蛋白質組學/蛋白質組學導論
簡介
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什麼是蛋白質組學？
蛋白質組學的重點是稱為蛋白質組的生物學群體。蛋白質組是動態的，定義為在特定細胞中表達的一組蛋白質，在特定的條件下。在一個給定的蛋白質組中，蛋白質的數量可能高達 200 萬。 [1]
蛋白質本身是生物大分子：氨基酸的長鏈。當細胞核糖體中的細胞機制將 DNA 中的 RNA 轉錄本翻譯出來時，這條氨基酸鏈就被構建出來。 [2] 細胞內資訊傳遞通常遵循這條路徑，從DNA到RNA到蛋白質。
蛋白質可以組織成四個結構層次
蛋白質結構的每個層次對最終分子的功能都至關重要。氨基酸鏈的一級序列決定了二級結構的形成位置，以及最終 3D 構象的整體形狀。每個小肽或亞基的 3D 構象決定了蛋白質聚集體的最終結構和功能。 [3]
蛋白質組學有許多不同的細分，包括
蛋白質組學既有物理實驗室部分，也有計算部分。這兩個部分通常相互關聯；有時從實驗室工作中獲得的資料可以直接輸入到序列和結構預測演算法中。 質譜法的多種型別最常用於此目的。 [5]
蛋白質組學的重要性
蛋白質組學是一個比較新的領域；該術語是在 1994 年創造的，該科學本身起源於 1970 年代和 1980 年代的電泳分離技術。 [6] 然而，對蛋白質的研究一直是科學關注的焦點，時間要長得多。對蛋白質的研究可以深入瞭解蛋白質如何影響細胞過程。相反，這項研究還研究了蛋白質本身如何受到細胞過程或外部環境的影響。
蛋白質對細胞機制提供了錯綜複雜的控制，並且在許多情況下是該機制本身的組成部分。 [7] 它們在細胞內發揮著各種各樣的功能，並且幾乎所有生物體內都有數千種不同的蛋白質和肽。這種巨大的多樣性來自於一種稱為可變剪接的現象，在該現象中，細胞 DNA 中的特定基因可以根據細胞在特定時間的需要創造出多種蛋白質型別。
蛋白質組學的目標是分析生物體在不同時間變化的蛋白質組，以突出它們之間的差異。更簡單地說，蛋白質組學分析了生物系統的結構和功能。 [8] 例如，癌細胞的蛋白質含量往往不同於健康細胞。癌細胞中的一些蛋白質可能在健康細胞中不存在，使這些獨特的蛋白質成為抗癌藥物的良好靶點。實現這一目標很困難；生物和環境因素的多種多樣性都可能阻礙對任何生物體中蛋白質的純化和鑑定。 [9]
蛋白質組學工作流程
蛋白質組學的第一步是樣本製備。在此步驟中，我們試圖從細胞中提取蛋白質。在第二步中，我們使用諸如二維電泳之類的技術分離不同的蛋白質。然後我們嘗試將蛋白質切割成肽，因為肽更容易檢測。在第四步中，我們使用質譜法檢測肽和肽片段。最後，我們可以透過解釋所有獲得的資料來確定蛋白質的序列。
廣譜蛋白質組學
由於蛋白質組學正在以非常快的速度發展，因此該領域正在從專門/集中的研究方式轉變為更全球化的視角。廣譜蛋白質組學為蛋白質組學領域提供了獨特的視角，因為它允許人們透過著手瞭解整個蛋白質組來獲得這種一般的視角。這種策略的一個關鍵方面是提前規劃；這樣做，可以在最有效的方式下實施最合適的計劃和技術。透過制定針對瞭解特定蛋白質組的策略，可以在研究過程中避免問題和挫折。
使用廣譜蛋白質組學的第一步是針對正在研究的蛋白質組制定一個假設。最好選擇已經擁有大量基因組資訊的生物體，因為基因組始終是對蛋白質組資訊的有效補充。一旦建立了假設和生物體，就應該選擇合適的技術；這些技術應該與存在的任何生物學因素相容（即樣本型別）。一些重要且相關的蛋白質組學方法包括HPLC、質譜法、SDS-PAGE、二維凝膠電泳，以及可能計算機模擬蛋白質建模。
由於樣本型別、樣本製備和分析技術組合的可能性多種多樣，因此從廣譜蛋白質組學的角度進行仔細規劃為何至關重要這一點顯而易見。透過事先規劃，可以進行高效的蛋白質組學研究。當將許多廣譜蛋白質組學研究的成果放在一起時，瞭解整個蛋白質組就成為一種現實的可能性。
參考文獻
- ^ 美國醫學會。“蛋白質組學。” http://www.ama-assn.org/ama/pub/category/3668.html
- ^ Hartl，Daniel L.，Jones，Elizabeth W.“遺傳學：基因和基因組分析”。瓊斯與巴特利特出版社：波士頓，2005 年。
- ^ Weaver，Robert F.“分子生物學，第二版”。麥格勞·希爾：波士頓，2002 年。
- ^ Twyman，Richard。“蛋白質組學。” http://genome.wellcome.ac.uk/doc_wtd020767.html
