走近蛋白质组研究

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    Proteome（蛋白质组），这个在各种字典里都还查不到的词组，近几年来开始在生命科学领域逐渐浮出水面，曝光频率越来越高，蛋白质组是什么？它与我们有什么关系？让我们来揭开其神秘的面纱，一睹其迷人的风采。

　　一、什么是蛋白质组研究

　　基因，尤其是基因组研究形成了20世纪生命科学研究一道亮丽的风景线，取得了巨大的成就。那么，知道了人类的全部基因组序列，就可以解决各种医学问题吗？其实并不是这么简单。仅凭基因组学这只单脚圆规，很难绘出完美的圆圈。随着人类基因组计划的逐步完成，科学家们又进一步提出了后基因组计划，蛋白质组研究是其中一个很重要的内容。

　　在人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块”角色，是生命活动的真正执行者和体现者。基因好比一张制造飞机和坦克的图纸，蛋白质就是根据图纸制造的真正进行战斗的飞机和坦克。虽然目前已完成了对人类基因的全部序列测定，但是单凭制造飞机和坦克的图纸，不可能演绎出一场战争，也不会知道一场战争是如何发生、如何进行的。基因的主要功能是通过其表达产物——蛋白质来实现的，而蛋白质亦具有自身特有的活动规律，随着生命活动的进程表现出极其动态的紧密协调的变化，蛋白质在合成之后具有相对独立的修饰、转运和相互间作用能力，同时还具有对外界因素发生反应的能力。因此，只有从蛋白质组学的角度对所有蛋白质的总和进行研究，即开展蛋白质组学研究，才能更加贴近对生命现象和本质的掌握，生命活动的本质和活动规律才能找到答案。正是因为这样，国际科学界预言，在21世纪，生命科学的热点将从基因组学转向蛋白质组学，使后者成为新的前沿。

　　蛋白质组学研究不但对了解生命本质有重要的意义，而且在疾病诊断治疗、药物筛选等有广泛应用前景。其中蕴藏着开发疾病诊断方法和新药的线索。

　　二、蛋白质组能给我们带来什么

　　人体内的每一细胞是由一万余个不同蛋白质的有机组合，不同蛋白质的组合就构成不同细胞的功能。要想把细胞内部这些功能和信息全部展现出来，唯一的方法是利用蛋白质组学技术，得到一张拥有各种蛋白质点的"繁星图"，利用现代科学分析技术，将此图变成开发新药的“探宝图”，了解其药物的细胞内作用与运转机制，成为药物发现的“路标”。

　　蛋白质组的研究不仅是探索生命奥秘的必须工作，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径，为人类健康事业带来巨大的利益。现在已经知道，在疾病中只有一小部分是起因于基因突变，而各种疾病都有蛋白质谱的动态变化，每种疾病在不同的发病阶段，在任何症状出现之前，在蛋白质水平方面已经发生了变化，所以通过蛋白质组学研究提供给我们大量的、完整的、动态的蛋白质谱，通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，通过这些靶点，在药物发现阶段，我们可能对大量新化合物进行自动筛选，缩短新药发现周期；或者通过这些被确认的蛋白质变化标志物，发展成为临床早期诊断指标，为疾病的早期诊断提供分子标志，形成未来诊断学和治疗学的理论和应用基础。

　　一项科学统计表明，在20世纪90年代中期，全世界用于找寻新药的药靶共约483个，它们主要是蛋白质；而当时全世界正在使用的共2000多种药物中， 85％都是针对上述483种药靶。这483种药靶分子构成了全世界药厂的最重要的发展源泉。据研究，按人类主要的100多种疾病进行计算，还应该有3000~15000种的蛋白质具有成为药靶的可能，也就是说还可能有几千到上万种的新药靶将被发现，这些潜在的发展源头，将有可能给制药界带来的无穷的财富和发展空间。这也是为什么蛋白质组学作为发现药靶的主要技术平台，越来越受国际制药业界垂青的重要原因所在。

　　三、蛋白质组——基因组之后的下一个关键词

　　上世纪末，人类基因组序列草图的完成宣告了一个新的纪元——“后基因组时代”的到来。在这个后基因组时代里，蛋白质组学则是其中流砥柱之一，是研究的重心所在。正因如此，《自然》、《科学》在公布人类基因组序列草图的同时，分别发表了述评与展望，将蛋白质组学的地位提到前所未有的高度，认为蛋白质组学将成为新世纪最大战略资源争夺战的重要“战场”，是新世纪生物医学前沿研究的战略制高点。

