绪论22优秀公开课

1Proteomics蛋白质组学2课程安排第一章绪论第二章蛋白质基础第三章蛋白质样品的全息制备第四章蛋白质分离策略第五章蛋白质鉴定的策略第六章蛋白质定量方法第七章蛋白质组研究中的生物信息学第八章蛋白质相互作用研究方法第九章蛋白质组学的应用实例3参考书《蛋白质组学：从序列到功能》

钱小红、贺福初等译2002年9月出版Proteomics(establishedin2001,IF4.586)MolecularandCellularProteomics(in2002,IF8.834)JournalofProteomeResearch(in2002,IF5.684)Briefingsinfunctionalgenomics&proteomics

(in2002,IF?)CancerGenomicsProteomics(in2004,IF?)Clinicalproteomics(in2004,IF?)Currentproteomics

(in2004)Expertreviewofproteomics(in2004,IF3.848)GenomicsProteomicsBioinformatics(in2003,IF?)Comparativebiochemistryandphysiology.PartD,Genomics&proteomics(in2006,IF?)Journalofproteomics&bioinformatics

(in2008,IF?)Theopenproteomicsjournal(in2008)Proteomics.Clinicalapplications(in2008)Allotherrelatedjournals5生命科学回顾1847Schleiden和Schwann细胞学说1859Darwin物种起源－－进化论1866Mendel

孟德尔遗传定律1870-80sMiesher核酸物质－－核素1910-1913Morgen基因理论－－基因连锁1910Kossel分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸1940-50sGriffich和Avery肺炎双球菌转化试验－DNA是遗传物质1953Watson和CrickDNA双螺旋模型1954Crick中心法则1960OchoaRNA聚合酶1961Jacob和Monod乳糖操纵子模型1966Nirenberg

遗传密码1966GellertDNA连接酶6生命科学回顾（续）1970Smith限制性内切酶1970Temin逆转录酶1972Berg首次DNA重组

1977Sanger和Gilbert首次DNA序列分析1981首次获得转基因动物（小鼠）1983首次获得转基因植物（烟草）1984人类基因组计划设想1986基因工程生物（GMO）首次环境释放1989美国首次接受GMO的专利申请1994转基因西红柿作为商品面世

1997克隆羊Dolly诞生2001人类基因组框架图完成

……7

20世纪中期以来，随着遗传信息的载体DNA双螺旋结构的提出以及对基因的复制、转录、翻译和遗传密码的破译，开始了现代分子生物学时代。

9二、基因组计划10

20世纪九十以来，开始了全球性基因组计划

(August)NIH(NationalInstitutesofHealth)beginslarge-scalesequencingtrialsonfourmodelorganisms:Mycoplasmacapricolum(支原体),Escherichiacoli(大肠杆菌）Caenorhabditiselegans(线虫),Saccharomycescerevisiae(啤酒酵母)and……….（1990）模式生物的大规模测序11

(July)VenterandClaireFraserofTIGRandHamiltonSmithofJohnsHopkinspublishedthefirstsequenceofafree-livingorganism,Haemophilusinfluenzae,(流感嗜血杆菌)1.8Mb(Science).（1995）发表

流感嗜血杆菌的序列13(December)Aninternationalconsortiumcompletesthesequencingofthefirstplant,Arabidopsisthaliana(拟南芥)125Mb（2000）发表拟南芥（Arabidopsisthaliana）序列14（1991）水稻基因组测序开始(October)TheJapanesericegenomesequencingeffortbegins.15(2002)ADraftSequenceofRiceGenomewaspublishedbyscientistfromChinaandSyngenta,USA一个水稻基因组序列草图的发表

由中国和美国先正达公司科学家完成17人类蛋白质组计划18HGP是由美国学者1985年在美国能源部的一次会议上讨论，并由诺贝尔奖获得者RenatoDulbecco于1986年在Science杂志发表的一篇文章中提出的.其目的是阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，从而在整体上破译人类遗传信息。该计划启动于1990年，原定15年完成，由于技术的成熟与基因组测序的规模化运作，以及来自商业竞争方面的压力，2000年6月26日基因组序列草图测序完成。19CompletePublishedGenomeProjects:1217

Bacteria(1013)Archaea(80)Eukarya(124)Bacteria(3984)Archaea(202)Eukarya(1324)OngoingGenomes(LastUpdate:January24,2010)21Whatisnew?