- ^ Colinge，Jacques 和 Keiryn L. Bennett。“計算蛋白質組學導論”。PLoS Comput Biol。2007 年 7 月；3(7)：e114。
- ^ “蛋白質組學史”。澳大利亞蛋白質組分析中心。 http://www.proteome.org.au/History-of-Proteomics/default.aspx
- ^ Graves, P. R., T. A. J. Haystead. “分子生物學家蛋白質組學指南”。微生物學與分子生物學評論：第 66 卷第 1 期，2002 年。
- ^ “蛋白質組學概述”。http://www.proteomicworld.org/
- ^ van Wijk, K. J. “植物蛋白質組學挑戰與前景”。植物生理學。2001 年 6 月；126(2): 501-508。
本章由 J. Reuter (Zel2008) 和 S. Lafergola (DieselSandwich) 撰寫
文章摘要
蛋白質組學工作流程在系統生物學中的進展
Johan Malmstrom、Hookeun Lee 和 Ruedi Aebersold。Curr Opin Biotechnol 18(4):378-384 (2007)
主要關注點
本文總結了基於鳥槍法串聯質譜的蛋白質組學技術的最新進展以及一些主要侷限性。此外，它還簡要介紹了靶向驅動定量蛋白質組學的步驟。
摘要
近年來，非靶向質譜法蛋白質組學的所有方面都取得了重大進步，包括樣品製備、資料採集、資料處理和分析。在樣品製備過程中，隨著IEF分離方法的引入，經典二維色譜肽分離所獲得的解析度得到了極大提高。資料質量方面也得到了改進，這是透過開發高度可重複的毛細管色譜方法和穩定同位素標記方法進行定量分析來實現的。現在，透過不同型別的質譜儀，如TOF-TOF、Q-TOF，可以在資料採集過程中實現高質量解析度和準確性。此外，不同型別的質量分析器和離子源已被組合起來，以提高蛋白質組覆蓋範圍。隨著資料庫搜尋工具的開發，蛋白質組學資料的質量可以在資料處理和分析過程中得到更準確的評估和估計。
儘管取得了所有這些進步，但鳥槍法方法仍然存在侷限性。例如，鳥槍法MS資料集極其冗餘，這極大地影響了蛋白質組樣品中存在的肽的鑑定。樣品中存在半胰蛋白酶解或非胰蛋白酶解肽使樣品更復雜。飽和效應極大地降低了新蛋白質的發現率。許多由質譜檢測到的肽無法識別，難以進行樣品間的比較。
鳥槍法方法的侷限性使得靶向驅動定量蛋白質組學的發展成為必要。靶向驅動定量蛋白質組學的第一步是蛋白質和肽的選擇。這一步可以透過實驗和計算完成。對於多反應監測 (MRM) 和資料分析步驟，多反應監測被應用於蛋白質組學資料分析。與課程的相關性：本資源簡要概述了基於靶向質譜法（蛋白質組學的一種方法）的蛋白質組學的最新進展以及一些侷限性。它還介紹了蛋白質組學的另一個領域：靶向驅動定量蛋白質組學。
新名詞
- 電噴霧電離
- 質譜法中用於產生離子的技術。它在從大分子中產生離子方面特別有用，因為它克服了這些分子在電離時容易斷裂的傾向（http://en.wikipedia.org/wiki/Electrospray_ionization）
- 基質輔助雷射解吸電離 (MALDI)
- 質譜法中使用的一種軟電離技術，允許分析生物分子（如蛋白質、肽和糖）和大型有機分子（如聚合物、樹枝狀大分子和其他大分子），這些分子在更傳統的電離方法下電離時往往會斷裂（http://en.wikipedia.org/wiki/MALDI-TOF）
- 肽譜
- 一個多生物體、公開可訪問的資料庫，其中包含在大量串聯質譜蛋白質組學實驗中鑑定的肽（http://www.peptideatlas.org/）
- 多反應監測
- MRM 實驗使用三重四極杆儀器，旨在獲得檢測目標化合物的最大靈敏度。這種型別的質譜實驗廣泛用於製藥行業檢測和定量藥物及其代謝物（http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2291721）
- 傅立葉變換離子迴旋共振質譜
- 傅立葉變換離子迴旋共振質譜法，也稱為傅立葉變換質譜法，是一種質譜分析儀（或質譜儀），用於根據離子在固定磁場中的迴旋頻率確定離子的質荷比（m/z）（http://en.wikipedia.org/wiki/Fourier_transform_ion_cyclotron_resonance）
