蛋白质组学/蛋白质组学导论
简介
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什么是蛋白质组学？
蛋白质组学的重点是称为蛋白质组的生物学群体。蛋白质组是动态的，定义为在特定细胞中表达的一组蛋白质，在特定的条件下。在一个给定的蛋白质组中，蛋白质的数量可能高达 200 万。 [1]
蛋白质本身是生物大分子：氨基酸的长链。当细胞核糖体中的细胞机制将 DNA 中的 RNA 转录本翻译出来时，这条氨基酸链就被构建出来。 [2] 细胞内信息传递通常遵循这条路径，从DNA到RNA到蛋白质。
蛋白质可以组织成四个结构层次
蛋白质结构的每个层次对最终分子的功能都至关重要。氨基酸链的一级序列决定了二级结构的形成位置，以及最终 3D 构象的整体形状。每个小肽或亚基的 3D 构象决定了蛋白质聚集体的最终结构和功能。 [3]
蛋白质组学有许多不同的细分，包括
蛋白质组学既有物理实验室部分，也有计算部分。这两个部分通常相互关联；有时从实验室工作中获得的数据可以直接输入到序列和结构预测算法中。 质谱法的多种类型最常用于此目的。 [5]
蛋白质组学的重要性
蛋白质组学是一个比较新的领域；该术语是在 1994 年创造的，该科学本身起源于 1970 年代和 1980 年代的电泳分离技术。 [6] 然而，对蛋白质的研究一直是科学关注的焦点，时间要长得多。对蛋白质的研究可以深入了解蛋白质如何影响细胞过程。相反，这项研究还研究了蛋白质本身如何受到细胞过程或外部环境的影响。
蛋白质对细胞机制提供了错综复杂的控制，并且在许多情况下是该机制本身的组成部分。 [7] 它们在细胞内发挥着各种各样的功能，并且几乎所有生物体内都有数千种不同的蛋白质和肽。这种巨大的多样性来自于一种称为可变剪接的现象，在该现象中，细胞 DNA 中的特定基因可以根据细胞在特定时间的需要创造出多种蛋白质类型。
蛋白质组学的目标是分析生物体在不同时间变化的蛋白质组，以突出它们之间的差异。更简单地说，蛋白质组学分析了生物系统的结构和功能。 [8] 例如，癌细胞的蛋白质含量往往不同于健康细胞。癌细胞中的一些蛋白质可能在健康细胞中不存在，使这些独特的蛋白质成为抗癌药物的良好靶点。实现这一目标很困难；生物和环境因素的多种多样性都可能阻碍对任何生物体中蛋白质的纯化和鉴定。 [9]
蛋白质组学工作流程
蛋白质组学的第一步是样本制备。在此步骤中，我们试图从细胞中提取蛋白质。在第二步中，我们使用诸如二维电泳之类的技术分离不同的蛋白质。然后我们尝试将蛋白质切割成肽，因为肽更容易检测。在第四步中，我们使用质谱法检测肽和肽片段。最后，我们可以通过解释所有获得的数据来确定蛋白质的序列。
广谱蛋白质组学
由于蛋白质组学正在以非常快的速度发展，因此该领域正在从专门/集中的研究方式转变为更全球化的视角。广谱蛋白质组学为蛋白质组学领域提供了独特的视角，因为它允许人们通过着手了解整个蛋白质组来获得这种一般的视角。这种策略的一个关键方面是提前规划；这样做，可以在最有效的方式下实施最合适的计划和技术。通过制定针对了解特定蛋白质组的策略，可以在研究过程中避免问题和挫折。
使用广谱蛋白质组学的第一步是针对正在研究的蛋白质组制定一个假设。最好选择已经拥有大量基因组信息的生物体，因为基因组始终是对蛋白质组信息的有效补充。一旦建立了假设和生物体，就应该选择合适的技术；这些技术应该与存在的任何生物学因素兼容（即样本类型）。一些重要且相关的蛋白质组学方法包括HPLC、质谱法、SDS-PAGE、二维凝胶电泳，以及可能计算机模拟蛋白质建模。
由于样本类型、样本制备和分析技术组合的可能性多种多样，因此从广谱蛋白质组学的角度进行仔细规划为何至关重要这一点显而易见。通过事先规划，可以进行高效的蛋白质组学研究。当将许多广谱蛋白质组学研究的成果放在一起时，了解整个蛋白质组就成为一种现实的可能性。
参考文献
- ^ 美国医学会。“蛋白质组学。” http://www.ama-assn.org/ama/pub/category/3668.html
- ^ Hartl，Daniel L.，Jones，Elizabeth W.“遗传学：基因和基因组分析”。琼斯与巴特利特出版社：波士顿，2005 年。
- ^ Weaver，Robert F.“分子生物学，第二版”。麦格劳·希尔：波士顿，2002 年。
- ^ Twyman，Richard。“蛋白质组学。” http://genome.wellcome.ac.uk/doc_wtd020767.html
