第十四讲蛋白质组学课件

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,*,第十四讲蛋白质组学,第十四讲蛋白质组学,1,一、基本概念：,基因组(genome)：,一个细胞或者生物体所携带的,全部遗传信息,。,指细胞或生物体内,一套完整“,单倍体”,遗传物质的,总和,，,是由,基因,和,基因外,的核苷酸序列组成的。,基因组学：,在,全基因水平上,探索生命的本质规律性的学科。,1986年 Thomas Roderrick 提出“基因组学”的概念。,人类基因组计划（HGP）：,人类全部基因序列的分析，是,基因组学研究重要标志,1986年提出，1990.10启动，23条染色体，约3.0,10,9,bp，预计15年完成。1998年（6%），2001年（1/3），2003年,提前,完成,序列的测定，（2.02.5）万基因。,中国科学院遗传研究所 人类基因组中心 参与国际人类基因组计划，人类第3号染色体短臂DNA序列的测定，3.84,10,8,bp。,达到国际人类基因组计划协作组对“完成图”的要求,。,2003年4月15日,，美、英、日、法、德、中,6国领导人,联名联合声明，宣告人类基因组计划圆满完成。,我国达到国际先进水平,宏基因组学,：人体肠道元基因组研究，揭示了肠道内微生物,基因的多样性,及其与疾病易感性和药物反应等相关的重要因素。,第一节 概 述,一、基本概念：第一节 概 述,2,结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学的概念：,为了揭示整个,基因组,转录、翻译,与,产物,之间的,调控关系,。在基因组研究的基础上,提出,多层次,的“,组学”,概念，,结构基因组学：,结构基因组：生物的全部基因组DNA序列。,结构基因组学：基因的遗传图和物理图制作，最终完成,人类,和其他,重要模式生物,的全部基因组DNA序列的,测定和比较分析,的学科。,即：基因组,静态结构规律性,的分析，包括：不同物种之间的,基因比较,和基因组,多态性,分析。,功能基因组学：,功能基因组：细胞内所有具有,生物学功能,的基因，即,表达一定功能的全部基因所组成的DNA序列，包括,编码基因,和,调控基因,。,功能基因组学：,研究基因组中,功能基因的,的学科。通过基因组及其功能基因组的研究，阐明,整个,基因组及其转录,、,翻译及产物,关系的学科。系统地破译遗传密码,蛋白质组学,蛋白质组：指一个基因组、一个细胞或一种生物表达的,所有蛋白质,及其,存在方式,。,蛋白质组学：以蛋白质组为研究对象，从,整体蛋白质水平,研究生命活动的,本质规律,和,探索疾病,发生,机制,的学科。,结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学的概念：,3,基因组学与蛋白质组学的关系,基因组,转录组,蛋白质组,代谢组,针对生物体不同角度的整体思想,组间是相互联系的，统一于生物体,系统性,系统生物学,基因组学与蛋白质组学的关系基因组 针对生物体不同角度的整体,4,基因组学面临的挑战,随着人类基因组计划的实施和推进，以及很多物种的基因组测序，生命科学研究已进入后基因组时代。但通过,基因组的序列，,无法阐明,它所编码的,蛋白质的,高级结构,和,功能,。尚,不能,从,蛋白质水平,上反映,生命的本质,。,例如：,（1）基因是蛋白质结构的“蓝本”，携带着遗传信息，仅凭细胞内mRNA的信息,还不能预见,基因的产物蛋白质的信息。,（2）仅,靠,基因组序列,无法回答,生物体,内外环境与基因的表达关系,。,蛋白翻译后修饰、剪接和加工等过程。,蛋白质翻译后修饰、结构形成、蛋白质分子间或,与,其它,分子间的相互作用关系等。,蛋白质本身的存在形式和变化规律，,如翻译后修饰、蛋白质间相互作用以及蛋白质构象等问题。,回答这些问题：还需要依赖于直接对蛋白质进行研究。