhuǎn)錄成mRNA的片段。3.Translation將mRNA上的核苷酸序列轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)上的氨基酸序列的過程。TheBiosynthesisofprotein蛋白質(zhì)的生物合成：將核酸中由4種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序。核蛋白體ribosomemRNA多肽polypeptideTheNextRevolutioninBioscienceis

PROTEOMICSGENOMICSPROTEOMICSDNARNAProteinActiveCellularProteinEnzymesEnvironmentRibosomesUnderstandingthestructureandfunctionofproteinsencodedbyaparticulargenome,tissue,ororganelle.Ⅳ、蛋白質(zhì)組與基因組的差別Genomicsvs.Proteomics“Abutterflyandacaterpillarhavethesamegenomebutdifferentproteomes.”

---RonOrlando一種生物有一個(gè)基因組，

但有許多蛋白質(zhì)組任何蛋白質(zhì)，即使只是同一個(gè)基因的產(chǎn)物，也可能存在多種形式。在一個(gè)特定的細(xì)胞內(nèi)或在不同的細(xì)胞之間，蛋白質(zhì)的存在形式可能不同，大多數(shù)蛋白質(zhì)都以幾種不同的修飾形式存在。這些修飾影響著蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、定位、功能和轉(zhuǎn)換。在不了解基因組序列的情況下，人們?cè)?jīng)推測(cè)，生命的復(fù)雜程度是由基因組的基因數(shù)量來(lái)決定的。也就是說，生命的復(fù)雜程度越高，其基因組擁有的基因數(shù)目越大。但隨著各種生物的基因組全序列的測(cè)定，科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到情況并非如此。線蟲基因組基因數(shù)為1.9萬(wàn)多個(gè)。人基因組基因總數(shù)僅僅比線蟲多1.5萬(wàn)個(gè)左右，遠(yuǎn)不是預(yù)期的10萬(wàn)到15萬(wàn)。水稻基因組基因總數(shù)為4.6萬(wàn)到5.5萬(wàn)之間，比人的基因還要多。103104105106107108109101010111012

原核生物Procaryotes

真核生物Eucaryotes病毒細(xì)菌E.Coli真菌酵母植物豆科植物果蠅昆蟲軟體動(dòng)物鯊魚軟骨魚多骨魚兩棲動(dòng)物蟾蜍爬蟲類鳥類哺乳動(dòng)物人類基因數(shù)蛋白質(zhì)組與基因組的重要差別之一：蛋白質(zhì)組具有多樣性蛋白質(zhì)組中蛋白質(zhì)的數(shù)目超過基因組的數(shù)目，呈現(xiàn)出豐富多彩的表型。這一事實(shí)被許多研究證實(shí)與以下兩種因素有關(guān)：1、在轉(zhuǎn)錄時(shí)，一個(gè)基因可以剪接為多種mRNA形式，即可變剪接（Alternatesplicing）。2、同一蛋白可能以許多形式進(jìn)行翻譯后的修飾(Post-translationalModifications，PTM)

。AfewnumberstorealizethecomplexityofthetaskCellproteome:5×103proteinsProteomefromanindividual:1×106proteinsProteomeofanindividual(alllife):1×107proteinsProteomeofaspecies:1×108proteinsRNA的可變剪接(選擇性剪接)