- ^ Colinge，Jacques 和 Keiryn L. Bennett。“计算蛋白质组学导论”。PLoS Comput Biol。2007 年 7 月；3(7)：e114。
- ^ “蛋白质组学史”。澳大利亚蛋白质组分析中心。 http://www.proteome.org.au/History-of-Proteomics/default.aspx
- ^ Graves, P. R., T. A. J. Haystead. “分子生物学家蛋白质组学指南”。微生物学与分子生物学评论：第 66 卷第 1 期，2002 年。
- ^ “蛋白质组学概述”。http://www.proteomicworld.org/
- ^ van Wijk, K. J. “植物蛋白质组学挑战与前景”。植物生理学。2001 年 6 月；126(2): 501-508。
本章由 J. Reuter (Zel2008) 和 S. Lafergola (DieselSandwich) 撰写
文章摘要
蛋白质组学工作流程在系统生物学中的进展
Johan Malmstrom、Hookeun Lee 和 Ruedi Aebersold。Curr Opin Biotechnol 18(4):378-384 (2007)
主要关注点
本文总结了基于鸟枪法串联质谱的蛋白质组学技术的最新进展以及一些主要局限性。此外，它还简要介绍了靶向驱动定量蛋白质组学的步骤。
摘要
近年来，非靶向质谱法蛋白质组学的所有方面都取得了重大进步，包括样品制备、数据采集、数据处理和分析。在样品制备过程中，随着IEF分离方法的引入，经典二维色谱肽分离所获得的分辨率得到了极大提高。数据质量方面也得到了改进，这是通过开发高度可重复的毛细管色谱方法和稳定同位素标记方法进行定量分析来实现的。现在，通过不同类型的质谱仪，如TOF-TOF、Q-TOF，可以在数据采集过程中实现高质量分辨率和准确性。此外，不同类型的质量分析器和离子源已被组合起来，以提高蛋白质组覆盖范围。随着数据库搜索工具的开发，蛋白质组学数据的质量可以在数据处理和分析过程中得到更准确的评估和估计。
尽管取得了所有这些进步，但鸟枪法方法仍然存在局限性。例如，鸟枪法MS数据集极其冗余，这极大地影响了蛋白质组样品中存在的肽的鉴定。样品中存在半胰蛋白酶解或非胰蛋白酶解肽使样品更复杂。饱和效应极大地降低了新蛋白质的发现率。许多由质谱检测到的肽无法识别，难以进行样品间的比较。
鸟枪法方法的局限性使得靶向驱动定量蛋白质组学的发展成为必要。靶向驱动定量蛋白质组学的第一步是蛋白质和肽的选择。这一步可以通过实验和计算完成。对于多反应监测 (MRM) 和数据分析步骤，多反应监测被应用于蛋白质组学数据分析。与课程的相关性：本资源简要概述了基于靶向质谱法（蛋白质组学的一种方法）的蛋白质组学的最新进展以及一些局限性。它还介绍了蛋白质组学的另一个领域：靶向驱动定量蛋白质组学。
新名词
- 电喷雾电离
- 质谱法中用于产生离子的技术。它在从大分子中产生离子方面特别有用，因为它克服了这些分子在电离时容易断裂的倾向（http://en.wikipedia.org/wiki/Electrospray_ionization）
- 基质辅助激光解吸电离 (MALDI)
- 质谱法中使用的一种软电离技术，允许分析生物分子（如蛋白质、肽和糖）和大型有机分子（如聚合物、树枝状大分子和其他大分子），这些分子在更传统的电离方法下电离时往往会断裂（http://en.wikipedia.org/wiki/MALDI-TOF）
- 肽谱
- 一个多生物体、公开可访问的数据库，其中包含在大量串联质谱蛋白质组学实验中鉴定的肽（http://www.peptideatlas.org/）
- 多反应监测
- MRM 实验使用三重四极杆仪器，旨在获得检测目标化合物的最大灵敏度。这种类型的质谱实验广泛用于制药行业检测和定量药物及其代谢物（http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2291721）
- 傅里叶变换离子回旋共振质谱
- 傅里叶变换离子回旋共振质谱法，也称为傅里叶变换质谱法，是一种质谱分析仪（或质谱仪），用于根据离子在固定磁场中的回旋频率确定离子的质荷比（m/z）（http://en.wikipedia.org/wiki/Fourier_transform_ion_cyclotron_resonance）