,阐明生命现象本质，,仅仅依靠,基因组学研究是不够的，提出了,基因组学面临的挑战,5,蛋白质组学的,产生和思想,是时代发展的要求和产物：,20世纪,90年代中期,，产生了蛋白质组学(proteomics)，,由于人类基因组计划的实施和发展，生命科学研究已进入,后基因组时代,。,研究生命现象，,阐述生命活动的规律，,只了解基因组,的结构,是不够的,，还必须对,生命活动的,直接执行者,蛋白质(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,。,传统的,研究方式,（对,单个蛋白质研究）,已,无法满足,后基因组时代,的。,一个,以,“蛋白质组”为,研究对象,的生命科学的新时代诞生了。,蛋白质组学的思想,是在生物体或其细胞的“,整体”,蛋白质水平,上来,揭示和阐明,生命活动的,基本规律,，,而不是,局限于一个或几个蛋白质。,蛋白质组学的产生和思想,6,二、蛋白质组学发展的重要标志,（1）高分辨双向凝胶电泳(2-DE)技术的建立,20世纪70年代Farrell和Klose各自创建了蛋白质,“高分辨”,双向凝胶电泳(twodimensional gel electrophoresis，2-DE)。,Farrel对,大肠杆菌,细胞抽提物进行双向电泳，分离到,1100,个蛋白质组分，从此拉开了,蛋白质组研究,的序幕。,为蛋白质组学产生的,技术保障,。,（2）蛋白质组计划的提出,(蛋白质组学思想的产生),20世纪80年代初，基因组计划提出前，曾有人提出“蛋白质组计划”，,当时称为Human Protein Index计划，旨在分析细胞内的所有蛋白质。,由于种种原因，这一计划被搁浅，并未实施。,思路,的提出,，非常重要时机也很重要。,七个方面,技术的进步,思想的进步,二、蛋白质组学发展的重要标志（1）高分辨双向凝胶电泳(2-,7,（3）蛋白质组(proteome)的提出：,蛋白质组学诞生的标志,1994年，澳大利亚,两位学者,（悉尼,Macquarie,大学学生,Wilkins,和他的老师,William）,试图使用一个,合适,的,术语,描述“一个基因组所表达的全体蛋白质”。,1994年年9月，他们在意大利召开的一个学术会议上,首次,提出了,蛋白质组(proteome),这个,新造的词,。,1995年7月，Electrophoresis杂志上第一次刊登了,第一篇,蛋白质组学,研究的论文。,从此，蛋白质组研究的进展十分迅速,不论,基础理论,还是,技术方法,，都在不断进步和完善。,多种细胞的蛋白质组,数据库,已经建立，相应的,国际互联,网站,层出不穷,（3）蛋白质组(proteome)的提出：,8,（4）蛋白质组研究机构的成立,1996年，,澳大利亚,建立了世界上,第一个蛋白质组,研究中心。,丹麦、加拿大、日本也先后成立了,蛋白质组研究中心,。,在,巨大财力,的支持下，在美国各大药厂和公司，也,纷纷,加入,了蛋白质组的研究行列。,2001年4月，在,美国,成立了,国际人类蛋白质组,组织，,随后,欧洲、亚太地区,都成立了,区域性,蛋白质组,研究组织，,试图通过合作方式,，融合各方面力量，,完成人类蛋白质组计划,，,在2002年和2003年陆续启动了,人类血浆,、,肝脏,和,脑蛋白质组,的研究。,促进了蛋白质组学研究和技术的进步。,在生命科学领域，,蛋白质组学研究形成了,国际热点,（4）蛋白质组研究机构的成立,9,（5）三大技术突破：,等点聚集电泳技术,2-DE核心技术之一,20世纪80年代,固相化,pH梯度凝胶电泳(IPG)技术的发明和完善，改善了双向凝胶电泳的重复性和上样量。,生物大分子质谱技术,20世纪80年代,后期，,电喷雾质谱(,ESI-MS,)和,基质辅助的激光解吸飞行时间,质谱(,MALDI,-TOF-MS)技术的发明，及其在,蛋白质分析,中的成功应用。,图像和数据库分析技术：,蛋白质双向电泳,图谱的数字化,和,分析软件,的问世，不但使得不少物种的,双向电泳和,蛋白质数据库,相继,建立和完善,，而且,促进了,蛋白质组研究的技术手段日渐完善。,（5）三大技术突破：,10,（6）关于蛋白质组与基因组的新认识：,蛋白质组是,动态,的过程，基因组是,相对恒定,的。