(Alternatesplicing)可變剪接是指同一基因轉(zhuǎn)錄形成的RNA前體可經(jīng)過一種以上剪接方式產(chǎn)生多種不同的mRNA的過程?？勺兗艚訉⑼换蛑械耐怙@子以不同的組合方式來(lái)表現(xiàn)，使一個(gè)基因在不同時(shí)間、不同環(huán)境中能夠制造出不同的蛋白質(zhì)?？勺兗艚幼饔檬沟鞍踪|(zhì)組的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基因組。AlternatesplicingAlternatesplicingcanberegulateddifferentialsplicingcanoccuratdifferenttimesduringdevelopmentandindifferentcelltypes1234GENE(hnRNA)11233442DifferentmRNAproducts蛋白質(zhì)組與基因組的重要差別之一:蛋白質(zhì)的多樣性stopcodonIstopcodonIIstartcodonDNApre-mRNAstopcodonIstopcodonIIstartcodonstopcodonIIstartcodonstopcodonIstopcodonIIstartcodonAAAAAAAAAAintronexonmRNAIICOOHCOOHH2NH2Nmembrane-boundantibodysecretedantibodyHydrophobicpeptideHydrophylicpeptideplasma-membraneRNAsplicingIgGheavychainencodinggenemRNAIIIItranslationtranscriptionnucleusAlternativesplicing:howonegenegivesrisetodifferentproteinsBlymphocytelightchainheavychainmembrane-boundantibodysecretedantibody蛋白質(zhì)翻譯后修飾

(Post-translationalModifications，PTM)蛋白質(zhì)翻譯后修飾在生命體中具有十分重要的作用，它使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，功能更為完善，調(diào)節(jié)更為精細(xì)，作用更為專一。細(xì)胞內(nèi)的大部分蛋白質(zhì)通常都被進(jìn)行過翻譯后修飾。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)翻譯后修飾方式已超過200種，主要是磷酸化、糖基化、?；?、硝基化、磺基化、脂化、泛素化和水解修飾等。蛋白質(zhì)的翻譯后修飾使數(shù)量有限的編碼基因產(chǎn)生數(shù)量巨大的蛋白質(zhì)。Post-translationalModifications，PTMPTMsarefoundonalltypesofprotein,fromnucleartranscriptionfactorstometabolicenzymes,structuralproteinsandplasma-membranereceptors.PTMsaffectthephysicochemicalpropertiesofproteins,whichprovidesamechanismforthedynamicregulationofmolecularself-assemblyandcatalyticprocessesthroughthereversiblemolecularrecognitionofproteins,nucleicacids,metabolites,carbohydratesandphospholipids.GeneralCharacteristicsAre>200knowntypesPresentonatleast80%ofeukaryoticproteinsFoundinallspeciesLocatedatspecificsequencemotifs(sequons)OftentransientUsuallypresentatsubstoichiometriclevelsOftenacttogetherThisschematicfigureshowsthelocationandroleofaselectionofsomeofthemostimportantofmorethan200typesofpost-translationalmodification(PTM).PhosphorylationcascadesareinvolvedinmanysignallingpathwaysPlasmamembraneproteinscancarryN-glycansThehistonecodecontrolsmanynuclearprocessesNuclearandcytoplasmicproteinscancarryO-glycansVariousmodificationregulatemicrotubulefunctionPlasma-membraneproteinscanbelinkedtothemembranebyaGPIanchorPolyubiquitylationcaninduceproteindegradationAc,acetylgroup;GPI,glycosylphosphatidylinositol;Me,methylgroup;P,phosphorylgroup;Ub,ubiquitin.蛋白質(zhì)的糖基化是低聚糖以糖苷的形式與蛋白上特定的氨基酸殘基共價(jià)結(jié)合的過程。Glycosylation：CarbohydratesaddedtobasicproteinstructureFoldedproteinstructure(schematic)葡萄糖（Glc）