　　蛋白质组学的第一篇原始论著发表于1995年国际上并不著名的《电泳》杂志。不过几年时间，蛋白质组研究所展现出的巨大的市场前景、战略的重要性和技术的先进性，已成为西方各主要发达国家、跨国制药集团竞相投入的热点与焦点，得到了突飞猛进的发展。

　　除了国家组织的研究，企业与制药公司也纷纷斥巨资开展蛋白质组研究。现在国外几乎每个大的制药公司都有其蛋白质组研究计划，小公司也厉兵秣马，准备从股市圈钱扩展研究。除了早已进入该领域的公司外，原先定位在基因组研究的公司也雄心勃勃地大举进军该市场。如独立完成人类基因组测序的赛莱拉公司已宣布投资上亿美元于此领域；罗氏公司决定在未来的几年内投资近10亿瑞士法郎来进一步加强其在蛋白质组领域的探索；又如日内瓦蛋白质组公司与布鲁克质谱仪制造公司联合成立了国际上最大的蛋白质组研究中心。

　　经过短短几年的发展，蛋白质组学已经开始从建立数据库走向解决生命科学的重大问题，成为研究生命科学问题或机制的强有力手段。蛋白质组市场，在2000年产生了9.63亿美元的收入，估计到2006年可产生56亿美元的收入。蛋白质组市场的收入将会继续高涨，因为该技术所蕴藏的潜能，足以促进一系列“重磅炸弹”式新药的诞生。

　　我国于1997年设立了重大项目“蛋白质组学技术体系的建立”；99年由中国科学院上海生化研究所等多家单位联合组成课题组；2001年在北京由9家著名高校、科研单位联合组建成立了蛋白质组学研究院；内蒙古亿利集团公司是我国最先涉足这一领域的企业，他们投资5000万用于研制和开发有应用价值的蛋白质芯片和建立高通量的蛋白质识别技术。

　　目前，蛋白质组研究在国内外正如火如荼地展开，大有星火燎原之势。但我们也应当看到，蛋白质组研究，远比研究基因复杂得多，困难得多，在技术和仪器上都会遇到瓶颈。现在蛋白质组研究都仍处于基础研究阶段，对蛋白质组研究的应用有一个认识过程以及升级配套过程，蛋白质组研究的产业化还有很长一段路要走。因此，如何既抓住蛋白质组学研究刚刚启动的时机，迅速地进入到蛋白质组学的前沿，抢占制高点，又要审时度势，结合自身实际情况，确定自身发展的方向，是摆在我们生命科学研究发展方向决策中的一个重要问题。

　　21世纪将是生物技术的时代，蛋白质组的时代。蛋白质组学的发展给医药产业提供了一个新的发展机遇。随着人们对蛋白质组研究的深入，必将出现更令人振奋的成果，这些成果将很快应用于生物制药，从而使一批高科技含量、高附加值、对疾病的认识和治疗将上升到一个新的高度，为生物制药业插上腾飞的翅膀，为全人类健康带来无可限量的福音。

　　蛋白质组学正是近年来新发展起来的强有力的发现药靶的技术平台，作为一个新的学科发展领域，它对所有及时进入者都将提供巨大的机会。

　　不过，蛋白质组学为一种新生领域，目前还处于初期发展阶段，仍有许多困难有待克服。如现有分析仪器的灵敏度还很难将体内微量的调节蛋白质精确分析。而这种微量调控蛋白的精确表达在生命过程中起到关键性作用。另外，成千上万种蛋白质间及蛋白质与其它生物大分子间的相互作用和作用方式的复杂性同样也是蛋白质组研究所面临的问题。

　　蛋白质组学研究和基因组研究一样，依赖于强有力的、高通量、大规模的技术。在目前的蛋白质研究中，仍以双相电泳和质谱技术为支柱技术，并在分辨率和检出率方面有很大改进。但是与基因组学研究相比，由于蛋白质的复杂性和识别原则的多样性，缺乏一种高通量的识别工具仍然是蛋白质组学深入研究的瓶颈。因此，一些新的技术也由此孕育而生。

　　新药设计开发和个性化治疗的关键是找到有关的蛋白质。人类基因组序列草图虽然已经完成，完整的序列图谱也接近完成，但是仅有基因，甚至基因的信使ＲＮＡ（指导细胞产生特定蛋白质的物质，是ＤＮＡ转录的产物）还远远不能实现基因组研究的预期目标。因为，第一，药物作用的靶子往往是蛋白质，基因组不能告诉一个细胞内蛋白质数量或其动态的信息；第二，信使ＲＮＡ表达水平和蛋白质表达水平之间的对应关系尚不明确，信使ＲＮＡ高表达不等于相应的蛋白质也高表达；第三，蛋白质会经历对其活性可能有重大影响的化学修饰，基因组本身不足以提供有关的信息。基因组只是提供了理论预期的可能性，信使ＲＮＡ也只提供了更接近现实的可能性，只有蛋白质组才能准确告诉细胞内正在发生的事件。