Totalnumberofprotein-codinggenesinhumangenomeisintherange20,000–25,000.Researchershaveconfirmedtheexistenceof19,599protein-codinggenesinthehumangenomeandidentifiedanother2,188DNAsegmentsthatarepredictedtobeprotein-codinggenes(Nature2004,431:931)

No.ofgenesTheHGPconsortium:31780Celera:3911422

过去分子生物学研究主要集中在对个别基因和蛋白质的分离和鉴定上。研究者们通过归纳新发现的单个基因或蛋白质序列,缓慢地积累基因和蛋白质数据。由于研究基因功能的技术较落后，发现了大量无名的序列和基因片段,而在那些已完成鉴定的生物基因组内又发现了很多新基因,数目之大是我们未曾预期到的,这使该问题更为突出。23基因组测序并注释后的啤酒酵母基因分布

已经鉴定了啤酒酵母的2000多个基因,当时认为基因组测序最多能多鉴定出几百个基因o后来发现酵母基因组包含6000多个基因,而且有三分之一与以前鉴定的序列无关。因为无法把它们归类到现有的任何种类的基因家族中,所以把它们称为孤儿基因。

三分之一与以前鉴定的序列无关25转录组学蛋白质组学代谢组学表型组学相互作用组……功能基因组学26GenomicsandProteomicsanewfieldwithanewvocabularyOmics:meansareaofresearchDNARNAProteinsMetabolitesProtein-DNA,Protein-RNAProtein-proteinGenomeTranscriptomeMetabolomeProteomeInteractome29功能基因组学采用一些新的技术，如转录组学应用微阵列(Microarray)、DNA芯片(DNAchip）及SAGE(Serialanalysisofgeneexpression)等技术，可对成千上万的基因表达进行分析比较，并从基因整体水平上对基因的活动规律进行阐述，力求从细胞水平上解决基因组问题，以建立对生命现象的整体认识。蛋白质组学是后基因组学时代研究的中心，而以阐明生物体内蛋白质表达模式与功能模式为目标的蛋白质组学成为功能基因组学研究的重要内容之一。30三、蛋白质组学概念的提出蛋白质组(proteome)：

PROTEOME=PROTEin+genOME

最早是由澳大利亚学者Wilkins和Williams等人于1994年提出，并首次公开发表在1995年7月的Electrophoresis杂志上(有关一种已知最小的、能独立自我复制的原核生物-支原体的蛋白质组分析结果)，指的是由一个细胞、一个组织或是一种生物的基因组所表达的全部相应的蛋白质。3132如果我们看一下一个有机体，它意味着我们正在寻找在3万亿细胞的蛋白质组〜1000种不同的细胞类型与不同的蛋白质表达谱。33随着蛋白质组的提出，蛋白质组学(Proteomics)也自然而然地孕育产生。

蛋白质组学是研究蛋白质组或应用大规模蛋白质分离和识别技术研究蛋白质组的一门学科，是对基因组所表达的整套蛋白质的分析。蛋白质组学可以被广泛定义为生物样本中蛋白质的系统分析与存档，其目的在于归类细胞中的蛋白质的整体分布，鉴定并分析感兴趣的个别蛋白，最终阐明它们的关系与功能。34ProteomicsbyMedline

maturationofafieldFrom220

publicationsinthepreviousmillennium(‘95-’99)To21,350(!!!)publications

from2000-2005)35Proteomics–byGoogle

theultimatetruth..Proteomics886,000hits(2004)

4,700,000hits(2005)