課程相關性
- 本資源介紹了非靶向質譜法和靶向方法，這兩種方法是蛋白質鑑定中的重要方法（蛋白質組學中的一個重要步驟）。
廣譜蛋白質組學策略：蛋白質組學和功能篩選實踐指南
Graham David、Elliot Steven、Van Eyk Jennifer。“生理學雜誌” 563: 1-9 (2005)
主要關注點
本文總結了什麼是廣譜蛋白質組學以及如何使用這種全域性視角策略設計研究。它首先簡要介紹了蛋白質組學中的現有技術，然後討論了這些技術如何被納入研究中。
摘要
蛋白質組學作為一個領域正變得越來越令人望而生畏，因為許多研究迷失在複雜的重點細節中。為了幫助解決這一挑戰，研究人員可以採用廣譜蛋白質組學。廣譜蛋白質組學是一種策略，在研究的早期階段就進行周密的計劃，以回答有關蛋白質組的問題（例如，患病狀態和正常狀態下組織的比較），並使用最合適和適用的可用技術。透過在蛋白質組學研究的開始階段制定策略，可以避免研究過程中的潛在挫折。
第一步是制定一個與正在研究的問題或議題相關的總假設。由於蛋白質組學與基因組學類似，當模型生物的基因組未知時，蛋白質組學研究就變得越來越困難。因此，應該選擇已知大部分基因組（80% 或更高）的生物體。一旦選擇了合適的生物體進行研究，接下來的要考慮的因素是將要生成的資料型別以及樣品來源。一些蛋白質組學方法產生定性資料，而另一些方法產生定量資料；因此，在選擇方法之前應確定所需的資料型別。同時，樣品來源對於確定提取和純化方法很重要。典型的樣品型別包括：尿液、血液（血漿/血清）和粘膜分泌物。樣品中的蛋白質濃度很重要，如果可以在考馬斯亮藍染色凝膠上觀察到蛋白質（> 300 ng），則應預期合理的提取。所選分離技術應反映所選蛋白質的特性（疏水性與親水性、分子量等）。
規劃過程中的另一個主要因素是估計對分級樣品進行質譜鑑定準備的難度。每種質譜技術都需要不同程度的準備，其中一些比其他技術複雜得多（例如，二維電泳與MS/MS分析所需的準備比HPLC與MS分析所需準備更多）。由於質譜法通常是許多蛋白質組學研究遇到困難的步驟（無論是準備還是結果解釋），因此選擇適合蛋白質樣品的方法非常重要。
近年來，隨著蛋白質組學資料庫的出現，生物資訊學在蛋白質組學研究中越來越重要。因此，幾乎所有蛋白質組學研究都應該結合生物資訊學；因此，研究團隊應具備一些生物資訊學知識。根據研究結束時將接收到的資料量（取決於所選分析方法），研究團隊可以確定需要多少生物資訊學分析。
最後一個需要考慮的因素是是否引入外部援助或嘗試以更封閉的方式進行研究。保持封閉性可以讓研究團隊保持資料的完整性，並最大限度地減少誤解。另一方面，引入外部幫助可以讓研究人員解決規模較大的問題，這些問題通常是小型團隊無法解決的。雖然引入外部幫助看起來很有希望，但重要的是不要失去對資料的控制，並確保團隊不要分散精力去完成超出其能力範圍的事情。
由於研究細胞蛋白質組的方法很多，因此在蛋白質組學研究的所有階段都應實施周密的計劃。透過廣譜蛋白質組學，研究人員可以在進行任何實際研究之前定義測試計劃。如果使用得當，這種策略可以帶來富有成效和高效的專案，使科學更接近於瞭解整個蛋白質組。
新名詞
- 亞型
- 由於基因組序列中的單核苷酸多型性而形成的一組不同的蛋白質。（http://en.wikipedia.org/wiki/Isoform）
- 單核苷酸多型性 (SNP)
- 基因組序列中的單一核苷酸發生變異，當一個物種的成員之間基因組中的單個核苷酸不同時就會發生這種情況。（http://en.wikipedia.org/wiki/Single_nucleotide_polymorphism）
- 翻譯後修飾 (PTM)
- 蛋白質翻譯後發生的化學修飾。它通常是大多數蛋白質蛋白質生物合成中的最後一步。（http://en.wikipedia.org/wiki/Posttranslational_modification）
- 亞蛋白質組
- 蛋白質組的一個亞分級子集。通常，它們與細胞的區域（例如細胞器）或化學特性有關。
- 肽質量指紋圖譜 (PMF)
- 一種用於蛋白質鑑定的分析技術。首先將待鑑定的未知蛋白質裂解成更小的肽，然後使用質譜法確定其質量，並將這些質量與包含已知蛋白質序列的資料庫或基因組進行比較。（http://en.wikipedia.org/wiki/Peptide_mass_fingerprinting）
