蛋白质分析与蛋白质组学

1、中山大学中山医学院中山大学中山医学院 吴忠道吴忠道Protein Analysis And Proteomics主要内容主要内容第一节 引言第二节 蛋白质分析方法第三节 蛋白质组学数据的获取与分析 蛋白质组(proteome) 源于蛋白质(protein)与基因组(genome)两个字的结合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。 蛋白质组学(proteomics)，是以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式作为研究对象，注重研究参与特定生理或病理状态的所有蛋白质种类及其与周围环境（分子）的关系。 第一节第一节 引引 言言蛋白质组学研究的策略蛋白质组学

2、研究的策略： 蛋白质组学研究试图比较细胞在不同生理或病理条件下蛋白质表达的异同，对相关蛋白质进行分类和鉴定，并分析蛋白质间的相互作用和功能。 1.一种称为“竭泽法”，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。 2.另一种策略称为“功能法”，即研究不同时期细胞蛋白质组成的变化，如蛋白质在不同环境下的差异表达，以发现有差异的蛋白质种类为主要目标。 蛋白质组学的研究范围蛋白质组学的研究范围： 一种是“完全”蛋白质组学或表达蛋白质组学(expression proteomics)，主要分析构成蛋白质组蛋白质的种类和数量，并以此来探讨细胞、组织、个体或特定状态的特征。 另一

3、种是“差异”蛋白质组学或功能蛋白质组学，主要筛选和鉴定不同种类或状态下各样品间蛋白质组的区别与变化，通过分析蛋白质组中构成蛋白质间相互作用及细胞内功能单位，解析蛋白质组与细胞功能之间的相关性。 功能蛋白质组学功能蛋白质组学（functional proteomics）” 研究细胞或个体在某一特定时间所表达或与某个功能相关的蛋白质集合体。 功能蛋白质组学功能蛋白质组学能够在细胞和生命有机体的整体水平上阐明生命现象的本质和活动规律。功能蛋白质组学功能蛋白质组学的研究可为食品改造、疫苗开发和生物制药等提供重要依据。 功能蛋白质组学功能蛋白质组学已成为后基因组的重要组成部分。 主要研究内容主要研究内容

4、：1.蛋白质组的组成成分，即蛋白质组的表达模式(expression profile)2.蛋白质翻译后修饰3.蛋白质-蛋白质相互作用一、 蛋白质的指纹特征二、蛋白质的定位、修饰三、蛋白质分析软件与数据库第二节第二节 蛋白质分析方法蛋白质分析方法一、蛋白质的指纹特征一、蛋白质的指纹特征1.蛋白质的指纹即肽质量指纹谱具有特征性 由于每种蛋白质的氨基酸序列（一级结构）都不同，蛋白质被识别特异酶切位点的蛋白酶水解后，产生的肽片段序列也各不相同，其肽混合物质量数亦具有特征性，称为肽质量指纹谱（peptide mass fingerprinting，PMF），即蛋白质的指纹特征。一、蛋白质的指纹特征一、蛋

5、白质的指纹特征2. 肽质量指纹谱是鉴定蛋白质的常用参数 质谱指纹分析需要经过蛋白质原位酶解（包括蛋白质凝胶的脱色、还原和烷基化、酶解、萃取及合并萃取液冻干后进行质谱分析）、MALDI-TOF肽质量指纹图测定（包括蛋白样品脱盐及制备、质谱仪进行肽质量指纹图测定）及蛋白质鉴定数据库搜寻等三个步骤。 一、蛋白质的指纹特征一、蛋白质的指纹特征3. 肽质量指纹谱可用作其他测定参数 测定不同物种间的保留特性，从而推断分子的功能。由生物多样性和进化上远离引起的氨基酸残基取代，显示了蛋白中的特征功能区。 在一个蛋白消解物中，用来检测在化学或酶处理前后的“非匹配”（即和预测片段不符）的肽，从而表征蛋白的修饰。二

6、、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰 蛋白质功能模式的研究是蛋白质组研究的最终目标，其主要研究目标是要揭示蛋白质组成员间的相互作用、相互协调的关系，并深入了解蛋白质的结构与功能的相互关系，以及基因结构与蛋白质结构功能的关系。 蛋白质定位、蛋白质翻译后修饰及蛋白质-蛋白质相互作用都是目前其研究的重要内容。蛋白质的定位蛋白质的定位1. 蛋白质的定位基于十二类亚细胞结构 蛋白质在细胞内的定位主要基于12类亚细胞的分类数据库（来自SwissProt）： 细胞膜、细胞质基质、内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体、线粒体、叶绿体、细胞骨架、液泡、细胞核、细胞外基质。二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质

