蛋白質(zhì)組學與分析技術(shù)第一講

蛋白質(zhì)組學與分析技術(shù)任課教師：邱德文楊秀芬曾紅/p>

qiudewen@中國農(nóng)科院植物保護研究所課程名稱：蛋白質(zhì)組學與分析技術(shù)英文名稱：ProteomicsanditsAnalysisTechnology

講課課時：56學分：3蛋白質(zhì)組學與分析技術(shù)課程教學大綱教學目的和要求教學對象：中國農(nóng)科院碩士研究生知識背景：要求選修該課的學生基本掌握有關生物化學、分子生物學、普通生物學等相關農(nóng)業(yè)學科的基本理論及實驗方法。目的：通過農(nóng)業(yè)蛋白質(zhì)應用技術(shù)與實踐學習掌握蛋白質(zhì)組學的基本概念和學習了解蛋白質(zhì)組學的現(xiàn)代分析技術(shù)。要求：通過課程的學習要求選修課程的學生熟知和掌握一個以上的蛋白質(zhì)組學的分析技術(shù)及方法，促進蛋白質(zhì)分析技術(shù)在今后研究生科研工作中的運用。課程重點與難點教學方法與教學設備要求：課堂講解及提問討論，多媒體教學與黑板書寫相結(jié)合重點：講授蛋白質(zhì)組學的基本理論所涉及的研究內(nèi)容（蛋白質(zhì)分離純化及制備）及分析技術(shù)（蛋白質(zhì)相互作用、液質(zhì)聯(lián)儀及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的分析技術(shù)）；難點：該課程內(nèi)容多所設及的分析技術(shù)面廣，有關儀器設備難以普及，實驗費用比較高目前不能安排相關試驗課程，所以有關內(nèi)容比較抽象。課程內(nèi)容：蛋白質(zhì)組學主要講授內(nèi)容第一章蛋白質(zhì)組學概念一、蛋白質(zhì)組學概念二、蛋白質(zhì)組學研究與分析技術(shù)特點三、蛋白質(zhì)組學研究目的和意義四、蛋白質(zhì)組學研究技術(shù)簡介五、蛋白質(zhì)組學與分析技術(shù)課參考書第二章蛋白質(zhì)分離和提取的技術(shù)與方法一、蛋白質(zhì)的分離技術(shù)二、蛋白質(zhì)樣品的制備原則三、從生物樣品中抽提蛋白質(zhì)時需要考慮的幾個因素四、影響蛋白質(zhì)純化的因素五、蛋白純化技術(shù)六、蛋白質(zhì)的濃縮技術(shù)七、蛋白質(zhì)組學與分析技術(shù)課參考書第三章蛋白質(zhì)電泳分析技術(shù)一、蛋白電泳類型二、2-DE電泳的蛋白樣品制備技術(shù)三、2-DE電泳技術(shù)三、2-DE分離后的蛋白檢測四、蛋白質(zhì)電泳圖像分析五、雙向凝膠電泳面臨的問題第四章蛋白質(zhì)層析分析技術(shù)與方法一、吸附層析（AdsorptionChromatography）二、離子交換層析(IonExchangeChromatography，IEC)三、凝膠過濾層析(gelfiltrationchromatograpHy)四、親和層析(affinitychromatograpHy)五、聚焦層析(focusingchromatography)六、蛋白質(zhì)的分析制備七、高效液相層析與質(zhì)譜分析第五章高效液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用儀在蛋白質(zhì)組學中的應用一、高效液相色譜發(fā)展歷史二、高效液相色譜的儀器組成、應用及特點三、樣品的預處理技術(shù)四、高效液相色譜法的固定相和流動相的選擇五、液相色譜法的蛋白質(zhì)分離六、高效液相色譜的定性分析七、高效液相色譜在蛋白質(zhì)研究中的應用八、質(zhì)譜（MassSpectrometry，MS）第六章PCR技術(shù)在蛋白質(zhì)組學中的應用

一、PCR的發(fā)展概況二、PCR技術(shù)的基本原理三、PCR的反應動力學四、PCR擴增產(chǎn)物五、PCR循環(huán)的主要參數(shù)六、PCR相關技術(shù)第七章基因文庫與cDNA文庫在蛋白質(zhì)中的應用

