淺談蛋白質組學的研究進展

馮雅子瑄

摘 要：目的：幫助公眾了解蛋白質組學。方法：以文獻研究為主，對蛋白質組學技術的研究進展和應用進行梳理。結果：蛋白質組學是一類以蛋白質體系為研究對象的新技術，目前其主要進展包括高效的樣品預處理技術、高準確度高覆蓋的蛋白質定性與定量分析技術、蛋白質相互作用組分析技術上，并在妊娠期母胎疾病診斷、食品鑒偽、藥用植物研究等方面取得了突破性應用。結論：蛋白質組學對于生命科學領域的基礎研究和人類健康保健技術發展有著重要意義。

關鍵詞：蛋白質組學;研究進展;應用;母胎疾病診斷;骨質疏松癥防治;食品鑒偽

中圖分類號：Q51 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0194-02

0 引言

蛋白質組學是后基因組計劃中的重要研究部分，它是一個蛋白質研究和基因組學相結合而產生的新領域，受到科學研究者們極大的重視。簡單來講，蛋白質組學就是以蛋白質為研究對象，只不過該研究是在更整體、更全面的層次上進行。蛋白質組學注重如何動態描述基因調節，通過對細胞、組織或生物體蛋白質組成及其變化規律的研究，解釋基因表達調控的機制。從本質上講，蛋白質組學的研究集中在蛋白質的表達、翻譯后的修飾以及蛋白與蛋白間相互作用，從而幫助科學家在蛋白質水平上認識疾病機理，了解細胞生成代謝過程。蛋白質組學為人類探索生命的起源和發展提供了技術手段和理論基礎，還對人類健康事業（比如疾病機理、疾病預防、疾病治療）的發展起著極為重要的作用。

1 蛋白質組學的研究進展

1.1 高效的樣品預處理技術

高度復雜的生物樣品始終是蛋白質組學研究中的難題。高效地完成樣品預處理，使被測組分全部轉入溶液，能夠在很大程度上降低生物樣品的復雜度。但是如何解決疏水性膜蛋白質溶解困難問題、減少生物樣品中的低豐度蛋白質在提取時的損失仍是蛋白質組預處理技術的關鍵。

中國科學院的張麗華教授發現氯化-1-十二烷基-3-甲基咪唑離子液體具有用于蛋白質預處理的輔助增溶優點，比如該離子液體酶活和質譜兼容性好、溶解能力強等。通過使用該液體，蛋白質檢測的靈敏度有了很大提高[1]。對于微量細胞中的蛋白質檢測問題，鄒漢法教授利用了十二烷基麥芽糖苷，它能夠從10000個細胞中鑒定到近500個糖基化位點。另外一種蛋白質預處理技術為自由流電泳，該方法分離條件溫和、無固體支持介質，并且可以實現持續性分離，很早就被應用于亞細胞器的分離。在傳統自由流電泳方法基礎上，曹成喜教授增加了熱電制冷模塊，所發明的循環式自由流電泳系統進一步提高了流電泳方法的效果。

1.2 高準確度高覆蓋的蛋白質定性與定量分析技術

受制于檢測技術，之前的蛋白質組學多集中在定性研究。目前，隨著傳感器技術、電子元器件的發展，高精準、高覆蓋定量分析成為蛋白質組學的兩個重要方向。隨著基于生物信息學的海量數據處理技術的進步，生物質譜技術成為定量分析蛋白質組的主要支撐技術。該方法通過測定生物樣品中離子質荷比來分析生物樣品的成分和結構，顯著提高了定量的精準度，有著很好的應用前景[2]。此外，蛋白質組深度覆蓋定量技術還可以高效的預處理為基礎，比如針對細胞表面糖蛋白的糖鏈，基于酰肼化學等原理，研制可一步富集質膜的親和材料，進而實現質膜蛋白質組的深度覆蓋定量分析;為了提高蛋白質組定量的覆蓋度，針對外泌體的磷脂雙分子層，研制可一步富集外泌體的親和材料，進而實現外泌體蛋白質組的深度覆蓋定量分析等。

1.3 蛋白質相互作用組分析技術

精準解析蛋白質復合體是當前研究的熱門課題，也是蛋白質組的重要研究對象[3]。蛋白質-蛋白質間的相互作用控制著生命的各個過程，是整個生命體結構和生命活動的基礎和特征。蛋白質相互作用組分析技術主要包含酵母雙雜交技術、串聯親和純化技術、化學交聯結合質譜技術。

酵母雙雜交技術靈敏度極高，理論上可以檢測到蛋白質-蛋白質間所有可能的相互作用。即使蛋白質間極其微弱或是瞬間的相互作用，也可以通過監測基因的表達產物進行揭示。但是它只能定位細胞核內的相互作用，翻譯后修飾的蛋白無法定位。另外某些蛋白本身可以發揮激活作用，使轉錄在無特異激活結構域的情況下進行，表面具有能與蛋白質結合產生復合物的低親和力區域，都會產生“假陽性”結果。串聯親和純化技術多用于研究蛋白質復合體中多個蛋白質間的相互作用，特別適用于研究蛋白質在生理條件下的相互作用，是快速純化蛋白質復合物及其相關蛋白質的一類方法。它的局限性在于串聯親和純化標簽的引入可能影響靶蛋白與親和柱結合，細胞解裂會影響親和串聯純化標簽的表達，細胞內部的作用會影響第二次純化。化學交聯結合質譜技術分析速度快、通量高、成本低、對蛋白質各方面性狀要求低，是近幾年的熱門技術。比如董夢秋教授在Leiker交聯劑方面所做的研究，就推動了對蛋白質空間結構和相互作用的表征的認識[1]。目前，化學交聯結合質譜技術在純化的蛋白或蛋白復合物中較為成熟，但因樣品復雜性高和交聯肽低豐度的問題仍有眾多限制。以上三種方法仍需要進行不斷地改進。