7、的定位、修饰2. 蛋白质在细胞内合成后的转运与定位有两种机制 翻译后转运（post-translational translocation） 共翻译转运（co-translational translocation） 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的定位蛋白质的定位3. 生物信息学预测亚细胞定位 构建可靠的数据库，对蛋白质的亚细胞定位进行分析与预测，能加速蛋白质亚细胞定位的研究。 l 综合数据库（SwissProt、MIPS等） l 模式生物数据库 l 专门的亚细胞定位数据库 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的定位蛋白质的定位4. 蛋白质信息的提取是亚细胞

8、定位预测的基本步骤 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰l 蛋白质分选信号 l 蛋白质序列的氨基酸组分 l 蛋白质的功能域信息 l 序列比对信息 l GO注释信息 l 氨基酸物理化学性质 l 混合性特征参数 蛋白质的定位蛋白质的定位 蛋白质翻译后修饰（post-translational modification，PTM），即是指蛋白质在翻译中或翻译后会在个别氨基酸链上共价结合各种非肽类基团，形成翻译后修饰。 蛋白质翻译后修饰在体内是一个动态的变化过程，有效探明细胞和组织内蛋白质修饰谱的“翻译后修饰蛋白质组学”成为当今功能蛋白质组学研究的重要内容。 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定

9、位、修饰蛋白质的修饰蛋白质的修饰1. 蛋白质的翻译后修饰是蛋白质行使正常生理功能所必需的 蛋白质翻译后修饰过程使蛋白质结构更为复杂，功能更为完善，调节更为精细，作用更为专一。 常见的蛋白质翻译后修饰类型：磷酸化、糖基化、甲基化、泛素化、脂基化等。二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的修饰蛋白质的修饰二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的修饰蛋白质的修饰2. 质谱是鉴定蛋白质翻译后修饰的重要方法 蛋白质翻译后的修饰的解析主要采用电喷雾（ESI）和基质辅助激光解吸电离（MALDI）两种质谱技术。 质谱主要通过质量偏移（mass shift）来识别翻译后修饰蛋白。3. 基

10、于质谱数据鉴定翻译后修饰的结果分析采用数据库搜索法 由质谱数据鉴定翻译后修饰肽段的主要方法分为两大类：数据库搜索法（database searching）和从头测序法（DeNovo sequencing）。 常用的数据库搜索法有SEQUEST、Mascot、X!Tandem、MS-Align等。 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的修饰蛋白质的修饰4. 生物信息学预测和鉴定方法有助于蛋白质翻译后修饰的研究 生物信息方法的介入，能够从序列和质谱两个角度帮助大规模鉴定翻译后修饰，有助于翻译后修饰蛋白质组学研究的迅速发展。 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的修饰蛋白

11、质的修饰5. 基于序列法是预测蛋白质翻译后修饰的重要生物信息学方法 同类翻译后修饰位点周围的片段往往都具有很强的序列保守性，通过对常见翻译后修饰的数据的收集，及对发生同类修饰的蛋白序列特征的研究如保守motif，从而能够基于序列预测翻译后修饰。 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的修饰蛋白质的修饰1. 蛋白质相互作用是细胞进行一切代谢活动的基础 生命的基本过程就是不同功能蛋白质在时空上有序和协同作用的结果。 细胞各种重要的生理过程，包括信号转导、细胞对外界环境及内环境变化的反应等，都是以蛋白之间相互作用为纽带，并形成网络。 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的相

12、互作用蛋白质的相互作用2. 蛋白质的特定结构域是介导蛋白质-蛋白质间相互作用的基础 典型蛋白质相互作用的结构域是一个具有结合专一性的独立折叠元件，可以插入新的蛋白质中并保留结合靶部位的能力。 它们的相互作用多是通过 2个多肽表面几何构型和静电力而相互连接。二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用3. 实验方法是鉴定蛋白质-蛋白质间的相互作用的主要方法 酵母双杂交系统 噬菌体表面展示技术 蛋白质亲和色谱 表面等离子共振技术 荧光共振能量转移技术二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用 抗体与蛋白质阵列技术 免疫共沉淀技术 P