Genomics2,070,000hits(2004)16,000,000hits(2005)36蛋白质组学的诞生实质上是依赖于基因组测序计划的成功，该计划虽未对揭示生物体的本质提供更多的信息，但是它为更加广泛而有效的实验方法的产生提供了基本的平台，而这些实验方法将为鉴定基因组编码的基因，并最终理解这些基因产物在生命活动中的调控作用提供支撑。37四、蛋白质组学与基因组学的联系与区别蛋白质组与基因组相对应，也是一个整体的概念，是基因组表达的全部蛋白。但两者又有根本的不同之处。

38

一方面利用蛋白质的序列来协助基因的注释。

基因组测序完成之后,一个重要的工作就是对所获取的基因进行注释。通常用生物信息学对基因进行了注释,然而,这种注释方法的错误率较高。

有研究表明,对一种细菌(Mycoplasmagenitalium)基因组的340个基因从生物信息学的角度进行注释，其错误率可达８％(StevenE,etal.1999)．而利用蛋白质的序列来协助基因的注释，可以极大地提高注释的准确率，同时还可以利用蛋白质的序列来推测和确定“可读框”（ORF）的全长；基因组学与蛋白组学是相互关联,相辅相成联系39

另一个方面，蛋白质的研究也离不开基因组序列提供相应的信息。

蛋白质的质谱鉴定是以基因组序列或EST为依据的。在蛋白质相互作用的研究中，双杂交技术、噬菌体显示技术等就是以基因组数据和技术为基础的。40区别

作为生命科学研究的两个不同侧面，基因组和蛋白质组各有其特点。1.基因组是静态的，基因组作为遗传信息的载体，具有相对的稳定性，从个体诞生到死亡，始终保持相对恒定不变，且其表达产物RNA绝大多数是彼此孤立的，互不干扰。也正因为如此，用一种单一技术就可对其进行测序工作，从而对遗传信息进行研究。

2.蛋白质组是动态的，作为新陈代谢的主要执行者，蛋白质受到外界与内部环境的影响，在生命活动中呈动态，且受到时间与空间的影响，并且一个蛋白质发生作用时离不开其它蛋白质或其它生物大分子。就蛋白质的研究而言，需对其进行分离和鉴定，这就涉及到多种技术，而不是单一技术所能解决的。41（1）蛋白质的种类和数量在同一机体的不同细胞中是各不相同的。（2）同一细胞，在不同时期、不同条件下，蛋白质组也是在不断改变的。（3）在病理或治疗过程中，细胞蛋白质的组成及其变化与正常生理过程的也不同。蛋白质组具有多样性和可变性的特点42五、WhyProteomics?43（1）从mRNA表达水平并不能预测蛋白表达水平用基因表达连续分析法研究对数生长期啤酒酵母的80个基因,结果没有发现翻译和转录丰度有明显相关;对某些基因,相同的mRNA丰度翻译成蛋白的量的差异可达50倍;而相等的蛋白量可由丰度相差40倍的mRNA转录而来。这说明转录和翻译水平对蛋白的含量有几乎相同的重要性44（2）蛋白质的动态修饰和加工并非必须来自基因序列蛋白质在翻译后可有多种调节方式,如糖基化、磷酸化、异戊二烯化、酰化作用等。45(3)蛋白质组动态地反映生物系统所处的状态细胞周期的特定时期、分化的不同阶段、对应的生长和营养状况、温度、应激和病理状态等其相应的蛋白质组之间存在差异。对其中蛋白质合成、降解、加工、修饰的调控过程,只有通过蛋白质的直接分析才能提示。46蛋白质组学的重要性

(1)一个蛋白质的功能依赖于它的结构和相互作用；

(2)突变和RNA干扰是粗糙的大规模功能分析工具，有时不能研究蛋白质的功能；(3)一个转录物的丰度可能并不反应相应蛋白质的丰度；(4)蛋白质的多样性是在转录后产生的；(5)蛋白质的活性通常依赖翻译后的修饰；(6)一个蛋白质的功能常依赖它的位置；(7)

