生物信息与蛋白质组学

第6节　生物信息与蛋白质组学

生物信息并不仅限于基因组信息，也包括基因产物（蛋白质或RNA）的结构和功能以及各生物种间的进化关系等其他信息资源。生物信息学既涉及基因组信息的获取、处理、存储、传递、分析和解释，又涉及蛋白质组信息学如蛋白质的序列、结构、功能及定位分类、蛋白质连锁图、蛋白质数据库的建立、相关分析软件的开发和应用等方面，还涉及基因与蛋白质的关系如蛋白质编码基因的识别及算法研究、蛋白质结构、功能预测等；另外，新药研制、生物进化也是生物信息学研究的热点。

在后基因组时代，生物学家们的研究重心已经从解释生命的所有遗传信息转移到在整体水平上对生物功能的研究。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（functional genomics）的新学科。它采用一些新的技术，如SAGE、DNA芯片，对成千上万的基因表达进行分析和比较，力图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。例如蛋白质的修饰加工、转运定位、结构变化、蛋白质与蛋白质的相互作用、蛋白质与其他生物分子的相互作用等活动，均无法在基因组水平上获知。正是因为基因组学（genomics）有这样的局限性，于20世纪90年代中期，在人类基因组计划研究发展及功能基因组学的基础上，国际上萌发产生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（proteomics），它以蛋白质组（proteome）为研究对象，是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。蛋白质组是指“由一个细胞或一个组织的基因组所表达的全部相应的蛋白质”。测定一个有机体的基因组所表达的全部蛋白质的设想，萌发在1975年双向凝胶电泳发明之时。1994年，澳大利亚Macquarie大学的Wilkins和Williams首先提出了蛋白质组（proteome）的概念，它源于蛋白质（protein）与基因组（genome）两个词的杂合，其定义为在一种细胞内存在的全部蛋白质。续表

开展蛋白质组研究工作，是科学界延续了数十年的一个梦想，因为人类的大多数疾病是由于蛋白质异常造成的。当二维电泳、新型质谱技术及各种先进的生物信息和网络技术为科学家掌握蛋白质表达规律提供了有力支撑，并且在人类基因组研究实现划时代飞跃的时候，蛋白质组学便被推上前台。1998年，中国国家自然科学基金委员会设立了“蛋白质以及蛋白质结构动态变化与其生物功能的研究”，由此较早启动了中国的蛋白质组研究“人类肝脏蛋白质组研究计划”（HLPP）。2003年11月，在蒙特利尔召开的第二届国际蛋白质组大会上，确定中国为人类肝脏蛋白质组计划的唯一牵头国，有16个国家的80多家实验室参与该计划，我国贺福初院士为唯一主席。HLPP是我国有史以来领导的第一项重大国际合作计划，也是第一个人类组织／器官蛋白组计划。

蛋白质组数据库是蛋白质组研究水平的标志和基础。瑞士的SWISS－PROT拥有目前世界上最大、种类最多的蛋白质组数据库。丹麦、英国、美国等国也都建立了各具特色的蛋白质组数据库。生物信息学的发展已给蛋白质组研究提供了更方便有效的计算机分析软件；特别值得注意的是蛋白质质谱鉴定软件和算法发展迅速，如SWISS－PROT、Rockefeller大学、UCSF等都有自主的搜索软件和数据管理系统。最近发展的质谱数据直接搜寻基因组数据库使得质谱数据可直接进行基因注释、判断复杂的拼接方式。随着基因组学的迅速推进，会给蛋白质组研究提供更多更全的数据库。另外，对肽序列标记的从头测序软件也十分引人注目。

质谱技术是目前蛋白质组研究中发展最快、最具活力和潜力的技术。它通过测定蛋白质的质量来判别蛋白质的种类。当前蛋白质组研究的核心技术就是双向凝胶电泳－质谱技术，即通过双向凝胶电泳将蛋白质分离，然后利用质谱对蛋白质逐一进行鉴定。对于蛋白质鉴定而言，高通量、高灵敏度和高精度是三个关键指标。一般的质谱技术难以将三者合一，而最近发展的质谱技术可以同时达到以上三个要求，从而实现对蛋白质准确和大规模的鉴定。

利用蛋白质的等电点和分子量，通过双向凝胶电泳的方法将各种蛋白质区分开来是一种很有效的手段。它在蛋白质组分离技术中起到了关键作用。

常用基因组研究相关数据库和网址如表15－3所示。

表15－3　常用基因组研究相关数据库和网址

续表

续表