甘露糖（Man）半乳糖（Gal）N-乙酰葡糖胺（GlcNAC）唾液酸，泛指的（Sia）泛素與泛素化以色列科學(xué)家阿龍·切哈諾沃(AaronCiechanover,1947-)、阿夫拉姆·赫什科（AvramHershko,1937-）和美國(guó)科學(xué)家歐文·羅斯（IrwinRose,1926-）因在“泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解”方面的出色研究而獲得2004年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這三位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種被稱為泛素的多肽在需要能量的蛋白質(zhì)降解過程中扮演著重要角色。這種多肽由76個(gè)氨基酸組成，它最初是從小牛的胰臟中分離出來(lái)的。它就像標(biāo)簽一樣，被貼上標(biāo)簽的蛋白質(zhì)就會(huì)被運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)的“垃圾處理廠”，在那里被降解。泛素與泛素化泛素:泛素（Ubiquitin）是由76個(gè)氨基酸組成的高度保守的多肽鏈,因其廣泛分布于各類細(xì)胞而得名。泛素化:泛素共價(jià)地結(jié)合于底物蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基，被泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)將被特異性地識(shí)別并迅速降解，泛素的這種標(biāo)記作用是非底物特異性的。泛素化是細(xì)胞維持對(duì)那些受組成型調(diào)節(jié)和環(huán)境刺激產(chǎn)生的蛋白質(zhì)水平的基本調(diào)節(jié)方式。泛素-蛋白酶體途徑:是真核細(xì)胞內(nèi)重要的蛋白質(zhì)質(zhì)控系統(tǒng)，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞周期進(jìn)程，細(xì)胞增生與分化，以及信號(hào)傳導(dǎo)等多種細(xì)胞生理過程，因此細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)泛素化降解是蛋白質(zhì)重要的轉(zhuǎn)錄后修飾方式之一。Ubiquitin:Proteinsareusuallytaggedforselectivedestructioninproteolyticcomplexescalledproteasomesbycovalentattachmentofubiquitin,asmall,compact,highlyconservedprotein.

Anisopeptidebondlinkstheterminalcarboxylofubiquitintotheε-aminogroupofalysineresidueofa"condemned"protein.UbiquitinIsopeptideBondTargetproteinTargetlysinee-aminogroupUbcarboxyterminusUbiquitination大量研究證實(shí)，這種泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解過程在生物體中的作用非常重要。通常有30％新合成的蛋白質(zhì)通過泛素化被銷毀。因此，可以認(rèn)為，泛素化是一個(gè)把關(guān)的過程，如果它把關(guān)不嚴(yán)，就會(huì)使一些不合格的蛋白質(zhì)蒙混過關(guān)；如果把關(guān)過嚴(yán)，又會(huì)使合格的蛋白質(zhì)供不應(yīng)求。這都容易使生物體出現(xiàn)一系列問題。比如，P53蛋白質(zhì)可以抑制細(xì)胞發(fā)生癌變，但如果對(duì)P53蛋白質(zhì)的生產(chǎn)把關(guān)不嚴(yán)，就會(huì)導(dǎo)致人體抑制細(xì)胞癌變的能力下降，誘發(fā)癌癥。泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解在生物體中如此重要，因而對(duì)它的開創(chuàng)性研究也就具有了特殊意義。目前，在世界各地的很多實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)和研究與這一降解過程相關(guān)的細(xì)胞新功能。這些研究對(duì)進(jìn)一步揭示生物的奧秘，以及探索一些疾病的發(fā)生機(jī)理和治療手段具有重要意義。泛素化過程(死亡之吻)Phosphorylation磷酸化是通過蛋白質(zhì)磷酸化激酶將ATP的磷酸基轉(zhuǎn)移到蛋白的特定位點(diǎn)上的過程。大部分細(xì)胞過程實(shí)際上是被可逆的蛋白磷酸化所調(diào)控的,至少有30%的蛋白被磷酸化修飾。

磷酸化的作用位點(diǎn)為蛋白上的Ser,Thr,Tyr殘基。在磷酸化調(diào)節(jié)過程中酶，細(xì)胞的形態(tài)和功能都發(fā)生改變。

可逆的磷酸化過程幾乎涉及所有的生理及病理過程，如細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、腫瘤發(fā)生、新陳代謝、神經(jīng)活動(dòng)、肌肉收縮以及細(xì)胞的增殖、發(fā)育和分化等。

Acetylation乙?；彩羌?xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)翻譯后修飾的一種重要形式。組蛋白等許多蛋白都可以發(fā)生乙?；?。