有些生物样品不含核酸（如体液）；(8)

蛋白质是体内与治疗最相关的分子。47六、蛋白质组学的研究意义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研究将直接阐明生命在生理或病理条件下的变化机制。几乎所有的生理和病理过程，以及药物和环境因子的作用都依赖于蛋白质，并引起蛋白质的变化。反之，对蛋白质组变化的分析也能提供对上述过程或结果的重要信息。蛋白质组学的研究手段也可以应用于农业研究、环境保护等多方面。48蛋白质组研究不仅可实现与基因组的对接与确认，直接揭示生命活动规律和本质、人类重大疾患（病原体）致病的物质基础以及发生与发展的病理机制；而且可广泛推动生命科学基础学科以及分析、信息、材料等应用科学的发展；对提高我国生物医学原始创新能力、重大疾病防诊治能力和国民健康水平以及新药研发能力、对促进生物医药产业乃至国民经济的发展具有重大的战略意义49七、蛋白质组学的研究内容在蛋白质水平上定量、动态、整体地研究生物体，它旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式。1）表达（组成）蛋白质组学蛋白质表达谱（组织、器官、细胞、亚细胞分布等）

2）比较蛋白质组学比较不同蛋白质组的差异与相似性；

3）结构蛋白质组学

蛋白质三维结构的解析(X-ray/NMR/modelling)；

4）功能蛋白质组学蛋白质的功能和相互作用；

5）蛋白质组学研究的技术平台与生物信息学

分离、鉴定技术，分析软件和数据库。501）表达（组成）蛋白质组学

表达蛋白质组学(expressionproteomics)致力于分析蛋白质的丰度，包括分离复杂的蛋白质混合物、鉴定各个组分和它们的系统定量分析。基于双向凝胶电泳(two-dimensionalgelelectrophoresis,2DGE)分离蛋白质混合物的方法是在20世纪70年代发展起来的,那个时候就预计到将来会建立数据库来对不同细胞内的蛋白质进行分类,寻找不同状态(如健康和疾病)时的差别。512）比较蛋白质组学比较不同蛋白质组的差异与相似性523）结构蛋白质组学

主要研究蛋白质的氨基酸序列、三维结构的解析、种类分析、数量确定等；蛋白质结构测定主要是应用X-光衍射技术，蛋白质种类和数量测定主要是应用双向电泳，蛋白质鉴定的手段是质谱法；53

许多与微阵列分析有联系的统计分析法,如聚类算法和多变量统计,最初都是在2DGE蛋白质分析基础上发展起来的。不幸的是当时存在严重的技术限制,例如很难获得可重复的分离,对分离的蛋白质也很难鉴定。在20世纪90年代初,表达蛋白质组学研究获得了突破性的进展,当时质谱(massspectrometry)技术被用来进行蛋白质鉴定,并且设计出了用质谱数据对数据库进行查询的算法。544功能蛋白质组学

功能蛋白质组学研究蛋白质的功能，主要采用蛋白质芯片技术进行研究。554）相互作用蛋白质组学

相互作用蛋白质组学

(interactionproteomics)根据单个蛋白质间的二元相互作用和通过对蛋白质复合物系统分析确定的更高级别的相互作用来构建蛋白质组的网络图。该领域的关键技术包括酵母双杂交系统(yeasttow-hybridsystem,一种进行二元相互作用的遗传分析方法)和对蛋白质复合物进行分析的质谱技术。

56

蛋白质和核酸之间的相互作用是包括基因调控在内的许多重要过程的基础,同时蛋白质与小分子之间的相互作用也是非常重要的,例如酶与它们底物之间的相互用和受体与它们配体之间的相互作用。这些相互作用的类型常用生化法和物理法如X射线晶体学的结构分析法进行研究。蛋白质与小分子相互作用的特性在药物开发过程中也起重要作用。57八、蛋白质组学的研究技术蛋白质分离技术

