《蛋白质化学》课程论文-植物蛋白质组学的研究进展

PAGE3-1009级材化部《蛋白质化学》课程论文题目：植物蛋白质组学的研究进展班级09生物2班河北联合大学轻工学院《蛋白质化学》成绩评分表班级09生物2班学生姓名熊勇评价内容具体要求得分分值评分ABCDE论文内容思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理；论文内容有一定参考价值；英文摘要翻译准确。5045~5040~4535~4030~35<30参考文献阅读量，文献检索量，综合分析能力，了解本领域学术动态的程度。2018~2016~1814~1612~14<12论文格式论文格式正确，题目与内容相呼应。姓名，学号，摘要，关键词，参考文献格式符合要求。3027~3024~2721~2418~21<18总分注：发现严重抄袭者，论文总分将按不超过60分处理。植物蛋白质组学的研究进展摘要：蛋白质组研究将生命活动直接化和具体化,将基因功能整体化、动态化、定量化,是后基因组计划的一个重要组成部分.蛋白质组是后基因组时代出现的一个新兴前沿研究领域。综述了蛋白质组学的重要研究方法及在植物研究中的应用,并对未来的蛋白质组学进行了展望。关键词：蛋白质组双向凝胶电泳植物蛋白质组学研究进展引言随着2003年人类基因组测序的完成，科学家们又进一步提出了后基因组计划，蛋白质组学（proteomics）研究便是其中一个很重要的内容。科学家们早就证明了核酸、蛋白质等高分子生物活性物质是控制生命活动的源泉,其中核酸指挥着一切生命,而蛋白质是核酸控制生命活动的忠实的执行者.基因在生物整体水平上的功能最终是由其编码的蛋白质在细胞水平上来体现.目前生命科学的研究重点已转移到基因功能的研究上,而且必须从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构、功能、机理以及相互作用的深度去了解生命活动的全貌,并系统的整合有关生命科学的全部知识,这样才能够完全揭开生命之谜.就是在这种强调系统和整体的思想推动下产生了蛋白质组学这一新兴学科.由于蛋白质是生物机体在不同环境、不同后基因组时代中,不同生长发育阶段、不同细胞器官、不同生理条件和病理状态下的所有功能的忠实、直接的执行者,因此,蛋白质组研究会使生物的整个生命活动的研究更加具体化、直接化.蛋白质组研究及其应用将促使生命科学产生新的飞跃,从而带动相关产业的快速发展.蛋白质组学作为功能基因组学的重要支柱，在20世纪90年代应运而生，2001年被《Science》列为六大研究热点之一，其排位仅次于干细胞研究列于第二，成为生命科学的最前沿研究领域［1]。1.蛋白质组学概念、内容及其产生背景1．1蛋白质组学的概念蛋白质组(Proteome)是由澳大利亚博士MarcWilkins在1994年首先提出.它是指一个细胞或组织所包含的所有蛋白质,现在把它定义为基因组表达的全部蛋白质.相关研究可以追溯到20世纪90年代中期甚至更早,尤其是80年代初,在基因组计划提出之前,即有人提出过类似的蛋白组计划.但是由于种种原因,直到90年代初期各种技术比较成熟时,才真正提出蛋白质组这一概念。目前,基因组研究都是从细胞中的mRNA角度考虑,其前提是细胞中mRNA的水平反映蛋白质表达水平。但事实并非如此,从DNA、RNA到蛋白质,存在3个层次的调控水平:转录水平调控(transcriptionalcontrol),翻译水平调(translationalcontrol)和翻译后水平调控(post-translationalcontrol)。从mRNA角度考虑,实际上仅包括了转录水平调控,并不能代表蛋白质表达水平。所以直接研究蛋白质表达和功能就变成生命科学发展的趋势。同时二维电泳、新型质谱技术及各种先进的生物信息和网络技术,为科学家掌握蛋白质表达规律提供了有力的支撑,并且在人类基因组研究实现跨时代飞跃的时候,蛋白质组学被推上前台。蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象，从整体蛋白质水平上【2】，在一个更加深入、更加贴近生命本质的层次上去探索和发现生命活动的规律和重要的生理、病理现象等。1．2植物蛋白质组学的研究内容1.2.1蛋白质功能模式蛋白质功能模式的研究是蛋白质组学研究的重要目标。基因组研究还是蛋白质组研究，最终目标是揭示有关基因或蛋白质功能的作用模式。蛋白质与蛋白质、蛋白质与DNA之间的相互作用、相互协调是细胞进行信号传导及代谢活动的基础。蛋白质的结构是蛋白质发挥其功能的前提，也是对基因认识的一条重要途径。1.2.2蛋白质表达模式蛋白质表达模式的研究是蛋白质组学研究的基础内容，主要是研究特定条件下某一细胞或组织的所有蛋白质的表征问题。常规的方法是提取蛋白质方法是由Wasinger提出的。通过计算机图像分析得到各蛋白质的等电点、分子量、表达量等，再结合以质谱分析为主要手段的蛋白质鉴定，建立起细胞或组织或机体在所谓“正常生理条件下”的蛋白质组图谱和数据库.在此基础上，可以比较分析在变化了的条件下蛋白质组所发生的变化，如蛋白质表达量的变化、翻译后的加工修饰、蛋白质在亚细胞水平上定位的改变等，从而发现和鉴定出特定功能的蛋白质及其基因。1．3植物蛋白质组学的产生背景植物蛋白质组学是在基因组学的研究成就和高通量的蛋白质分析技术得到突破的背景下产生的新兴学科，基因组研究的发展是蛋白质组学产生的重要前提。基因组研究是生物科学近十几年来的研究热点。人类基因组计划被誉为20世纪的3大科技工程之一，并取得了辉煌的成就。2000年6月科学家公布人类基因组工作草图(Macilwaineta1．，2000)，标志着人类在解读自身“生命之书”的路上迈出了重要一步。2001年2月，中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果(I,andereta1．，2001)，宣告了一个新的纪元——后基因组(即功能基因组)时代的到来。植物基因组学的研究主要集中在拟南芥(Ara—bidopsisthaliana)和水稻(Oryzasativa)两种模式植物上。2000年12月美、英等国科学家宣布测出拟南芥基因组的完整序列(TheArabidopsisGenomeInitiative，2000)，这是人类首次全部破译高等植物的基因序列。2002年是水稻基因组学研究取得重大成就的一年，首先中国的科学家和Syngenta公司的科学家分别发表籼稻和粳稻基因组“工作框架图”(Yuetal．，2002；Goffeta1．，2002)，继后日本和中国的科学家又分别公布了粳稻第1号和第4号染色体的全序列(Fengeta1．，2002；Sasakieta1．，2002)以及籼稻粳稻基因的“精细结构图”，被认为是基因组学研究的又一个重要里程碑。目前，植物蛋白质组学的研究已在十多种植物中开展。除了拟南芥L4rabidopsisthaliana(Linn．)Heynhold]和水稻(OryzasativaLinnaeus)2种模式植物外，其他植物如玉米(ZeamaysLinnaeus)、小麦(TriticumaestivumLinnaeus)、蒺藜状苜蓿(MedicagotruncatulaGaertner)、烟草(NicotianatabacumLinn．)、罂粟(Papaver$omniferumLinnaeus)、大麻(Cannab／ssativaLinnaeus)、篦麻(RicinuscommunisLinn．)、大豆(G机inemaxLinn．)、大麦(HordeumvulgateLinn．)、菠菜(印inaciaoleraceaLinn．)、葡萄(VitisviniferaLinn．)、油菜(ErucasativaMiller)、豌豆(PisumsativumLinn．)等，以及海岸松(P／nuspinasterAiton)、欧洲山杨(PopulustremulaLinn．)、橡树(Qrcssp．)