Palmitoylation

棕櫚?；?十六(烷)?；?蛋白質(zhì)棕櫚?；堑鞍踪|(zhì)翻譯后脂質(zhì)共價(jià)修飾的一種重要形式,對(duì)象主要是胞質(zhì)蛋白質(zhì)。對(duì)蛋白質(zhì)功能產(chǎn)生多重影響。磷酸化棕櫚?；腔瘬p傷損傷泛素化泛素化Approximately200differenttypesofposttranslationalmodificationshavebeenreported.Thelifecycleof

aproteinFactorendiebijdragenaandecomplexiteitvanhetproteoomaantalgenen6,20019,00032,000Alternatievesplicing-/++++++aantalverschillendedomeinen3001,0001,800multi-domeineiwitten++++++Post-translationalModifications

++++++Fosforylering,Glycosylering,Acetylering,Carboxylering,Sulfatering,Proteolytische,Klieving,Myristoylering,ADP-ribosylering,UbiquitineringProteomecomplexity30000多個(gè)基因120000種可能的mRNA24000000種可能的蛋白質(zhì)同型異構(gòu)體(proteinisoforms)預(yù)計(jì)有2000000種行使功能的蛋白質(zhì)4～6種可變剪切形式＞200種的翻譯后修飾(PTM)方式預(yù)計(jì)的基因組與蛋白質(zhì)組的數(shù)量關(guān)系蛋白質(zhì)組與基因組的重要差別

之二：時(shí)空性在測(cè)定基因組的DNA序列時(shí)不需要考慮時(shí)空的影響。在蛋白質(zhì)組的研究中，時(shí)間和空間的影響都是不可忽略的。1.在個(gè)體發(fā)育的不同階段或細(xì)胞的不同活動(dòng)時(shí)期，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)種類是不一樣的。2.不同蛋白質(zhì)的壽命也不一樣。有些蛋白質(zhì)在合成后成為細(xì)胞的結(jié)構(gòu)成分，相當(dāng)穩(wěn)定；而有些蛋白質(zhì)在產(chǎn)生后被用來(lái)進(jìn)行某種細(xì)胞活動(dòng)，比如基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，工作一旦完成就被迅速降解。3.不同的蛋白質(zhì)通常分布在細(xì)胞的不同部位，它們的功能與其空間定位密切相關(guān)。要想真正了解蛋白質(zhì)的功能，通常還需要知道蛋白質(zhì)所處的空間位置。4.更為重要的是，許多蛋白質(zhì)在細(xì)胞里不是靜止不動(dòng)的，它們?cè)诩?xì)胞里常常通過在不同亞細(xì)胞環(huán)境里的運(yùn)動(dòng)發(fā)揮作用。例如細(xì)胞周期的調(diào)控過程、細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控，都依賴于蛋白質(zhì)空間位置的變化和運(yùn)動(dòng)。因此，在進(jìn)行蛋白質(zhì)組分析時(shí)，需要把時(shí)間和空間作為重要的參數(shù)。/cells/animals/animalmodel.html蛋白質(zhì)間主要以相互作用的形式參與生命活動(dòng)。也許可以說，不與其他蛋白質(zhì)發(fā)生作用的“孤立蛋白質(zhì)”根本就不存在。蛋白質(zhì)之間的相互作用大致有三類一、與生命活動(dòng)相關(guān)的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)；二、結(jié)構(gòu)型或功能型蛋白質(zhì)復(fù)合體的形成，包括：多亞基蛋白質(zhì)、多成分的蛋白質(zhì)復(fù)合物等；三、控制著重要細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)的、瞬時(shí)的蛋白質(zhì)相互作用。蛋白質(zhì)組與基因組的重要差別

之三：相互作用Anne-ClaudeGavin,etal.Nature,2002,Vol.415,p141-147FunctionalorganizationoftheyeastproteomebysystematicanalysisofproteincomplexesTheproteincomplexnetwork,andgroupingofconnectedcomplexes.

