2010-2013年中国蛋白质组学技术的发展综述
2010-2013 年中国蛋白质组学技术的发展综述
自2003 “ ”年 中国人类蛋白质组组织 (Chinahuman proteome organization, CNHUPO) 成立至今 ,中
国的蛋白质组学研究经历了十年多的发展, 呈现出百家争鸣、百花齐放的局面. 继中国科学家领
“ ”衔 人类肝脏蛋白质组计划 (human liver proteomeproject, HLPP)之后, 2014 年6 月, “中国人类
”蛋白质组计划 (china human proteome project, CNHPP)在京启动, 标志着中国科学家开始向全
面、精确地阐释人体全器官蛋白质组这座高峰冲刺. 本文在已有综述[1~4]的基础上, 以人类肝脏
蛋白质组计划和 2010~2013 年中国蛋白质组学技术的发展为主题进行综述.
1 、 人类肝脏蛋白质组计划的发展与成就
2003 年, 由贺福初及其科研团队[5] “ ”提出的 人类肝脏蛋白质组国际计划 开始实施, 这是中国科
学家首次领衔国际重大科研合作项目. 近年来, 中国蛋白质组学研究团队密切合作、联合攻关,
在以下 3 个方面取得了阶段性的新进展( 图1): 系统性地注释肝脏蛋白质表达谱和蛋白质修饰谱
(两谱); 最大纬度地绘制肝脏蛋白质的亚细胞定位与相互作用网络图(两图); 建设完成了大规模
的肝脏蛋白质组学研究材料和数据库(肝脏蛋白质组组织样本库、抗体库和开源质谱数据库, 三
库).
1.1 肝脏蛋白质组表达谱
人类个体间的遗传背景、生存环境乃至心理和精神状态等诸多方面存在显著差异, 这决定了人
类肝脏组织样本具有一定的异质性. 为了绘制具有代表性的人类肝脏表达谱, 中国蛋白质组学团
队与国际同行合作, 系统评价了肝脏组织样本个体差异对蛋白组学研究结果的影响, 建立了国际
首份完整的人体组织器官蛋白质组学的样品制备标准化工作流程(standard operating procedures,
SOPs), 为人类肝脏蛋白质组国际计划的实施奠定了基础[6]. 在此基础上,中国蛋白质组学研究团
队对各种生理和病理状态下肝脏组织样本进行了系统的蛋白质组学研究, 共鉴定到双肽段以上
高可信的肝脏蛋白质 6788 个. 其中 3721 个蛋白质在肝脏组织中被首次鉴定. 这是迄今为止人类
蛋白质组学研究计划中最大的单一组织脏器的蛋白质组数据集, 引领并促进了国际蛋白质组合
作计划的深入开展.
中国蛋白质组学研究团队进而对这些鉴定蛋白质的丰度信息进行了系统研究, 发现这些蛋白质
横跨 6 个数量级的丰度范围, 其中 78%的蛋白质(5294 个)位于中等或偏下信号强度区间, 而首次
鉴定的 3721 个蛋白中的 3069 个蛋白均属于低丰度蛋白. 如在肝脏中低丰度表达的细胞色素
P450 家族的4个分子和3个离子通道相关蛋白在肝脏组织中被有效鉴定[7,8].
1.2 肝脏蛋白质组修饰谱肝脏蛋白质的翻译后修饰, 如磷酸化、乙酰化等研究也被广泛开展. 复
旦大学管坤良和熊跃团队[9]在肝脏蛋白质的乙酰化修饰谱方向开展了卓有成效的研究, 拓展了
人体生理和病理条件下代谢及其调控的研究领域. 利用实验室自己研制的特异高效的乙酰化肽
段富集抗体, 实现了肝脏组织中大量乙酰化修饰肽段的富集和大规模鉴定. 对这些鉴定的乙酰化
肽段进行系统的生物信息学研究, 发现几乎所有参与中间代谢的酶蛋白, 如糖酵解、糖异生、三
羧酸循环、尿素循环、脂肪酸和糖原合成等途径的蛋白质被乙酰化修饰. 这些代谢酶蛋白质分
子的乙酰化修饰程度与细胞内能量物质, 如葡萄糖、氨基酸和脂肪酸的浓度关系密切. 这些结果
显示, 各种酶蛋白的乙酰化修饰对细胞内的能量代谢起着重要的调节作用.
