1．蛋白質組學研究的研究意義和背景

隨著人類基因組計劃的實施和推進，生命科學研究已進入了后基因組時代。在這個時代，生命科學的主要研究對象是功能基因組學，包括結構基因組研究和蛋白質組研究等。盡管現在已有多個物種的基因組被測序，但在這些基因組中通常有一半以上基因的功能是未知的。目前功能基因組中所采用的策略，如基因芯片、基因表達序列分析(Serial  analysis  of  gene  expression,  SAGE)等，都是從細胞中mRNA的角度來考慮的，其前提是細胞中mRNA的水平反映了蛋白質表達的水平。但事實并不完全如此，從DNA  mRNA  蛋白質，存在三個層次的調控，即轉錄水平調控(Transcriptional  control  )，翻譯水平調控(Translational  control)，翻譯后水平調控(Post-translational  control  )。從mRNA角度考慮，實際上僅包括了轉錄水平調控，并不能全面代表蛋白質表達水平。實驗也證明，組織中mRNA豐度與蛋白質豐度的相關性并不好，尤其對于低豐度蛋白質來說，相關性更差。更重要的是，蛋白質復雜的翻譯后修飾、蛋白質的亞細胞定位或遷移、蛋白質－蛋白質相互作用等則幾乎無法從mRNA水平來判斷。毋庸置疑，蛋白質是生理功能的執行者，是生命現象的直接體現者，對蛋白質結構和功能的研究將直接闡明生命在生理或病理條件下的變化機制。蛋白質本身的存在形式和活動規律，如翻譯后修飾、蛋白質間相互作用以及蛋白質構象等問題，仍依賴于直接對蛋白質的研究來解決。雖然蛋白質的可變性和多樣性等特殊性質導致了蛋白質研究技術遠遠比核酸技術要復雜和困難得多，但正是這些特性參與和影響著整個生命過程。

        傳統的對單個蛋白質進行研究的方式已無法滿足后基因組時代的要求。這是因為：(1)  生命現象的發生往往是多因素影響的，必然涉及到多個蛋白質。(2)  多個蛋白質的參與是交織成網絡的，或平行發生，或呈級聯因果。(3)  在執行生理功能時蛋白質的表現是多樣的、動態的，并不象基因組那樣基本固定不變。因此要對生命的復雜活動有全面和深入的認識，必然要在整體、動態、網絡的水平上對蛋白質進行研究。因此在上世紀90年代中期，國際上產生了一門新興學科－蛋白質組學（Proteomics），它是以細胞內全部蛋白質的存在及其活動方式為研究對象。可以說蛋白質組研究的開展不僅是生命科學研究進入后基因組時代的里程碑，也是后基因組時代生命科學研究的核心內容之一。

        雖然第1次提出蛋白質組概念是在1994年，但相關研究可以追溯到上世紀90年代中期甚至更早，尤其是80年代初，在基因組計劃提出之前，就有人提出過類似的蛋白質組計劃，當時稱為Human  Protein  Index計劃，旨在分析細胞內的所有蛋白質。但由于種種原因，這一計劃被擱淺。90年代初期，各種技術已比較成熟，在這樣的背景下，經過各國科學家的討論，才提出蛋白質組這一概念。

        國際上蛋白質組研究進展十分迅速，不論基礎理論還是技術方法，都在不斷進步和完善。相當多種細胞的蛋白質組數據庫已經建立，相應的國際互聯網站也層出不窮。1996年，澳大利亞建立了世界上第1個蛋白質組研究中心：Australia  Proteome  Analysis  Facility  (  APAF  )。丹麥、加拿大、日本也先后成立了蛋白質組研究中心。在美國，各大藥廠和公司在巨大財力的支持下，也紛紛加入蛋白質組的研究陣容。去年在瑞士成立的GeneProt公司，是由以蛋白質組數據庫“SWISSPROT”  著稱的蛋白質組研究人員成立的，以應用蛋白質組技術開發新藥物靶標為目的，建立了配備有上百臺質譜儀的高通量技術平臺。而當年提出Human  Protein  Index  的美國科學家Normsn  G.  Anderson也成立了類似的蛋白質組學公司，繼續其多年未實現的夢想。2001年4月，在美國成立了國際人類蛋白質組研究組織（Human  Proteome  Organization,  HUPO）,隨后歐洲、亞太地區都成立了區域性蛋白質組研究組織，試圖通過合作的方式，融合各方面的力量，完成人類蛋白質組計劃（Human  Proteome  Project）。

