质谱技术在蛋白质组学研究中的应用
第35卷 第1期2011年1月
南京林业大学学报(自然科学版)
Journa l o fN anji n g Forestry Un i v ersity (Natural Sc ience Ed ition)
V o.l 35,N o .1Jan .,2011
htt p ://www.n l dxb .com [do :i 10.3969/.j issn .1000-2006.2011.01.024]
收稿日期:2009-12-31 修回日期:2010-10-26
基金项目:国家自然科学基金项目(31000287);江苏省高校自然科学基础研究项目(10KJ B220002) 作者简介:甄艳(1976)),副教授,博士。*施季森(通信作者),教授。E-m ai:l js h @i n jfu .edu .cn 。
引文格式:甄艳,施季森.质谱技术在蛋白质组学研究中的应用[J].南京林业大学学报:自然科学版,2011,35(1):103-108.
质谱技术在蛋白质组学研究中的应用
甄 艳,施季森
*
(南京林业大学,林木遗传与生物技术省部共建教育部重点实验室,江苏 南京 210037)
摘要:随着蛋白质组学研究的迅速发展,质谱技术已成为应用于蛋白质组学研究中的强有力工具和核心技术。质谱技术的先进性在于为蛋白质组学研究提供的通量和分子信息。笔者重点概述了基于质谱路线的蛋白质组学研究,介绍了基于质谱的定量蛋白质组学﹑翻译后修饰蛋白质组学、定向蛋白质组学、功能蛋白质组学以及基于串联质谱技术的蛋白质组学数据解析的研究
进展。
关键词:质谱;蛋白质组学;定量蛋白质组学;翻译后修饰;定向蛋白质组学;功能蛋白质组学中图分类号:Q81 文献标志码:A 文章编号:1000-2006(2011)01-0103-06
Application of m ass spectro m etry i n proteo m ics studies
Z HEN Yan ,SH I Jisen
*
(K ey Labo ra t o ry o f F orest G eneti cs and B i o techno l ogy M i n istry o f Educati on ,
N an ji ng Forestry U n i versity ,N an ji ng 210037,Chi na)
Abstrac t :W ith the rap i d develop m ent o f pro teo m i cs ,m ass spec trom etry i s m aturi ng to be a po w erfu l too l and core tech -nology fo r proteo m ics st udies dur i ng the recen t years .The super i or ity o fm ass spectrom etry lies i n providi ng the through -pu t and the m olecu lar infor m ati on ,w hich no other techno logy can be m a tched i n proteom ics .In th i s rev ie w,w e m ade a g lance on the outli ne o fm ass spectrome try -based proteo m ics .A nd then w e addressed on t he advances o f data ana l y si s o f m ass spec trom etry -based proteom ics ,quantitati ve m ass spectro m etry -based pro teom i cs ,post -translati onal m odificati ons based m ass spectrom etry ,targeted proteo m ics and functiona l proteo m ics based -mass spectrome try .K ey word s :m ass spectrome try;proteo m ics ;
quantitative pro teom i cs ;
post -trans l ation m odifica ti on ;
targ eted pro -
teo m i cs ;f uncti ona l proteom ics
蛋白质组学(Pr o teo m ics)是从整体水平上研究细胞内蛋白质的组成、活动规律及蛋白质与蛋白质的相互作用,是功能基因组学时代一门新的学科。
目前蛋白质组学的研究主要有两条路线:一是基于双向电泳的蛋白质组学;二是基于质谱的蛋白质组学,其中基于双向电泳的蛋白质组学研究路线最终也离不开质谱技术的应用。自20世纪80年代末,两种质谱软电离方式即电喷雾电离(electro spray ion izati o n,ESI )和基质辅助激光解析离子化(m a -tri x assisted laser desorpti o n i o nization ,MALD I)的发明和发展解决了极性大、热不稳定蛋白质和多肽分
析的离子化和分子质量大的测定问题[1]
,蛋白质组学研究中常用的质谱分析仪包括离子阱(ion
trap ,I T),飞行时间(ti m e of fli g h,t TOF),串联飞行时间(TOF -TOF),四级杆/飞行时间(quadr upo le /TOF hybrids),离子阱/轨道阱(I T /orbitrap hybri d )和离子阱/傅里叶变换串联质谱分析仪(I T /Four i e r transfor m ioncyclotron resonance m ass spectro m eters hybr i d s ,I T /FT M S),这些质谱仪具有不同的灵敏度、分辨率、质量精确度和产生不同质量的M S /M S 谱[2]
。质谱作为蛋白质组学研究的一项强有力的工具日趋成熟,并作为样品制备及数据分析的信息学工具被广泛地应用。因此,有学者指出质谱技术
已在蛋白质组学研究中处于核心地位[3]
。目前在通量及所包含的分子信息内容上,基于质谱的蛋白质组学技术在细胞生物学研究中可以鉴定和量化
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特定细胞生命过程中的功能性分子,例如质谱技术可在一次研究中鉴定几千个蛋白质分子,并可以给出蛋白质存在的分子修饰状况[4];质谱分析还可以用于了解蛋白质与蛋白质之间的相互作用。因此,有学者认为基于质谱的蛋白质组学最终可以进行整个生物系统的蛋白质表达水平的研究,并认为蛋白质组学可以成为/新基因组学0[5]。笔者主要综述质谱在蛋白质组学的应用。
1基于质谱的定量蛋白质组学研究
蛋白质组学最初的研究焦点是蛋白质的鉴定,最近基于质谱发展起来的平台有利于研究细胞内蛋白质组分数量变化。在整体水平上研究蛋白质的定量分析被称为定量蛋白质组学(quantitative pro teo m ics),对于系统地理解每个蛋白质组分的分子功能有着重要的作用,将为各种生物学过程和生物系统提供新的见解[6]。蛋白质组是复杂多变的,即使在一个细胞中不同生理或病理条件下,蛋白质的表达也不相同。目前质谱越来越多地被用于蛋白质或肽的相对或绝对定量的研究。典型的基于质谱定量蛋白质组学研究可用质谱谱图特征(谱峰的强度,质/荷比和出峰的时间)、肽的特征(来源相同肽离子的质量同位素峰)、或肽(相同肽不同电荷状态的多个肽特征)来表示[6-7]。定量蛋白质组学技术可以分为两类,即标记定量技术和非标记定量技术。定量蛋白质组学研究的目的是通过比较多个样品质谱相关信息的丰度变化进行定量,且通过控制假阳性率(false-discover y rate, FDR)提供差异丰度特征的最大程度列表。定量蛋白质组学工作流程可分为3类,即稳定同位素标签、谱峰计算和谱峰特征分析。
1.1稳定同位素标签