不仅如此, 赵国屏和管坤良、熊跃团队[10]合作, 以沙门氏菌(Salmonella)为研究对象, 发现在不
同碳源培养条件下, 核心代谢酶分子的乙酰化修饰水平发生剧烈的波动, 以适应细胞生长和能量
代谢的需要. 部分限速酶的乙酰化修饰还参与调控糖酵解/糖异生、柠檬酸循环/乙醛酸循环的代
谢转化过程. 这些研究不仅证实了基础和能量代谢酶类分子的乙酰化修饰在原核和真核生物中
高度保守, 同时也发现酶蛋白的乙酰化修饰参与了机体代谢过程的调控, 奠定了蛋白质乙酰化作
为代谢调控者的基础. 这些研究结果被分别发表在 Science 同一期上. 为表彰管坤良与熊跃在蛋
白质翻译后修饰蛋白质组学研究中的杰出贡献, 中国蛋白质组组织(CNHUPO)在第八届中国蛋
白质组学大会(2013, 重庆)为其颁发了学术贡献奖.
蛋白质磷酸化是重要的功能信号传导分子, 参与并调控了众多生命过程. 中国科学院大连化学物
理研究所邹汉法团队和华中科技大学薛宇团队[11]合作, 开展了大规模的基于固定化金属亲和层
析法(immobilized metal affinity chromatography, IMAC)富集的肝脏蛋白质组磷酸化研究, 并发展
了磷酸化的生物信息学技术, 鉴定了肝脏组织中 2998 蛋白质上的 9719 个磷酸化位点. 利用这个
大规模的磷酸化蛋白质鉴定数据集, 发现人类肝脏可能包含 10000 多个节点的磷酸化激酶与特
异性底物分子的磷酸化蛋白质分子网络, 为磷酸化信号途径及其网络的分子机制研究奠定了基
础.
1.3 蛋白质相互作用和亚细胞定位网络构建蛋白质相互作用(protein-protein interaction, PPI)信息
的揭示不仅有助于了解蛋白质分子所处的细胞内的分子环境, 而且可进一步探索这些分子可能
参与的代谢途径或信号通路, 从而为这些蛋白质的功能及其分子机制研究创造条件. 因此PPI 网
络的构建也是HLPP 计划的重要研究内容和主要目标之一. 通过大规模蛋白质组学研究至今已
经形成多种模式生物, 如多种病原细菌、酵母 (Saccharomycescerevisiae) 、线虫
(Caenorhabditis elegans) 和果蝇(Drosophila melanogaster)等的蛋白质相互作用网络图. 这些相互
作用的发现为整合生物学、疾病分子机制研究与药物筛选提供了有力的实验和数据支撑.
但目前PPI 的建立主要面临的挑战是由于污染蛋白的存在带来的假阳性率偏高, 多数组学实验
研究结果仅仅有少部分可被实验证实.
北京蛋白质组研究中心贺福初、杨晓明和王建团队[12] 选取了肝脏组织样本中的 5026 个蛋白分
子进行了系统深入的蛋白质-蛋白质相互作用关系研究. 利用成熟的酵母双杂交技术平台和严格
的假阳性排除技术, 该团队成功地鉴定了 2582 个蛋白质的 3484 种相互作用. 通过生物化学与分
子生物学、细胞高内涵筛选系统验证发现相互作用的阳性率高达 72%. 深入地分析这些相互作
用数据, 该团队还发现了系列决定肝脏特征表型以及疾病状态的独有的蛋白质相互作用. 这是人
类肝脏蛋白质相互作用网络(humanliver protein interaction network, HLPN)国际合作项目中率先
完成的首个脏器、器官蛋白相互作用大型数据集. 这个网络的系统构建对于理解人类肝脏蛋白
质相互作用网络功能具有重要的价值.
