蛋白质组学的应用及发展趋势

蛋白质组学的应用与发展趋势 一 蛋白质组学的应用1在临床疾病中的应用2在微生物蛋白质组学中的应用3在植物研究中的应用4在肾脏病学领域的应用 二 蛋白质组学的发展趋势1在基础研究方面2在应用研究方面3在技术发展方面 一 蛋白质组学的应用 1 在临床疾病中的应用 1 诊断 如疾病筛查 疾病分期分型等 因为不同病理过程中蛋白质的种类和数量会有不同的变化 有的蛋白质呈现明显的上调 有的则较正常生理过程出现缺失或明显下调 把这些疾病特异和疾病相关的蛋白质作为生物标志物 biomarker 对于特定蛋白质在特定疾病中的作用的深入研究 为最终找到疾病的病因 发病机制提供了客观依据 也是疾病临床分期分型的分子基础 2 指导治疗 如病程分析 用药 手术时机的选择等 3 提供药物开发的临床依据 如确定药物靶点 新药开发 某些药物本身就是蛋白质 等 4 预后判断 如根据生物标志物在不同疾病中的变化 从而判断疾病的性质和严重程度等 1 1在肿瘤方面的应用 恶性肿瘤的发生主要是由于相关基因发生突变 导致蛋白质的空间构成翻译后被修饰发生改变 造成细胞周期失控 细胞凋亡机制紊乱 细胞转移能力提高等方面的异常 蛋白质组学可以分析 鉴定细胞同肿瘤细胞的蛋白差异 对疾病的诊断 治疗 预后评估提供有用的信息 1 2在胰腺癌上的应用 胰腺癌是外科治疗效果最差的肿瘤之一 其 年生存率不到5 这与缺乏早期诊断的可靠办法有关 糖链抗原19 9 CA19 9 作为胰腺癌组织分泌的黏蛋白抗原 敏感性较高 但特异性不高 在胰腺癌早期诊断筛查中的应用受到了限制 1 2在胰腺癌上的应用 现在可利用SELDI技术分析胰腺癌病人同正常人的血清并鉴定出两个最具有识别能力的蛋白质峰 诊断敏感度为78 特异性为97 高于现有的血清标准标记物CA19 9 并且二者联用的诊断准确率更高 1 3在神经系统疾病方面的应用 随着我国人口老龄化的到来 老年病尤其是老年性神经系统疾病的发病率日趋升高 临床上主要有阿尔茨海默症 AD 帕金森症等 临床上尚未找到特效的治疗方法 也很难抓住良好的治疗时机 1 3在神经系统疾病方面的应用 应用蛋白质组学技术发现AD的脑脊液和 或血浆蛋白特异性改变 可为AD的诊断 治疗药物的设计和筛选奠定基础 通过分析AD病人血浆蛋白后发现 AD相关蛋白载脂蛋白E tau 1和早老蛋白 均可在病人血浆中检测到 提示位于细胞器的tau 1和早老蛋白 外流到血浆中 并且达到可检测的水平 对这些蛋白在血浆中异构体的分析将有助于脑部疾病的诊断 而不需要损伤脑组织 2在微生物蛋白质组学中的应用 2 1病毒微生物蛋白质组学 由于病毒微生物与感染性疾病密切相关 研究这些致病微生物的蛋白质组学对于了解其毒性因子 抗原以及疫苗的制备非常重要 在已完成基因组测序的47种致病苏白及其菌株中 有14种已进行过蛋白质组研究 其中对大肠埃希菌 流感嗜血杆菌 结合分支杆菌等三种菌还进行过模式菌和临床病菌的差异蛋白质组比较研究 2 1 1遗传与变异方面的研究 遗传与变异方面的研究主要是通蛋白质研究结果与基因组预测的 开放阅读框 ORF相比较来校正基因组的研究结果 蛋白质组的研究结果可以对基因组的研究结果起到补充和修正的作用 而且通过同一致病菌不同菌株的蛋白质研究 可以对病株进行分类 2 1 2病原菌致病机理及毒力因子的研究 通过在整体水平上比较病原菌和非致病菌的蛋白质谱 以及在各种环境下致病菌毒力和蛋白质谱的变化 可以发现致病株的毒力调控机制和毒力因子 2 1 3研究宿主和微生物的相互关系 寻找免疫靶点 开发新型疫苗 蛋白质组研究方法与免疫杂交方法相结合的研究已广泛应用于宿主对病原菌的体液和细胞免疫应答研究中 并形成了蛋白质的一个新的分支 免疫蛋白质组 通过细菌蛋白质组与宿主多克隆血清的杂交反应 可以发现新的抗原决定因子群 以用于疫苗开发和诊断分析 2 1 4药物抗性的研究 通过抗性菌株与敏感菌株的差异蛋白质组研究 可以对细菌耐药机制进行研究 发现抗药性相关因子 为新药研究提供线索 2 1 5抗菌药物的开发 首先是通过分析细菌对抗菌药物有不同反应的菌株的蛋白质组可以寻找新的抗菌药物 筛选靶点和模式 而利用一组作用位点类似的抗菌药物可以筛选出与该类药物相应的标志物和作用模式 确定的标志物和作用模式又可用于筛选新的候选药物或用于确证一些新的化合物的真实作用机制和位点 2 2模式微生物蛋白质组学 后基因组时代典型的模式生物具有适用于各种遗传学研究方法 传代时间短 有雄厚的研究基础的特点 可以实现对于生物学问题的简单化研究 因而模式微生物蛋白质组研究也是微生物蛋白质组研究的一个重要方面 工作重点在于建立基础数据库 结构蛋白质组学 蛋白质表达与调控 蛋白质复合物和蛋白质相互作用研究等方面 研究最广泛的模式微生物是原核的大肠杆菌和真核的酵母菌 包括酿酒酵母和裂殖酵母 3在植物研究中的应用 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 3 1植物生理蛋白质组学 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 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 PAGE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 3 2植物遗传多样性蛋白质组学 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 3 3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 3 3植物组织器官蛋白质组学 Ricardo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 3 4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 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 4在肾 脏病研究中的应用 4在肾脏病学领域的应用 疾病蛋白质组学 疾病蛋白质组学研究是利用蛋白质组学技术 通过比较正常和病理状态下的细胞或组织中的蛋白质在表达数量 表达位置和修饰状态上的差异 可以发现与病理改变有关或疾病特异性蛋白质 这些蛋白质 不仅可为探索疾病发病机制提供线索 还可作为疾病诊断的分子标记 以及作为药物开发的作用靶点 4在肾脏病学领域的应用 4 1应用于肾脏疾病发病机制的研究蛋白尿的发生机制研究糖尿病肾病的病理机制研究肾毒性损伤机制的研究构成尿毒症毒素的蛋白质4 2应用于肾脏疾病的诊断4 3应用于肾脏疾病的治疗及药理研究 二 蛋白质组学的发展趋势 1在基础研究方面 近两年来蛋白质组研究技术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 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 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 在未来的发展中 蛋白质组学的研究领域将更加广泛 2在应用研究方面 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 3在技术发展方面 蛋白质组学的研究方法将出现多种技术并存 各有优势和局限的特点 而难以像基因组研究一样