稳定同位素标签是一种标记定量技术,用稳定同位素标记蛋白质样品﹑混合样品﹑酶解、质谱分析,并分为体内标记技术和体外标记技术。例如体内标记技术稳定同位素标记氨基酸细胞培养(sta-b le isotope labeling w it h a m i n o aci d s i n cell cu lture, S I L AC),在培养介质中加入稳定同位素标记的氨基酸进行蛋白质的鉴定和定量,但是该技术只能对可培养的样品进行定量分析[8]。体外标记技术同位素标记的亲和标签(isotope-coded affinity tag, I C AT)是利用I CAT试剂在体外标记不同状态蛋白质样品中的半胱氨酸,酶解后用亲和柱分离纯化标记的肽段再进行质谱分析,比较适合两个样品的定量比较[9]。随后又出现了多重元素体外标记技术如同位素标记相对和绝对定量(isobaric tags fo r re-l ati v e and absolute quantitati o n,i T RAQ),可对4~8种不同的样本同时进行定量分析。由于外源试剂的引入使得质量发生变化,因此需在相同的质谱运行条件下对肽的谱特征分别定量,谱峰的信号强度可作为定量的依据。标记技术准确﹑灵敏,但也存在着标记反应复杂及对标记稳定同位素的成对质量峰的区分需要更高分辨率的质谱仪器等缺点[10]。
1.2质谱检测的计数
基于质谱的定量蛋白质组学研究也可用无同位素标记的方式进行定量研究,优点在于试验简单、不需要同位素标记﹑动态范围大。该策略中比较的样品要分别用质谱进行分析,但要用相同的数据采集提取步骤,并以肽段被质谱检测的计数为基础,再通过归一化来表征被检测蛋白质的相对丰度。质谱检测计数法认为肽段在质谱中被检测到的频率与其在混合物中的丰度成正比[11],因此,蛋白质被质谱检测的计数体现了蛋白质的丰度。相对于标记定量蛋白质组学研究方法来说,质谱检测计数法存在对低丰度蛋白质的定量准确性低的缺点,但该方法仍具有广泛的应用前景。
1.3谱特征分析
谱特征分析法法的工作流程与稳定同位素标签及质谱检测计数不同,定量前不需要肽序列的鉴定。无标记的定量蛋白质组学研究策略中,生物学样品分别单独运行质谱,通过计算机工具建立特征谱,如肽段峰强度、峰面积、液相色谱保留时间等信息进行蛋白质丰度的定量。该项技术允许分析大量的谱特征和高通量的数据,因此适合多重样品分析,缺点是由于大量杂散的特征和噪音增加了计算的复杂性及在不同数据采集过程中要求严谨性、稳定性和重现性[12]。
基于质谱的无标记定量蛋白质组学具有广泛的应用前景,但内在的偏差和数据的变异等给定量带来了巨大的挑战。最近有学者开发和测试了一种归一化的无标记定量方法,即归谱指数法(no r-m alized spectral index,S I N),整合了质谱丰度的3个表征:肽计数、谱计数和片段离子的强度。S I N 能够在很大程度上消除重复质谱分析所带来的变异,而且使得定量具有重复性及可量化相同或不同样品的重复质谱分析所得的上千个蛋白质[13]。
2基于质谱的翻译后修饰蛋白质组学研究
蛋白质的翻译后修饰控制着基因型和表型的
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许多生物学过程,据不完全统计,已知有300多种翻译后修饰参与生理过程。因此,研究翻译后修饰的多样性,对理解细胞水平、生物体水平的表型建成、调节机制等十分关键。质谱是研究蛋白质化学修饰的关键技术,可以定位修饰位点﹑定量化学修饰蛋白及检测新型结构。翻译后的修饰种类很多,如磷酸化、乙酰化、泛素化及半胱氨酸氧化等[14]。
2.1磷酸化质谱检测
蛋白质磷酸化是细胞调控和信号传导的关键机制。据估计,在真核细胞中约有1/3的蛋白质通过蛋白质激酶和磷酸化酶活性调节发生了磷酸化修饰[15]。蛋白质磷酸化是增加了H PO3基团,可通过增加80u的氨基酸残基质量数来检测,磷酸位点的检测可通过磷酸化肽片段离子的质量迁移来鉴定。
翻译后修饰的离子特征可用一级质谱或串联质谱扫描监测,对于MALD I-TOF质谱鉴定蛋白质磷酸化可对比前后图谱,寻找质量数变化为80u 或98u及强度增大的信号,则可能是磷酸化肽段[16]。以ESI为离子源的质谱在磷酸化肽段检测中具有广泛的应用前景,通过前体离子扫描和中性丢失扫描来检测磷酸化肽段[17]。蛋白质磷酸化的质谱分析主要集中在两方面:一是磷酸化肽段的寻找;二是磷酸化位点和磷酸化数量的确定,其中磷酸化位点的确定是肽段磷酸化分析的难点。磷酸化蛋白质是一些低丰度蛋白质,因此,富集磷酸化蛋白是磷酸化蛋白质组学的前提。目前富集磷酸化蛋白和肽段的方法主要利用抗体富集和化学方法修饰改变磷酸基团的特异性分离纯化,如I M AC 固定金属螯合亲和层析,随着该富集方法的改进,为磷酸化蛋白质组学研究提供了更广泛的研究前景[18]。
2.2乙酰化
赖氨酸E-氨基和氨基酸N端的乙酰化对诱导活化裂解产生的肽片段是稳定的,并且可通过与未修饰的形式比对特征性的+42.01u质量偏移进行检测。尽管三甲基赖氨酸与乙酰赖氨酸的质量相似,但它们的结构可以通过高分辨率的质谱进行辨别[19]。由于电荷中性化的原因在乙酰赖氨酸残基中胰蛋白酶的酶切位点被封住,所以乙酰化肽可以作为漏切产物被检测到,其序列与未乙酰化修饰肽的序列不同。
乙酰化肽的富集非常困难,原因在于乙酰化氨基不轻易被衍生,因此,一般对部分纯化的混合物进行乙酰化研究。这种观点已改变了最近开展的大规模乙酰化蛋白筛选研究,通过采用树脂结合抗体乙酰赖氨酸来富集乙酰化肽,大量的乙酰赖氨酸位点已被定位[20]。
最近的蛋白质组学研究中发现,蛋白质乙酰化新的化学物质,如O-乙酰丝氨酸和苏氨酸残基作为乙酰辅酶A的基团转移产物,这个反应酯化了MAP激酶的关键丝氨酸残基,进而干扰了激酶和磷酸化的活化。最近在组蛋白和其他赖氨酸靶位点上赖氨酸残基的丙酰化和丁酰化已有报道[14],这揭示了赖氨酸位点的化学修饰要比以前认识的更为复杂。
2.3泛素蛋白及类泛素化蛋白
众所周知,泛素和类泛素化蛋白在调控蛋白质稳定性、活性、细胞定位及降解方面具有重要的作用[21]。泛素是凭借泛素连接酶E3共价耦联目标蛋白,通过异肽连接泛素C末端羧基和靶蛋白赖氨酸的E-氨基,这些修饰对质谱鉴定构成了巨大的挑战,原因在于胰蛋白酶的酶切位点是赖氨酸和精氨酸的C端肽键,由于泛素化蛋白质的赖氨酸被泛素基团保护而漏切;另外,泛素化蛋白胰蛋白酶水解可释放甘氨酸-甘氨酸双肽的C末端,导致赖氨酸在分子质量上产生一个质量移位为11411u 的信号。但在甘氨酸-甘氨酸共价结合赖氨酸部位胰蛋白酶裂解被抑制,产生漏切产物,其质量范围大于诱导活化裂解的适合范围[22]。目前基于多维液相色谱分离和ESI-M S/M S正被用于探究由泛素修饰或类泛素修饰蛋白质所产生的大肽段。在蛋白质中有些位点会经常发生泛素化,突变研究显示并不是所有位点都是蛋白酶识别所需要的,这实际上削弱了调控位点在大规模研究中所需要富集来有效检测功能性的靶位点。目前,纯化泛素及类泛素化蛋白质最直接的方法是在泛素及类似物的N 端加一个多肽标签尾巴,进而利用标签来纯化泛素及类泛素化蛋白质,缺点是标签的加入可能影响与泛素相关修饰酶及底物蛋白的结合,泛素化抗体的出现将可以避免此问题发生。此外,有关泛素化和类泛素化修饰的数据库已经出现,更有利于靶位点的鉴定[23]。
3基于质谱的定向蛋白质组学
定向蛋白质组学是基于质谱技术快速检测目标蛋白的技术,该技术具有灵敏度高、重复性好的特点[24]。基于质谱的鸟枪蛋白质组学研究是将蛋白质酶解,片段化成肽片段进行质谱分析。理论上,这种方法可以分析样品中的所有蛋白质,但在
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实践应用中有着巨大的挑战。但是对于一些不以发现新蛋白为研究目的,而是研究特定条件相对少量蛋白质的变化来观察其参与的特定相互作用或信号传导途径的试验来说,可采用定向蛋白质组学(targeted proteo m ics)研究策略,方法是采用选择反应监测(se lected reaction m onitori n g,SR M)和多反应监测(m ulti p le reacti o n m on itor i n g,M R M),这两种方法本质上是同样的实验模式。SRM过程是选择一个特征性的母离子做串联质谱分析,在其碎片中再选择一个特征的子离子作为监测离子[25]。SR M早期主要应用于分析小分子化合物,最近才被应用到蛋白质组学领域。目前,RuediA eberso ld 团队致力于该技术的研究并推动其发展,他们应用定向蛋白质组学分析了酿酒酵母的全动态范围的蛋白质组,检测到每个细胞低于50个拷贝的蛋白质,这是鸟枪蛋白质组学不能匹敌的[26]。有学者认为在未来的5年,定向蛋白质组学研究将会取代蛋白质免疫印迹杂交来进行蛋白质表达量的验证,该方法具有蛋白质免疫印迹杂交的灵敏度和重复性,优势在于验证特异性的速度快。蛋白质免疫印迹定量肽可能需要花费3个月的时间,而定向蛋白质组学分析只需要几天[27]。目前该方法还不能广泛地应用到蛋白质组学中,主要原因在于建立用于分析全蛋白质组学的SR M数据库是一项非常耗时的工作[28]。但相信随着该技术的快速发展,将有利于高通量、高灵敏度检测不同生物学样品中蛋白质的鉴定和定量分析。
