蛋白质组学/蛋白质组学导论/蛋白质组学过程
蛋白质组学作为一门相对较新的科学学科，使用各种新旧方法来实现其目标。蛋白质组学中使用的技术侧重于揭示结构和构象，以及测量不同条件下的蛋白质浓度。结构数据可用于根据与具有已知功能的相似蛋白质的比较来确定各种蛋白质的功能。这通常需要庞大的蛋白质构象和功能数据库，如 PRIDE[1] 和 SwissProt[2]。由于需要进行大量比较和可能存在的匹配，这些比较通常需要复杂的软件和算法。PROMPT[3] 等程序用于此目的。蛋白质浓度可以与生物条件进行比较，使研究人员能够找到特定蛋白质或蛋白质与疾病或生物状态之间的相关性。
- X射线晶体学[4] 是一种蛋白质结构测定方法，它使用结晶蛋白质和高强度 X射线照射来可视化分子结构。这组可视化数据与原子和分子排列进行比较分析，并用于创建蛋白质结构的化学相关模型。[5] X射线晶体学可能非常耗时，因为需要进行晶体生长程序、大量数据以及用于分析的计算需求。但是，成功的可视化具有高度的准确性，以及易于阅读和应用。
DNA 的 X射线衍射图谱。X射线晶体学被用于许多大分子，而不仅仅是蛋白质。 - 核磁共振波谱[6] 或 NMR 是一种技术，它根据化学位移[7] 检测分子结构中各种原子的原子特性。核之间的磁化转移也被检测到，并与化学位移一起用于计算所讨论蛋白质的结构。程序可能需要相当长的时间，具体取决于样本的大小以及与磁场相关的各种其他因素。
- 质谱[8] 和 电泳[9] 应用于蛋白质组学时，都是用于确定蛋白质或蛋白质片段质量的技术。质谱法使用分子的电离和测量质荷比来确定质量。电泳通常使用密度梯度和带电粒子在电流中产生更直观的质量映射。蛋白质组学中常用的电泳类型包括 等电聚焦或IEF、二维电泳方法，如 SDS 页面 和标准水平 凝胶电泳。定向质谱法涉及使用先前知识来包含或排除目标质量范围，从而在给定复杂蛋白质混合物（如整个蛋白质组）时节省时间。
- 从头开始是针对一组技术的标签，这些技术旨在完全基于化学理论和物理理论来预测蛋白质结构，因为它适用于分子及其各个部分。这组特定技术被认为是蛋白质组学的未来目标，但目前缺乏可行的成功。[10]
- 蛋白质印迹[13] 是一种用于跟踪样本中蛋白质相对数量的技术。准备工作是在防止降解和分离质量（通过 SDS-页面）的情况下进行的。蛋白质被转移到允许通过使用标记抗体进行检测的膜上。
- 化学微阵列[14]，在与蛋白质组学相关时，是玻璃片，蛋白质可以按顺序微观阵列固定在玻璃片上。它们可以用于各种方法，但在蛋白质组学中倾向于用于对生化和蛋白质组学活性的全局观察。[15]
蛋白质组学技术发展的一些新进展包括自由流动电泳（一种更高亲和力的尺寸分离技术）[16] 和 ProteomeLab 的 PF2D 系统（基于电荷和疏水性分离）[17]。 纳米技术 可能有利于蛋白质组学，一些科学家已经开始生产纳米颗粒作为标记装置，例如 SERRS[18] 标签。
蛋白质组学面临的挑战
[edit | edit source]问题的规模
[edit | edit source]蛋白质组学面临的挑战主要来自于人体中任何给定时间内蛋白质数量的巨大。测量如此庞大的数据集非常困难且耗时。这个问题尤其体现在计算问题上，分析所发现数据的所需时间超出了合理的阈值。[19] 其他问题可能源于不同浓度的蛋白质导致的误差和检测问题。更具体地说，某些蛋白质在细胞中以非常低的浓度存在，而更浓的蛋白质可能会掩盖它们的存在。这通常表现为动态范围[20] 值。目前方法的分辨率不足以可视化低于一定浓度阈值的这些蛋白质。
问题的复杂性
[edit | edit source]另一个挑战来自于许多蛋白质的高度复杂性，以及人体中以不同方式相互作用的蛋白质数量之多。 蛋白质翻译后修饰 可以导致更大的复杂性，不仅体现在蛋白质的结构上，也体现在蛋白质的功能和相互作用上。这带来了计算挑战，可能导致一台普通计算机需要运行数十年才能解决一个蛋白质的问题。虽然分布式计算机和 并行计算 的新方法可以帮助解决这个问题，但事实仍然是蛋白质组学的计算需求是惊人的。另一种称为定向质谱的方法旨在通过仅针对感兴趣的蛋白质来减少质谱分析仪处理的冗余信息量，能够忽略样品中最强的信号，仅检查研究人员定义的那些蛋白质。
问题的创新性
[edit | edit source]蛋白质组学面临的许多问题的一个来源仅仅是它本身的新颖性。任何较新的领域都缺乏良好的技术基础、应用方法和训练有素的研究人员来满足其需求。蛋白质组学在大型未经整理的数据库方面存在问题，需要更好地组织、更精简和更高效的替代方案。[21] 虽然新的存储和展示资源正在开发中，但其中许多需要改进，特别是在蛋白质研究结果的传播方面[22]
参考文献
[edit | edit source]- ^ SwissProt 在 Expasy.org
- ^ Jones, Philip, Côté, Richard G, Martens, Lennart, 等。 "PRIDE：蛋白质组学界蛋白质和肽识别信息的公共存储库". Nucleic Acids Res. 2006 年 1 月。