課程相關性
- 本文具有相關性，因為蛋白質組學的全域性視角變得越來越重要。隨著有關蛋白質的資訊量不斷增加，從廣泛的角度理解蛋白質組變得越來越有用。
網站摘要
雙分子資源設施協會：蛋白質組學研究組 (PRG)
網站委員會：Pamela Scott Adams, Michelle Detwiler, David Mohr James Ee, 楊曉龍博士, Len Packman 博士, Anthony Yeung 博士, http://www.abrf.org/index.cfm/group.show/Proteomics.34.htm#R_3 (2009年3月25日)
主要關注點
本網頁介紹雙分子資源設施協會與蛋白質組學之間的關係。特別重要的是 ABRF 內的蛋白質組學研究組。
摘要
雙分子資源設施協會 (ABRF) 是一家國際性的研究機構和實驗室協會，致力於生物技術領域的核心研究。該協會鼓勵透過會議、季刊和群體研究分享資訊。ABRF 對蛋白質組學領域具有重大影響力，共有五個主要研究組 (RG) 以某種方式處理蛋白質組學：蛋白質表達 (PERG)、蛋白質測序 (PSRG)、蛋白質資訊學 (iPRG)、蛋白質組學 (PRG) 和蛋白質組學標準 (sPRG)。
蛋白質組學研究組尤其重要，它使全球蛋白質組學領域的科研人員能夠自由地共享其蛋白質分析資訊。顯然，由於瞭解蛋白質組意味著將大量蛋白質的資訊整合在一起（這些資訊需要付出大量努力/時間/資金才能獲得），因此共享蛋白質/亞蛋白質組資訊對於完整了解蛋白質組至關重要。本網站包含眾多指向全球各研究組進行的研究的連結。
新名詞
- 從頭肽段測序
- 在沒有任何關於氨基酸序列的先驗知識的情況下進行的肽段測序。 (http://www.ionsource.com/tutorial/DeNovo/DeNovoTOC.htm)
- 定量蛋白質組學
- 目標是獲取有關特定樣本中所有蛋白質的定量資訊。這很有用，因為它允許人們觀察蛋白質樣本之間的差異。 (http://en.wikipedia.org/wiki/Quantitative_proteomics)
課程相關性
- 這是對雙分子資源設施協會 (ABRG) 及其與蛋白質組學關係的概述。本網站包含大量與蛋白質組學相關的資訊，對蛋白質組學研究人員來說會很有用。
蛋白質組學導論
作者/製作人：Rick Groleau，主題專家：Hanno Steen 博士，設計師：Peggy Recinos，開發者：Jeffrey Testa, http://www.childrenshospital.org/cfapps/research/data_admin/Site602/mainpageS602P0.html (2009年3月28日)
主要關注點
本網頁介紹了蛋白質組學的重要性及挑戰。它還簡要介紹了蛋白質組學的主要步驟。
摘要
蛋白質組學對於我們理解生物過程很重要，因為所有功能都是由細胞中的蛋白質完成的。但由於蛋白質數量眾多，氨基酸（蛋白質的組成單元）又非常小，因此研究相當具有挑戰性。分析蛋白質序列有五個步驟：樣品製備、分離、電離、質譜分析和資訊學。首先，我們獲取細胞並從細胞中提取蛋白質。然後，我們使用 2D 電泳等方法分離蛋白質。接下來，我們使用蛋白酶將蛋白質切割成肽段。質譜分析允許我們識別單個肽段以及肽段片段。最後，透過解釋資料，我們可以確定蛋白質的序列。
新名詞
- 活檢
- 活檢是一種醫學檢查，涉及移除細胞或組織進行檢查。它指的是從活體生物中移除組織，以確定疾病的存在或程度 (http://en.wikipedia.org/wiki/Biopsy)
- 飛行時間
- 飛行時間 (TOF) 描述了一種方法，該方法用於測量粒子、物體或流體在已知距離內到達檢測器所需的時間 (http://en.wikipedia.org/wiki/Time-of-flight)
- 四極杆質譜分析
- 四極杆質量分析器是質譜分析中使用的一種質量分析器。它由 4 根圓柱形杆組成，彼此完美平行。在四極杆質譜儀中，四極杆質量分析器是儀器中負責根據其質荷比 (m/z) 過濾樣品離子的元件。離子在四極杆中根據其在施加到杆上的振盪電場中的軌跡穩定性而分離 (http://en.wikipedia.org/wiki/Quadrupole_mass_analyzer)
- 電噴霧電離
