药物蛋白质组学课件

第九章第九章 药物蛋白质组学药物蛋白质组学第九章1学习要求学习要求1.掌握：蛋白质组、蛋白质组学和药物掌握：蛋白质组、蛋白质组学和药物蛋白组学概念蛋白组学概念2.熟悉：蛋白质组学相关技术熟悉：蛋白质组学相关技术3.了解：蛋白质组学在药学研究中的应了解：蛋白质组学在药学研究中的应用用学习要求1.掌握：蛋白质组、蛋白质组学和药物蛋白组学概念2 2001 2001年人类基因组全序列测定年人类基因组全序列测定 标志着后基因组时代的到来标志着后基因组时代的到来2121世纪生命科学研究两大主流世纪生命科学研究两大主流 基因组学基因组学 蛋白质组学蛋白质组学 2001年人类基因组全序列测定3第一节第一节 蛋白质组学蛋白质组学概述概述 第一节 4Background基因组-基因数量有限性和基因结构的相对稳定性基因数量有限性和基因结构的相对稳定性蛋白质组-生命现象的复杂性和多变性生命现象的复杂性和多变性 对蛋白质的数量、结构、性质、相互关系和生物学对蛋白质的数量、结构、性质、相互关系和生物学功能进行全面深入的研究已成为生命科学研究的迫切需功能进行全面深入的研究已成为生命科学研究的迫切需要和重要任务。要和重要任务。Background基因组-基因数量有限性和基因结构的相对5一、一、蛋白质组学蛋白质组学蛋白质组蛋白质组(Proteome)一个基因组一个基因组、一个细胞、一个细胞、一个有一个有机体或某一特定的组织类型所表达的机体或某一特定的组织类型所表达的全部蛋白质。全部蛋白质。时序性、空间性时序性、空间性一、蛋白质组学蛋白质组(Proteome)6蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)研究蛋白质组的一门新兴科学研究蛋白质组的一门新兴科学，实质是，实质是采用大规模、高通量、高效率技术手段研究蛋采用大规模、高通量、高效率技术手段研究蛋白质的特征。白质的特征。从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成成份质组成成份、表达水平与修饰状态，了解蛋白、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能与质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律。细胞生命活动规律。蛋白质组学(proteomics)7蛋白质组学主要研究内容蛋白质组学主要研究内容 蛋白质蛋白质结构及其转录后修饰的微特征结构及其转录后修饰的微特征鉴定；鉴定；通过蛋白质水平的比较，显示其在疾病研究通过蛋白质水平的比较，显示其在疾病研究中的应用潜能；中的应用潜能；蛋白质之间的相互作用。蛋白质之间的相互作用。蛋白质组学主要研究内容 蛋白质结构及其转录后修饰的微特征鉴定8二、蛋白质组学的分类二、蛋白质组学的分类表达蛋白质组学（表达蛋白质组学（expressionexpression proteomicsproteomics）研究差异样品研究差异样品 间蛋白质表达量的变化。如：疾病发展不同阶段的蛋白表达谱间蛋白质表达量的变化。如：疾病发展不同阶段的蛋白表达谱结构蛋白质组学（结构蛋白质组学（structural structural proteomicsproteomics）针对某一特定细胞针对某一特定细胞器中全部蛋白质或蛋白质复合体的结构进行分析，确定它们在器中全部蛋白质或蛋白质复合体的结构进行分析，确定它们在细胞质中的定位，了解蛋白质之间的相互关系。细胞质中的定位，了解蛋白质之间的相互关系。功能蛋白质组学功能蛋白质组学(functional proteomics)(functional proteomics)研究执行某种功能研究执行某种功能的蛋白质复合体，的蛋白质复合体，蛋白质间、蛋白质与蛋白质间、蛋白质与DNA/RNA DNA/RNA 间的相互作用间的相互作用及蛋白质翻译后修饰及蛋白质翻译后修饰的研究的研究。二、蛋白质组学的分类表达蛋白质组学（expression p9亚细胞蛋白质组学亚细胞蛋白质组学定量蛋白质组学定量蛋白质组学磷酸化蛋白质组学磷酸化蛋白质组学糖基化蛋白质组学糖基化蛋白质组学相互作用蛋白质组学相互作用蛋白质组学蛋白质组学研究新趋势蛋白质组学研究新趋势亚细胞蛋白质组学蛋白质组学研究新趋势10三、蛋白质组与转录组的关系三、蛋白质组与转录组的关系转录组研究的是转录组研究的是mRNAmRNA总和，蛋白质总和，蛋白质组研究的是特定时间和空间组织、组研究的是特定时间和空间组织、细胞或机体的所有蛋白质，前者指细胞或机体的所有蛋白质，前者指导后者，但并不绝对，因为翻译有导后者，但并不绝对，因为翻译有调控和后续修饰、跨膜转动作用。