13、ull-down技术 亲和印迹 化学交联技术 蛋白质探针技术 基于质谱的蛋白质相互作用研究方法 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用4. 生物信息学是蛋白质相互作用研究的有力工具，蛋白质相互作用数据库是预测蛋白质间相互作用的基础 使用最广泛、数据信息最完善的人类相关的蛋白质相互作用公共数据库有：BIND, DIP, IntAct, HPRD, MINT, MIPS二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用5. 预测蛋白质相互作用的生物信息学算法 基于基因组信息的预测方法 基于进化信息的方法 基于蛋白质一级结构的从头预测方

14、法 需要三维结构信息的方法 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用6. 蛋白质相互作用网络的构建是研究蛋白质相互作用的最终目标 蛋白质网络可以显示蛋白质从细胞表面到细胞核的一系列变化过程，揭示参与该过程的一系列生物学事件和作用因子，提示某一过程的中断或变化可能导致的生物学后果等。 二、蛋白质的定位、修饰二、蛋白质的定位、修饰蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用 蛋白质的分析通常是指对未知或已知蛋白质结构及功能的预测与解析。 对蛋白质的分析基于蛋白质数据库的信息。 与蛋白质分析有关的主要有蛋白质一级结构序列数据库、蛋白质三维空间结构数据库等一次（级）数据库，及构

15、建而成的具有特殊生物学意义和专门用途的蛋白质二次（级）数据库。 三、蛋白质分析软件与数据库三、蛋白质分析软件与数据库（一）蛋白质物理特性的预测基于蛋白质的一级氨基酸序列 从蛋白质序列出发，可以预测出蛋白质的许多物理性质，包括等电点、分子量、酶切特性、疏水性、电荷分布等。 相关工具有：Compute pI/Mw，PeptideMass，TGREASE，SAPS等。三、蛋白质分析软件与数据库三、蛋白质分析软件与数据库（二）蛋白质二级结构预测以已知三维结构和二级结构的蛋白质为依据 二级结构是指螺旋和折叠等规则的蛋白质局部结构元件。不同的氨基酸残基对于形成不同的二级结构元件具有不同的倾向性，这构成了进

16、行二级结构预测的基础。 二级结构预测常用方法有：nnPredict，PredictProtein，SOPMA，COILS，TMpred，SignalP等。三、蛋白质分析软件与数据库三、蛋白质分析软件与数据库（三）蛋白质三级结构预测是最复杂和最困难的预测技术 蛋白质结构预测最终是要从蛋白质的氨基酸序列预测出其三维空间结构。由于蛋白质的折叠过程仍然不十分明了，从理论上解决蛋白质折叠的问题仍较困难。 有一定作用的三维结构预测方法最常见的是“同源模建”和“Threading”方法。三、蛋白质分析软件与数据库三、蛋白质分析软件与数据库（四）蛋白质功能预测主要根据序列预测功能 思路及一般流程为： 通过相似

17、序列的数据库比对确定功能。 确定序列特性，如疏水性、跨膜螺旋和前导序列等。 通过序列模体数据库等的比对确定功能，查未知序列是否包含保守序列模体。 查对搜索Prosite等数据库最终预测蛋白质功能。 三、蛋白质分析软件与数据库三、蛋白质分析软件与数据库（五）蛋白质分析有很多其他非在线软件包工具 除了在线分析工具之外，尚有很多非在线的蛋白质分析软件包工具得以开发 如：AnthePro ，PSAAM，VHMPT，MPEx等。 三、蛋白质分析软件与数据库三、蛋白质分析软件与数据库（六）常用蛋白质一次序列数据库有PIR、SwissProt、NRL-3D、TrEMBL、GenPept等（七）蛋白质二次序列

18、数据库是由一级序列数据库整合而来的复合数据库 将一次数据库整合起来构建成复合数据库或二次数据库，更有利于生物学家的使用。蛋白质序列二次数据库主要有：Prosite，OWL，NRDB等。三、蛋白质分析软件与数据库三、蛋白质分析软件与数据库（八）蛋白质一次结构数据库有PDB、SCOP、CATH等 蛋白质空间结构数据库是生物大分子结构数据库的主要组成部分，是随X射线晶体衍射分子结构测定技术的出现而出现的数据库，其基本内容为实验测定的蛋白质分子空间结构原子坐标。 三、蛋白质分析软件与数据库三、蛋白质分析软件与数据库（九）蛋白质二次结构数据库 如：蛋白质二级结构构象参数数据库（DSSP）、蛋白质家族数据