、荔枝(LitchichinensisSonnerat)、文冠果(XanthocerassorbifoliaBunge)等，也在不同方面展开了蛋白质组学的研究[3]。蛋白质是基因功能的体现者和执行者。现在已经证明，一个基因并不只产生一个相应的蛋白质，它可能会产生几个，甚至几十个蛋白质。机体所处的不同环境和本身的生理状态差异，会导致基因转录产物有不同的剪切和转译成不同的蛋白。蛋白再进行加工修饰和转移定位，才具有活性和生物功能，产生相应的生理作用，适宜相应的生存环境(Li&Ass—mann，2000)。在转录水平上所获取的基因表达的信息并不足以揭示该基因在细胞内的确切功能。直接对蛋白质的表达模式和功能模式进行研究就成为生命科学发展的必然趋势。因此，研究基因组编码的全蛋白质功能及其相互作用关系的蛋白质组学应运而生(Anderson&Anderson，1998)。尽管蛋白质组学在20世纪90年代中后期才出现，但由于学科的前沿性和巨大的应用市场，Nature、Science杂志在公布人类基因组序列草图的同时，分别发表了述评和展望，将蛋白质组学的地位提到前所未有的高度，认为它是功能基因组学前沿研究的战略制高点和新[4]世纪最大的战略资源——“有用基因”争夺战的重要“战场”(Kaiser，2000；Macilwain，2000)。2.蛋白质组学的研究的主要的技术体系蛋白质组样品制备的一般过程是:对细胞、组织等样品进行破碎、溶解、失活和还原,断开蛋白质之间的连接键,提取全部蛋白质,除去非蛋白质部分.目前,蛋白质样品的制备还可以用激光捕获显微切割技术(lasercapturemicrodissection,LCM)[5].LCM技术实际上是一种原位技术,可以精确地从组织切片中取出研究者感兴趣的细胞类型,取出的细胞用于蛋白质样品的制备,结合抗体芯片或二维电泳2质谱的技术路线,可以对蛋白质的表达进行原位的高通量的研究.样品提取后,可进行蛋白质的分离和鉴定.2.1蛋白质分离技术2.1.1双向凝胶电泳技术双向凝胶电泳(two2dimensionalgeleldctropgoresis,22DE)[6~9]是最常用的蛋白质分离技术.该技术应用两个不同分离原理为依据进行分离,即利用蛋白质分子的等电点(PI)和相对分子量的不同进行分离.第一向电泳是蛋白质的等电聚焦,根据蛋白质等电点差异进行分离,该分离技术采用固定pH梯度技术(IPG)可以实现等电点只差0.01pH单位的蛋白质的分离;第二向电泳是利用蛋白质相对分子量差异进行分离,可分离相对分子量在100×103～150×103的蛋白质.22DE根据等电聚焦条件和方式的不同可分为三种:(1)平衡pH梯度电泳(ISO2DALT),在聚丙烯酰胺凝胶中进行,采用载体两性电解质pH梯度等电聚焦;(2)非平衡pH梯度电泳(nonequilibriumpHgradientselectrophoresis,NEPHGE),常用于分离碱性蛋白质,pH值为7～11.5;(3)IPG2DALT,是丙烯酰胺和不同的pH值的固定化电解质共聚所形成的具有pH梯度的IPG胶.双向凝胶电泳的蛋白质样品需要进行变性处理,22DE蛋白质分辨率可以达到ng级.2.1.2.层析技术由于高效液相色谱技术具有较高的灵敏度[10],蛋白质样品不需要变性处理可直接分离,可上样、收集、分析进行自动化,适用于分离简单样品的蛋白质组研究中.周俊宜等采用层析法分离了人类端粒酶复合体的蛋白质组,并对其蛋白质组组份进行了分析,他们成功地分离了人类端粒酶复合体的4种蛋白质亚基成分,其蛋白质相对分子量分别为220×103、212×103、116×103和43×103.2.2蛋白质鉴定技术蛋白质被分离后常用银染、考马斯亮蓝染色、无机盐负性染色、荧光染色、免疫抗体结合染色和放射性标记等进行显色,也可用丽春红S、氨基黑、印度墨、S35硫脲银、胶态金、咪唑锌等试剂进行染色或检测,其中银染方法较灵敏,分辨率可达ng级.考马斯亮蓝染色法可在胶上或膜上蛋白质进行点染,具有操作方便、重复性好等优点.银染和考马斯亮蓝染色均对质谱测定有干扰,必须先脱银或脱色.