作者提出,真核生物蛋白質(zhì)組是一個(gè)多蛋白復(fù)合體網(wǎng)絡(luò).

圖中不同的彩色代表不同的多蛋白復(fù)合體,如:細(xì)胞周期;信號(hào)傳導(dǎo);轉(zhuǎn)錄;DNA保持;染色體結(jié)構(gòu);蛋白質(zhì)和RNA運(yùn)輸;RNA代謝;蛋白質(zhì)合成;能量代謝;膜生物合成等.英國(guó)、德國(guó)及丹麥科學(xué)家近日研究表明，人類和果蠅等簡(jiǎn)單有機(jī)體的巨大差別不在于基因數(shù)，而在于他們體內(nèi)蛋白質(zhì)相互作用（proteininteractions）的數(shù)量。研究人員將人體內(nèi)蛋白質(zhì)相互作用的總數(shù)稱作“人類相互作用組”（humaninteractome），意在與人類基因組相比較。在最新的研究中，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院生命科學(xué)系的MichaelStumpf和同事設(shè)計(jì)了一種新穎的數(shù)學(xué)工具，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)能夠估計(jì)出一個(gè)有機(jī)體蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的尺寸。結(jié)果顯示，人體內(nèi)蛋白質(zhì)相互作用的數(shù)量大約為65萬(wàn)，是果蠅的10倍，是單細(xì)胞酵母等的20倍。這與之前基因數(shù)的比較結(jié)果相差巨大——人類的基因數(shù)與果蠅的基因數(shù)相比，二者相差不到2倍。Stumpf說：“僅僅了解人類基因組肯定不足以解釋我們與其它物種的差別。我們的研究表明，蛋白質(zhì)相互作用應(yīng)該是一把開啟生物體之間差別程度原因之鎖的鑰匙?！比梭w內(nèi)蛋白質(zhì)相互作用的數(shù)量

MichaelP.H.Stumpf,etal.

Estimatingthesizeofthehumaninteractome.PNAS,2008,105:6959-6964蛋白質(zhì)相互作用的網(wǎng)絡(luò)圖譜德國(guó)海德堡的科學(xué)家ErichE.Wanker等為系統(tǒng)檢測(cè)人類蛋白質(zhì)間相互作用，選擇了4456個(gè)誘餌蛋白和5632個(gè)獵物蛋白，采用酵母雙雜交方法進(jìn)行研究。結(jié)果，在1705種蛋白質(zhì)間之間確定了3186種新的相互作用關(guān)系。采用免疫共沉淀和Pull-down技術(shù)驗(yàn)證了這一結(jié)果。通過拓?fù)鋵W(xué)等評(píng)價(jià)，至少確認(rèn)了401種蛋白質(zhì)間有911種相互作用聯(lián)系。進(jìn)一步研究這些蛋白質(zhì)間相互作用與人類疾病的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了至少兩個(gè)新的與Axin-1相互作用的蛋白質(zhì)ANP32A和CRMP1能夠調(diào)節(jié)Wnt信號(hào)通路，從而影響發(fā)育，腫瘤等。雖然這僅僅篩選了這兩個(gè)新蛋白，但可以肯定的是，這一研究成果中包含有大量的重要信息有待更深入地發(fā)掘。ErichE.Wankeretal.AHumanProtein-ProteinInteractionNetwork:AResourceforAnnotatingtheProteome.Cell,2005(122):957～968

