《分子生物学》研究生课件蛋白质组学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,各类蛋白质样品制备技术,蛋白质分离技术,蛋白质鉴定技术,蛋白质组研究的定量方法,蛋白质组研究技术概述,蛋白质组学的产生,蛋白质组学的研究方法,蛋白质组学研究的内容,Why,How,What,USE,血浆蛋白质组学,癌蛋白质组学,修饰蛋白质组学,定量蛋白质组学,结构蛋白质组学,功能蛋白质组学,亚细胞蛋白质组学,药物蛋白质组学,毒理蛋白质组学,蛋白质组学在生物医学研究中的应用,1,蛋白质组学,2,蛋白质组学的产生,蛋白质组的研究方法,蛋白质组研究的内容,Why,How,What,Use,why proteins?,why ,omics,?,蛋白质组学在生物医学研究中的应用,3,Why?,We just know the,INFORMATION,.,2004,年，国际人类基因组组织正式宣布人类基因组计划完满结束，,辨认了大约,3.2,万个基因,（,32,亿个碱基对）。,除了已经知道有蛋白质产物的基因以外，其余的基因只是计算出的,可读框,（,O,pen,R,eading,F,rame,）,基因组的,ORF,准确数目确定困难,ORF,是否与蛋白质有一一对应关系也不能肯定,拟基因,pseudogene,、,RNA,编辑,、,蛋白质剪切,4,Why?,基因功能的注释,依赖于对蛋白质的认识,We must know the,PROTEINS,.,蛋白质,存在形式,和,活动规律,依赖于直接对蛋白质的研究,蛋白质是生命的,组成者,和生命活动的,执行者,5,Assumption,如果把人类,252,种细胞中的蛋白质全部鉴定出来则可以真正知道人类基因组的所有基因。,6,Why?,生命现象涉及到,多个蛋白质,，多个蛋白质的参与是,交织成网络,的，在执行生理功能时蛋白质的表现为,多样和动态,。,生物学研究的最终目标是了解,生物系统,的所有组分和运行机制及,系统水平的协同行为,.,蛋白质所表达功能只有在同一细胞内其它蛋白质的功能和活性,同时表达,才有意义,.,7,氨基酸数量多于核苷酸,蛋白结构复杂、多样,复杂的修饰方式,蛋白质数量难以估计,没有类似于,PCR,和分子杂交的技术,蛋白质研究的难度大于,DNA,研究,从,DNA,到蛋白质：,复杂性,增加、,高度动态,、,彼此作用,，由此更增加了研究难度,consider the cell as,a collection of PROTEIN MACHINES,8,Why?,What an awful number!,9,The World of,Omics,GENOMICS,METABONOMICS,TRANSCRIPTOMICS,PEPTIDEOMICS,GLYCOMICS,PROTEOMICS,10,Why?,微阵列技术带来的是思考方式的改变,宏观,生物信息学,表达序列标签（,EST,），蛋白序列数据库的发展,We have some,SPECIFIC TOOLS,TECHNICIAL SUPPORT,but not enough,生物质谱仪,软件,11,蛋白质化学,蛋白质组学,单一蛋白质,全序列分析,强调结构与功能,结构生物学,复杂混合物,部分序列分析,强调通过数据库匹配进行蛋白质鉴定,系统生物学,蛋白质化学,与,蛋白质组学,12,Assumption,如果把人类,252,种细胞中的蛋白质全部鉴定出来则可以真正知道人类基因组的所有基因。,蛋白质组是以基因组拥有的所有基因表达产物来构成。,循环定义,要找出一个生物体基因组的全部基因和相应的全部蛋白质是一个非常困难的任务,。,13,GENOMICS,TRANSCRIPTOMICS,PROTEOMICS,反向蛋白质组学,reverse proteomics,蛋白质组学,proteomics,信息、数据、技术相互依赖和支持。