人类肝脏蛋白质组计划(HLPP)的研究进展得益于蛋白质组学研究技术的进步和蛋白质组学的发
展.HLPP “ ”以构建 两谱、两图、三库 为总目标, 为蛋白质组学技术的研发提出了明确的科学问
题和发展目标.
2 、 蛋白质组学技术的发展
蛋白质组学更高层次的研究离不开技术的发展,而技术的发展又为蛋白质组学提供新的视角和思
维方式. 在过去的3 年中, 中国蛋白质组学研究团队在蛋白质组学样品制备、微量复杂样品的高
效色谱分离、翻译后修饰蛋白质的富集、蛋白质组鉴定和定量分析以及生物信息学工具的发展
等蛋白质组学研究的几乎所有方面都取得了显著发展.
2.1 蛋白质组样品的制备
蛋白质组学样品来源于细胞或者组织内部的全部蛋白质, 具有蛋白质种类复杂多样、丰度范围
宽泛等特点, 这给蛋白质组的高覆盖鉴定和高精度定量造成了巨大的困难. 国内一些实验室对样
品的制备环节进行了大量的探索, 开发了多种化学或生物介质材料, 在一定程度上消除了高丰度
蛋白对高覆盖蛋白质组学鉴定的影响, 开拓了蛋白质组学研究的新领域.
(1) 低丰度蛋白质化学富集介质的开发. 以磁性微球为载体偶联多种亲和介质, 形成了多种高效
的蛋白质分离和富集复合材料, 并已经成为化学介质方法中最有效的方法.
新型的磁性材料多以磁性无机粒子与有机高分子结合形成具有特殊结构的磁性微球, 在此过程
中通过共聚及表面改性等方法赋予其表面不同的功能基团. 复旦大学杨�M原团队和张祥民团
队[13]根据金属离子亲和色谱原理, 将Cu2+离子固定在高比表面积的介孔二氧化硅微球载体上,
利用该微球的多孔1102 道特性和高密度的 Cu2+与肽段的结合力, 可以较高效地从微量的混合
样品中富集肽段样品[13]. 邹汉法等人[14,15]合成了具有 Yolk-Shell 结构的磁性介孔碳微球颗粒.
利用该材料的中孔结构的强磁性响应, 可以从人血清中选择性地提取低丰度的内源性肽段. 该团
队利用这种微球从 20 ?L 的人血清样品中高效地提取出了 3402 种不同的内源性多肽. 这些内源
性多肽通常丰度较低, 但生理活性显著. 其高效鉴定为血清中的生物标志物的筛选创造了条件.
中国科学院大连化学物理研究所张玉奎和张丽华团队与南开大学陈朗星团队[16,17]合作, 通过
点击化学的方法将 Fe3O4 纳米颗粒与亚氨基二乙酸共价连接, 制备成了强磁性和超高吸附容量
新型材料. 该材料可特异性吸附血红蛋白等血浆中高丰度蛋白. 这些新技术的发展和新材料的开
发有效地去除或者降低了血液样品中高丰度蛋白的干扰, 大大提高了低丰度蛋白的鉴定能力和
序列覆盖度, 提高了从血液样品中发现生物标志物的能力, 因此具有良好的理论和实用价值.
(2) 富集低丰度蛋白质的生物介质的研发. 针对特定的生物学问题, 设计开发具有针对性的生物
介质元件, 可实现相关生物因子的高效特异的富集.