一、基因文庫二、基因文庫的分析方法與技術(shù)三、cDNA文庫四、cDNA文庫的分析方法與技術(shù)第八章基因芯片技術(shù)在蛋白質(zhì)組學中的應用

一、基因芯片技術(shù)及應用二、基因芯片操作流程圖三、基因芯片操作實例第九章酵母雙雜交技術(shù)在蛋白質(zhì)組學中的應用

一、酵母雙雜交的基本原理二、酵母雙雜交系統(tǒng)的應用三、酵母雙雜交體系的實驗程序四、酵母雙雜交系統(tǒng)的優(yōu)缺點五、酵母雙雜交技術(shù)應用的趨勢及展望第十章基因敲除和RNA干擾技術(shù)在蛋白質(zhì)組學中應用

一、基因敲除的原理二、基因敲除技術(shù)的分析與應用三、RNA干擾原理四、RNA干擾技術(shù)的分析與應用第十一章蛋白質(zhì)表達系統(tǒng)的建立及應用

一、各種蛋白質(zhì)表達系統(tǒng)及其特點二、在大腸桿菌中表達蛋白三、問題探討四、蛋白質(zhì)在植物中的表達第十二章蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能解析一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的歷史回顧三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀四、蛋白質(zhì)單晶的培養(yǎng)五、生物大分子結(jié)構(gòu)的測定六、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的最新方法參考書1、《蛋白質(zhì)組學導論》[美]D.C.利布萊爾.科學出版社2、《蛋白質(zhì)化學與蛋白質(zhì)組學》.夏其昌，曾嶸.科學出版社3、《蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析：制備、鑒定與微量測定.》[德]RM坎普.科學出版社4、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)組學實驗指南》（影印版）.[澳]R.J.辛普森5、《蛋白質(zhì)組學》[中]錢小紅賀福初.科學出版社6、《蛋白質(zhì)組學原理》[英]特懷曼.化學工業(yè)出版社7、《藥物研究中的蛋白質(zhì)組學》[美]哈馬馳科學出版社8、《植物基因組學與蛋白質(zhì)組學》[英]卡利斯化學工業(yè)出版社9、《基因組學、蛋白質(zhì)組學與疫苗》[意]格蘭迪10、《藥物蛋白質(zhì)組學》[中]郭葆玉人民衛(wèi)生出版社11、《基因組研究手冊基因組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學、信息生物學、倫理學和法律問題》[加拿大]森森科學出版社12、《蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)組學：生命科學新視野2》[英]索倫森科學出版社13、《BayesianInferenceforGeneExpressionandProteomics基因表達與蛋白質(zhì)組學貝氏分析》MarinaVannucci14、《蛋白質(zhì)生物農(nóng)藥》[中]邱德文等.科學出版社考試方式課程論文：20%，根據(jù)所學蛋白質(zhì)組學的概念和蛋白質(zhì)組學在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用與蛋白質(zhì)組學的現(xiàn)代分析技術(shù)和研究方法結(jié)合個人的科學研究或設想提出一個蛋白質(zhì)組學分析技術(shù)的科學研究技術(shù)路線和主要研究內(nèi)容。平時成績：20%（課堂回答及出勤）期末考試（筆試）：60%第一章蛋白質(zhì)組學的概念蛋白質(zhì)組學是研究與基因?qū)牡鞍踪|(zhì)組的學科，蛋白質(zhì)組（proteome）一詞，源于蛋白質(zhì)（protein）與基因組（genome）兩個詞的雜合，意指“一種基因組所表達的全套蛋白質(zhì)”,即包括一種細胞乃至一種生物所表達的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學（proteomics）：MarcWilkins20世紀90年代早期提出的，有“基因組學”（genomics）和蛋白質(zhì)（protein）組合而成。蛋白質(zhì)組學的研究是生命科學進入后基因時代的特征。90年代初期開始實施的人類基因組計劃，在經(jīng)過各國科學家近20年的努力下，已經(jīng)取得了巨大的成就。完成了人類基因的測序及二十余種模式生物（從大腸桿菌、釀酒酵母到線蟲）基因組全序列的測定工作?；虻谋磉_方式錯綜復雜，同樣的一個基因在不同條件、不同時期可能會起到完全不同的作用。關于這些方面的問題，基因組學是無法回答的。所以，科學家們進一步提出了后基因組計劃，蛋白質(zhì)組（proteome）研究是其中一個很重要的內(nèi)容。