2 蛋白質組學的應用

2.1 蛋白質組學技術在妊娠期母胎疾病診斷中的應用

妊娠期檢查可以用來評估胎兒是否存在染色體層面的遺傳病，并檢測孕婦是否存在妊娠相關并發癥的發生風險。鑒于目前蛋白質組學的發展，已經可以在妊娠早期通過檢測孕婦外周血中的特異妊娠相關標志物進行診斷。這些生物標志物可以應用于妊娠相關并發癥（比如胎兒生長受限、子癇前期、妊娠期糖尿病等）、胎兒染色體異常、胎兒先天畸形等疾病的診斷。利用蛋白質組學技術實現妊娠期母胎疾病診斷具有敏感性高、對標本量需求少、對受檢者創傷小等優點，因此一經出現便引起了很大轟動[4]。

2.2 蛋白質組學在中醫藥防治骨質疏松癥中的應用

在中國老齡化問題日益嚴重的背景下，老年人群中常見的骨質疏松癥受到重點關注。目前西醫中已有很多治療藥物，但多數仍存在較大的不良反應，因此很多科學家致力于通過中醫藥治療骨質疏松癥。蛋白質組學技術為疾病機理和發病機制研究提供途徑，并為治療方案提供新的思路和方法。蛋白質組學的發展為從成骨細胞、破骨細胞等分子水平研究骨質疏松癥的機制提供了全新的思路[5]。

2.3 蛋白質組學在食品鑒偽技術中的應用

食品摻偽是食品質量安全中最常見、最嚴重的問題，關系到民眾的健康。蛋白質組學在整體水平上研究蛋白質的特征，進而整體、全面地認識食品蛋白質在不同狀態下的變化，反映出食物中細胞的健康狀態，從而能夠鑒定出食品的質量等級，成為食品安全的有力捍衛者[6]。比如可以通過蛋白質組學鑒定市場中牛肉、羊肉的真假;可以鑒定乳制品、保健食品的真實功效。用于食品鑒偽的蛋白質組學技術有蛋白質芯片技術、酶聯免疫分析法、蛋白質信息學以及同位素標記親和標簽等。

2.4 蛋白質組學在藥用植物研究中的應用

醫學界目前使用的許多治療藥物均從傳統藥材資源中發現。研究藥用植物的代謝及其系統調節對鑒定其活性化合物至關重要。基于蛋白質組學能夠提供來自藥用植物和動物取食植物全面生理信息的可能，蛋白質組學在藥物機制研究和開發領域得到廣泛應用。藥用植物中關鍵酶的鑒定有助于闡明植物中復雜的活性化合物的生物合成途徑，從而投入應用。盡管蛋白質組學研究在一些藥用植物中已取得成功，但蛋白質組學藥用植物領域的應用還大有潛力可挖[7]。

3 結語

西湖大學校長施一公教授曾說二十一世紀是生物的世紀，生物技術將徹底改變世界和人類。蛋白質組學就是這樣一種技術。作為一種以蛋白質體系為研究對象的新學科，蛋白質組學不僅用于生命科學領域的基礎研究，探尋生命起源和發展，還對人類健康保健、臨床醫學有著巨大貢獻，比如用于妊娠期母胎疾病診斷、食品鑒偽、藥用植物研究等。隨著蛋白質組學的進一步發展，其應用領域也將不斷擴展，必將成為未來生命科學領域最有前景的前沿技術，為人類帶來更大的利益。

參考文獻

[1] 趙群，張麗華，張玉奎.蛋白質組學技術前沿進展[J].應用化學，2018，35（09）：977-983.

[2] 張麗華，單亦初，張弓.深度覆蓋的蛋白質組精準鑒定與定量新技術[J].中國基礎科學， 2018（1）：49-52.

[3] 劉先早.蛋白質相互作用研究的技術方法和應用[J].西南國防醫藥，2009，19（02）：251-253.

[4] 張強，袁正偉.蛋白質組學技術在妊娠期母胎疾病診斷中的應用研究進展[J].中國實用婦科與產科雜志，2018，34（06）：700-704.

[5] 王海霞，莫樞，孫珂煥.蛋白質組學在中醫藥防治骨質疏松癥中研究進展[J].深圳中西醫結合雜志，2018，28（14）：197-199.

[6] 馬科鋒，王紅青，賈彥博，勵炯，林偉杰，姜荷.基于蛋白質組學的食品鑒偽技術研究進展[J].食品安全質量檢測學報，2018，9（14）：3686-3692.

[7] 付強，趙杰宏，劉育辰，鄒頡.藥用植物蛋白質組學的研究進展[J].貴州農業科學，2018，46（10）：16-19.