4基于质谱的功能蛋白质组学研究蛋白质组学研究中有两个不同的基本方法:其一是基于表达的蛋白质组学研究,主要利用传统的双向电泳技术研究细胞、组织、器官或不同生物系统对外界刺激或不同病理状态下所表达的所有蛋白质。虽然该方法在一些研究中已取得了成功,但是仍存在着一些弊端,如生物系统中蛋白质表达的动态范围问题,往往一些调控蛋白因其表达量很低而被高丰度蛋白所掩盖;遗传和环境的变异导致基因和蛋白质表达的多变性,给基于质谱的蛋白质组定量研究带来困难[29];此外,翻译后修饰在调控细胞生物过程中有着重要的作用,但是目前可用的技术很难全面和定量地进行分析[30]。其二是功能蛋白质组学研究,与表达蛋白质组相学比有着根本和策略上的不同。利用基于质谱蛋白质组学方法鉴定细胞、亚细胞或有机体蛋白质,并阐明对细胞生物过程和信号传导途径一些重要见解。大部分细胞的功能是由蛋白质复合物来执行和完成的。目前有多种不同的技术方法来研究功能蛋白质组学,如亲和纯化和表面等离子共振技术、蛋白质芯片技术、酵母双杂交和噬菌体展示技术及计算机模拟技术等[31]。通过这些方法所获得的数据需要用质谱技术进行鉴定与已知蛋白相互作用的未知蛋白质,其可以在几个小时内鉴定数千种蛋白质,并结合生物信息学对数据进行整合和解释。基于质谱的功能蛋白质组学在相关生理背景条件下利用现代灵敏的质谱技术来差异分析蛋白质复合物进而阐明蛋白质与蛋白质之间的相互作用,例如,利用功能蛋白质组学系统分析了酵母细胞的蛋白质复合物的组成并获得了前所未有的蛋白质相互作用的大量信息[32-33]。功能蛋白质组学最终的目的是通过生成一个总体规划来描述所有的分子、分子的功能、外界刺激的反应及相互关系来破译整个细胞的分子功能。然而,基于质谱的功能蛋白质组学的成功应用还远未达到,原因在于未能捕获感兴趣的蛋白质复合物、质谱分析中有限的动态范围和灵敏度、谱图的不完整解释及数据库检索中无法进行数据的大量分析等。虽然存在着一些问题,但随着质谱技术的不断发展,基于质谱的功能蛋白质组学将可以作为了解感兴趣靶蛋白生物功能的常规工具,并提供较多的机会来寻找潜在的新的靶标蛋白质。5基于串联质谱蛋白质组学的数据解析
质谱分析所产生的数据解读和分析是基于质谱蛋白质组学研究的一项重大挑战,也是许多蛋白质组研究计划的瓶颈。
基于串联质谱蛋白质组学信息,是通过蛋白酶酶解多肽混合物后进入多维液相色谱预分离,在一级质谱中进行肽段离子化,被选的母离子在碰撞室内经碰撞诱导解离片段化所产生子离子片段离子谱而获得的。如何正确地根据获得的肽谱确定肽序列是蛋白质组学数据处理的首要步骤。目前已有大量的计算方法和软件工具可自动化地根据肽谱确定肽序列,大体可以分为3类:数据库检索、从头测序和/混合0方法[34]。
5.1数据库检索(database search i n g)
通过质谱的肽离子谱获得的肽序列与数据库中已有的预测的理论蛋白质序列比对进行蛋白质的鉴定。目前已有许多串联质谱数据检索的搜索引擎,它们的工作方式是通过输入肽片段离子的m/z(质量/电荷比值),根据数据库中已有的理论
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肽片段的模式进行计算分值。基于一系列的检索标准如质量误差范围﹑选择使用的酶和翻译后的修饰类型等获得了一些候选蛋白质。程序所输出的是一系列依据评分标准获得的与片段离子匹配的肽序列。目前国际上常用的蛋白质数据库主要有S W I SS-PROT、T r E M BL、PI R-PSD和Un i P r o等。
5.2从头测序(de novo sequenc i n g)
根据肽离子谱直接明确地读取肽序列称为从头测序。最初这项工作是人工完成的,但最近几年一系列工具的开发已可辅助研究者完成从头测序任务。从头测序优于数据库检索体现在可以确切鉴定肽的序列,还包括序列的多态性和翻译后的修饰。因此,从头测序是在基因组信息不全、甚至无相关信息及研究翻译后修饰肽的生物蛋白质分析的主要研究方法。
5.3/混合0方法(hybir d approaches)
在允许的误差范围内,用质谱肽离子谱所获得的3~5个氨基酸残基短序列标签进行数据库检索。质谱的谱图也可用/混合0方法进行蛋白质鉴定,即联合使用从头测序和数据库检索,该方法起始于获得串联质谱短序列标签,再结合允许误差范围进行数据库检索,即此检索允许在串联质谱获得的肽序列和数据库的序列之间存在1个或多个错误匹配。利用序列标签进行数据库检索,可大大减少检索的时间。M ann等[35-37]最先报道了该方法,随后该方法在蛋白质组学数据分析中得到推广和应用。/混合0方法也是翻译后修饰肽和人为修饰肽系统研究的一项强有力的工具[38]。
6结语
质谱技术具有高灵敏度、高分辨率、快速、高通量的特性,该技术与生物信息学的结合为蛋白质组学研究提供的通量信息是其他技术所不能比拟的。质谱技术的发展推动了蛋白质组学的发展,在蛋白质组学中处于核心地位。基于质谱的植物蛋白质组学研究相对落后于人类及微生物的蛋白组学研究,尤其是有关林木蛋白质组学的研究更少,主要是林木生长周期长、遗传杂合性高、基因组较大等原因,限制了林木功能基因组学的研究进展。蛋白质组学是功能基因组学中的重要部分,开展蛋白质组学的研究将有利于推动林木功能基因组学的研究,林木蛋白质组学研究内容可涉及遗传育种﹑逆境生理和木材形成等多方面。虽然林木基因测序的数量较少,但利用基于质谱的从头测序技术在一定程度上可以解决基因组测序不完全这一问题。相信随着林木基因组测序及大量EST序列的出现,蛋白质组学研究的发展将会加快林木功能基因组学的研究步伐。
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(责任编辑郑琰燚)
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蛋白质组学研究方法选择及比较
蛋白质组学研究方法选择及比较 目前研究蛋白组学的主要方法有蛋白质芯片及质谱法，本文将从多方面对两种研究方法进行了解与比较； 蛋白质芯片（Protein Array） 将大量不同的蛋白质有序地排列、固定于固相载体表面，形成微阵列。利用蛋白质分子间特异性结合的原理，实现对生物蛋白质分子精准、快速、高通量的检测。 主要类型： ●夹心法芯片(Sandwich-based Array) ●标记法芯片(Label-based Array) ●定量芯片(Quantitative Array) ●半定量芯片(Semi-Quantitative Array) 质谱（Mass Spectrometry） 用电场和磁场将运动的离子按它们的质荷比分离后进行检测，测出离子准确质量并确定离子的化合物组成，即通过对样品离子质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法。 主要类型：