2．蛋白質組學研究的策略和范圍

        蛋白質組學一經出現，就有兩種研究策略。一種可稱為“竭澤法”，即采用高通量的蛋白質組研究技術分析生物體內盡可能多乃至接近所有的蛋白質，這種觀點從大規模、系統性的角度來看待蛋白質組學，也更符合蛋白質組學的本質。但是，由于蛋白質表達隨空間和時間不斷變化，要分析生物體內所有的蛋白質是一個難以實現的目標。另一種策略可稱為“功能法”，即研究不同時期細胞蛋白質組成的變化，如蛋白質在不同環境下的差異表達，以發現有差異的蛋白質種類為主要目標。這種觀點更傾向于把蛋白質組學作為研究生命現象的手段和方法。

        早期蛋白質組學的研究范圍主要是指蛋白質的表達模式（Expression  profile）,  隨著學科的發展，蛋白質組學的研究范圍也在不斷完善和擴充。蛋白質翻譯后修飾研究已成為蛋白質組研究中的重要部分和巨大挑戰。蛋白質-蛋白質相互作用的研究也已被納入蛋白質組學的研究范疇。而蛋白質高級結構的解析即傳統的結構生物學，雖也有人試圖將其納入蛋白質組學研究范圍，但目前仍獨樹一幟。

3．蛋白質組學研究技術

        可以說，蛋白質組學的發展既是技術所推動的也是受技術限制的。蛋白質組學研究成功與否，很大程度上取決于其技術方法水平的高低。蛋白質研究技術遠比基因技術復雜和困難。不僅氨基酸殘基種類遠多于核苷酸殘基（20/  4）,  而且蛋白質有著復雜的翻譯后修飾，如磷酸化和糖基化等，給分離和分析蛋白質帶來很多困難。此外，通過表達載體進行蛋白質的體外擴增和純化也并非易事，從而難以制備大量的蛋白質。蛋白質組學的興起對技術有了新的需求和挑戰。蛋白質組的研究實質上是在細胞水平上對蛋白質進行大規模的平行分離和分析，往往要同時處理成千上萬種蛋白質。因此，發展高通量、高靈敏度、高準確性的研究技術平臺是現在乃至相當一段時間內蛋白質組學研究中的主要任務。當前在國際蛋白質組研究技術平臺的技術基礎和發展趨勢有以下幾個方面：

3.1  蛋白質組研究中的樣品制備

        通常可采用細胞或組織中的全蛋白質組分進行蛋白質組分析。也可以進行樣品預分級，即采用各種方法將細胞或組織中的全體蛋白質分成幾部分，分別進行蛋白質組研究。樣品預分級的主要方法包括根據蛋白質溶解性和蛋白質在細胞中不同的細胞器定位進行分級，如專門分離出細胞核、線粒體或高爾基體等細胞器的蛋白質成分。樣品預分級不僅可以提高低豐度蛋白質的上樣量和檢測，還可以針對某一細胞器的蛋白質組進行研究。

        對臨床組織樣本進行研究，尋找疾病標記，是蛋白質組研究的重要方向之一。但臨床樣本都是各種細胞或組織混雜，而且狀態不一。如腫瘤組織中，發生癌變的往往是上皮類細胞，而這類細胞在腫瘤中總是與血管、基質細胞等混雜。所以，常規采用的癌和癌旁組織或腫瘤與正常組織進行差異比較，實際上是多種細胞甚至組織蛋白質組混合物的比較。而蛋白質組研究需要的通常是單一的細胞類型。最近在組織水平上的蛋白質組樣品制備方面也有新的進展，如采用激光捕獲微解剖(Laser  Capture  Microdissection,  LCM)  方法分離癌變上皮類細胞。

