《生物工程进展》1999,Vol19,No.4.功能蛋白质组学李伯良李林吴家睿(中国科学院上海生物化学研究所,200031)科学背景及意义20世纪中期以来,随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质空间结构的解析,开始了分子生物学时代,对遗传信息载体DNA和生命功能的体现者蛋白质的研究,成为生命科学研究的主要内容。90年代初期开始实施的人类基因组计划,在经过各国科学家8年多的努力下,已经取得了巨大的成就,第一个多细胞生物―线虫基因组的DNA全序列测定在1998年年底已经完成;人类所有基因的部分序列测定(EST)已经完成;人类基因组的全序列测定有可能提前到2003年完成。生命科学已经进入了后基因组时代。在后基因组时代,研究重心将从揭示生命的所有遗传信息转移到在整体水平上对功能的研究。这种转向的第一个标志就是产生了一门称为功能基因组学的新学科,从基因组整体水平上对基因的活动规律进行阐述。但是,由于生物功能的主要体现者是蛋白质,而蛋白质有其自身特有的活动规律,仅仅从基因的角度来研究是远远不够的。蛋白质的修饰加工、转运定位、结构形成、蛋白质与蛋白质的相互作用、蛋白质与核酸的相互作用等,均无法从在基因组水平上的研究获知。90年代中期,国际上萌发了一门在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律的新兴学科―蛋白质组学(Pro2teomics)。蛋白质组(Proteome)的概念最早是在1994年由澳大利亚Macquarie大学的MarcWilkins和KeithWilliams首先提出来,是指细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式。蛋白质组学以蛋白质组为研究对象,从蛋白质整体水平上来认识生命活动的规律。目前,美国、澳大利亚、欧洲和日本等已纷纷成立了有关的研究机构和公司,美国各主要大学和药厂,均迅速启动了蛋白质组研究。蛋白质组学得到了迅速的发展。科学家们预测,21世纪生命科学的重心将从基因组学转移到蛋白质组学,生命科学领域内一个崭新的时代―蛋白质组时代即将到来。研究特色和内容蛋白质组与基因组相比,各有其特点。首先,基因组具有均一性,即在同一生物个体的所有体细胞中是一样的。蛋白质组则具有多样性。在生命发育不同阶段的细胞蛋白质种类的构成是不一样的;不同组织中细胞表达的蛋白质也有着很大的差异。其次,基因组非常稳定、不易发生改变,而细胞蛋白质组则是动态的、可变的,即使是同一种细胞在生长与活动的不同时期、在不同条件下,其蛋白质组也是在不断的改变之中。这一特点也就使得对蛋白质组的研究的切入点很多,创新性很强。功能蛋白质组学(FunctionalProteomics)的研究可以注重从局部入手,以细胞内的蛋白质群体为主要研究对象,重点放在那些可能涉及到特定功能机理的蛋白质群体上。其群体可大可小,取决于要研究的功能特点和研究方法、手段和实验设计等。在研究蛋白质群体的基础上,可不断地把许许多多不同的蛋白质群体统计组合,从而描绘出接近于生命细胞的“全部蛋白质”的蛋白质组图谱。蛋白质组学的核心内容包括两个部分:蛋白质组研究体系的建立、完善和重要的生物学问题有关的功能蛋白质组研究。15研究体系的建立与完善是蛋白质组学第一阶段的主要目标之一,主要有“蛋白质组技术体系”“蛋白质组信息学”和两方面的研究。技术体系将包括这样一些内容:蛋白质组的样品制备和鉴定;蛋白质相互作用网络的研究技术等;蛋白质组信息学则涉及蛋白质组数据库的建立,相关软件的应用与开发和生物信息学。除了引进和开发现有的技术外,特别要重视与物理、化学学科的交叉,发展更有效的技术。在第一个阶段还需要创建针对蛋白质群体研究的新技术体系,信息集成网络系统及信息分析新技术等。在研究体系建立与不断完善的同时,针对一些重要的生物学问题进行功能蛋白质组研究。首先,要选择有很好研究积累的细胞与生物大分子(蛋白质基因)的较完整研究系统,利用所建立的相应蛋白质组图谱方法系统,获取各种重要条件作用前后的同类蛋白质组图谱,并利用计算机图象技术系统分析比较,确定在数、量及形式、修饰度或定位等发生变化的蛋白质群体。然后,对重要内外环境因素、基因突变等条件作用直接相关的蛋白质群体进行时相、初级和次级等变化的详细研究分析,从中发现重要的蛋白质群体及其活动规律和关键蛋白质,再深入进行它的组分及其性质的鉴定。由此创建各种细胞的蛋白质组数据库,并进而开展重要的蛋白质的预测结构、三维结构和动态结构研究,在蛋白质组水平上深入探索其作用模式、功能机理、调节控制及其与蛋白质群体内或与相关生物大分子间的相互作用。国内研究基础我国在蛋白质科学研究领域有很好的基础,取得过包括胰岛素人工合成等国际水平的成果。国际上蛋白质组学研究发展很快,虽然我们现在起步尚不算太晚,但毕竟有不小的差距,亟需迎头赶上。1998年在中科院上海生化所曾举办了两次全