●二维电泳+质谱(2D/Mass Spectrometry, MS) ●表面增强激光解吸电离飞行时间质谱(Surface-enhanced laser desorption/ionization- time of flight, SELDI) ●同位素标记相对和绝对定量(Isobaric tags for relative and absolute quantitation, iTRAQ) Protein Array or Mass Spectrometry？ 如何选择合适的研究方法？以下将从六个方面进行比较与推荐： 1.筛查蛋白组学表达差异 建议选择：RayBiotech（1000个因子的芯片）+质谱 a)不同的方法学有不同的特点：对于质谱，可以筛查到未知的蛋白，但是对于分子量大、 低丰度的蛋白质，质谱的灵敏度和准确性有一定的限制。 b)不同的方法能筛查到的目标不同：根据Proteome Analysis of Human Aqueous Humor 一文中报道，质谱筛查到的差异蛋白集中在小分子与代谢物。而用RayBiotech芯片筛查到的结果，多是集中在细胞因子、趋化、血管、生长等等。 c)质谱筛查到355个蛋白，而RayBiotech抗体芯片也筛查到328个蛋白，且用定量芯片 验证25个蛋白有差异，这些蛋白是质谱找不到的。目前RayBiotech夹心法抗体芯片已经可以检测到1000个蛋白，采用双抗夹心法，尤其是对于低丰度蛋白，有很好的灵敏度和特异性，很多的低丰度蛋白是抗体芯片可以检测出来，而质谱检测不到的，且样品不经过变性和前处理，保持天然状态的样品直接检测，对于蛋白的检测准确度高。 d)质谱的重复性一直是质谱工作者纠结的问题，不同操作者的结果，不同样品处理条件， 峰值的偏移等影响因素都会产生大的影响；RayBiotech的夹心法芯片重复性高。
蛋白质组学生物信息学分析介绍
生物信息学分析FAQ CHAPTER ONE ABOUT GENE ONTOLOGY ANNOTATION (3) 什么是GO？ (3) GO和KEGG注释之前，为什么要先进行序列比对（BLAST）？ (3) GO注释的意义？ (3) GO和GOslim的区别 (4) 为什么有些蛋白没有GO注释信息？ (4) 为什么GO Level 2的统计饼图里蛋白数目和差异蛋白总数不一致？ (4) 什么是差异蛋白的功能富集分析&WHY？ (4) GO注释结果文件解析 (5) Sheet TopBlastHits (5) Sheet protein2GO/protein2GOslim (5) Sheet BP/MF/CC (6) Sheet Level2_BP/Level2_MF/Level2_CC (6) CHAPTER TWO ABOUT KEGG PATHWAY ANNOTATION (7) WHY KEGG pathway annotation? (7) KEGG通路注释的方法&流程？ (7) KEGG通路注释的意义？ (7) 为什么有些蛋白没有KEGG通路注释信息？ (8) 什么是差异蛋白的通路富集分析&WHY？ (8) KEGG注释结果文件解析 (8) Sheet query2map (8) Sheet map2query (9) Sheet TopMapStat (9) CHAPTER THREE ABOUT FEATURE SELECTION & CLUSTERING (10) WHY Feature Selection? (10)
聚类分析（Clustering） (10) 聚类结果文件解析 (10) CHAPTER FOUR ABOUT PROTEIN-PROTEIN INTERACTION NETWORK (12) 蛋白质相互作用网络分析的意义 (12) 蛋白质相互作用 VS生物学通路？ (12) 蛋白质相互作用网络分析结果文件解析 (12)
生物质谱技术在蛋白质组学中的应用
生物质谱技术在蛋白质组学中的应用（北京大学药学院 杨春晖 学号：10389071） 一、 前言[1，2] 基因工程已令人难以置信的扩展了我们关于有机体DNA序列的认识。但是仍有许多新识别的基因的功能还不知道，也不知道基因产物是如何相互作用从而产生活的有机体的。功能基因组试图通过大规模实验方法来回答这些问题。但由于仅从DNA序列尚不能回答某基因的表达时间、表达量、蛋白质翻译后加工和修饰的情况、以及它们的亚细胞分布等等，因此在整体水平上研究蛋白质表达及其功能变得日益显得重要。这些在基因组中不能解决的问题可望在蛋白质组研究中找到答案。蛋白质组研究的数据与基因组数据的整合，将会在后基因组研究中发挥重要作用。 目前蛋白质组研究采用的主要技术是双向凝胶电泳和质谱方法。双向凝胶电泳的基本原理是蛋白质首先根据其等电点，第一向在pH梯度胶内等电聚焦，然后转90度按他们的分子量大小进行第二向的SDS-PAGE分离。质谱在90年代得到了长足的发展，生物质谱当上了主角，蛋白质组学又为生物质谱提供了一个大舞台。他们中首选的是MALDI-TOF，其分析容量大，单电荷为主的测定分子量高达30万，干扰因素少，适合蛋白质组的大规模分析。其次ESI为主的LC-MS 联机适于精细的研究。本文将简介几种常用的生物质谱技术，并着重介绍生物质谱技术在蛋白质组学各领域的应用。 二、 生物质谱技术[3，4] 1．电喷雾质谱技术（ESI）[5] 电喷雾质谱技术( Electrospray Ionization Mass Spectrometry , ESI - MS) 是在毛细管的出口处施加一高电压,所产生的高电场使从毛细管流出的液体雾化成细小的带电液滴,随着溶剂蒸发,液滴表面的电荷强度逐渐增大,最后液滴崩解为大量带一个或多个电荷的离子,致使分析物以单电荷或多电荷离子的形式进入气相。电喷雾离子化的特点是产生高电荷离子而不是碎片离子, 使质量电荷比(m/ z)降低到多数质量分析仪器都可以检测的范围,因而大大扩展了分子量的分析范围,离子的真实分子质量也可以根据质荷比及电荷数算出。 2．基质辅助激光解吸附质谱技术（MOLDI）[5-7] 基质辅助激光解析电离（MOLDI）是由德国科学家Karas和Hillenkamp发现的。将微量蛋白质与过量的小分子基体的混合液体点到样品靶上，经加热或风吹烘干形成共结晶，放入离子源内。当激光照射到靶点上时，基体吸收了激光的能力跃迁到激发态，导致蛋白质电离和汽化，电离的结果通常是基体的质子转移到蛋白质上。然后由高电压将电离的蛋白质从离子源转送到质量分析器内，再经离子检测器和数据处理得到质谱图。TOF质量分析器被认为是与MALDI的最佳搭配，因为二者都是脉冲工作方式，在质量分析过程中离子损失很少，可以获得很高的灵敏度。TOF质量分析器结果简单，容易换算，蛋白质离子在飞行管内的飞行速度仅与他的(m/z)-1/2成正比，因此容易通过计算蛋白质离子在飞行管内的飞
蛋白质组学研究的完整解决方案
蛋白质组学研究的完整解决方案 人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块”角色，随着破译生命密码的人类基因组计划进入尾声，一个以蛋白质和药物基因学为研究重点的后基因组时代已经拉开序幕，蛋白质将是今后的重点研究方向之一。然而，蛋白质的分离和鉴定非常费时，目前测定蛋白质的技术远远落后于破译基因组的工具，最好的实验室每天只能分离和识别出100种蛋白质。据估计，人体内可能有几十万种蛋白质，这大概需要10年时间进行识别。 为了加快蛋白质组学研究进程，以专业生产蛋白质组学研究设备而著称的美国Genomic Solution Inc.公司开发了完整的蛋白质组学解决方案，由一系列机械手臂与软件，并结合了二维电泳实验设备与质谱仪，可以进行高效、自动化且具重复性的试验分析。在Genomic solution值得信赖的技术平台上，你的研究工作将更富成效，重复性更好。在这一整套Investigator平台上，各仪器之间配合无隙，由于它的整合性及标准性，使得研究进程大大加快，原来需要9—12个月才能获得数据结果发表的时间减少到9—12周。这套完整的系统具备蛋白质组研究所需的众多功能：2-D电泳、图像获取、2-D胶分析、蛋白样品切割、蛋白消化、MALDI样品准备、消化及点样、数据分析整合，再加上制备好的胶、试剂及附件，使研究工作可以立即展开。此套设备为进行蛋白质组学研究的利器,大大加速了蛋白质分离和鉴定的速度。该系统主要由以下几部分组成： 一、2-D电泳系统（Investigator? 2-D Electophoresis System） 该系统主要进行2D PAGE第一向等电聚焦凝胶电泳和第二向SDS-PAGE电泳，设备包括2-D电泳系统所需的各种设备，如pHaser?（IPG胶条电泳）、管状制胶设备、二维电泳装置、电源设备、半导体冷却器及各种相关的蛋白纯化试剂盒。 产品特征： * 提供2D PAGE电泳所需的各种设备，使电泳更加简便，大大节约研究时间 * 高分辨率：有效的第一向等电聚焦凝胶电泳和23cm X 23cm第二向SDS-PAGE大面积板胶提供清晰的电泳图像，有效提高单体、磷酸化和糖基化蛋白的分离 * 大容量：可同时容纳15块1mm一维管状胶，或8块2-3mm管状胶；10块IPG胶条和10块二维电泳板胶 * 灵活性：该系统用于管状胶、IPG 胶条、预制胶、自制胶和SDS PAGE胶使用 * 恒温：高效的半导体制冷装置保证电泳体系温度恒定，温度变化< 0.5℃ * 专门为高分辨率2D PAGE而设计的电源系统 * 提供超纯的相关化学试剂和药品
