《生物工程进展》1999,V o l. 19, N o. 4
功能蛋白质组学
李伯良 李 林 吴家睿
( 中国科学院上海生物化学研究所, 200031)
科学背景及意义
20 世纪中期以来, 随着 DNA 双螺旋结构
的提出和蛋白质空间结构的解析, 开始了分子
生物学时代, 对遗传信息载体 DNA 和生命功
能的体现者蛋白质的研究, 成为生命科学研究
的主要内容。90 年代初期开始实施的人类基因
组计划, 在经过各国科学家 8 年多的努力下, 已
经取得了巨大的成就, 第一个多细胞生物—线
虫基因组的 DNA 全序列测定在 1998 年年底
已 经 完 成; 人 类 所 有 基 因 的 部 分 序 列 测 定
( EST ) 已经完成; 人类基因组的全序列测定有
可能提前到 2003 年完成。生命科学已经进入了
后基因组时代。
在后基因组时代, 研究重心将从揭示生命
的所有遗传信息转移到在整体水平上对功能的
研究。 这种转向的第一个标志就是产生了一门
称为功能基因组学的新学科, 从基因组整体水
平上对基因的活动规律进行阐述。但是, 由于生
物功能的主要体现者是蛋白质, 而蛋白质有其
自身特有的活动规律, 仅仅从基因的角度来研
究是远远不够的。 蛋白质的修饰加工、转运定
位、结构形成、蛋白质与蛋白质的相互作用、蛋
白质与核酸的相互作用等, 均无法从在基因组
水平上的研究获知。 90 年代中期, 国际上萌发
了一门在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成
及其活动规律的新兴学科—蛋白质组学 (P ro 2
teom ics) 。
蛋 白 质 组 ( P ro teom e ) 的 概 念 最 早 是 在
1994 年 由 澳 大 利 亚 M acqua rie 大 学 的 M a rc
W ilk in s 和 Keith W illiam s 首先提出来, 是指细
胞内全部蛋白质的存在及其活动方式。 蛋白质
组学以蛋白质组为研究对象, 从蛋白质整体水
平上来认识生命活动的规律。 目前, 美国、澳大
利亚、欧洲和日本等已纷纷成立了有关的研究
机构和公司, 美国各主要大学和药厂, 均迅速启
动了蛋白质组研究。 蛋白质组学得到了迅速的
发展。 科学家们预测, 21 世纪生命科学的重心
将从基因组学转移到蛋白质组学, 生命科学领
域内一个崭新的时代—蛋白质组时代即将到
来。
研究特色和内容
蛋白质组与基因组相比, 各有其特点。 首
先, 基因组具有均一性, 即在同一生物个体的所
有体细胞中是一样的。蛋白质组则具有多样性。
在生命发育不同阶段的细胞蛋白质种类的构成
是不一样的; 不同组织中细胞表达的蛋白质也
有着很大的差异。 其次, 基因组非常稳定、不易
发生改变, 而细胞蛋白质组则是动态的、可变
的, 即使是同一种细胞在生长与活动的不同时
期、在不同条件下, 其蛋白质组也是在不断的改
变之中。 这一特点也就使得对蛋白质组的研究
的切入点很多, 创新性很强。 功能蛋白质组学
( Funct iona l P ro teom ics) 的研究可以注重从局
部入手, 以细胞内的蛋白质群体为主要研究对
象, 重点放在那些可能涉及到特定功能机理的
蛋白质群体上。其群体可大可小, 取决于要研究
的功能特点和研究方法、手段和实验设计等。在
研究蛋白质群体的基础上, 可不断地把许许多
多不同的蛋白质群体统计组合, 从而描绘出接
近于生命细胞的“全部蛋白质”的蛋白质组图
谱。
蛋白质组学的核心内容包括两个部分: 蛋
白质组研究体系的建立、完善和重要的生物学
问题有关的功能蛋白质组研究。
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研究体系的建立与完善是蛋白质组学第一
阶段的主要目标之一, 主要有“蛋白质组技术体
系”
和“蛋白质组信息学”
两方面的研究。技术体
功能机理、调节控制及其与蛋白质群体内或与
相关生物大分子间的相互作用。
国内研究基础
系将包括这样一些内容: 蛋白质组的样品制备
