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蛋白质组技术的研究进展

点击次数:661 发布时间:2013/5/27 11:36:03

 

大规模基因组测序计划的实施已改变生命科学的重心,在相当短的时期内,一些原核生物和某些低等真核生物的基因组序列已被测定。1995年,流感嗜血杆菌基因组序列首次被破译,在此后不到两年的时间,近50个细菌的基因组序列已被完成。然而,这仅仅是理解有机物功能的一个起点。在基因组时代,许多DNA序列信息仅提供相关基因组的结构和功能。然而,对基因产物(mRNA和蛋白质)的理解是理解细胞生物学的一个不可缺少的部分。DNA序列信息不能预测:1)基因表达产物是否或何时被翻译;2)基因产物的相应含量;3)翻译后修饰的程度;4)基因剔除或过表达的影响;5)遗留的小基因或<300 bpORFs的出现;6)多基因现象的表型。此外,mRNA水平的测量并不能完全揭示细胞调节;且蛋白质的样品较mRNA 稳定;蛋白质和mRNA之间的相关系数仅为0.40.5,还存在转录后加工、翻译调节以及翻译后加工等。故而,基因组时代的迅猛发展同时激起了人们对后基因组时代中蛋白质组研究的需求。
1 蛋白质组的含义
蛋白质组(Proteome)的概念*先由Marc Wilkins提出,指由一个基因组(genOME),或一个细胞、组织表达的所有蛋白质(PROTein)。蛋白质组的概念与基因组的概念有许多差别,它随着组织、甚至环境状态的不同而改变。在转录时,一个基因可以多种mRNA形式剪接,并且,同一蛋白可能以许多形式进行翻译后的修饰。故一个蛋白质组不是一个基因组的直接产物,蛋白质组中蛋白质的数目有时可以超过基因组的数目。
蛋白质组学(Proteomics)处于早期发育状态,这个领域的专家否认它是单纯的方法学,就像基因组学一样,不是一个封闭的、概念化的稳定的知识体系,而是一个领域。蛋白质组学集中于动态描述基因调节,对基因表达的蛋白质水平进行定量的测定,鉴定疾病、药物对生命过程的影响,以及解释基因表达调控的机制。作为一门科学,蛋白质组研究并非从零开始,它是已有20年历史的蛋白质多肽谱和基因产物图谱技术的一种延伸。多肽图谱依靠双向电泳(Two-dimensional gel electrophoresis2-DE)和进一步的图象分析;而基因产物图谱依靠多种分离后的分析,如质谱技术、氨基酸组分分析等。
2 蛋白质组研究的核心用于分离的双向电泳(2-DE)
蛋白质组研究的发展以双向电泳技术作为核心。双向电泳由O’Farrell’s1975年首次建立并成功地分离约1 000Ecoli 蛋白,并表明蛋白质谱不是稳定的,而是随环境而变化。双向电泳原理简明,向进行等电聚焦,蛋白质沿pH梯度分离,至各自的等电点;随后,再沿垂直的方向进行分子量的分离。目前,随着技术的飞速发展,已能分离出10 000个斑点(spot。当双向电泳斑点的全面分析成为现实的时候,蛋白质组的分析变得可行。
样品制备(sample prepareation)和溶解同样事关2-DE的成效,目标是尽可能扩大其溶解度和解聚,以提高分辨率。用化学法和机械裂解法破碎以尽可能溶解和解聚蛋白,两者联合有协同作用。对IEF(isoelectric focusing)样品的预处理涉及溶解、变性和还原来完全破坏蛋白间的相互作用,并除去如核酸等非蛋白物质。理想的状态是人们应一步完成蛋白的完全处理。近来,在变性剂鸡尾酒中,含1416个碳的磺基甘氨酸三甲内盐(ASB1416 )的裂解液效果。而离液剂2 mol/L硫脲和表面活性剂4%CHAPS的混合液促使疏水蛋白从IPG(immobilized pH gradients)胶上的转换。三丁基膦(Tributyl phosphineTBP )取代β-巯基乙醇或DTT完全溶解链间或链内的二硫键,增强了蛋白的溶解度,并导致转至第二向的增加。两者通过不同的方法来增加蛋白的溶解度,作为互补试剂会更有效。在保持样品的完整性的前提下,可利用超离和核酸内切酶去除核酸(DNA)。除此之外,机械力被用来对蛋白分子解聚,如超声破碎等。另外,添加PMSF等蛋白酶抑制剂,可保持蛋白完整性。由于商品化的IPG胶条是干燥脱水的,可在其水化的过程中加样,覆盖整个IPG胶,避免在样品杯中的沉淀所致的样品丢失。此外,低丰度蛋白(low abundance protein)在细胞内可能具有重要的调节功能,代表蛋白质组研究的冰山之尖,故分离低丰度蛋白是一种挑战。亚细胞分级和蛋白质预分级、提高加样量已达到115 mg级的标准、应用敏感性检测,可以提高其敏感性。如一种多肽免疫2-DE印迹(MI-2DE)是利用几种单克隆抗体技术来分析和检测。提高组蛋白和核糖体蛋白等碱性蛋白(basic proteins)的分离是另一难点。由于碱性pH范围内凝胶基质的不稳定及逆向电渗流(EOF)的产生,对PI(等电点超过10的碱性蛋白,通过产生?010%?的山梨醇梯度和16%的异丙醇可减少之。亦可用双甲基丙烯酰胺来增加基质的稳定性。
2-DE面临的挑战是高分辨率和重复性。高分辨率确保蛋白程度的分离,高重复性允许进行凝胶间配比(match)。对2-DE而言,有3种方法分离蛋白:1)ISO-DALT(isoelectric focus)O’Farrell’s技术为基础。向应用载体两性电解质(carrier ampholyteCA),在管胶内建立pH梯度。随着聚焦时间的延长,pH梯度不稳,易产生阴极漂移。2)NEPHGE(non-equilibrium pH gradient electrophoresis用于分离碱性蛋白(pH>7.0)。如果聚焦达到平衡状态,碱性蛋白会离开凝胶基质而丢失。因此,在等电区域的迁移须在平衡状态之前完成,但很难控制。3)IPG-DALT发展于80年代早期。由于固相pH梯度(Immobilized pH gradientIPG的出现解决了pH梯度不稳的问题。IPG通过immobiline共价偶联于丙烯酰胺产生固定的pH梯度,克服了IEF的缺点,从而达到高度的重复性。目前可以精确制作线性、渐进性和S型曲线,范围或宽或窄的pH梯度。新的酸性pH 35或碱性pH 611IPG凝胶梯度联合商品化的

原创作者:上海顺元生物科技有限公司

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