调控和后续修饰、跨膜转动作用。三、蛋白质组与转录组的关系转录组研究的是mRNA总和，蛋白质11四、蛋白质组学的主要研究技术四、蛋白质组学的主要研究技术双向凝胶电泳双向凝胶电泳生物质谱生物质谱蛋白质芯片蛋白质芯片酵母双杂交酵母双杂交生物信息学生物信息学四、蛋白质组学的主要研究技术双向凝胶电泳12（一）双向凝胶电泳（一）双向凝胶电泳（two-dimensional electrophoresis，2-DE）原理：原理：等电聚焦电泳和等电聚焦电泳和SDS-PAGE的组合，即的组合，即先进行等电聚焦电泳（按照先进行等电聚焦电泳（按照pI分离），然后再进分离），然后再进行行SDS-PAGE（按照分子大小），经染色得到（按照分子大小），经染色得到的电泳图是个二维分布的蛋白质图。的电泳图是个二维分布的蛋白质图。（一）双向凝胶电泳（two-dimensional elec13药物蛋白质组学课件14（二）生物质谱（二）生物质谱（Mass Spectrometry,MS）原理：原理：将复杂样品分子先离子化，然后利将复杂样品分子先离子化，然后利用不同离子在电场或磁场运动行为的不同，用不同离子在电场或磁场运动行为的不同，把离子按质荷比的差异分离开并确定分子量。把离子按质荷比的差异分离开并确定分子量。应用：应用：分析与鉴定肽和蛋白质分析与鉴定肽和蛋白质 分类：分类：基质辅助激光解吸电离分离时间质谱基质辅助激光解吸电离分离时间质谱 电喷雾离子化质谱电喷雾离子化质谱（二）生物质谱（Mass Spectrometry,MS）151.1.基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱飞行时间质谱（MALDI-TOFMALDI-TOF-MS-MS ）原理：原理：用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移到生物分子或从生物分子得到质子，而使生物分子电离的到生物分子或从生物分子得到质子，而使生物分子电离的过程。过程。应用：应用：适用于混合物及生物大分子的测定。适用于混合物及生物大分子的测定。1.基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-M162.2.电喷雾离电喷雾离子化子化质谱（质谱（ESI-MSESI-MS）在喷射过程中利用电场完成多肽样品的在喷射过程中利用电场完成多肽样品的离子化，根据其质荷比差异进行分离，离子化，根据其质荷比差异进行分离，并确定分子质量。并确定分子质量。2.电喷雾离子化质谱（ESI-MS）在喷射过程中利用电17肽质量指纹谱肽质量指纹谱（Peptide Mass Fingerprinting,PMF）蛋白质被识别特异酶切位点的蛋白酶水解后得蛋白质被识别特异酶切位点的蛋白酶水解后得到的肽片段的质量图谱。由于每种蛋白的氨基酸序到的肽片段的质量图谱。由于每种蛋白的氨基酸序列（一级结构）都不同，当蛋白被水解后，产生的列（一级结构）都不同，当蛋白被水解后，产生的肽片段序列也各不相同，因此其肽质量指纹图也具肽片段序列也各不相同，因此其肽质量指纹图也具有特征性。有特征性。肽质量指纹谱（Peptide Mass Fingerpr18传统的蛋白质组学分析传统的蛋白质组学分析 蛋白质样品用蛋白质样品用2-DE2-DE分离分离 Edman Edman降解降解 从凝胶上切下蛋白质点，并酶解蛋白质从凝胶上切下蛋白质点，并酶解蛋白质 单个蛋白质点的多肽混合物单个蛋白质点的多肽混合物 借助基质的激光解吸和离子化质谱借助基质的激光解吸和离子化质谱 电喷离子化质谱电喷离子化质谱 （MALDI-TOF MS)(EST-MS/MS)MALDI-TOF MS)(EST-MS/MS)多肽质谱指纹多肽质谱指纹 ESI-MS ESI-MS序列标记序列标记 （peptide mass fingerprintpeptide mass fingerprint）（sequence tagsequence tag）利用生物信息学，进行数据库搜索利用生物信息学，进行数据库搜索 确定蛋白质确定蛋白质传统的蛋白质组学分析 19（三）蛋白质芯片（三）蛋白质芯片（protein chip）利用蛋白质与蛋白质、酶与底物、蛋白质与其他小利用蛋白质与蛋白质、酶与底物、蛋白质与其他小分子之间的相互作用，检测分析蛋白质的一种高通分子之间的相互作用，检测分析蛋白质的一种高通量、微型化和自动化的分析技术。量、微型化和自动化的分析技术。