19、库（FSSP）、同源蛋白质数据库（HSSP） 等。 三、蛋白质分析软件与数据库三、蛋白质分析软件与数据库第三节第三节 蛋白质组学数据的获蛋白质组学数据的获取与分析取与分析一、二维凝胶电泳分析技术二、蛋白质组质谱分析技术三、蛋白质芯片分析技术四、酵母双杂交系统五、Rosentta Stone方法 六、蛋白质组学分析软件与数据库 一、二维凝胶电泳分析技术一、二维凝胶电泳分析技术二维凝胶电泳(two-dimensional electrophoresis，2-DE)是目前所有电泳技术中分辨率最高、信息最多的技术 （一）二维凝胶电泳技术的定义及特点 第一向是等电聚焦(isoelectric focus

20、ing，IEF)，蛋白质沿pH梯度分离至各自的等电点。 第二向是SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)，蛋白质进行分子量的分离。 固相pH梯度-SDS双向凝胶电泳 (IPG-DALT电泳)是目前最常用的2DE技术。一、二维凝胶电泳分析技术一、二维凝胶电泳分析技术（二）IPG-DALT电泳是目前分辨率最高的电泳方法 1. 样品制备 2. 蛋白质定量 3. 一向电泳 4. 一向胶条的平衡 5. 二向电泳 6. 凝胶检测 一、二维凝胶电泳分析技术一、二维凝胶电泳分析技术 质谱分析法是按照离子的质荷比（m/z）大小对离子进行分离和测定从而对样品进行定性和定量分析的一种方法。 自20世纪初产生起，

21、质谱已成为连接蛋白质与基因的重要技术，是蛋白质组研究中发展最快，也最具活力和潜力的技术 。 二、蛋白质组质谱分析技术二、蛋白质组质谱分析技术（一）质谱仪是质谱分析技术的重要科学实验仪器 质谱仪(mass spectrometer, MS)是利用电磁学原理使离子按照质荷比进行分离，从而测定物质的质量与含量的科学实验仪器，一般由进样器、离子化源、质量分析器、离子检测器、控制电脑及数据分析系统组成，其中样品入机的离子化源和测量被介入离子分子量的质量分析器是两个关键的部件。 二、蛋白质组质谱分析技术二、蛋白质组质谱分析技术（二）质谱在蛋白质和多肽分析中的应用 1. 分子量测定 2. 肽谱测定 3. 肽

22、序列测定 4. 巯基和二硫键定位 5. 蛋白质翻译后修饰 二、蛋白质组质谱分析技术二、蛋白质组质谱分析技术（三）基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）分析技术 MALDI-TOF MS为脉冲式的离子化技术，从固相标本中产生离子，并在飞行管中测其分子量，特点是对盐和添加物的耐受力高，样品测量速度快，且操作简单。l MALDI-TOF质谱测定肽质量指纹图 l MALDI-TOF质谱技术用于蛋白质C-端序列分析 二、蛋白质组质谱分析技术二、蛋白质组质谱分析技术（四 ）电喷雾质谱（ESI-MS）分析 ESI-MS采用连续离子化的方法，从液相中产生离子，能快速、准确地解决从小分子到

23、生物大分子或不稳定有机分子质量的测定问题，常作为与其他分析技术联用的首选仪器 。l 电喷雾电离质谱测定蛋白质和多其他子质量 l 液相色谱-电喷雾质谱法鉴定2DE蛋白质 二、蛋白质组质谱分析技术二、蛋白质组质谱分析技术二、蛋白质组质谱分析技术二、蛋白质组质谱分析技术（五）串联质谱（MS/MS）串联质谱法可选择性分析混合物中的某个组分而不必将各组分分开。第一级质量分析器获得所有组分的分子离子峰（母离子），经质量过滤器挑出需进一步分析的母离子，此母离子在碰撞室内经高流速惰性气体碰撞诱导离解（CID）产生碎片离子（子离子），子离子进入第二级质量分析器获得母离子的碎片峰。通过研究母离子和子离子的裂解关系

24、，可以获得多肽和蛋白质的结构信息。（一）蛋白质芯片技术是一种高通量的、小型化的、平行性的生物检测技术 三、蛋白质芯片分析技术三、蛋白质芯片分析技术 为蛋白质组学研究中除了酵母双杂交、双向电泳技术、质谱技术等之外的一种重要的工具。 （二）蛋白质芯片的基本原理与特点 蛋白质芯片包括固定有保持天然活性的蛋白质、能与蛋白质特异性结合的DNA和RNA、糖类、合成多肽及其他能够从复杂蛋白质混合物中特异性地捕获目的蛋白的小分子物质的微阵列。 特点：特异性强、敏感性高、通量高、重复性好、应用性强、适用范围广。三、蛋白质芯片分析技术三、蛋白质芯片分析技术（三）蛋白质芯片的分类1. 功能：功能研究型芯片和分析检测