蛋白質(zhì)組學是后基因組時代功能基因組學研究的新興學科和熱點領域。目前，蛋白質(zhì)組學已從早期用雙向電泳和凝膠蛋白鑒定進行蛋白質(zhì)表達譜研究擴展到蛋白質(zhì)研究的幾乎所有方面，如蛋白質(zhì)相互作用、翻譯后修飾、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)胞內(nèi)移位等，可以理解為大規(guī)模研究蛋白質(zhì)相關問題的學科。蛋白質(zhì)的特征蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。它是與生命及與各種形式的生命活動緊密聯(lián)系在一起的物質(zhì)。蛋白質(zhì)占人體重量的16%-20%。蛋白質(zhì)是生物體中廣泛存在的一類生物大分子，由核酸編碼的α氨基酸之間通過α氨基和α羧基形成的肽鍵連接而成的肽鏈，經(jīng)翻譯后加工而生成的具有特定立體結(jié)構(gòu)的、有活性的大分子。蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)氨基酸序列為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序，以及二硫鍵的位置。TLYMSPDYAATTLEGLFHThr-Leu-Tyr-Met-Ser-Pro-Asp-Tyr-Ala-Ala-Thr-Thr-Leu-Glu-Gly-Leu-Phe-His蘇氨酸－亮氨酸－酪氨酸－甲硫氨酸－絲氨酸－脯氨酸－天冬氨酸－酪氨酸－丙氨酸－丙氨酸－蘇氨酸－蘇氨酸－亮氨酸－谷氨酸－甘氨酸－亮氨酸－苯丙氨酸－組氨酸蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子局區(qū)域內(nèi)，多肽鏈沿一定方向盤繞和折疊的方式，主要為Beta折疊和Alpha螺旋結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)基礎上借助各種次級鍵卷曲折疊成特定的球狀分子結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)：多亞基蛋白質(zhì)分子中各個具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈，以適當?shù)姆绞骄酆纤纬傻牡鞍踪|(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)組對應于基因組的所有蛋白質(zhì)構(gòu)成的整體，不是局限于一個或幾個蛋白質(zhì)。同一基因組在不同細胞、不同組織中的表達情況各不相同。在空間和時間上動態(tài)變化著的整體。蛋白質(zhì)組學（Proteomics）指應用各種技術(shù)手段來研究蛋白質(zhì)組的一門新興科學；其目的是從整體的角度分析細胞內(nèi)動態(tài)變化的蛋白質(zhì)組成成分、表達水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系，揭示蛋白質(zhì)功能與細胞生命活動規(guī)律。功能蛋白質(zhì)組學（functionalproteomics）功能蛋白質(zhì)組：細胞在一定階段或與某一生理現(xiàn)象相關的所有蛋白質(zhì)。介于對個別蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)蛋白質(zhì)化學研究和以全部蛋白質(zhì)為研究對象的蛋白質(zhì)組學之間。從局部入手研究蛋白質(zhì)組的各個功能亞群體；將多個亞群體組合起來，逐步描繪出接近于生命細胞的“全部蛋白質(zhì)”的蛋白質(zhì)組圖譜。蛋白質(zhì)組學強調(diào)的是針對蛋白質(zhì)的一個整體思路，蛋白質(zhì)組學自其出現(xiàn)起，就有兩種研究策略。一種可稱為“窮盡法”或“竭澤法”，即采用高通量的蛋白質(zhì)組學研究技術(shù)，力圖查清生物體內(nèi)一切蛋白質(zhì)，這種大規(guī)模系統(tǒng)性的策略較為符合蛋白質(zhì)組學的本質(zhì)。另一種策略是“差異法”（也稱為“功能法”）它著重于尋找和篩選任何有意義的因素引起的不同樣本之間的差異蛋白質(zhì)譜，試圖揭示細胞對此因素的反應途徑、進程與本質(zhì)，同時獲得對某些關鍵蛋白的認識和功能分析。這種方法更趨向于把蛋白質(zhì)組學作為研究生命現(xiàn)象的手段和方法，技術(shù)上具有更高的可實現(xiàn)性，是目前蛋白質(zhì)組學在應用上最具前景的領域。蛋白質(zhì)組學的研究內(nèi)容主要有兩個方面結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學和功能蛋白質(zhì)組學；結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學主要是蛋白質(zhì)表達模式的研究，包括蛋白質(zhì)氨基酸序列分析及空間結(jié)構(gòu)的解析，蛋白質(zhì)表達模式的研究室蛋白質(zhì)組學研究的基礎內(nèi)容，主要研究特定條件下某一細胞或組織的所有蛋白質(zhì)的表征問題；功能蛋白質(zhì)組學主要是蛋白質(zhì)功能模式的研究，包括蛋白質(zhì)的功能和蛋白質(zhì)間的相互作用。蛋白質(zhì)的功能模式的研究是蛋白質(zhì)組學研究的最終目標，目前主要集中在蛋白質(zhì)組相互作用網(wǎng)絡關系的研究，它是要揭示蛋白質(zhì)組成員間的相互作用、相互協(xié)調(diào)的關系，并深層次了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的相互關系，以及基因的結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關系。978Cell136,March6,2009蛋白質(zhì)組學與分析技術(shù)特點