蛋白質(zhì)相互作用的重要意義200種蛋白質(zhì)及2000種組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析后，發(fā)現(xiàn)其中三分之一的蛋白質(zhì)相互組合會(huì)導(dǎo)致疾病，容易導(dǎo)致疾病的蛋白質(zhì)和其它蛋白質(zhì)結(jié)合以后也將變得十分活躍，致使發(fā)病和病情惡化。絕大多數(shù)疾病都是由10萬(wàn)種以上的特定蛋白質(zhì)相互作用所致。蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用和識(shí)別在諸如生物催化、轉(zhuǎn)運(yùn)、信號(hào)傳導(dǎo)、免疫、細(xì)胞調(diào)控等多種生命過程起著重要的作用?？梢哉f，蛋白質(zhì)間的相互作用、相互協(xié)調(diào)是細(xì)胞進(jìn)行一切代謝活動(dòng)的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用控制著生命的各個(gè)過程，決定著幾乎所有的生物功能，是整個(gè)生命結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的基礎(chǔ)和重要特征之一。細(xì)胞各種重要的生理過程，包括信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞對(duì)外界環(huán)境及內(nèi)環(huán)境變化的反應(yīng)等，都是以蛋白質(zhì)間相互作用為紐帶，并形成網(wǎng)絡(luò)。高等動(dòng)物基因組已有的研究結(jié)果也表明，調(diào)節(jié)生物體復(fù)雜性的不是基因數(shù)量的增加，而是基于更為復(fù)雜的蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)間發(fā)生的相互作用。蛋白質(zhì)之間的相互作用不限于過去認(rèn)識(shí)到的連鎖反應(yīng)或級(jí)聯(lián)反應(yīng)，它是一個(gè)復(fù)雜交錯(cuò)和具有精密調(diào)控的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，因此，要了解細(xì)胞的功能，必須從孤立情況下和與別的蛋白質(zhì)相互作用情況下這兩個(gè)層面來(lái)認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的功能。相對(duì)來(lái)說，基因之間并不發(fā)生這種直接的相互作用。Proteomics-TheStudyoftheProteomeGenomicsSequencemRNAProteinProductFunctionalproteinTranscriptionalcontrolTranslationalcontrolPost-translationalcontrolmRNAstabilitymRNAsecondarystructureproteinprocessingproteinmodificationproteinstabilityproteincomplexformation(LevelsofControl)Information:CriticaltoUnderstandingDiseaseMechanisms35,000Genes>1,000,000ProteinsⅤ、蛋白質(zhì)組學(xué)的研究策略與研究模式提取的樣品蛋白質(zhì)或多肽BottomUp策略TopDown策略蛋白質(zhì)分離高分辨MS/MS質(zhì)譜鑒定,序列分析雙向電泳分離電泳策略酶解得到肽混合物質(zhì)譜測(cè)定肽質(zhì)量指紋譜（MALDI-MS,ESI-MS)利用質(zhì)譜分析數(shù)據(jù),以分析軟件通過互聯(lián)網(wǎng)上的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索目標(biāo)蛋白質(zhì)Shotgun策略酶解得到肽混合物多維色譜分離MS/MS質(zhì)譜鑒定,

序列分析MS分析m/z譜比較分析蛋白質(zhì)功能分析(westernblot、免疫組織化學(xué)、激光共聚焦顯微技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù))