凝胶双向电泳、HPLC；蛋白质鉴定技术

Edman测序、质谱技术；图像分析与生物信息图像分析软件，数据库；相互作用研究技术

酵母双杂交技术、免疫共沉淀、蛋白质芯片等。58Proteomicsemploysanincrediblydiverse

rangeoftechnologiesincluding:

molecularbiology

chromatography

electrophoresis

massspectrometry

X-raycrystallography

NMRspectroscopy

robotics

computationalbiology59九、国内蛋白质组学研究现状我国从1997年开始开展蛋白质组研究,是较早倡导和开展蛋白质组学的主要国家之一。国家自然科学基金委员会于1999年支持了蛋白质组重大项目，经过多年的发展，在国内已形成一支蛋白质组研究队伍并拥有主要的研究技术和装备。60

中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所建立的蛋白质组研究中心，在2000年的Electrophoresis上发表了我国第一篇蛋白质组研究论文；并在生命科学研究院生物信息中心的协助下建立了我国第一个大型的蛋白质组数据库并实现了网络共享()。612001年我国的蛋白质组研究又进入一个迅速发展的新阶段，其主要标志是国家科技部将蛋白质组研究确立为“973”和“863”的项目。在完成人类基因组1％的测序任务之后,我国科学家首次领导执行重大国际科技协作计划，承担人类蛋白质组计划20％以上的研究任务

62国际人类蛋白质组组织（HUPO)于2001年2月9日宣告成立。

1st:2002年11月在法国凡尔赛2nd:2003年在加拿大的蒙特利尔3rd:2004年在中国北京

4th:2005年在德国的慕尼黑

5th:2006年在美国的长滩6th:2007年在韩国的首尔

7th:2008年在荷兰的阿姆斯特丹8th:2009年在加拿大多伦多

9th:2010年将在澳大利亚的悉尼10th:2011年将在瑞士的日内瓦2003年9月18日至19日，中国蛋白质组学学术会议在长沙召开。当天，中国蛋白质组学专业学术委员会和中国人类蛋白质组组织（CNHUPO）经选举正式成立。贺福初院士当选为CNHUPO主任委员，丁建平研究员、贺福初院士共同当选为中国蛋白质组学专业委员会主任委员。

63国际人类蛋白质组组织2003年12月15日在北京宣布，国际人类蛋白质组计划正式启动，“人类肝脏蛋白质组计划”和“人类血浆蛋白质组计划”两大项目首先开始执行，其中“人类肝脏蛋白质组计划”由中国科学家领导执行，这是我国科学家第一次领导执行重大国际科技协作计划。2004年起，中国科学家启动了以肝炎、肝癌、心血管病等重大疾病为研究对象的国家重大科技项目“人类重大疾病的蛋白质组学研究”，计划运用现代生物技术在防治这些疾病方面取得进展。64至2006年1月，“中国人类肝脏蛋白质组计划”已经在自行构建转录组和蛋白质组的基础上，系统揭示了人类肝脏表达的基因组，发现由1000余个蛋白质—蛋白质参与的蛋白质网络图，建立了2000余株抗肝脏表达蛋白的单克隆抗体，大规模表达了数以千计的蛋白质，且自主研制成功系列蛋白/抗体芯片与试剂盒等多项蛋白质组产品。申请国内专利数61项，获得国内专利13项，发表论文160篇，其中在国际杂志上刊登文章126篇。

65十、蛋白质组学的发展趋势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；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；基础研究方面66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。

67技术发展方面蛋白质组学的研究方法将出现多种技术并存，各有优势和局限性，但难以形成比较一致的方法。除了发展新方法外，更强调各种方法间的整合和互补，以适应不同蛋白质的不同特征。另外，蛋白质组学与其它学科的交叉也将日益显著和重要，蛋白质组学与其它大规模科学如基因组学，生物信息学等领域的交叉，所呈现出的系统生物学（SystemBiology）研究模式，将成为未来生命科学最令人激动的新前沿。

68Challengesfac