,14,蛋白质组学的产生,蛋白质组的研究方法,蛋白质组研究的内容,Why,How,What,Use,修饰蛋白质组学,定量蛋白质组学,结构蛋白质组学,功能蛋白质组学,亚细胞蛋白质组学,蛋白质组学在生物医学研究中的应用,15,蛋白质组概念于,1994,年由澳大利亚,Macquaie,大学的,Wilkins,和,Williams,首次提出，定义为,:,蛋白质组指的是,一个基因组所表达,的,全部蛋白质,PROTEOME,是由蛋白质的,PROTE,和,基因组的,OME,字母拼接而成,What?,16,蛋白质组学,（,proteomics,）,以蛋白质组为研究对象，大规模、系统地研究蛋白质的,特征及结构,，包括蛋白质的,表达水平,、,翻译后修饰,及其,相互作用,等。,蛋白质组,（,proteome,）,一个基因组、一种生物和一种细胞,/,组织所表达的全套蛋白质。,What?,在基因组水平上分析蛋白质的,生物学过程,、,分子功能,、,细胞学定位,。,特殊的方法学,17,功能蛋白质组学（表达蛋白质组学）,（,functional proteomics,）,定性定量研究蛋白质在细胞增殖、分化和信号转导等特定状态下表达的变化的蛋白质组学。,它主要比较在,不同生长状态,下或,病理情况,下同一种细胞或组织的蛋白质组内的,差异蛋白质,。,.,Functional Proteomics,the,comprehensive,analysis of proteins with special attention to their functions, is a powerful and useful,approach,for investigations in the life and medical sciences.,18,结构蛋白质组学,（,structural proteomics,）,在,原子,水平上阐明生物体的全部生物大分子的结构特性。,结构蛋白质组学的两个目标：,测定一些经过认真选择可能代表所有的折叠类型的蛋白，其它蛋白质的结构可以通过计算机技术模拟出来，这对分析蛋白质结构特征在系统发生上的分布有重要价值；,测定相当数量的来自模式生物的蛋白表达谱或疾病相关的蛋白表达谱的蛋白质结构，为阐明生物大分子的结构与功能提供资料。,19,修饰蛋白质组学,（,modification-specific proteomics,）,细胞内的大部分蛋白质通常都被进行过翻译后修饰，主要有,磷酸化,、,糖基化,等。修饰过的蛋白质具有其特定的物理化学性质和生物学功能，因此对蛋白质修饰的研究构成了蛋白质组学研究的一个重要部分，由此而产生蛋白质组学的新概念。,如果把一个修饰蛋白视为一种新的蛋白，那么,蛋白质组的蛋白质数量将远远大于相应的基因组的基因数量,，据此估计人类蛋白质组的蛋白质种类为,20,200,万。,Phosphoproteomics,磷酸化蛋白质组学,Glycoproteomics,糖蛋白质组学,20,不同的蛋白质分布在细胞的不同部位，其功能与其,空间定位,密切相关，许多蛋白质常常通过在不同的亚细胞环境中的运动而发挥作用。细胞器、多蛋白质组成的功能单位的区域化分布和聚集可被看作是蛋白质除,等电点,、,相对分子质量,之外的,第三向分离参数,亚细胞蛋白质组学,（,subcellular,proteomics,）,降低复杂度,低丰度蛋白相对富集,部分提示蛋白定位和功能信息,亚细胞结构的分离,定位的真实性（污染？）,21,相互作用组的研究可以分为两类,一类是研究,蛋白质相互作用的网络,，细胞内的许多活动如信号转导等都是通过一个复杂而广泛的蛋白质相互作用网络来实现的；,另一类是研究,蛋白质复合体的组成,蛋白质复合体通常可以分为,2,种，一种是,结构型蛋白质复合体,，如核孔复合体，通常比较稳定；另一种则是,功能型蛋白质复合体,，如负责转录的转录蛋白复合体和负责,DNA,复制的复制蛋白复合体，这类复合体只有在执行功能时才聚合在一起，很不稳定。,相互作用组,（,interactome,）,22,对一个基因组表达的全部蛋白质进行鉴定和精确定量的科学。