比较蛋白质组学研究中的稳定同位素标记技术
进展评述 比较蛋白质组学研究中的稳定同位素标记技术 刘新1,2 应万涛1,2 钱小红1,23 (1军事医学科学院放射与辐射医学研究所 北京 100850;2北京蛋白质组研究中心 北京 102206) 摘 要 比较蛋白质组学是指在蛋白质组学水平上研究正常和病理情况下细胞或组织中蛋白质表达变化,以期发现具有重要功能的生物标识物,为疾病的早期诊断提供依据。近年来它正成为蛋白质组学研究的热点和发展趋势。比较蛋白质组学的研究方法和策略有多种,本文就最近几年来稳定同位素标记技术(体内代谢标记技术和体外化学标记技术)在比较蛋白质组学研究中的进展进行综述。 关键词 比较蛋白质组学 稳定同位素标记 体内代谢标记 体外化学标记 Application of Stable Isotope Labeling in Comparative Proteomics Liu X in1,2,Y ing Wantao1,2,Qian X iaohong1,23 (1Beijing Institute of Radiation Medicine,Beijing100850; 2Beijing Proteome Research Center,Beijing102206) Abstract C omparative proteomics is the research of protein expression changing between normal and pathological cell or tissue on the proteome level.P otential biomarkers w ould be discovered from the research by comparative proteomics, which will be helpful to the diagnosis and therapy of diseases.In the recent years,it has been becoming the hot spot of the proteomics research and many strategies used in comparative proteomics have been developed.During those approaches,the strategies based on stable is otopic labeling coupled with mass spectrometry have been extensively used and lots of success ful applications have been reported.In contrast to the traditional radioactive is otope labeling method,stable is otope labeling technique was not radioactive and the operation is simple.Metabolic labeling in viv o and chemical labeling in vitro are tw o parts of stable is otope labeling technique,which both have various advantages and disadvantages.This paper reviewed the progress of stable is otope labeling technique in comparative proteomics. K ey w ords C omparative proteomics,S table is otope labeling,Metabolic labeling in viv o,Chemical labeling in vitro 随着人类基因组精确图谱的公布,基因组功能的阐明已经成为生命科学研究中一项极重要的任务[1]。蛋白质是基因的最终产物同时也是基因功能的最终执行体,因而人类基因的表达及其功能有待于在蛋白水平上揭示。蛋白质组学的研究目的是分离和鉴定组织或细胞中的所有蛋白质。生物体在生长发育过程中,基因组是相对稳定的,而蛋白表达是高度动态变化的,并且具有严格调控的时间和空间特异性[2]。为了研究生物体在不同状态下表达的所有蛋白质的动态变化,比较蛋白质组学应运而生,即在蛋白组学水平上,研究在正常生理和病理状态,或受到不同的外部环境刺激下,或在突变等因素影响下,蛋白质表达的变化情况,以期发现生物体内关键的调控分子及与疾病相关的蛋白质标志物,最终为疾病的防诊治、新型疫苗的研发等提供理论依据。 为了研究蛋白质表达的动态变化,基因表达检测技术,如微阵列法[3]、DNA(脱氧核糖核酸)芯片法[4]等曾被广泛使用。这些方法虽然能够实现对mRNA(信使核糖核酸)进行定性和定量分析,但 刘新 男,27岁,博士生,现从事比较蛋白质组学研究。 3联系人,E2mail:qianxh1@https://www.wendangku.net/doc/4a8740605.html, 国家自然科学基金(20505019、20505018)、国家重点基础研究发展规划项目(2004C B518707)和北京市科技计划重大项目(H030230280190)资助项目 2006207220收稿,2006209221接受
质谱技术在蛋白质组学研究中的应用
第35卷 第1期2011年1月 南京林业大学学报(自然科学版) Journa l o fN anji n g Forestry Un i v ersity (Natural Sc ience Ed ition) V o.l 35,N o .1Jan .,2011 htt p ://www.n l dxb .com [do :i 10.3969/.j issn .1000-2006.2011.01.024] 收稿日期:2009-12-31 修回日期:2010-10-26 基金项目:国家自然科学基金项目(31000287);江苏省高校自然科学基础研究项目(10KJ B220002) 作者简介:甄艳(1976)),副教授,博士。*施季森(通信作者),教授。E-m ai:l js h @i n jfu .edu .cn 。 引文格式:甄艳,施季森.质谱技术在蛋白质组学研究中的应用[J].南京林业大学学报:自然科学版,2011,35(1):103-108. 质谱技术在蛋白质组学研究中的应用 甄 艳,施季森 * (南京林业大学,林木遗传与生物技术省部共建教育部重点实验室,江苏 南京 210037) 摘要:随着蛋白质组学研究的迅速发展,质谱技术已成为应用于蛋白质组学研究中的强有力工具和核心技术。质谱技术的先进性在于为蛋白质组学研究提供的通量和分子信息。笔者重点概述了基于质谱路线的蛋白质组学研究,介绍了基于质谱的定量蛋白质组学﹑翻译后修饰蛋白质组学、定向蛋白质组学、功能蛋白质组学以及基于串联质谱技术的蛋白质组学数据解析的研究 进展。 