,一个基因,并,不只,存在一个相应的蛋白质，可能会有几个，甚至几十个。,（酶原酶、蛋白质修饰、酶切片段：如C3C3、C3a、C3b、C3c、C3d）,蛋白质的表达（什么情况,表达,什么样,的蛋白质），不仅取决于基因，还与机体所处的,内外,环境,以及机体本身的,生理状态,有关。,基因不是,直接决定,一个蛋白功能，往往是通过基因的,转录、表达,产生一个,蛋白质,前体,，,再进行,加工,、,修饰,，才成为具,生物活性,的蛋白质。,蛋白质要,通过,一系列的,运输,过程，到达组织细胞内,适当的位置,才能发挥,正常的生理,作用。,基因,不能,完全,决定,蛋白质,后期加工,、,修饰,以及,转运定位,的全过程，这些过程中的任何一个步骤,发生细微的差错，,即可,导致,机体的,疾病,。,（6）关于蛋白质组与基因组的新认识：,11,（7）蛋白质组研究的重大成就,纽约Rockefeller大学的,细胞和分子生物学家,Gun-ter Blobel博士,在“蛋白质,内在,的,信号分子,、,调节,自身的,细胞内,转运和定位,”的研究上取得卓越的成就，,获得了,1999,年诺贝尔,医学奖和生理学奖,。,蛋白质自剪接及其机理,近年来发现蛋白质间亦存在,类似于,mRNA,分子内的剪接,，,具有自身特有的活动规律,。,这种自主性,不能,从基因编码序列中,预测,，而只能对其最终的,功能蛋白,进行分析。,（7）蛋白质组研究的重大成就,12,（8）综上所述：,基因,是,遗传信息,的,源头,而,蛋白,是基因功能的,执行体,。,基因组计划的,实现,，,为,生物体,全部基因序列,的确定、,为,未来生命科学研究,奠定了坚实,的基础，,但,不能提供,认识各种,生命活动,直接的,分子基础，必须研究,生命活动,的,执行体,蛋白质这一重要环节。,蛋白质组学 重点,研究,生命活动,的,执行体（蛋白质）,这一环节，,是阐明生命活动本质,不可缺少,的、比基因组研究更,复杂的后续部分,，,蛋白质组学将成为21世纪生命科学研究的主要任务。,提出了合成生物学理念世界之热点,（8）综上所述：,13,三、蛋白质组学的研究内容,蛋白质组：是一个整体概念，不同于,孤立地,研究,某种,蛋白质分子的功能。,蛋白质组学(proteomics)：,是从整体上研究细胞或组织内，,特定,的,时间,和,空间,内,全部蛋白质,的,组成,及其,相互作用,规律的,学科,。是一项,系统性,的,多方位,的科学研究和探索。,是应用二维电泳、质谱、生物医学信息学等技术研究全套蛋白质在复杂的细胞环境中的功能。,蛋白质组学分类（按研究内容）,表达蛋白质组学,(protein expression proteomics),在不同机体状态中，细胞或组织中，,全部蛋白质的,表达及其变化规律,的研究。,细胞图谱蛋白质组学,(cell mapping proteomics)。,主要研究蛋白质间的,相互作用,，以明确细胞间,信号转导通路,的复杂机制。,蛋白质组学的研究内容：主要包括7个方面,蛋白质,结构,、蛋白质,功能,、蛋白质的,丰度,变化、蛋白质,修饰,、蛋白质,分布,、蛋白质的,相互作用,、蛋白质,与疾病的关联性,等。,三、蛋白质组学的研究内容蛋白质组：是一个整体概念，不同于孤立,14,1、蛋白质结构,蛋白质是一种生物大分子，具有三维空间结构，,执行,复杂的,生物学功能,。,蛋白质分子的结构一般分为,一级结构,与,空间结构,两类。,蛋白质的,一级结构,(prlmary struture)即蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序(sequence)，也是蛋白质,最基本的结构,。它是由,基因上遗传密码的排列顺序,所决定的。,蛋白质的,空间结构：,指蛋白质分子的多肽链经,折叠和盘曲,构成特有的比较,稳定的空间结构,，它包括蛋白质的二级、三级和四级结构。,在组学水平上,，解析和阐明,蛋白,一级结构,和,高级结构,的关系。,1、蛋白质结构,15,2、蛋白质功能,自然界,种类繁多,的,蛋白质，,决定了,生物学功能,的,多样性,，,作为生