/ilab/fallbiosem/documents/2380/home/leduc-090205.pptTop-downversusbottom-upproteomicsTop-downAdvantagesCompleteproteinsequenceaccessPTMlocationNoproteindigestionrequiredDisadvantagesMSequipmentsareexpensivetopurchaseandoperateDoesnotworkwellforlargeproteins(>50kDa)LimitationincouplingwithonlineseparationsProteinfragmentationpoorlyunderstoodBottom-upAdvantagesMorematuretechniqueCanbefullyautomatedFeasibleforcomplicatedsamplesQuantificationDisadvantagesPartialsequencecoverageLossofinformationofPTMsLossofinformationaboutlow-abundanceproteins蛋白質(zhì)組學(xué)通常分為4種研究模式1、完全蛋白質(zhì)組學(xué)，是檢測(cè)特定細(xì)胞或組織內(nèi)所有蛋白質(zhì)組成、定位、理化參數(shù)等；2、功能蛋白質(zhì)學(xué)，研究與某一功能相關(guān)的所有蛋白質(zhì)；3、修飾蛋白質(zhì)組學(xué)，研究蛋白質(zhì)修飾，如甲基化、磷酸化、泛素化等；4、比較蛋白質(zhì)組學(xué)（差異蛋白質(zhì)組學(xué)），通過比較分析不同狀態(tài)下細(xì)胞或組織蛋白質(zhì)表達(dá)圖譜，著重研究不同生物體在不同時(shí)刻或狀態(tài)下蛋白質(zhì)表達(dá)的變化情況，發(fā)現(xiàn)與特定生理病理狀態(tài)密切相關(guān)的差異表達(dá)蛋白，從而闡明特定生理病理狀態(tài)產(chǎn)生的本質(zhì)規(guī)律。PandeyA,MannM.Proteomicstostudygenesandgenomes.Nature,2000,405(6788):837-846.比較蛋白質(zhì)組學(xué)比較蛋白質(zhì)組學(xué)（ComparativeProteomics）針對(duì)不同空間、不同時(shí)間上動(dòng)態(tài)變化著的蛋白質(zhì)組的整體進(jìn)行比較，分析不同蛋白質(zhì)組之間在表達(dá)數(shù)量、表達(dá)水平和修飾狀態(tài)上的差異，可以發(fā)現(xiàn)與病變相關(guān)的特異蛋白質(zhì)。ComparativeProteomics：StudytheproteomicchangesindifferentstatesbyidentifyingdifferentiallyexpressedproteinsandtheirmodificationComparativeProteomicsPurposes：TherapeutictargetdiscoveryDiagnostic/prognosticmarkerdevelopmentMechanisticstudy空間上的差異時(shí)間上的差異NDNDND01000994.5245.9228.9186.9175.1171.3159.044.069.9893.41056.11326.71923.42100.66002200624.3769.8994.51501.91759.86002200attttaaaatattcctatttaaaaaaaatgaaatta

MKLgatccatcaaaatgtgttcaagtttcaatctctggtttaaaacaaataaatactcagcttacttgtaatggt

gaaccttgtaatactccaacagttacaccaacaacaccaactggaccattaaaatttaattataaattagataatgtacactattatcaatatagagttacagtaaca

RV-

ADDQFRVEDFSI

NFYYALALKSYD

EPCNTPTVTPTT

PTGPLKFNYKLD

比較蛋白質(zhì)組學(xué)的研究模式startingtissuesamplepoints2-DEmap

differentiallyexpressedspotspeptideMSandMS-MSproteinsequencemetabolicdrugtargetsNDMassspectrometry比較蛋白質(zhì)組學(xué)研究具有的優(yōu)勢(shì)：1、在技術(shù)上有更高的可實(shí)現(xiàn)性，目前的研究技術(shù)還難以把細(xì)胞內(nèi)所有的蛋白質(zhì)展現(xiàn)出來(lái)；2、可以反映蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)本質(zhì)；3、具有廣泛和明確的應(yīng)用前景，如疾病生物標(biāo)記物的研究等。目前蛋白質(zhì)組研究中的主流技術(shù)ProteomeSeparation1DE2DEMulti-dimensionalHPLCBio–massSpectrometry

MALDITOFMSESIMSHybridMS/MSBioinformatics

DatabasesToolsandSoftwares二維電泳圖譜所傳達(dá)的信息蛋白質(zhì)的分布范圍(偏酸性或偏堿性)表達(dá)蛋白質(zhì)的可能個(gè)數(shù)(凝膠點(diǎn)的數(shù)目)蛋白質(zhì)的的大概相對(duì)分子量蛋白質(zhì)的的大概相對(duì)等電點(diǎn)蛋白質(zhì)相對(duì)表達(dá)豐度(點(diǎn)的灰度值)但是，通過二維電泳分離不能得到完整