关键词:质谱;蛋白质组学;定量蛋白质组学;翻译后修饰;定向蛋白质组学;功能蛋白质组学中图分类号:Q81 文献标志码:A 文章编号:1000-2006(2011)01-0103-06 Application of m ass spectro m etry i n proteo m ics studies Z HEN Yan ,SH I Jisen * (K ey Labo ra t o ry o f F orest G eneti cs and B i o techno l ogy M i n istry o f Educati on , N an ji ng Forestry U n i versity ,N an ji ng 210037,Chi na) Abstrac t :W ith the rap i d develop m ent o f pro teo m i cs ,m ass spec trom etry i s m aturi ng to be a po w erfu l too l and core tech -nology fo r proteo m ics st udies dur i ng the recen t years .The super i or ity o fm ass spectrom etry lies i n providi ng the through -pu t and the m olecu lar infor m ati on ,w hich no other techno logy can be m a tched i n proteom ics .In th i s rev ie w,w e m ade a g lance on the outli ne o fm ass spectrome try -based proteo m ics .A nd then w e addressed on t he advances o f data ana l y si s o f m ass spec trom etry -based proteom ics ,quantitati ve m ass spectro m etry -based pro teom i cs ,post -translati onal m odificati ons based m ass spectrom etry ,targeted proteo m ics and functiona l proteo m ics based -mass spectrome try .K ey word s :m ass spectrome try;proteo m ics ; quantitative pro teom i cs ; post -trans l ation m odifica ti on ; targ eted pro - teo m i cs ;f uncti ona l proteom ics 蛋白质组学(Pr o teo m ics)是从整体水平上研究细胞内蛋白质的组成、活动规律及蛋白质与蛋白质的相互作用,是功能基因组学时代一门新的学科。 目前蛋白质组学的研究主要有两条路线:一是基于双向电泳的蛋白质组学;二是基于质谱的蛋白质组学,其中基于双向电泳的蛋白质组学研究路线最终也离不开质谱技术的应用。自20世纪80年代末,两种质谱软电离方式即电喷雾电离(electro spray ion izati o n,ESI )和基质辅助激光解析离子化(m a -tri x assisted laser desorpti o n i o nization ,MALD I)的发明和发展解决了极性大、热不稳定蛋白质和多肽分 析的离子化和分子质量大的测定问题[1] ,蛋白质组学研究中常用的质谱分析仪包括离子阱(ion trap ,I T),飞行时间(ti m e of fli g h,t TOF),串联飞行时间(TOF -TOF),四级杆/飞行时间(quadr upo le /TOF hybrids),离子阱/轨道阱(I T /orbitrap hybri d )和离子阱/傅里叶变换串联质谱分析仪(I T /Four i e r transfor m ioncyclotron resonance m ass spectro m eters hybr i d s ,I T /FT M S),这些质谱仪具有不同的灵敏度、分辨率、质量精确度和产生不同质量的M S /M S 谱[2] 。质谱作为蛋白质组学研究的一项强有力的工具日趋成熟,并作为样品制备及数据分析的信息学工具被广泛地应用。因此,有学者指出质谱技术 已在蛋白质组学研究中处于核心地位[3] 。目前在通量及所包含的分子信息内容上,基于质谱的蛋白质组学技术在细胞生物学研究中可以鉴定和量化
蛋白质质谱分析
蛋白质质谱分析研究进展作者：汪福源蛋白质质谱分析研究进展摘要：随着科学的不断发展，运用质谱法进行蛋白质的分析日益增多，本文简要综述了肽和蛋白质等生物大分子质谱分析的特点、方法及蛋白质质谱分析的原理、方式和应用，并对其发展前景作出展望。关键词：蛋白质，质谱分析，应用前言：蛋白质是生物体中含量最高，功能最重要的生物大分子，存在于所有生物细胞，约占细胞干质量的50%以上，作为生命的物质基础之一，蛋白质在催化生命体内各种反应进行、调节代谢、抵御外来物质入侵及控制遗传信息等方面都起着至关重要的作用，因此蛋白质也是生命科学中极为重要的研究对象。关于蛋白质的分析研究，一直是化学家及生物学家极为关注的问题，其研究的内容主要包括分子量测定，氨基酸鉴定，蛋白质序列分析及立体化学分析等。随着生命科学的发展，仪器分析手段的更新，尤其是质谱分析技术的不断成熟，使这一领域的研究发展迅速。自约翰.芬恩(JohnB.Fenn)和田中耕一(Koichi.Tanaka)发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法及发明了对生物大分子的质谱分析法以来，随着生命科学及生物技术的迅速发展，生物质谱目前已成为有机质谱中最活跃、最富生命力的前沿研究领域之一[1]。它的发展强有力地推动了人类基因组计划及其后基因组计划的提前完成和有力实施。质谱法已成为研究生物大分子特别是蛋白质研究的主要支撑技术之一，在对蛋白质结构分析的研究中占据了重要地位[2]。1．质谱分析的特点质谱分析用于蛋白质等生物活性分子的研究具有如下优点：很高的灵敏度能为亚微克级试样提供信息，能最有效地与色谱联用，适用于复杂体系中痕量物质的鉴定或结构测定，同时具有准确性、易操作性、快速性及很好的普适性。2．质谱分析的方法近年来涌现出较成功地用于生物大分子质谱分析的软电离技术主要有下列几种：1)电喷雾电离质谱；2)基质辅助激光解吸电离质谱；3)快原子轰击质谱；4)离子喷雾电离质谱；5)大气压电离质谱。在这些软电离技术中，以前面三种近年来研究得最多，应用得也最广泛[3]。3．蛋白质的质谱分析蛋自质是一条或多条肽链以特殊方式组合的生物大分子，复杂结构主要包括以肽链为基础的肽链线型序列[称为一级结构]及由肽链卷曲折叠而形成三维[称为二级，三级或四级]结构。目前质谱主要测定蛋自质一级结构包括分子量、肽链氨基酸排序及多肽或二硫键数目和位置。3.1蛋白质的质谱分析原理以往质谱(MS)仅用于小分子挥发物质的分析，由于新的离子化技术的出现，如介质辅助的激光解析/离子化、电喷雾离子化，各种新的质谱技术开始用于生物大分子的分析。其原理是：通过电离源将蛋白质分子转化为气相离子，然后利用质谱分析仪的电场、磁场将具有特定质量与电荷比值(M/Z值)的蛋白质离子分离开来，经过离子检测器收集分离的离子，确定离子的M/Z值，分析鉴定未知蛋白质。3.2蛋白质和肽的序列分析现代研究结果发现越来越多的小肽同蛋白质一样具有生物功能，建立具有特殊、高效的生物功能肽的肽库是现在的研究热点之一。因此需要高效率、高灵敏度的肽和蛋白质序列测定方法支持这些研究的进行。现有的肽和蛋白质测序方法包括N末端序列测定的化学方法Edman法、C末端酶解方法、C末端化学降解法等，这些方法都存在一些缺陷。例如作为肽和蛋白质序列测定标准方法的N末端氨基酸苯异硫氰酸酯(phenylisothiocyanate)PITC分析法(即Edman法，又称PTH法)，测序速度较慢(50个氨基酸残基/天)；样品用量较大(nmol级或几十pmol级)；对样品纯度要求很高；对于修饰氨基酸残基往往会错误识别，而对N末端保护的肽链则无法测序[4]。C末端化学降解测序法则由于无法找到PITC这样理想的化学探针，其发展仍面临着很大的困难。在这种背景下，质谱由于很高的灵敏度、准确性、易操作性、快速性及很好的普适性而倍受科学家的广泛注意。在质谱测序中，灵敏度及准确性随分子量增大有明显降低，所以肽的序列分析比蛋白容易许多，许多研究也都是以肽作为分析对象进行的。近年来随着电喷雾电离质谱(electrospray ionisation，ESI)及基质辅助激光解吸质谱(matrix assisted laser desorption/ionization，MALDI)等质谱软电离技术的发展与完善，极性肽分子的分析成为可能，检测限下降到fmol级别，可测定分子量范围则高达100000Da，目前基质辅助的激光解吸电离飞行时间质谱法(MALDI
基于质谱的蛋白质组学分析.
