蛋白质组学的产生与发展

    蛋白质组（proteome）一词，源于蛋白质（PROTEin）与基因组（genOME）两个词的结合，是由澳大利亚Macquarie大学的两位科学家Wilkins和Williams于1994年在意大利Siena召开的第一次国际蛋白质组学专题研讨会上提出的，是指细胞内所表达的全套蛋白质，后引申为一种基因组全部蛋白质的存在及其活动方式。虽然第一次提出蛋白质组概念是在1994年，但相关研究可以追溯到上世纪90年代中期甚至更早，尤其是80年代初，在基因组计划提出之前，就有人提出过类似的蛋白质组计划，当时称为Human Protein Index计划，旨在分析细胞内的所有蛋白质。但由于种种原因，这一计划被搁浅。90年代初期，各种技术已比较成熟，在这样的背景下，经过各国科学家的讨论，才提出蛋白质组这一概念。

     蛋白质组学最初的提出可以理解为基因组学的延续，主要基于人类基因组测序完成，生命科学研究进入后基因组学，也就是功能基因组学时代的大背景。这是因为2001年人类基因组框架图的发表使大众对科学家将揭示人类的遗传奥秘充满了幻想和信心。但是，真实的图景远不像普通人想象的那样简单。在所有完成测序的基因组中，通常有一半以上基因的功能是未知的。早期功能基因组中所采用的策略，如基因芯片、基因表达序列分析(Serial Analysis of Gene Expression, SAGE)等，都是从细胞中mRNA的角度来考虑的，其前提是细胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平。但事实并不完全如此，从mRNA角度考虑，实际上仅包括了转录水平调控，并不能全面代表蛋白质表达水平。蛋白质复杂的翻译后修饰、蛋白质的亚细胞定位或迁移、蛋白质和蛋白质相互作用等则几乎无法从mRNA水平来判断。毋庸置疑，蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象的直接体现者，对蛋白质结构和功能的研究将直接阐明生命在生理或病理条件下的变化机制。蛋白质本身的存在形式和活动规律，如翻译后修饰、蛋白质间相互作用以及蛋白质构象等问题，仍依赖于直接对蛋白质的研究来解决。虽然蛋白质的可变性和多样性等特殊性质导致了蛋白质研究技术远远比核酸技术要复杂和困难得多，但正是这些特性参与和影响着整个生命过程。

     另一方面，传统的对单个蛋白质进行研究的方式已经无法满足后基因组时代的要求，这是因为：(1) 生命现象的发生往往是多因素影响的，必然涉及到多个蛋白质。(2) 多个蛋白质的参与是交织成网络的，或平行发生，或呈级联因果。(3) 在执行生理功能时蛋白质的表现是多样的、动态的，并不象基因组那样基本固定不变。因此要对生命的复杂活动有全面和深入的认识，必然要在整体、动态、网络的水平上对蛋白质进行研究。

     蛋白质组产生至今，其研究进展十分迅速，不论基础理论还是技术方法，都在不断进步和完善。相当多种细胞的蛋白质组数据库已经建立，相应的国际互联网站也层出不穷。1996年，澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中心：Australia Proteome Analysis Facility ( APAF )。丹麦、加拿大、日本也先后成立了蛋白质组研究中心。在美国，各大药厂和公司在巨大财力的支持下，也纷纷加入蛋白质组的研究阵容。去年在瑞士成立的GeneProt公司，是由以蛋白质组数据库“SWISSPROT” 著称的蛋白质组研究人员成立的，以应用蛋白质组技术开发新药物靶标为目的，建立了配备有上百台质谱仪的高通量技术平台。而当年提出Human Protein Index 的美国科学家Norman G. Anderson也成立了类似的蛋白质组学公司，继续其多年未实现的梦想。2001年4月，在美国成立了国际人类蛋白质组研究组织(Human Proteome Organization, HUPO)，随后欧洲、亚太地区都成立了区域性蛋白质组研究组织，试图通过合作的方式，融合各方面的力量，完成人类蛋白质组计划(Human Proteome Project)，并在2002年和2003年陆续启动了人类血浆，肝和脑的蛋白质组研究国际合作计划(见www.hupo.org)。