课程相关性
- 本资源介绍了非靶向质谱法和靶向方法，这两种方法是蛋白质鉴定中的重要方法（蛋白质组学中的一个重要步骤）。
广谱蛋白质组学策略：蛋白质组学和功能筛选实践指南
Graham David、Elliot Steven、Van Eyk Jennifer。“生理学杂志” 563: 1-9 (2005)
主要关注点
本文总结了什么是广谱蛋白质组学以及如何使用这种全局视角策略设计研究。它首先简要介绍了蛋白质组学中的现有技术，然后讨论了这些技术如何被纳入研究中。
摘要
蛋白质组学作为一个领域正变得越来越令人望而生畏，因为许多研究迷失在复杂的重点细节中。为了帮助解决这一挑战，研究人员可以采用广谱蛋白质组学。广谱蛋白质组学是一种策略，在研究的早期阶段就进行周密的计划，以回答有关蛋白质组的问题（例如，患病状态和正常状态下组织的比较），并使用最合适和适用的可用技术。通过在蛋白质组学研究的开始阶段制定策略，可以避免研究过程中的潜在挫折。
第一步是制定一个与正在研究的问题或议题相关的总假设。由于蛋白质组学与基因组学类似，当模型生物的基因组未知时，蛋白质组学研究就变得越来越困难。因此，应该选择已知大部分基因组（80% 或更高）的生物体。一旦选择了合适的生物体进行研究，接下来的要考虑的因素是将要生成的数据类型以及样品来源。一些蛋白质组学方法产生定性数据，而另一些方法产生定量数据；因此，在选择方法之前应确定所需的数据类型。同时，样品来源对于确定提取和纯化方法很重要。典型的样品类型包括：尿液、血液（血浆/血清）和粘膜分泌物。样品中的蛋白质浓度很重要，如果可以在考马斯亮蓝染色凝胶上观察到蛋白质（> 300 ng），则应预期合理的提取。所选分离技术应反映所选蛋白质的特性（疏水性与亲水性、分子量等）。
规划过程中的另一个主要因素是估计对分级样品进行质谱鉴定准备的难度。每种质谱技术都需要不同程度的准备，其中一些比其他技术复杂得多（例如，二维电泳与MS/MS分析所需的准备比HPLC与MS分析所需准备更多）。由于质谱法通常是许多蛋白质组学研究遇到困难的步骤（无论是准备还是结果解释），因此选择适合蛋白质样品的方法非常重要。
近年来，随着蛋白质组学数据库的出现，生物信息学在蛋白质组学研究中越来越重要。因此，几乎所有蛋白质组学研究都应该结合生物信息学；因此，研究团队应具备一些生物信息学知识。根据研究结束时将接收到的数据量（取决于所选分析方法），研究团队可以确定需要多少生物信息学分析。
最后一个需要考虑的因素是是否引入外部援助或尝试以更封闭的方式进行研究。保持封闭性可以让研究团队保持数据的完整性，并最大限度地减少误解。另一方面，引入外部帮助可以让研究人员解决规模较大的问题，这些问题通常是小型团队无法解决的。虽然引入外部帮助看起来很有希望，但重要的是不要失去对数据的控制，并确保团队不要分散精力去完成超出其能力范围的事情。
由于研究细胞蛋白质组的方法很多，因此在蛋白质组学研究的所有阶段都应实施周密的计划。通过广谱蛋白质组学，研究人员可以在进行任何实际研究之前定义测试计划。如果使用得当，这种策略可以带来富有成效和高效的项目，使科学更接近于了解整个蛋白质组。
新名词
- 亚型
- 由于基因组序列中的单核苷酸多态性而形成的一组不同的蛋白质。（http://en.wikipedia.org/wiki/Isoform）
- 单核苷酸多态性 (SNP)
- 基因组序列中的单一核苷酸发生变异，当一个物种的成员之间基因组中的单个核苷酸不同时就会发生这种情况。（http://en.wikipedia.org/wiki/Single_nucleotide_polymorphism）
- 翻译后修饰 (PTM)
- 蛋白质翻译后发生的化学修饰。它通常是大多数蛋白质蛋白质生物合成中的最后一步。（http://en.wikipedia.org/wiki/Posttranslational_modification）
- 亚蛋白质组
- 蛋白质组的一个亚分级子集。通常，它们与细胞的区域（例如细胞器）或化学特性有关。
- 肽质量指纹图谱 (PMF)
- 一种用于蛋白质鉴定的分析技术。首先将待鉴定的未知蛋白质裂解成更小的肽，然后使用质谱法确定其质量，并将这些质量与包含已知蛋白质序列的数据库或基因组进行比较。（http://en.wikipedia.org/wiki/Peptide_mass_fingerprinting）
课程相关性