基于质谱分析的蛋白质组学 在21世纪，生命科学的研究进入了后基因组时代，蛋白质组学作为其中的一个重要分支于20世纪90年代中期应运而生。由于蛋白质的复杂性，传统的蛋白质鉴定方法如末端测序等已无法满足蛋白质组学研究中的一系列需要。因此，质谱技术作为蛋白质组学研究的一项强有力的工具日趋成熟，并作为样品制备和数据分析的信息学工具被广泛地应用。质谱技术具有灵敏度、准确度、自动化程度高的优点，能准确测量肽和蛋白质的相对分子质量，氨基酸序列及翻译后修饰、蛋白质间相互作用的检测[1]，因此质谱分析无可争议地成为蛋白质组学研究的必然选择。 1. 蛋白质组学 蛋白质组学（proteomics ）是从整体水平上研究细胞内蛋白质的组成、活动规律及蛋白质与蛋白质的相互作用，是功能基因组学时代一门新的科学。包括鉴定蛋白质的表达、修饰形式、结构、功能和相互作用等。根据研究目的，蛋白质组学可以分为表达蛋白质组学、结构蛋白质组学和功能蛋白质组学。表达蛋白质组学用于细胞内蛋白样品表达的定量研究。以绘制出蛋白复合物的结构或存在于一个特殊的细胞器中的蛋白为研究目的的蛋白质组学称为结构蛋白质组学，用于建立细胞内信号转导的网络图谱并解释某些特定蛋白的表达对细胞的作用[2]。功能蛋白质组学以细胞内蛋白质的功能及蛋白质之间的相互作用为研究目的，通过对选定的蛋白质组进行研究和分析，能够提供有关蛋白质的磷酸化、糖基化等重要信息。 蛋白质组学研究的核心就是能够系地的鉴定一个细胞或组织中表达的每一个蛋白质及蛋白质的性能。蛋白质组学的主要相关技术有双向凝胶电泳、双向荧光差异凝胶电泳、质谱分析等[2]。由于蛋白质的高度复杂性和大量低丰度蛋白质的存在，对分析技术提出了巨大挑战，生物质谱技术则是适应这一挑战的必然选择。 2. 生物质谱技术
质谱技术在蛋白质组学研究中的应用_甄艳
第35卷 第1期2011年1月 南京林业大学学报(自然科学版) J o u r n a l o f N a n j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) V o l .35,N o .1 J a n .,2011 h t t p ://w w w .n l d x b .c o m [d o i :10.3969/j .i s s n .1000-2006.2011.01.024] 收稿日期:2009-12-31 修回日期:2010-10-26 基金项目:国家自然科学基金项目(31000287);江苏省高校自然科学基础研究项目(10K J B 220002) 作者简介:甄艳(1976—),副教授,博士。＊施季森(通信作者),教授。E -m a i l :j s h i @n j f u .e d u .c n 。 引文格式:甄艳,施季森.质谱技术在蛋白质组学研究中的应用[J ].南京林业大学学报:自然科学版,2011,35(1):103-108. 质谱技术在蛋白质组学研究中的应用 甄 艳,施季森 ＊ (南京林业大学,林木遗传与生物技术省部共建教育部重点实验室,江苏 南京 210037) 摘要:随着蛋白质组学研究的迅速发展,质谱技术已成为应用于蛋白质组学研究中的强有力工具和核心技术。质谱技术的先进性在于为蛋白质组学研究提供的通量和分子信息。笔者重点概述了基于质谱路线的蛋白质组学研究,介绍了基于质谱的定量蛋白质组学﹑翻译后修饰蛋白质组学、定向蛋白质组学、功能蛋白质组学以及基于串联质谱技术的蛋白质组学数据解析的研究 进展。 关键词:质谱;蛋白质组学;定量蛋白质组学;翻译后修饰;定向蛋白质组学;功能蛋白质组学中图分类号:Q 81 文献标志码:A 文章编号:1000-2006(2011)01-0103-06 A p p l i c a t i o n o f m a s s s p e c t r o m e t r y i n p r o t e o m i c s s t u d i e s Z H E NY a n ,S H I J i s e n ＊ (K e y L a b o r a t o r y o f F o r e s t G e n e t i c s a n d B i o t e c h n o l o g y M i n i s t r y o f E d u c a t i o n , N a n j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 210037,C h i n a ) A b s t r a c t :W i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f p r o t e o m i c s ,m a s s s p e c t r o m e t r y i s m a t u r i n g t o b e a p o w e r f u l t o o l a n dc o r e t e c h -n o l o g y f o r p r o t e o m i c s s t u d i e s d u r i n g t h e r e c e n t y e a r s .T h e s u p e r i o r i t y o f m a s s s p e c t r o m e t r y l i e s i n p r o v i d i n g t h e t h r o u g h -p u t a n d t h e m o l e c u l a r i n f o r m a t i o n ,w h i c hn o o t h e r t e c h n o l o g y c a n b e m a t c h e di np r o t e o m i c s .I nt h i s r e v i e w ,w e m a d e a g l a n c e o n t h e o u t l i n e o f m a s s s p e c t r o m e t r y -b a s e d p r o t e o m i c s .A n dt h e nw e a d d r e s s e d o n t h e a d v a n c e s o f d a t a a n a l y s i s o f m a s s s p e c t r o m e t r y -b a s e dp r o t e o m i c s ,q u a n t i t a t i v em a s ss p e c t r o m e t r y -b a s e dp r o t e o m i c s ,p o s t -t r a n s l a t i o n a l m o d i f i c a t i o n s b a s e d m a s s s p e c t r o m e t r y ,t a r g e t e d p r o t e o m i c s a n df u n c t i o n a l p r o t e o m i c s b a s e d -m a s s s p e c t r o m e t r y . K e yw o r d s :m a s ss p e c t r o m e t r y ;p r o t e o m i c s ;q u a n t i t a t i v ep r o t e o m i c s ;p o s t -t r a n s l a t i o n m o d i f i c a t i o n ;t a r g e t e d p r o -t e o m i c s ;f u n c t i o n a l p r o t e o m i c s 蛋白质组学(P r o t e o m i c s )是从整体水平上研究细胞内蛋白质的组成、活动规律及蛋白质与蛋白质的相互作用,是功能基因组学时代一门新的学科。目前蛋白质组学的研究主要有两条路线:一是基于双向电泳的蛋白质组学;二是基于质谱的蛋白质组学,其中基于双向电泳的蛋白质组学研究路线最终也离不开质谱技术的应用。自20世纪80年代末,两种质谱软电离方式即电喷雾电离(e l e c t r o s p r a y i o n i z a t i o n ,E S I )和基质辅助激光解析离子化(m a -t r i x a s s i s t e d l a s e r d e s o r p t i o n i o n i z a t i o n ,M A L D I )的发明和发展解决了极性大、热不稳定蛋白质和多肽分 析的离子化和分子质量大的测定问题[1] ,蛋白质组学研究中常用的质谱分析仪包括离子阱(i o n t r a p ,I T ),飞行时间(t i m e o f f l i g h t ,T O F ),串联飞行时间(T O F -T O F ),四级杆/飞行时间(q u a d r u p o l e /T O F h y b r i d s ),离子阱/轨道阱(I T /o r b i t r a ph y b r i d ) 和离子阱/傅里叶变换串联质谱分析仪(I T /F o u r i e r t r a n s f o r m i o n c y c l o t r o nr e s o n a n c em a s s s p e c t r o m e t e r s h y b r i d s ,I T /F T M S ),这些质谱仪具有不同的灵敏度、分辨率、质量精确度和产生不同质量的M S /M S 谱[2] 。质谱作为蛋白质组学研究的一项强有力的工具日趋成熟,并作为样品制备及数据分析的信息学工具被广泛地应用。因此,有学者指出质谱技术 已在蛋白质组学研究中处于核心地位[3] 。目前在通量及所包含的分子信息内容上,基于质谱的蛋白质组学技术在细胞生物学研究中可以鉴定和量化