蛋白質(zhì)組學的發(fā)展既是技術(shù)所推動的也是受技術(shù)限制的。蛋白質(zhì)組學研究成功與否，很大程度上取決于其技術(shù)方法水平的高低。蛋白質(zhì)研究技術(shù)遠比基因技術(shù)復雜和困難。不僅氨基酸殘基種類遠多于核苷酸殘基（20/4）,而且蛋白質(zhì)有著復雜的翻譯后修飾，如磷酸化和糖基化等，給分離和分析蛋白質(zhì)帶來很多困難。此外，通過表達載體進行蛋白質(zhì)的體外擴增和純化也并非易事，從而難以制備大量的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學的興起對技術(shù)有了新的需求和挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)組的研究實質(zhì)上是在細胞水平上對蛋白質(zhì)進行大規(guī)模的平行分離和分析，往往要同時處理成千上萬種蛋白質(zhì)。因此，發(fā)展高通量、高靈敏度、高準確性的研究技術(shù)平臺是現(xiàn)在乃至相當一段時間內(nèi)蛋白質(zhì)組學研究中的主要任務。

蛋白質(zhì)組學與分析技術(shù)特點內(nèi)容多：蛋白質(zhì)組作圖、蛋白質(zhì)組成分鑒定、蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、新型蛋白質(zhì)發(fā)掘、蛋白質(zhì)差異顯示、同工體比較、基因產(chǎn)物識別、基因功能鑒定、基因調(diào)控機制分析、細胞周期、細胞分化與發(fā)育、腫瘤發(fā)生與發(fā)展、環(huán)境反應與調(diào)控、物種進化、新型藥物靶分子、人體病理介導分子、病原菌毒性成分、植物信號識別、植物誘導抗性、免疫增產(chǎn)激發(fā)子、抗蟲蛋白晶體、植物病害毒素、植物致病相關蛋白等等。分析技術(shù)面廣：氨基酸組分、序列測定；SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳；毛細管電泳；高效液相色譜；質(zhì)譜；液質(zhì)聯(lián)儀；毛細管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用；雙向凝膠電泳；蛋白質(zhì)芯片；蛋白質(zhì)生物信息學；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能；園二色譜；X光衍射；高能輻射；蛋白質(zhì)雜交技術(shù)；蛋白質(zhì)酶學技術(shù)。蛋白質(zhì)組學與分析技術(shù)特點分析技術(shù)面廣：氨基酸組分、序列測定；SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳；毛細管電泳；高效液相色譜；質(zhì)譜；液質(zhì)聯(lián)儀；毛細管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用；雙向凝膠電泳；蛋白質(zhì)芯片；蛋白質(zhì)生物信息學；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能；園二色譜；X光衍射；高能輻射；蛋白質(zhì)雜交技術(shù)；蛋白質(zhì)酶學技術(shù)。蛋白質(zhì)組學研究的最終目標

闡明生命細胞進行代謝、信號傳導和調(diào)控網(wǎng)絡的組織結(jié)構(gòu)和動力學，并理解這些網(wǎng)絡如何在病理中失去功能，又如何通過干預如藥物和基因改變它們的功能。幾乎所有的生理和病理過程，以及藥物和環(huán)境因子的作用都依賴于蛋白質(zhì)，并引起蛋白質(zhì)的變化。反之，對蛋白質(zhì)組變化的分析也能提供對上述過程或結(jié)果的重要信息。蛋白質(zhì)組的研究不僅為生命活動規(guī)