- ^ Schmidt, Thorsten 和 Frishman, Dmitrij. "PROMPT：一种蛋白质映射和比较工具". BMC Bioinformatics. 2006 年（2006 年 7 月 4 日在线发表）
- ^ 维基百科关于 X 射线晶体学 的文章
- ^ 维基百科关于 X 射线晶体学程序 的文章
- ^ 维基百科关于 NMR 的文章
- ^ 维基百科关于 化学位移 的文章
- ^ 质谱在 ASMS.org
- ^ 电泳还可以用于通过与已知标准的视觉比较来识别蛋白质，并检测样品中是否存在某些蛋白质
- ^ 维基百科关于 蛋白质结构的计算预测 的文章
- ^ 维基百科关于 液相色谱 的文章
- ^ 维基百科关于 微流控 的文章
- ^ Western Blot 在 Protocol-online.org
- ^ 维基百科关于 蛋白质微阵列 的文章
- ^ Bertone, Paul 和 Snyder, Michael. "蛋白质组学的前景与挑战". Plant Physiol. 2005 年 6 月。
- ^ 自由流动电泳 NCBI.gov
- ^ ProteomeLab
- ^ 表面增强共振拉曼散射
- ^ 系统中蛋白质最高浓度和最低浓度之间的差异，或在蛋白质组学范围内使用某种技术可检测到的差异。
需要总结的新文章
[edit | edit source]审稿人：Scott M.
主要关注点
[edit | edit source]- 本文重点介绍了包含列表驱动的质谱 (MS) 作为定向 MS 技术。该技术涉及使用色谱法确定感兴趣的目标蛋白质，在串联 MS 的第一个 MS 中仅选择这些蛋白质，然后在第二个 MS 中分析它们。结果是对所有目标蛋白质的分析，而不管其强度如何。
一个带有扇形质量分析仪的简单质谱仪的示意图。
- 产物离子
- 串联质谱中第二次分离状态的离子。（来源: http://en.wikipedia.org/wiki/Tandem_mass_spec)
- 四极杆
- 产生一个带有相反方向偶极矩的磁场的电荷分布。（来源: http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Quadropole)
- 碰撞诱导解离
- 离子在气相中与中性分子发生碰撞，导致离子断裂。（来源: http://en.wikipedia.org/wiki/Collision-induced_dissociation)
- 碎片离子谱
- 离子断裂后的离子范围。（来源: http://en.wikipedia.org/wiki/Collision-induced_dissociation)
- 蛋白质特征肽
- 肽的一个子序列，最有可能通过质谱法检测到。（来源: http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=16906256)
- SRM 分析
- 单反应监测 - 每次只允许一个离子通过（与多反应监测 - 每次允许多个离子通过不同）。（来源: http://en.wikipedia.org/wiki/Collision-induced_dissociation)
- 质谱法通过对分子进行充电并使其通过强磁场来进行蛋白质测序。测定它们的质荷比可以确定蛋白质的组成。它还可以用于分析翻译后修饰和蛋白质组的定量。从生物体或细胞的整个蛋白质组中挑选一种蛋白质可能非常困难。非定向方法涉及从复杂混合物中随机选择一个离子进行测序。本文回顾了一种称为包含列表驱动质谱的定向方法。
- 包含列表驱动质谱需要一个包含从色谱分离中包含的质量范围的列表。这些列表是从洗脱时间标准生成的，允许特定大小的蛋白质被包含在质谱分析中。然后，目标蛋白质信息被传递到串联质谱仪 (MS/MS)，其中第一个四极杆限制了所需的靶标，第二个四极杆分析该靶标。相反的策略，称为排除列表驱动质谱，用于阻止特定大小的蛋白质被包含，并允许忽略特定且先前确定的蛋白质。从定向质谱中获得的信息可用于比较分析差异表达的蛋白质。它允许对特定蛋白质组中特定蛋白质进行定量。该信息可用于区分疾病状态细胞和正常细胞。
- 定向质谱也可以用于确定共翻译和翻译后修饰。它用于确定交联肽对或相似结构的区域，这些区域用于确定相关蛋白质。类似的策略可用于确定多个磷酸化状态变化。
- 随着越来越多的信息被获得，质谱法中的所有工作将继续改进。已知序列列表和质荷比数据库将允许对未来样本进行快速简便的分析。它还将使包含列表变得更小，而排除列表变得更大。这将使分析师能够快速区分给定状态下细胞中缺少或额外的蛋白质，从而更快、更准确地确定疾病状态。所有这些工作有望导致假设驱动的质谱法，其中可以提前制定关于细胞状态的理论，然后质谱法仅仅成为证明该假设的手段。
- 本文深入描述了质谱法的当前方法。它讨论了实验室中用于研究整个蛋白质组的蛋白质的技术和过程。提供了有关这些技术起源、为什么需要修改这些技术以及这些技术最终希望在未来实现的目标的信息。这些信息对蛋白质组学领域很重要，因为质谱法是该领域中最重要的工具之一，本文描述了该方法是如何随着越来越多的数据产生而不断适应的。