从基因组到蛋白质组的演变

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说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容从基因组到蛋白质组唐建国主持人：追求进步，学术倾听，世纪大讲堂向您问候。早在1986年的时候，美国科学家杜博克曾经在Science（科学）杂志上发表短文，提出了继阿波罗登月计划和曼哈顿计划之后的第三大计划，也就是人类基因组计划。到了1994年的时候，澳洲的两位大学教授又提出蛋白质组的研究。今天主持人阿忆给大家请来了一位嘉宾，做我们世纪大讲堂的客人，他是来自北京大学生命科学学院的大教授叫唐建国，让他给我们谈谈“从基因组到蛋白质组”。好，有请唐教授上场。好，请坐。唐教授咱们先说说家常话，我是对学科学的人非常好奇，我总是觉得一个人选择一个科学学科的时候，一定是他在选择这个职业的时候，曾经受过某位光辉的科学明星的感召。比如说我当年曾经想学数学，是因为我非常喜欢陈景润。您是当年知道某位大生物学家……唐建国：跟你一样主持人：那您听说他是谁？唐建国：我记得是徐迟写得“哥德巴赫猜想”。主持人：那您应该上数学系呀。唐建国：我上数学系但是我最终没有选择，最后我是从四川重庆上的大学，高中毕业上的大学。当时我是看到了在吉林大学有一个化学家叫做唐傲庆。所以说，我最初没有任何人给我指点，因为我的父母层次都没有这么高，所以说我最后选择了吉林大学化学系，但是我对生物又有一点感兴趣。虽然当时我们上高中的时候还没有生物课，所以说我最后填的是吉林大学化学系的生化专业。那么我们这个专业，实际上基本的一些课程都是跟化学系的同学一块上的，最后两年是我们生物化学的专业课，大概这样。总共比其他学生都多了一年，大概我算是亏了一年。主持人：那是85年毕业的，是吧？唐建国：85年。主持人：85年毕业怎么办呢？是选择了一个科学院的化学所还是接着深造？唐建国：当时面临着一个选择，我在大学的时候我选择生化专业，我当时就在想，我希望今后做蛋白质方面的工作，并且我还希望做，跟医有关系的这样的蛋白方面工作，因为很多疾病都是跟蛋白质相联系的，所以最初呢我是选择了我们国家著名的生物化学家邹承鲁教授作为我的研究生的导师。主持人：我发现科学家有两类，有一类是黄牛式科学家，他基本是低头拉车不看左右。还有一类科学家是明星式的科学家，有可能是灯塔人物，比如说爱因斯坦，比如说咱们国家的，类似于李四光等等这样的人物。我那么想象，假如你是受一个大科学家的启迪，然后选择了一门学科的话，当你真正从事这个学科研究的时候，会不会心里也有一种苗头，说我要能做一个明星科学家就好了？既有研究又很风光，到哪个地方，人都认识，找你签名。唐建国：我觉得这个倒不一定，我想人与人不一样，这个我想人与人不一样。作为我个人来说，我觉得，我如果说能够在自己的工作当中做出一些感兴趣的结果，那么这些结果能够在我们学科范围内，能够跟大家进行讨论，得到同行们的认可，我觉得，这就是自己的成就，那么当然在这个工作当中，也可以培养许多年轻的研究生们。我觉得对咱们国家来说，不管怎么说这是一个贡献。主持人：明星科学家不好吗？因为你成了明星科学家，很多下一代的孩子，看到了有一位教授叫唐建国，于是他们在选择高考方向的时候，也选择了蛋白质研究，不好啊？唐建国：实际上我觉得一些有名望的科学家倒不一定是属于一定要抛头露面，这样的人物，我觉得大科学家不一定，一定要吹嘘我是大科学家。那么大科学家得需要相关专业的人士，来认为你是大科学家，你才是，不是说你自己吹嘘自己是，就是。我想是这样。主持人：哎呀，真是可惜。像杨振宁、李政道他们除了从科学方面挣了好多钱以外，人家每一场讲演还挣了好多美元呢！咱们言归正传，下面就请唐建国老师，给咱们带来精彩的学术报告，报告的名字是“从基因组到蛋白质组”。好，欢迎。唐建国：这个报告我想得是这样，基因组现在大家是非常的热门，我想在坐有学生物学的，当然也有非生物学的同学。在这个讲座里面我觉得我需要把基因组、蛋白质组、基因、蛋白质这些要给大家交代清楚，这样来说大家才可能对，从为什么现在我们这个学科已经，就是说我们生物学或者医学现在发展的前沿，我们可以看到是从基因组的研究，我们可以逐渐过渡到蛋白质组学的研究。