- 本文具有相关性，因为蛋白质组学的全局视角变得越来越重要。随着有关蛋白质的信息量不断增加，从广泛的角度理解蛋白质组变得越来越有用。
网站摘要
双分子资源设施协会：蛋白质组学研究组 (PRG)
网站委员会：Pamela Scott Adams, Michelle Detwiler, David Mohr James Ee, 杨晓龙博士, Len Packman 博士, Anthony Yeung 博士, http://www.abrf.org/index.cfm/group.show/Proteomics.34.htm#R_3 (2009年3月25日)
主要关注点
本网页介绍双分子资源设施协会与蛋白质组学之间的关系。特别重要的是 ABRF 内的蛋白质组学研究组。
摘要
双分子资源设施协会 (ABRF) 是一家国际性的研究机构和实验室协会，致力于生物技术领域的核心研究。该协会鼓励通过会议、季刊和群体研究分享信息。ABRF 对蛋白质组学领域具有重大影响力，共有五个主要研究组 (RG) 以某种方式处理蛋白质组学：蛋白质表达 (PERG)、蛋白质测序 (PSRG)、蛋白质信息学 (iPRG)、蛋白质组学 (PRG) 和蛋白质组学标准 (sPRG)。
蛋白质组学研究组尤其重要，它使全球蛋白质组学领域的科研人员能够自由地共享其蛋白质分析信息。显然，由于了解蛋白质组意味着将大量蛋白质的信息整合在一起（这些信息需要付出大量努力/时间/资金才能获得），因此共享蛋白质/亚蛋白质组信息对于完整了解蛋白质组至关重要。本网站包含众多指向全球各研究组进行的研究的链接。
新名词
- 从头肽段测序
- 在没有任何关于氨基酸序列的先验知识的情况下进行的肽段测序。 (http://www.ionsource.com/tutorial/DeNovo/DeNovoTOC.htm)
- 定量蛋白质组学
- 目标是获取有关特定样本中所有蛋白质的定量信息。这很有用，因为它允许人们观察蛋白质样本之间的差异。 (http://en.wikipedia.org/wiki/Quantitative_proteomics)
课程相关性
- 这是对双分子资源设施协会 (ABRG) 及其与蛋白质组学关系的概述。本网站包含大量与蛋白质组学相关的信息，对蛋白质组学研究人员来说会很有用。
蛋白质组学导论
作者/制作人：Rick Groleau，主题专家：Hanno Steen 博士，设计师：Peggy Recinos，开发者：Jeffrey Testa, http://www.childrenshospital.org/cfapps/research/data_admin/Site602/mainpageS602P0.html (2009年3月28日)
主要关注点
本网页介绍了蛋白质组学的重要性及挑战。它还简要介绍了蛋白质组学的主要步骤。
摘要
蛋白质组学对于我们理解生物过程很重要，因为所有功能都是由细胞中的蛋白质完成的。但由于蛋白质数量众多，氨基酸（蛋白质的组成单元）又非常小，因此研究相当具有挑战性。分析蛋白质序列有五个步骤：样品制备、分离、电离、质谱分析和信息学。首先，我们获取细胞并从细胞中提取蛋白质。然后，我们使用 2D 电泳等方法分离蛋白质。接下来，我们使用蛋白酶将蛋白质切割成肽段。质谱分析允许我们识别单个肽段以及肽段片段。最后，通过解释数据，我们可以确定蛋白质的序列。
新名词
- 活检
- 活检是一种医学检查，涉及移除细胞或组织进行检查。它指的是从活体生物中移除组织，以确定疾病的存在或程度 (http://en.wikipedia.org/wiki/Biopsy)
- 飞行时间
- 飞行时间 (TOF) 描述了一种方法，该方法用于测量粒子、物体或流体在已知距离内到达检测器所需的时间 (http://en.wikipedia.org/wiki/Time-of-flight)
- 四极杆质谱分析
- 四极杆质量分析器是质谱分析中使用的一种质量分析器。它由 4 根圆柱形杆组成，彼此完美平行。在四极杆质谱仪中，四极杆质量分析器是仪器中负责根据其质荷比 (m/z) 过滤样品离子的组件。离子在四极杆中根据其在施加到杆上的振荡电场中的轨迹稳定性而分离 (http://en.wikipedia.org/wiki/Quadrupole_mass_analyzer)
- 电喷雾电离