     早期蛋白质组学的研究沿袭了基因组学的研究思路，出现了称为“竭泽法”的研究策略，即采用高通量的蛋白质组研究技术分析生物体内尽可能多乃至接近所有的蛋白质，即蛋白质的表达模式(Expression Profile)，这种观点从大规模、系统性的角度看待蛋白质组学，也更符合蛋白质组学的本质。但是由于由于同一基因组在不同的细胞、不同的生理条件甚至不同的环境的影响下，其蛋白质的存在状态也不相同，因此，蛋白质组是动态变化的，包括蛋白质的动态表达（表达与降解）、动态定位（不同亚细胞定位）、动态修饰（可逆翻译后修饰）、动态相互作用（蛋白质复合物的聚合与解聚）等，于是，另一种策略应运而生，即“功能法”， 旨在研究不同状态细胞蛋白质组成、定位和修饰等的变化，如蛋白质在不同环境下的差异表、差异定位和差异修饰，以发现有差异的蛋白质种类或者形式作为主要目标。目前后一种，即蛋白质的动态变化研究，已经成为蛋白质组学研究的核心内容。

     蛋白质组学的发展和其技术的发展是紧密联系并相互作用的，一方面蛋白质组学的发展依靠技术进步的推动，另一方面蛋白质组学研究本身反过来又促进了技术的突破。

     蛋白质组研究技术可以简单的分为两大类。第一类是蛋白质组的分离技术。如双向凝胶电泳技术，细胞分级分离技术、亲和层析技术等。第二类是蛋白质组的鉴定技术，其核心是质谱技术。质谱鉴定技术面临的一个最大问题是，它要依赖于已知的蛋白质或基因的序列作为检测的基础，通过比较来确定待测定的蛋白质。对于在已有数据库中没有记载的全新蛋白质进行鉴定则非常困难，对于这种蛋白质，一般是利用经典的Edman降解法进行N端序列测定或C端化学降解法测定C端序列，即 “从头测定”(De Novo Identification)从而得到未知蛋白质的信息。

     随着蛋白质组学的不断发展，蛋白质组学还建立了一系列基于凝胶和基于质谱的定量技术，以适应越来越深入的功能蛋白质组学研究和蛋白质动态定位的研究。

此外，伴随着蛋白质组学研究通量的不断扩大，其所产生的数据规模也不断增长，因此以生物信息学为支柱的蛋白质组数据采集、存贮、分析处理与可视化技术也不断发展和完善。

     在基础研究方面，蛋白质组研究技术已被应用到各种生命科学领域，如细胞生物学、神经生物学等。在研究对象上，覆盖了原核微生物、真核微生物、植物和动物等范围，涉及到各种重要的生物学现象，如信号转导、细胞分化、蛋白质折叠等等。在未来的发展中，蛋白质组学的研究领域将更加广泛。

     在应用研究方面，蛋白质组学将成为寻找疾病分子标记和药物靶标最有效的方法之一。在对癌症、早老性痴呆等人类重大疾病的临床诊断和治疗方面蛋白质组技术也有十分诱人的前景，目前国际上许多大型药物公司正投入大量的人力和物力进行蛋白质组学方面的应用性研究。

     蛋白质组学具有广阔的研究前景，同时也面临着巨大的挑战，其广阔的研究前景在于对复杂生物系统的理解，以及由此带来的产品和技术的进步；其巨大的挑战在于要对极其微量却又不计其数的蛋白质进行分离、识别、表征和定量测定。目前科学家发现，现有的技术只能分析和鉴定约1/3的高丰度和中丰度的蛋白质，低丰度蛋白质的分级及鉴定仍然是一个艰巨的前沿研究任务。因此，今后几年对于蛋白质复杂体系分级及鉴定方法的研究将是蛋白质组学研究的一个重要内容。