,细胞内各种蛋白质的丰度并不单单在转录水平上被调控，还在翻译水平和翻译后修饰的水平被调控，因而不能通过检测体内的,mRNA,的丰度来间接进行准确的蛋白质定量。,Differential staining,Isotope coded affinity tags (ICAT),定量蛋白质组学,（,quantitative proteomics,）,直接对蛋白质定量,23,各类蛋白质样品制备技术,蛋白质分离技术,蛋白质鉴定技术,蛋白质组研究的定量方法,蛋白质组研究技术概述,蛋白质组学的产生,蛋白质组的研究方法,蛋白质组研究的内容,Why,How,What,Use,蛋白质组学在生物医学研究中的应用,24,各类蛋白质样品制备技术,蛋白质分离技术,蛋白质鉴定技术,蛋白质组研究的定量方法,蛋白质组研究技术概述,How?,从细胞,/,组织,/,体液等进行蛋白样品全息制备,对混合蛋白样品获得最佳分离效果,电泳、色谱,对分离的蛋白进行鉴定,图像分析技术、质谱技术,(,鉴定原理）,对分离的蛋白进行定量鉴定,蛋白质组学研究的关键技术及面临的技术挑战,25,蛋白质组研究技术概述,蛋白质的,表达水平,、,翻译后修饰,及其,相互作用,双向凝胶电泳,-,质谱,多维色谱,-,质,谱,磷酸化蛋白质组学,糖蛋白质组学,生物化学方法,遗传学方法,生物信息学方法,表达蛋白质组学,功能蛋白质组学,定量蛋白质组学,26,蛋白质的,表达水平,表达蛋白质组学,大规模的蛋白质,分离,、,识别,、,鉴定,技术,双向凝胶电泳,-,质谱,多维色谱,-,质,谱,27,二、二维电泳和质谱是蛋白质组学研究的常规技术,二维凝胶电泳（,2-DE,）技术、质谱（,MS,）技术以及大规模数据处理仍然是蛋白质组学的三大基本支撑技术。,蛋白质组学研究的主要技术路线有两条：, 以,2-DE,分离为核心的研究路线：混合蛋白首先通过,2-DE,分离，然后进行胶内酶解，再用质谱进行鉴定。, 以色谱分离为核心的技术路线：混合蛋白先进行酶解，经色谱或多维色谱分离后，对肽段进行串联质谱分析以实现蛋白的鉴定。,28,（一）二维电泳是分离蛋白质组的有效方法,2-DE,是分离蛋白质组最基本的工具，其原理是蛋白质在高压电场作用下先进行,等电聚焦,（,isoelectric focusing,，,IEF,）,电泳,，利用蛋白质分子的等电点不同使蛋白质得以分离；随后进行,SDS-,聚丙烯酰胺凝胶电泳,（,SDS-PAGE,），按蛋白质分子量的大小进行分离。,29,蛋白质的二维电泳,30,（二）质谱技术是蛋白质组鉴定的重要工具,1,用肽质量指纹图谱鉴定蛋白质,2,用串联质谱鉴定蛋白质,蛋白质经过酶解成肽段后，获得所有肽段的分子质量，形成一个特异的肽质量指纹图谱（,PMF,），通过数据库搜索与比对，便可确定待分析蛋白质分子的性质。,用,PMF,方法不能鉴定的蛋白质可通过质谱技术获得该蛋白质一段或数段多肽的串联质谱（,MS/MS,）信息并通过数据库检索来鉴定该蛋白质。,31,蛋白质的质谱分析,32,蛋白质组学的产生,蛋白质组的研究方法,蛋白质组研究的内容,蛋白质组学在生物医学研究中的应用,Why,How,What,USE,血浆蛋白质组学,癌蛋白质组学,药物蛋白质组学,毒理蛋白质组学,亚细胞蛋白质组学,33,毒理蛋白质组学,从蛋白质角度研究外源性物质对生命有机体的毒害,作用机制,；筛选特定的蛋白质作为外源性物质危险性评价的,生物标志物,。,34,4 PI 7,MW,点的展示，软件给出编号,35,识别和验证药物作用靶点，药物毒理学研究，,构建分子药理模型,药物蛋白质组学,36,在癌症的发生发展过程中，涉及了很多蛋白质的表达和表达水平的变化，近几年来，科学家利用蛋白质组学技术来分析癌症，获得各种癌症的蛋白质组的数据库，称之为,癌蛋白质组学,oncoproteomics,癌蛋白质组学,蛋白质组对于早期癌症预测,确定癌症治疗的靶点,肿瘤抗原的获得,37,