3.2  蛋白質組研究中的樣品分離和分析

        利用蛋白質的等電點和分子量通過雙向凝膠電泳的方法將各種蛋白質區分開來是一種很有效的手段。它在蛋白質組分離技術中起到了關鍵作用。如何提高雙向凝膠電泳的分離容量、靈敏度和分辨率以及對蛋白質差異表達的準確檢測是目前雙向凝膠電泳技術發展的關鍵問題。國外的主要趨勢有第1維電泳采用窄pH梯度膠分離以及開發與雙向凝膠電泳相結合的高靈敏度蛋白質染色技術，如新型的熒光染色技術。  

        質譜技術是目前蛋白質組研究中發展最快，也最具活力和潛力的技術。它通過測定蛋白質的質量來判別蛋白質的種類。當前蛋白質組研究的核心技術就是雙向凝膠電泳－質譜技術，即通過雙向凝膠電泳將蛋白質分離，然后利用質譜對蛋白質逐一進行鑒定。對于蛋白質鑒定而言，高通量、高靈敏度和高精度是三個關鍵指標。一般的質譜技術難以將三者合一，而最近發展的質譜技術可以同時達到以上三個要求，從而實現對蛋白質準確和大規模的鑒定。

3.3  蛋白質組研究的新技術

        做過雙向凝膠電泳的人一定會抱怨它的繁瑣、不穩定和低靈敏度等缺點。發展可替代或補充雙向凝膠電泳的新方法已成為蛋白質組研究技術最主要的目標。目前，二維色譜  (2D-LC)、二維毛細管電泳  (2D-CE)、液相色譜－毛細管電泳  (LC-CE)  等新型分離技術都有補充和取代雙向凝膠電泳之勢。另一種策略則是以質譜技術為核心，開發質譜鳥槍法(Shot-gun)、毛細管電泳-質譜聯用  (CE-MS)等新策略直接鑒定全蛋白質組混合酶解產物。隨著對大規模蛋白質相互作用研究的重視，發展高通量和高精度的蛋白質相互作用檢測技術也被科學家所關注。此外，蛋白質芯片的發展也十分迅速，并已經在臨床診斷中得到應用。

3.4  蛋白質組生物信息學

        蛋白質組數據庫是蛋白質組研究水平的標志和基礎。瑞士的SWISS-PROT擁有目前世界上最大，種類最多的蛋白質組數據庫。丹麥、英國、美國等也都建立了各具特色的蛋白質組數據庫。生物信息學的發展已給蛋白質組研究提供了更方便有效的計算機分析軟件；特別值得注意的是蛋白質質譜鑒定軟件和算法發展迅速，如SWISS-PROT、Rockefeller大學、UCSF等都有自主的搜索軟件和數據管理系統。最近發展的質譜數據直接搜尋基因組數據庫使得質譜數據可直接進行基因注釋、判斷復雜的拼接方式。隨著基因組學的迅速推進，會給蛋白質組研究提供更多更全的數據庫。另外，對肽序列標記的從頭測序軟件也十分引人注目。

4．  蛋白質組學發展趨勢

        在基礎研究方面，近兩年來蛋白質組研究技術已被應用到各種生命科學領域，如細胞生物學、神經生物學等。在研究對象上，覆蓋了原核微生物、真核微生物、植物和動物等范圍，涉及到各種重要的生物學現象，如信號轉導、細胞分化、蛋白質折疊等等。在未來的發展中，蛋白質組學的研究領域將更加廣泛。

        在應用研究方面，蛋白質組學將成為尋找疾病分子標記和藥物靶標最有效的方法之一。在對癌癥、早老性癡呆等人類重大疾病的臨床診斷和治療方面蛋白質組技術也有十分誘人的前景，目前國際上許多大型藥物公司正投入大量的人力和物力進行蛋白質組學方面的應用性研究。

        在技術發展方面，蛋白質組學的研究方法將出現多種技術并存，各有優勢和局限的特點，而難以象基因組研究一樣形成比較一致的方法。除了發展新方法外，更強調各種方法間的整合和互補，以適應不同蛋白質的不同特征。另外，蛋白質組學與其它學科的交叉也將日益顯著和重要，這種交叉是新技術新方法的活水之源，特別是，蛋白質組學與其它大規模科學如基因組學，生物信息學等領域的交叉，所呈現出的系統生物學（System  Biology）研究模式，將成為未來生命科學最令人激動的新前沿。