基因来说大家知道是遗传物质，那么我们现在来说，基本上把它看成，简单一点来说，把它看成DNA脱氧核糖核酸，在一些微生物里面也可以是RNA或者是核糖核酸，它们作为生物的遗传物质。这个DNA，我们现在简单的就说DNA，它的组成，实际上来说是非常简单的。基本上我们这样说主要由四种核苷酸来组成，那么这四种核苷酸，通过它们一个一个这样连接起来就成一个核苷酸的链，那么这个核苷酸的链很大之后，就可以作为携带遗传信息的分子。它为什么可以作为遗传分子？它具有两条链，双螺旋两条链，每条链就是我跟大家说的由四种核苷酸这样相互连接起来的。那么这两条链有什么作用呢？那么在我们遗传信息的复制过程当中，我们个体，一个细胞可以变成两个，两个变成四个，那么下面的细胞的DNA遗传物质，跟我们上一代的DNA遗传物质应该是一样的，就是靠我们两条链把它分裂成一条链同时，在这一条链上又再合成另外一条链，那么从一个双螺旋的DNA分子到下一代分离的时候，它一个DNA分子变成两个DNA分子，那么就在子细胞当中，分裂成两个子细胞当中各含有一个，这样来说，我们一个DNA分子，在子代当中变成两个DNA分子，各个子代来说都含有一个，这样就可以把我们的遗传信息传下去°DNA分子来说从结构是非常简单的。那么DNA结构这么简单，以至于在过去的十几年或者接近二十年，以至于我们发展出了分子克隆的技术，或者要从产业化来说，大家知道基因工程的技术，那么就是可以把这个基因，把它拿出来进行操作，我们知道它的序列，可以让基因生产出一些我们所感兴趣的产品来。我要再谈一下蛋白是怎么回事，我这儿谈的蛋白跟大家在日常生活当中的，从食物里面得到的这些蛋白是有区别的。我所谈的是功能蛋白。那么大家从食物里面摄取是从食物里面得到的蛋白是属于营养的物质，那么我们生物体内的蛋白我们谈的主要是一些具有生物学功能的这样的分子。那么蛋白是由什么组成的呢？蛋白是由二十种氨基酸，通过共价键相互这样的连接来组成的。那么我们刚才谈到，核酸是由四种核苷酸来组成，那么我们蛋白质由二十种氨基酸来组成。那么从复杂度来说，蛋白质的复杂度要比核酸的复杂度要大得多。也就是说它的功能可以形成出非常非常，非常多的功能。比如说我们人需要呼吸，那么我们吸进去是氧气，氧气到了肺里面，它是由什么样的分子来把它带到组织里面去。那么它是由一种叫做血红蛋白，它可以把这个氧气带到组织里面，把这个可以交给肌肉组织里面的肌红蛋白，这些蛋白是属于运输蛋白，就是运输一个氧分子就需要一个蛋白质。到肌肉里面再把二氧化碳，我们氧化之后得到的二氧化碳要呼出，要从肌肉组织里面要把这些二氧化碳再呼出来，通过血液当中的血红蛋白再把它带到肺泡里面，然后再呼出，这些都涉及到蛋白，那么这个我们把它看成运输的蛋白。那么从生理调节上来说也是，那比如说我们知道的糖尿病，糖尿病跟什么有关系呢？跟胰岛素有关系。胰岛素是作为一种激素分子，它本质也是蛋白质，那么它可以通过与细胞受体的结合，然后影响下面的信号传导，提高一些酶，这里又提到酶，酶就是蛋白。提高一些酶的活性来改变我们生物的生理代谢的过程。这些过程包括我们刚才讲的基因，基因要复制，一个分子变成两个，它需要酶的帮助，这种酶也是蛋白质，DNA复制酶也是蛋白质，信息的传递还需要一些酶。那么信息为什么要开始进行表达，从遗传物质表达到后面我们要讲的蛋白质呢？这里面也有蛋白质，我们把它叫做转录因子，很多很多转录因子作为蛋白质的加入来调节表达的水平。那么大家可以看到蛋白质实际上是非常非常，非常重要的。作为研究来说，我们现在就回到基因组上面来，基因组研究的条件是非常成熟了。我想谈一点就是，在基因到蛋白质这两个分子的关系上来说的话，这个也是在接近50年前，人们科学家已经达到了这样的规律，基因是由四个核苷酸这样来组成的，蛋白质是由二十种氨基酸来组成的，它们两者之间是什么关系？我们说基因是遗传物质，是我们生物体的遗传物质，在每一个细胞当中，这个基因这个遗传物质可以说都是一样的，同一个个体，不同的组织，不同的状况，它的基因的水平是一样的。那么它的蛋白的水平可以是不一样的，那么你肌肉细胞所表达的蛋白，跟你肝细胞所表达的蛋白是不一样的。