25、型芯片。 2. 固定在芯片上的蛋白质种类：抗体芯片和抗原芯片。 3. 芯片表面的化学成分：化学表面芯片和生物表面芯片。 4. 点样蛋白质有无活性功能：无活性和有活性芯片。 5. 载体：普通玻璃载体芯片、多孔凝胶覆盖芯片、微孔芯片等。三、蛋白质芯片分析技术三、蛋白质芯片分析技术（四）蛋白质芯片的制备及分析1. 被测物质的准备 2. 反应过程 3. 芯片的检测 4. 结果的分析 三、蛋白质芯片分析技术三、蛋白质芯片分析技术（五）蛋白质芯片技术应用广泛1. 基因表达的筛选 2. 特异性抗原抗体的检测 3. 蛋白质组学研究 4. 蛋白质相互作用的研究 三、蛋白质芯片分析技术三、蛋白质芯片分析技术 酵母

26、双杂交系统(yeast two-hybrid system)是一种直接于酵母细胞内检测蛋白质-蛋白质相互作用而且灵敏度很高的分子生物学方法。 酵母双杂交系统是鉴定及分析蛋白质-蛋白质间相互作用的最常用及最有效的工具之一，此技术现已逐渐推广到了如信号传导、细胞周期调控及基因表达调控等多个研究领域。 四、酵母双杂交系统四、酵母双杂交系统（一）酵母双杂交系统原理l 上游激活序列(UAS) l 氨基(N)端DNA结合结构域(DNA-BD) l 羧基(C)端 的转录激活结构域(TAD) l “诱饵”蛋白X l “猎物”蛋白Y 四、酵母双杂交系统四、酵母双杂交系统人民卫生出版社8年制及7年制临床医学等专业

27、用生物信息学（二）酵母双杂交系统特点与优点l 实现了真正的克隆基因目标化 ；l 在细胞内进行并完成的，反映了蛋白在体内的交互作用；l 可以高灵敏度地检测蛋白与蛋白之间的交互作用 。四、酵母双杂交系统四、酵母双杂交系统（三）酵母双杂交系统的局限性及优化l 酵母细胞转化效率低（酵母交配技术）； l 杂交过程在细胞核内完成，不便于研究膜蛋白、分泌蛋白、膜受体及胞质蛋白（分离的泛素系统）；l 结果假阳性、假阴性较高（双筛选系统、三筛选系统）。四、酵母双杂交系统四、酵母双杂交系统 Rosetta Stone方法即是近年来开发出的基于基因组”上下文”的方法来预测蛋白质相互作用，用于研究非同源基因之间功能关

28、朕的方法。 五、五、Rosentta Stone方法方法 罗塞塔石碑(Rosetta Stone)是1799年在埃及罗塞塔发掘出的刻有古埃及文字及希腊文的石碑 。 三种文字相互对照，就可以知道一个个古埃及象形文字所代表的含义。 （一）Rosetta Stone方法的来源 罗塞塔石碑(Rosetta Stone)：石碑上用三种文字书写同一段话，对同一内容文字进行互译。 罗塞塔石碑方法(Rosetta Stone method)：又称为基因融合法(gene fusion method)。 五、五、Rosentta Stone方法方法（二）Rosetta Stone方法的基本分析步骤1. 建立一个输

29、入文件，里面包括待查蛋白质序列； 2. 建立一个可供BLAST搜索的数据库，并对序列数据库进行格式化； 3. 运行本地BLAST进行分析，并对BLAST出来的结果进行分析；4. 识别Rosetta Stone序列及预测蛋白间的功能关联。 五、五、Rosentta Stone方法方法（三）Rosetta Stone方法的应用l 潜力大：利用Rosetta Stone方法，在大肠杆菌中已经发现一共有6,809种潜在的蛋白质间相互作用，而在酵母中共有45,502种。l 实验验证：有效的研究蛋白质间相互作用的高通量的实验技术 。 五、五、Rosentta Stone方法方法 数据库技术和相关的分析软件, 是蛋白质组的研究不可缺少的信息学手段, 可用于这些数据的存储、管理与分析。 六、蛋白质组学分析软件与数据库六、蛋白质组学分析软件与数据库（一）常用的蛋白质组分析工具1. 蛋白质表达分布图数据库2. 蛋白质