蛋白质组学及其主要技术
蛋白质组学及其主要技术 朱红1 周海涛2 (综述) 何春涤1, (审校) (1.中国医科大学附属第一医院皮肤科,辽宁沈阳110001； 2.北京大学深圳医院核医学 科，广东深圳518036) 【摘要】蛋白质组是指一种细胞、组织或有机体所表达的全部蛋白质。蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象的新兴学科，近年来发展迅速，已成为后基因组时代的研究热点。目前，蛋白质组学研究技术主要包括：样品的制备和蛋白质的分离、蛋白质检测与图像分析、蛋白质鉴定及信息查询。本文就蛋白质组学概念及主要技术进行综述。 【关键词】蛋白质组，蛋白质组学 1蛋白质组学的概念 随着人类基因组测序计划的完成，人们对生命科学的研究重点由结构基因组转向功能基因组，1994年Wilkins和Williams首先提出蛋白质组一词[1]，蛋白质组是指一种细胞、组织或有机体所表达的全部蛋白质。从基因到蛋白质存在转录水平、翻译水平及翻译后水平的调控，组织中mRNA丰度与蛋白质丰度不完全符合[2]。蛋白质复杂的翻译后修饰、蛋白质的亚细胞定位或迁移、蛋白质-蛋白质相互作用等也无法从DNA／mRNA水平来判断。因此，只有将功能基因组学与蛋白质组学相结合，才能精确阐明生命的生理及病理机制。 蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象，对组织、细胞的整体蛋白进行检测，包括蛋白质表达水平、氨基酸序列、翻译后加工和蛋白质的相互作用,在蛋白质水平上了解细胞各项功能、各种生理、生化过程及疾病的病理过程等[3,4]。蛋白质组学有两种研究策略。一种是高通量研究技术，把生物体内所有的蛋白质作为对象进行研究，并建立蛋白质数据库，从大规模、系统性的角度来看待蛋白质组学，更符合蛋白质组学的本质。但是，由于剪切变异和翻译后修饰，蛋白质数量极其庞大，且表达随空间和时间不断变化，所以分析生物体内所有的蛋白质是一个耗时费力，难以实现的理想目标。另一种策略是研究不同状态或不同时期细胞或组织蛋白质组成的变化，主要目标是研究有差异蛋白质及其功能，如正常组织与肿瘤组织间的差异蛋白质，寻找肿瘤等疾病标记物并为其诊断治疗提供依据。 2蛋白质组学的常用技术 2.1样品的制备和蛋白质的分离技术 2.1.1样品的制备样品制备包括细胞裂解与蛋白质溶解，以及去除核酸等非蛋白质成分。 激光捕获显微切割(Laser-captured microdissection, LCM)[5]技术可大量获得足够用于蛋白质组学研究的单一细胞成分，避免其他蛋白成分对电泳结果的干扰。尤其是肿瘤的蛋白质组学研究常用LCM技术来获取单一的肿瘤细胞。 2.1.2蛋白质的分离技术 ①双向凝胶电泳(Two-dimensional electrophoresis, 2-DE)：双向电泳方法于 l975年由O'Farrell[6]首先提出，根据蛋白质等电点和分子量的差异，连续进行成垂直方向的两次电泳将其分离。 第一向为等电聚焦(Isoelectric focusing,IEF)电泳，其基本原理是利用蛋白质分子的等电点不同进行蛋白质的分离。较早出现的IEF是载体两性电解质pH梯度，即在电场中通过两性缓冲离子建立pH梯度；20世纪80年代初建立起来的固相pH梯度(Immobilized pH gradients，IPG)IEF，是利用一系列具有弱酸或弱碱性质的丙烯酰胺衍生物形成pH梯度并参与丙烯酰胺的共价聚合，形成固定的、不随环境电场条件变化的pH梯度。IPG胶实验的重复
蛋白质组学研究的基本步骤
请简述蛋白质组学研究的基本步骤 1.蛋白质样品的制备：蛋白质样品的制备是蛋白质组学研究的首要环节，也是最为重要的部分。蛋白质样品的质量直接影响到科学研究的真实性和可信度。 2.蛋白质的分离：双向凝胶电泳技术是目前最基础和常用的蛋白质分离方法，它能将数千种蛋白质同时分离与展示的分离技术。双向电泳分为等电聚焦电泳和SDS-PAGE两个步骤，即先进行等电聚焦电泳，按照pI的不同将蛋白分离，然后再进行SDS-PAGE按照分子量的大小不同对蛋白进行分离。IPG胶条的应用，大大提高了双向电泳的重复性。 3. 蛋白质双向电泳凝胶的染色。目前双向电泳凝胶的染色的方法有3种，分别为考马斯亮蓝染色法、银染法和荧光染色法。考马斯亮蓝染色法，操作简便，无毒性，染色后的背景及对比度良好，与下游的蛋白质鉴定方法兼容，但灵敏度较低，可以检测到30～100 ng蛋白质。银染法是一种较为流行的染色方法，银染成本较低，灵敏度高，可检测少到2～5ng的蛋白。荧光试剂显色对蛋白质无固定作用，与质谱兼容性好，而其灵敏度与银染相仿，但线性范围要远高于银染，这使二维电泳分离蛋白质的荧光检测受到普遍关注和应用。 4.双向电泳凝胶图像的采集与分析：图像采集系统通过投射扫描根据吸光度的大小获碍蛋白质点的光密度信息。一般来说，该光密度值与蛋白质点的表达丰度成正比，以便于软件分析时的定量比较。完成图像采集后采用ImageMaster等图像分析软件进行分析。分析步骤：蛋白质点检测、背景消减、归一化处理、蛋白质点匹配。 5.蛋白质鉴定：蛋白质鉴定是蛋白质组学研究中的核心内容。目前蛋白质鉴定技术主要有Edman 降解法测序、质谱。质谱是目前最常用的蛋白质鉴定方法。质谱技术的基本原理是带电粒子在磁场或电场中运动的轨迹和速度依粒子的质量与携带电荷之比质荷比( m/z) 的不同而变化，可以据此来判断粒子的质量和特性。质谱完成后利用蛋白质的各种属性参数如相对分子质量、等电点、序列、氨基酸组成、肽质量指纹谱等在蛋白质数据库中检索，寻找与这些参数相符的蛋白质。
浅析功能基因组学和蛋白质组学的概念及应用
【摘要】基因组相对较稳定，而且各种细胞或生物体的基因组结构有许多基本相似的特征；蛋白质组是动态的，随内外界刺激而变化。对蛋白质组的研究可以使我们更容易接近对生命过程的认识。蛋白质组学是在细胞的整体蛋白质水平上进行研究、从蛋白质整体活动的角度来认识生命活动规律的一门新学科，简要介绍功能基因组学和蛋白质组学的科学背景、概念及其应用。 【关键词】基因组；功能基因组学；蛋白质组学； 一、基因组及基因组学的概念 基因组(genome)一词系由德国汉堡大学H．威克勒教授于1920年首创，用以表示真核生物从其亲代所继承的单套染色体，或称染色体组。更准确地说，基因组是指生物的整套染色体所含有的全部DNA序列。由于在真核细胞的线粒体和植物的叶绿体中也发现存在遗传物质，因此又将线粒体或叶绿体所携带的遗传物质称为线粒体基因组或叶绿体基因组。原核生物基因组则包括细胞内的染色体和质粒DNA。此外非独立生命形态的病毒颗粒也携带遗传物质，称为病毒基因组。所有生命都具有指令其生长与发育，维持其结构与功能所必需的遗传信息，本书中将生物所具有的携带遗传信息的遗传物质总和称为基因组。[1] 基因组学(genomic)一词系由T．罗德里克(T．Roderick)于1986年首创，用于概括涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学学科分支，并已用来命名一个学术刊物Genomics。基因组学是伴随人类基因组计划的实施而形成的一个全新的生命科学领域。[1] 基因组学与传统遗传学其他学科的差别在于，基因组学是在全基因组范围研究基因的结构、组成、功能及其进化，因而涉及大范围高通量收集和分析有关基因组DNA的序列组成，染色体分子水平的结构特征，全基因组的基因数目、功能和分类，基因组水平的基因表达与调控以及不同物种之间基因组的进化关系。基因组学的研究方法、技术和路线有许多不同于传统遗传学的特点，各相关领域的研究仍处于迅速发展和不断完善的过程中。 基因组学的主要工具和方法包括：生物信息学，遗传分析，基因表达测量和基因功能鉴定。 二、功能基因组学的概念及应用