但是基因，肌肉细胞里面的DNA，跟肝脏组织细胞来的DNA，作为同一个个体来说，是一样的，那么也就是说基因作为遗传物质它是恒定的，蛋白质，我们把它叫做“功能分子”，它可以是有变化的，这种变化是在基因表达过程有一定的变化，各种的组织不同的需要，可以表达出不同的蛋白分子来，来完成我们正常的生理功能。那么从DNA到蛋白质我们有一个规律，我们把它叫做“分子生物学的中心法则”。也就是说，我们知道DNA的序列之后，它是三个核苷酸是一个密码子，那么这一个密码子是干什么用的？它是对应着蛋白质当中的一个氨基酸。我们二十种氨基酸都有至少一种密码子，在DNA水平上至少一种密码子。那么一个密码子对应一个氨基酸，第二个密码子对应第二个氨基酸，第三个密码子对应第三个氨基酸。这样通过DNA这样的遗传信息，就可以把它转化到，在我们蛋白质上面组成的氨基酸的序列，就可以各有不同，不同的遗传信息就可以代表出不同的蛋白质的分子，不同的基因就可以表述出不同的蛋白，这个基因可能表达出来胰岛素分子，那个基因可能表达出来生长激素蛋白分子，这个基因可能表达出来一个胰蛋白酶分子。是这样的。那么基因跟蛋白是这样的关系。我们知道了基因就可以知道蛋白的序列，那么知道蛋白的序列也就是氨基酸系列，我们也可以反推到DNA上面，它的一些序列就是DNA到蛋白质有这样的关系。那么我们今天谈“从基因组到蛋白质组”就需要把这种关系很好的了解，联系起来。那么蛋白质组是什么样的一种概念呢？蛋白质组是某一个细胞或者某一个组织当中所有表达出来的蛋白质这样一种概念，所有表达出来的蛋白质这样的一个集合。那么这个蛋白质组因不同的细胞而异，不同的细胞它的蛋白质组是不一样的，但是同一个个体不同的细胞它的基因组是一样的。那么我们人类现在有30亿个碱基，核苷酸这样序列的基因组。那么按照能够编码出来蛋白质这样的序列，我们现在估计是3万到4万个可以编码出来，也就是说，可以编码出来3万到4万个蛋白质分子。那么这个蛋白质分子3万到4万是不是在每个细胞都存在呢？不是。那么这些蛋白质分子因不同的细胞的需求而表达，在某一个细胞里面这个蛋白或者这一堆蛋白，这一序列的蛋白表达得很高，在另外一个细胞，另外一些基因表达出来的蛋白，这些蛋白表达的很高。那么在一个组织里面，它可以是蛋白质的表达水平可以是不一样的。也许一个组织只表达几千个蛋白质分子，与我们总的3万个蛋白质差的很远的。那么表达这么多就足够这个细胞完成它的功能，那么表达这样，实际上也体现了不同的细胞它的功能，肌肉细胞表达的蛋白质跟你肝细胞，胰腺组织细胞表达的蛋白质会有很大的差别，但是这些组织的基因都是一样的，只不过它表达的时间、方式，或者表达不表达这上面有差异。那么蛋白质组实际上是要做这些工作，了解这些蛋白的差异，而这些蛋白的差异有什么样的作用呢？我们现在了解的人类基因组计划这些序列，我们知道有3万、4万可能表达出这样的蛋白来，那么这些基因谁是谁，谁能表达出哪个蛋白来，绝大部分我们都不知道，这个不可能从基因的序列上，我们知道它的功能。也就是说基因组的计划我们了解了这些基因的序列，这仅仅是我们人类基因组上，所谓大科学的万里长征的第一小步，实际上后面还有很多很多工作，这个工作实际上很大的工作量是局限在蛋白质组上面。所以说，后面的任务是非常艰巨的。那么在我们作蛋白质组的过程当中，实际上存在很大的研究价值，这个研究价值是什么呢？比如说，我们一个组织在正常的情况下，它可以表现出来比如说，五千个蛋白点在上面，五千个地图上面有一个标志在上面。那么在非正常的时候，这些蛋白点它可能会有一些变化，比如说我们刚才谈到的某些酶，在代谢过程当中某一个酶，这是蛋白质，如果它的量增加，可能会导致这样的病理状态。那么我们就看这个蛋白质组上面每一个是什么样的变化，如果这个变化很强的这个蛋白点，我们把它拿出来是跟这个疾病非常有关，我们就可以找到它的序列，拿出来研究它的结构，找到它的序列。然后再反到基因组里面去，找到它的基因，那么把它的基因拿出来，我们就可以很好的研究这个基因的表达调控，就是说我们不要它病理状况，我们能不能让它的基因不表达或者少表达，使这个蛋白的量少一点。那么这样就可能产生一些应用价值。