北京蛋白质组研究中心秦钧团队发明了一种转录因子 DNA 结合序列串联阵列(catTFRE), 能够
从微量细胞样品中高效率的富集转录因子. 利用该亲和介质从单个细胞样品中鉴定到了 400 多
个转录因子, 而从11 个不同类型的细胞中共鉴定到 878 个转录因子, 涵盖了细胞内近1/2 的基因
组编码的转录因子产物,实现了转录因子的高覆盖鉴定. 同时, 该课题组的刘琼明等人[19]利用荷
尔蒙反应元件(HREs)DNA 序列作为亲和介质, 成功地从小鼠(Mus musculus)肝脏组织样品中富
集到了低丰度的内源性核受体因子. 生物介质方法的优势在于可针对不同的生物学问题, 设计不
同的反应原件, 针对性地高效富集和鉴定低丰度的蛋白质因子, 进而揭示基因调控的复杂分子机
制. 有效鉴定目的蛋白是研究这些蛋白质功能的前提. 这些高效的化学介质和生物介质的开发,
可实现目的蛋白质亚组的富集, 有效地增加了蛋白质组学的测序深度, 增强了利用蛋白质组学技
术解析生命奥秘的能力.
(3) 蛋白质样品高效酶切处理技术的研究进展.目前, 蛋白质组学的鉴定和定量主要采用从肽段到
蛋白, 即自下而上(bottom up)的策略, 因此蛋白质水解成为肽段的过程是高端蛋白质组学技术研
究中的重要一环. 如何实现蛋白质组样品酶消化的高效性与特异性是蛋白质组学样品制备技术
研究的热点.
复旦大学刘宝红等人[20]发明了一种微芯片反应器, 通过将蛋白酶固定在具有较大比表面积的纳
米粒子上, 最大程度地提高了蛋白酶和蛋白质样品的接触面积, 提高了底物蛋白质的水解效率.
利用该反应器, 胰蛋白酶水解蛋白质底物的速度可达到 400mmol L-1min-1g-1, 可实现蛋白质组
样品的快速水解. 此外, 该反应器还能够与后续的液相色谱和质谱联用蛋白质样品检测平台具有
很好的兼容性, 可实现蛋白质水解和肽段的在线检测.
复旦大学张祥民团队和杨�M原团队[21,22]发现激光辅助水解可提高蛋白质水解的效率, 缩短
水解反应的时间. 该方法不仅价廉, 还可在几秒钟内实现低至 2 L 样品的快速、高效的酶解和快
速检测, 因此适于高通量蛋白质组学的研究[22]. 为了提高蛋白质组的覆盖度, 邹汉法等人[23]采
用多种酶组合串联水解的策略, 取得了良好的效果. 张玉奎和张丽华课题组[24]还合作开发出了
在线的自动化蛋白质快速水解技术和装置, 促进了高通量蛋白组学研究.
有趣的是, 邹汉法等人[25]发现胰蛋白酶不仅具有水解酶的作用, 还有连接酶的活性. 这是世界上
首次报告该蛋白酶具有连接酶的活性. 该团队发现蛋白酶在水相条件下具有水解酶的活性, 但在
含有较高有机相的环境中则起到连接酶的作用. 该酶促标记反应条件温和, 标记区域的特异性高,
可有效减少常规化学标记方法中肽段降解和副反应的发生. 据此, 该团队发展了特异的 N 端稳定
同位素标记肽段的新方法, 并成功应用于定量蛋白质组学分析. N 端特异性标记的肽段可以形成
丰富的b 和y 离子, 这为肽段从头测序技术的开发奠定了良好的基础.
摘要：
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2010-2013年中国蛋白质组学技术的发展综述自2003“”年中国人类蛋白质组组织(Chinahumanproteomeorganization,CNHUPO)成立至今,中国的蛋白质组学研究经历了十年多的发展,呈现出百家争鸣、百花齐放的局面.继中国科学家领“”衔人类肝脏蛋白质组计划(humanliverproteomeproject,HLPP)之后,2014年6月,“中国人类”蛋白质组计划(chinahumanproteomeproject,CNHPP)在京启动,标志着中国科学家开始向全面、精确地阐释人体全器官蛋白质组这座高峰冲刺.本文在已有综述[1~4]的基础上,以人类肝脏蛋白质组计划和2...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-04-20