- 电喷雾电离 (ESI) 是一种在质谱分析中用于产生离子的技术。它在产生来自大分子的离子方面特别有用，因为它克服了这些分子在电离时容易断裂的倾向 (http://en.wikipedia.org/wiki/Electrospray_ionization)
- 道尔顿
- 道尔顿是原子质量的测量单位。一个道尔顿等于一个碳-12原子的质量的 1/12 (http://www.childrenshospital.org/cfapps/research/data_admin/Site602/mainpageS602P1.html)
课程相关性
- 这是对蛋白质组学的概述。它非常简要地总结了蛋白质组学的程序和重要性。
蛋白质组学导论
查尔斯大学第一医学院生物学和医学遗传学研究所和综合教学医院，http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/en/proteomics.htm (2009年4月6日)
主要关注点
本网站讨论了蛋白质组学的目标和定义。它还介绍了蛋白质组学研究中的两种重要方法 - 2D 蛋白质电泳和质谱分析，以及医学中的蛋白质组学。
摘要
蛋白质组学是一个广泛的领域，包括表达蛋白质组学、蛋白质在细胞器亚细胞区室中的分布、蛋白质的翻译后修饰、结构蛋白质组学和功能蛋白质组学、临床蛋白质组学等等。即使随着 RNA/cDNA 微阵列的引入，转录本水平表达分析成为可能，蛋白质组学仍然很重要，因为并非所有 mRNA 都会被翻译，并且存在 RNA 剪接、翻译后蛋白质修饰等过程。
二维 (2D) 蛋白质电泳通常用于根据蛋白质的 pI 和质量分离蛋白质。质谱分析是蛋白质组学中的一种重要方法，因为它不仅可用于蛋白质鉴定，还可用于蛋白质翻译后修饰分析。
蛋白质组学在医学中的主要应用之一是在治疗疾病的所有步骤中识别标记物。其他应用包括药物发现和药物蛋白质组学。
新名词
- 人类蛋白质组组织 (HUPO)
- 人类蛋白质组组织 (HUPO) 是一家国际科学组织，通过国际合作和协作，通过促进新技术、技术和培训的开发，代表和促进蛋白质组学 (http://www.hupo.org/)
- 结构蛋白质组学
- 结构蛋白质组学是一个国际合作项目，旨在以蛋白质组规模解决 3D 蛋白质结构 (http://en.wikipedia.org/wiki/Structural_proteomics)
- 瑞典人类蛋白质图谱
- 瑞典人类蛋白质图谱计划 (HPA) 由（非营利性）克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会资助，邀请学术界和商业机构提交抗体，以纳入人类蛋白质图谱 (http://www.proteinatlas.org)
- 翻译后修饰 (PTM)
- 翻译后修饰 (PTM) 是蛋白质翻译后发生的化学修饰。它是许多蛋白质蛋白生物合成的后期步骤之一 (http://en.wikipedia.org/wiki/Posttranslational_modification)
- 等电点
- 等电点是指蛋白质总电荷等于零的 pH 值 (http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/en/proteomics.htm)
课程相关性
- 本网站简要介绍了蛋白质组学的定义和目标。它还介绍了 2D 电泳和质谱分析的原理，它们是蛋白质组学中的重要方法。
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参考文献
- Johan Malmstrom，Hookeun Lee 和 Ruedi Aebersold。 "系统生物学蛋白质组学工作流程的进展"Curr Opin Biotechnol 18(4):378-384 (2007)
- Rick Groleau，Hanno Steen，Peggy Recinos，Jeffrey Testa。"蛋白质组学导论" http://www.childrenshospital.org/cfapps/research/data_admin/Site602/mainpageS602P0.html (2009年3月28日)
- 查尔斯大学第一医学院生物学和医学遗传学研究所和综合教学医院。"蛋白质组学导论" http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/en/proteomics.htm (2009年4月6日)