胶上蛋白质显色后根据被染色的蛋白质点进行直接切割或转到PVDF膜上进行切割.切割后的蛋白质通常用酸水解、放射性标记法或蛋白质酶水解法等方法切成小的肽断后进行鉴定[11~13].3.植物蛋白质组学的研究3.1植物生理蛋白质组学植物生理蛋白质组学对于更好地了解非生物胁迫的伤害机制、植物对非生物环境的适应机制、生物之间的相互作用机制、植物激素的调节作用等有重要意义。Renaut等于2004年对欧洲山杨低温下适应反应的蛋白质研究表明,低温诱导一系列伴侣蛋白、应激蛋白、解毒酶和信号传导相关蛋白质含量增加或重新合成,而细胞壁和功能相关的蛋白质减少。ChristianL等于2005年为了研究NO信号分子在植物中的调节作用,采用蛋白质组学研究的方法对由NO处理后的拟南芥[Arabidopsisthaliana(Linn.)Heynh.][14]中发生硫基亚硝化的蛋白质进行研究发现,NO可能是通过蛋白质的硫基亚硝化作用来调节细胞中的应激反应、氧化还原反应、信号调节、细胞骨架、代谢作用等相关信号途径。3.2植物遗传多样性蛋白质组学植物遗传多样性蛋白质组学主要以蛋白质组学标记为纽带联系基因多样性和表型多样性,有助于了解植物种内和种间进化趋势。David等及Picard等于1997年分别利用D分析了亲缘关系很近的硬粒小麦(TriticumaestivumLinn.)不同株系的遗传多样性,发现品系间的多态性很低,并且7个蛋白可以用于基因型的鉴定。Barreneche等比较了6个欧洲国家的23种栎属(QuercusLinnaeus)植物,分析了幼苗的总蛋白质,共得到530种蛋白质,其中101个具有多态性。试验结果显示,种内和种间的距离非常接近,并且证实无梗花栎[Q.petraea(Mattuschka)Lieblein]和夏栎(Q.roburLinn.)2个种的遗传分化水平很低。也利用2D技术比较了栽培于不同环境下但起源于同一种群的小麦,发现所有的种群都与原种群有差别,David[15]等认为,这不由随机漂移引起,而由适应其各自的气候条件而形成。3.3植物突变体蛋白质组学为认识表型突变体背后的生化过程提供信息。如通过分析玉米野生型和铁摄取缺陷型的2-DE图谱,帮助我们确定了4个与铁离子跨膜运输有关的多肽。3.4植物发育蛋白质组学3.4.1植物组织器官蛋白质组学主要研究植物根、茎、叶、种子、芽、种皮、愈伤组织等的蛋白质组,有助于我们了解特定组织器官、重要生理过程相关的蛋白质功能和理解植物发育过程机制。Komat等以双向凝胶电泳分离水稻绿叶和枯叶中蛋白质组后,从中筛选出85种蛋白质进行N端Edman降解测序。对其中21种蛋白质的N端序列作了鉴定,结果显示绿色叶子中有促进光合作用的蛋白质。另外,枯黄叶子中只发现了L-抗坏血酸盐过氧化物酶,显示枯黄叶子中含油气保护作用的过氧化物酶。Raharjo等于2004年对大麻(CannabissativaLinnaeus)的叶、花、槲果组织特异性蛋白的研究表明,大麻醇在这些组织中表达显著不同,主要在槲果中分布。Hajduch等于2005年对大豆(GlycinemaxLinn.)种子饱满期的数百种蛋白质进行了鉴定,其中还有许多与种子饱满相关的裂解酶、半胱氨酸和蛋氨酸的生物合成酶、脂肪氧化酶及未知蛋白质的积累等还在继续研究中[16~18]。3.4.2植物亚细胞蛋白组学研究一个细胞器内表达的蛋白质组。目前研究较多的是叶绿体,对线粒体和其他细胞器的蛋白质组学研究也有报道。分析烟草、拟南芥、水稻亚细胞结构的质膜、线粒体膜、高尔基体膜、液泡膜等的蛋白质组,为在基因水平上研究植物的功能提供了有利线索[19]。许多参与光合作用的基因也已经用蛋白质组学技术作了鉴定,如Lieselbach等于2000年分析拟南芥叶绿体类囊体腔内蛋白质组时,鉴定到一种新型的质体蓝素。此外,对拟南芥胞质核糖体、植物次生壁生长、花粉授粉的种间隔离和线粒体内分子鉴定研究中,也开始使用蛋白质组学技术[20]。4.植物蛋白质组学的研究意义及发展趋势总体上，植物蛋白质组学从概念、技术到内容方面都取得了巨大突破。