再比如说我们在一个图上，有一个蛋白正常情况下有，病变的时候它没有了，那么这个就很可能就是说，它在这里面起了很关键的作用。那么我们能不能在正常情况下，把这个基因拿出来，通过这个蛋白把基因拿出来，然后我们可以通过现在的生物工程，我们比如说，通过基因工程技术生产这样的蛋白，把这个病人他缺这个蛋白，我们给他注射进去这个蛋白，来治疗他这样的病状。那么这里面就谈到，在蛋白质组里面，实际上是要帮助基因组的解析，每个基因是什么样的功能，最后可以得到什么呢？对很多基因可能有非常大的商业价值。大家知道现在我们市场上已经有很多的重组蛋白，包括刚才谈到胰岛素，生长激素，GMSF，粒细胞刺激因子这些，白细胞介素，干扰素这些都是属于重组蛋白，它具有一定的生物学功能，是可以对于很多疾病，来进行治疗的。这些都是属于我们基因组计划今后可能带来的一些巨大的经济效益或者社会效益。从研究的方面去考虑，可以使得我们很多的蛋白这样的功能分子的结构有功能研究，加快它们的解析的进程。我觉得从基因组到蛋白质组这是一个过程，我觉得，我们国家反而我觉得在这方面可能大家不一定太熟悉，因为什么呢？我们国家虽然仅仅只有几个局限的实验室在开展这样的工作，我们国家比如说国家的基础重大研究项目也没有蛋白质组，但是基因组是在这里面，但是没有蛋白质组。这一点我个人认为需要领导或者一些专家们更多的思考这个问题，否则今后在我们国家蛋白质组学上面可能会比基因组还要落后。我大概讲这些。主持人：好，谢谢您。下面咱们看一下来自凤凰网站的网友，对您的提问。第一位网友他名字叫“病入膏肓”。他的问题是：据我理解基因图谱绘制成功，一切疾病秘密便在人类视线前暴露无遗，我们医生可以按图索骥的方式，对因下药。原来是对病下药，他是对基因的因。对因下药，包治百病，这下我就可有救了，我才34岁了，便患了谢顶、头晕，不是阳萎便是早泄等等一系列不治之症，我还可以治理一下我的啤酒肚和我的近视眼。现在又有了蛋白质组的研究，总之我觉得新世纪充满了曙光。唐建国：我刚才谈到基因组的研究取得现在的成绩，仅仅是万里长征的一小步。所以说我觉得公众们对这个问题要客观一点看，我认为不是说那么乐观，要真的像，要把每一个基因是做什么的，它的功能是什么样解析清楚，那绝对不是一、二十年，我认为不是一、二十年能够拿得下来的。那么在这个里面，作为这些功能分子蛋白质，实际上也不那么简单，除了我刚才说得好象很复杂的因素之外，实际上这些蛋白质还有一些化学修饰，有的蛋白质合成出来它不是说马上有功能的，它合成出来比如说以前体的方式保存着，当你机体需要的时候，它再激活来使用。那么有的蛋白质它可以受一个磷酸基团，一个无机的磷，这么一个磷酸基团。它如果共价结合到一个蛋白质某一个位点上去，它就改变它的活性，它可以作为开关一样，让这个蛋白有活性，或者说让这个蛋白没有活性，这样就可以改变这个生物体的功能。所以说基因组的解析成功不要给大家这样一种错觉，好象生物学的问题解决了，实际上仅仅是那么一小步。我觉得这样可能比较客观一点。主持人：那么我怎么告诉他呢？我告诉他唐教授说了，基因组研究完了以后蛋白质组研究，蛋白质组研究完了以后，还要研究到糖，您的谢顶、头晕，和那些男人们不好启齿的病才能得到治疗。唐建国：因为这个东西，我认为是非常复杂的这样一些问题。有的比如说比较简单的，通过某一个药物就可以解决。像刚才谈到的这么多病状，我想不是一种基因，两种基因的问题，可能是很多基因组合在里面地方。主持人：那我干脆告诉他没救了。唐建国：不能这样说呀。我觉得我们人类是在一步一步往前走的，往前发展的。比如说我们现在生活条件，或者说护理这些条件已经有非常大的改进，我们的寿命已经在延长了。我觉得这就是进步，这种进步得益于我们的研究，我们医学、生物学的发展。我们基因组仅仅是在前面打了一个头，那么后面实际上还有很多很多的工作需要开展，需要做，否则的话，也许这些生物学家可能就该失业了。主持人：下面哪位现场观众有问题可以举手示意我？观众：唐教授您好，尿毒症是现在常见的一种需要进行器官移植的疾病，而它的花费是非常大的。随着分子生物学以及基因工程的发展，我们是不是可以预计在不久的将来，可以通过克隆一个肾，或者是通过转基因动物身上取下/