原理原理：对固相载体进行特殊的化学处理，再将已知的蛋白对固相载体进行特殊的化学处理，再将已知的蛋白分子产物固定其上分子产物固定其上(如酶、抗原、抗体等如酶、抗原、抗体等)，根据这些生物分，根据这些生物分子的特性，捕获能与之特异性结合的待测蛋白子的特性，捕获能与之特异性结合的待测蛋白(存在于血清、存在于血清、血浆等血浆等)，经洗涤、纯化，再进行生化分析，经洗涤、纯化，再进行生化分析。（三）蛋白质芯片（protein chip）利用蛋白质20（四）酵母双杂交（四）酵母双杂交（yeast two hybridization）酵母双杂交系统酵母双杂交系统是在真核模式酵母双杂交系统酵母双杂交系统是在真核模式生物酵母中进行的，研究活细胞内蛋白质相互作生物酵母中进行的，研究活细胞内蛋白质相互作用，具有很高灵敏度的研究蛋白质之间关系的技用，具有很高灵敏度的研究蛋白质之间关系的技术。对蛋白质之间微弱的、瞬间的作用也能够通术。对蛋白质之间微弱的、瞬间的作用也能够通过报告基因的表达产物敏感地检测得到过报告基因的表达产物敏感地检测得到。（四）酵母双杂交（yeast two hybridizat21药物蛋白质组学课件22（五）生物信息学（五）生物信息学(Bioinformatics)生物信息学是通过综合利用生物学，计算机科生物信息学是通过综合利用生物学，计算机科学和信息技术学和信息技术等等研究生物信息的采集，处理，研究生物信息的采集，处理，存储，传播，分析和解释等各方面的一门学科，存储，传播，分析和解释等各方面的一门学科，揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘秘。（五）生物信息学(Bioinformatics)生物信23生物信息学相关生物信息学相关数据库数据库EMBLhttp:/www.embl-heidelberg.de/http:/www.ebi.ac.uk/embl/GenBankhttp:/www.ncbi.nlm.nih.gov/Web/Genbank/DDBJhttp:/www.ddbj.nig.ac.jp/Ensemblhttp:/www.ensembl.org/Medlinehttp:/www2.ncbi.nlm.nih.gov/medline/queryform.htmlBioMedNethttp:/www.BioMedN 药物蛋白质组学药物蛋白质组学及其应用及其应用第二节 药物蛋白质组学及其应用25一、药物蛋白质组学一、药物蛋白质组学概念概念 将将蛋白组学的蛋白组学的理论和技术理论和技术用于用于药物研究药物研究领域，领域，通过对比通过对比正常正常状态状态和病理状态的细胞或组织的蛋和病理状态的细胞或组织的蛋白质组表达差异，用于药物作用机制、药物不良白质组表达差异，用于药物作用机制、药物不良反应的研究或者药物治疗前后蛋白质表达状况的反应的研究或者药物治疗前后蛋白质表达状况的分析，以探讨药物类似物的结构与功能关系，发分析，以探讨药物类似物的结构与功能关系，发掘新的药物靶点等，由此发展起来的学科称为掘新的药物靶点等，由此发展起来的学科称为药药物蛋白组学物蛋白组学(Pharmacoproteomics)。一、药物蛋白质组学概念 将蛋白组学的理论和技术用于药物研究26二、药物蛋白质组学应用二、药物蛋白质组学应用构建分子药理筛选模型构建分子药理筛选模型药物靶点的发现、验证和优化药物靶点的发现、验证和优化药物作用机制研究药物作用机制研究药物毒理机制研究药物毒理机制研究耐药机制研究耐药机制研究二、药物蛋白质组学应用构建分子药理筛选模型27传统方法传统方法 通过大量的临床前实验、临床实验，甚至付出惨痛的通过大量的临床前实验、临床实验，甚至付出惨痛的代价才能获得药物不良反应的结构代价才能获得药物不良反应的结构蛋白质组学蛋白质组学 体外进行蛋白质组差异性分析，揭示药物不良反应的体外进行蛋白质组差异性分析，揭示药物不良反应的机制和规律。机制和规律。三、蛋白质组学在药物不良反应研究中三、蛋白质组学在药物不良反应研究中的应用的应用传统方法三、蛋白质组学在药物不良反应研究中的应用28中药有效成分作用靶点的识别中药有效成分作用靶点的识别中药药理作用的研究中药药理作用的研究濒危中药材细胞培养工程及相关替代研究濒危中药材细胞培养工程及相关替代研究四、蛋白质组学在中药研究中的应用四、蛋白质组学在中药研究中的应用中药有效成分作用靶点的识别四、蛋白质组学在中药研究中的应用29思考题思考题1.为什么说只有在蛋白质水平进行研究，为什么说只有在蛋白质水平进行研究，才能很是反映生物体的功能机制？才能很是反映生物体的功能机制？2.2.如何鉴定正常组织和病理组织蛋白表如何鉴定正常组织和病理组织蛋白表达差异？达差异？思考题1.为什么说只有在蛋白质水平进行研究，才能很是反映生物30