将成为后基因组时代的重要组成；为未来研究和发展植物生理学提供坚实的基础和框架。就如沃森和他的同伴所说，我们想系统全面地了解基因的功能和研究整个生物系统，就不可避免地要研究蛋白质组。植物蛋白质组学研究应强调各种方法间的整合互补，以适应不同蛋白质的不同特征，并通过分子生物学、生理学、计算机和工程研究等学科间的交叉产生的新方法、新技术，促进大规模的植物蛋白质组学研究，才能在阐明植物生长、发育、进化、代谢调控、信号传导及抗逆性等方面的生命活动规律上产生根本性突破。植物蛋白质组学作为研究具有特定功能的植物蛋白质的切人点，将基因表达的数据与植物代谢和植物表型问题紧密连在一起，这个方法既可以用于研究植物生理机制，又可以用于研究未知功能的蛋白质[21]。其次，对我们了解开发主要农作物和经济作物，提高其产量和品质有重要作用。参考文献[1]乌云塔娜，张党权，谭晓风蛋白质组学及其在植物研究的应用，中南林学院学报2005（8）：25-4[2]曾嵘,夏其昌.蛋白质组学研究进展与趋势.中国科学院院刊,2002(3):166～169[3]WasingerVC,CordwellSJ,Cerpa-PoljakA,etal.Progresswithgene-productmappingtheMollicutes:Mycoplasmagenitalium.Electrophoresis,1995,16:1090～10943[4]WodickaL,DongH,MittmannM,etal.Genome-wideexpressionmonitoringinSaccharomycescerevisiae.NatureBiotechnology,1997,15(13):1359～1367[5]罗小敏,崔研,陈彤,等.植物蛋白质组学面临的挑战和前景.生物技术通报,2004(4):14～18[6]ParkOhkmaeK.Proteomicstudiesinplants.JournalofBiochemistryandMolecularBiology,2004,37(1):133～138[6]BandsRE,DunnMJ,ForbesMA.Thepotentialuselasercapruremicrodissectiontoselectivelyobtaindistinpopulationsofcellsforproteomicanalysis2preliminaryfinding[J].Electrophoresis,1999,20(45):689-700.[7]SwinbanksD.Governmentbacksproteomeproposal[J].Nature,1995,13(10):368-653.[8]ManfredoQ,PeterJ.Proteomicsandautomation[J].Eelctrophoresis,1999,20:666-677.[9]AndersonLN,AndersonNG.Proteomeandprotomics:newtechnologies,newconcepts,andnewwords[J].Electrophoresis,1998,19:1853-1861.[10]HaynesPA,GygiSP,FigerysD,etal.Proteomeanalysis:Biologicalassayordataarchive?[J].Electrophoresis,1998,19(11):1862-1871.[11]WikinsMR.Proteomeresearch:newfrontiersinfunctionalgenomics[M].NewYork:Heeidelburg,1997.[12]HerbertB.Advancesinproteinsolubilisationfortwo2dimensionalelecrophorsis[J].Electrophoresis,1999,20(45):660-663.[13