和鉴定; 蛋白质相互作用网络的研究技术等; 蛋
白质组信息学则涉及蛋白质组数据库的建立,
相关软件的应用与开发和生物信息学。 除了引
进和开发现有的技术外, 特别要重视与物理、化
我国在蛋白质科学研究领域有很好的基
础, 取得过包括胰岛素人工合成等国际水平的
成果。国际上蛋白质组学研究发展很快, 虽然我
们现在起步尚不算太晚, 但毕竟有不小的差距,
学学科的交叉, 发展更有效的技术。在第一个阶
段还需要创建针对蛋白质群体研究的新技术体
系, 信息集成网络系统及信息分析新技术等。
在研究体系建立与不断完善的同时, 针对
一些重要的生物学问题进行功能蛋白质组研
亟需迎头赶上。1998 年在中科院上海生化所曾
举办了两次全国性的蛋白质组学术研讨会, 推
动我国的蛋白质组学的研究。目前, 国家自然科
学基金委关于蛋白质组技术体系的重大项目,
正在组织实施中; 蛋白质谱双向电泳技术等有
究。首先, 要选择有很好研究积累的细胞与生物
大分子 ( 蛋白质g
基因) 的较完整研究系统, 利用
所建立的相应蛋白质组图谱方法系统, 获取各
种重要条件作用前后的同类蛋白质组图谱, 并
利用计算机图象技术系统分析比较, 确定在数、
关课题研究也正在进行中; 国内已有单位在着
手进行蛋白质组研究。 中国生命科学工作者现
在完全能够集中在蛋白质及细胞、基因等方面
的优势研究力量, 充分利用各种已有的研究基
础与积累, 包括生命科学、信息科学、物理学、化
量及形式、修饰度或定位等发生变化的蛋白质
群体。 然后, 对重要内外环境因素、基因突变等
条件作用直接相关的蛋白质群体进行时相、初
级和次级等变化的详细研究分析, 从中发现重
要的蛋白质群体及其活动规律和关键蛋白质,
学、医学、药物等科学理论与技术方法和分子生
物学、结构生物学、细胞生物学、基因组学等的
前沿研究成果, 开展蛋白质组学研究, 迅速地进
入到蛋白质组学研究的国际前沿, 带动我国生
命科学及相关学科的发展, 进而使我国的蛋白
再深入进行它的组分及其性质的鉴定。 由此创
建各种细胞的蛋白质组数据库, 并进而开展重
要的蛋白质的预测结构、三维结构和动态结构
研究, 在蛋白质组水平上深入探索其作用模式、
质科学研究达到一个新的高度, 为在揭示诸如
生长、发育和代谢调控等生命活动的规律上取
得突破而作出贡献, 为探讨重大疾病的机理、诊
断、防治和新药开发提供理论基础。
Functiona l Proteom ics
L i Bo liang L i L in and W u J ia ru i
( Shanghai In stitu te of B iochem istry, T he Ch inese A cadem y of Sciences, Shanghai 200031)
Abstract
A new resea rch a rea, p ro teom ics, is rap id ly em erg ing a t the genom icg
po st 2ge2
nom ic era and a im s a t the ana lysis and iden t ifica t ion of bo th en t ire p ro tein s and funct ion 2g roup ed
p ro tein s p resen t in the cells, t issues o r o rgan ism s. H ere w e m a in ly d iscu ss funct iona l p ro teom ics
focu sing on the g roup s of p ro tein s funct ioned in cells o r bod ies and it s rela t ive fundam en ta l
m ethodo logy, sim u ltaneou sly a s a st ra tegy in Ch ina.
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