- 電噴霧電離 (ESI) 是一種在質譜分析中用於產生離子的技術。它在產生來自大分子的離子方面特別有用，因為它克服了這些分子在電離時容易斷裂的傾向 (http://en.wikipedia.org/wiki/Electrospray_ionization)
- 道爾頓
- 道爾頓是原子質量的測量單位。一個道爾頓等於一個碳-12原子的質量的 1/12 (http://www.childrenshospital.org/cfapps/research/data_admin/Site602/mainpageS602P1.html)
課程相關性
- 這是對蛋白質組學的概述。它非常簡要地總結了蛋白質組學的程式和重要性。
蛋白質組學導論
查爾斯大學第一醫學院生物學和醫學遺傳學研究所和綜合教學醫院，http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/en/proteomics.htm (2009年4月6日)
主要關注點
本網站討論了蛋白質組學的目標和定義。它還介紹了蛋白質組學研究中的兩種重要方法 - 2D 蛋白質電泳和質譜分析，以及醫學中的蛋白質組學。
摘要
蛋白質組學是一個廣泛的領域，包括表達蛋白質組學、蛋白質在細胞器亞細胞區室中的分佈、蛋白質的翻譯後修飾、結構蛋白質組學和功能蛋白質組學、臨床蛋白質組學等等。即使隨著 RNA/cDNA 微陣列的引入，轉錄本水平表達分析成為可能，蛋白質組學仍然很重要，因為並非所有 mRNA 都會被翻譯，並且存在 RNA 剪接、翻譯後蛋白質修飾等過程。
二維 (2D) 蛋白質電泳通常用於根據蛋白質的 pI 和質量分離蛋白質。質譜分析是蛋白質組學中的一種重要方法，因為它不僅可用於蛋白質鑑定，還可用於蛋白質翻譯後修飾分析。
蛋白質組學在醫學中的主要應用之一是在治療疾病的所有步驟中識別標記物。其他應用包括藥物發現和藥物蛋白質組學。
新名詞
- 人類蛋白質組組織 (HUPO)
- 人類蛋白質組組織 (HUPO) 是一家國際科學組織，透過國際合作和協作，透過促進新技術、技術和培訓的開發，代表和促進蛋白質組學 (http://www.hupo.org/)
- 結構蛋白質組學
- 結構蛋白質組學是一個國際合作專案，旨在以蛋白質組規模解決 3D 蛋白質結構 (http://en.wikipedia.org/wiki/Structural_proteomics)
- 瑞典人類蛋白質圖譜
- 瑞典人類蛋白質圖譜計劃 (HPA) 由（非營利性）克努特和愛麗絲·瓦倫堡基金會資助，邀請學術界和商業機構提交抗體，以納入人類蛋白質圖譜 (http://www.proteinatlas.org)
- 翻譯後修飾 (PTM)
- 翻譯後修飾 (PTM) 是蛋白質翻譯後發生的化學修飾。它是許多蛋白質蛋白生物合成的後期步驟之一 (http://en.wikipedia.org/wiki/Posttranslational_modification)
- 等電點
- 等電點是指蛋白質總電荷等於零的 pH 值 (http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/en/proteomics.htm)
課程相關性
- 本網站簡要介紹了蛋白質組學的定義和目標。它還介紹了 2D 電泳和質譜分析的原理，它們是蛋白質組學中的重要方法。
聯絡：jxr0084@rit.edu, sfl9376@rit.edu
參考文獻
- Johan Malmstrom，Hookeun Lee 和 Ruedi Aebersold。 "系統生物學蛋白質組學工作流程的進展"Curr Opin Biotechnol 18(4):378-384 (2007)
- Rick Groleau，Hanno Steen，Peggy Recinos，Jeffrey Testa。"蛋白質組學導論" http://www.childrenshospital.org/cfapps/research/data_admin/Site602/mainpageS602P0.html (2009年3月28日)
- 查爾斯大學第一醫學院生物學和醫學遺傳學研究所和綜合教學醫院。"蛋白質組學導論" http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/en/proteomics.htm (2009年4月6日)