　　蛋白质组（在特定时间和空间一个细胞内全部的蛋白质种类、数量及其变化情况）的研究比基因组复杂。第一，蛋白质组的变数多，随不同个体、不同组织和年龄而变化，基因可能只有几万，而相应的蛋白质可能多达１－２亿，即使是关键蛋白质（如与疾病和发育有关的蛋白质）也不少；第二，解析蛋白质的结构和功能比基因组序列测定要复杂得多，需要特定的仪器和技术；第三，研究细胞内蛋白质之间的相互作用的任务更加艰巨。

　　蛋白质组学研究开发方兴未艾，竞争日趋白热化。这是因为该领域的研究具有重大意义；研究开发难度远非基因组序列测定所能比拟；竞争对手的水平相差不大，几乎都或多或少依赖同一笨方法－２Ｄ电泳。目前没有一个公司能够像当年基因组测序时的Ｃｅｌｅｒａ一样占据垄断地位，每个新入者都可能有很大的发展空间，竞争也十分激烈。国外几乎每个大的制药公司包括罗氏等都有其蛋白质组研究计划，小公司也厉兵秣马，准备从股市圈钱扩展研究。除了早已进入该领域的公司外，原先定位在基因组研究的公司也雄心勃勃地大举进军该市场。Ｃｅｌｅｒａ公司及其母公司ＰＥ也再度合作，希望以其特有的设备优势在蛋白质组领域大展身手。Ｃｅｌｅｒａ准备用２０００年９月从股市筹集的约１０亿美元添置１００台机器，包括正在开发的整合了激光分子扫描仪（ｌａｓｅｒ－ｂａｓｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｃａｎｎｅｒ）、高速质谱、同位素标记蛋白质准确定量方法的质谱仪和蛋白质分离装置，使解析蛋白质结构的速率从现在的每小时３万个提高到１００万个，这些价值１０亿美元的超级电脑，至少能够加快１０倍速度处理滚滚而来的蛋白质数据。Ｉｎｃｙｔｅ Ｐｈａｒｍａｃｅｉｕｔｉｃａｌｓ公司也筹集了６亿多美元，同Ｏｘｆｏｒｄ ＧｌｙｃｏＳｃｉｅｎｃｅｓ合作，将后者提供的正常和疾病状态的蛋白质谱整合进其数据库，充当信息掮客，卖给药业公司。获得有关数据库的公司可以在信息方面明显领先于竞争对手。其他公司也在利用抗原抗体免疫学方法制造所有蛋白质的抗体，然后利用抗体从样品中钓取靶蛋白和与它相互作用的蛋白质，构建细胞内特定生物化学途径中相互作用的蛋白质之间的数据库。该数据库对于希望开发阻断特定代谢途径的关节点的公司具有很大的吸引力。

　　1980年以后，新药开发从以化学合成为主向生物学时代转变，特别是在人类基因组计划即将完成之时，利用大规模基因组研究方法和成果，为临床用药的高效性、针对性和安全性及新药开发、评价提供了新的模式，这就是最近几年提出的“药物基因组学”。在大部分基因已测得其表达之后，为新药研究提供了更多的靶标，利用遗传标记及高通量筛选方法，使成本大幅度降低，加速新药上市。

　　但“药物基因组学”存在几点致命的缺陷。由于核酸结构多数是同源的，联系着许多正常功能，因而作用于DNA的药物，大多数选择性差，毒性大，有严重的细胞毒性；其次是疾病的表征是在蛋白质上，许多疾病如癌症、心血管疾病等是多种基因共同作用的结果，因而很难找到关键的基因。由于上述原因而约束了新药开发的速度，仅凭“药物基因组学”这只单脚圆规，很难绘出完美的圆圈。因此必须回到蛋白质的研究上，才能真正在功能结构上阐明生命活动的实质和进行新药开发，故提出“蛋白质组学”的新概念。

　　人体内的每一细胞是由一万余个不同浓度、不同类型蛋白质的有机组合，不同蛋白质的组合就构成不同细胞的功能，如肝细胞、肺细胞等。要想把细胞内部这些功能和信息全部展现出来，惟一的方法是利用蛋白质组学技术，通过二维聚丙烯酰胺凝胶电泳，结果得到一张拥有千余个蛋白质点的“繁星图”，利用计算机分析、质谱和氨基酸分析鉴定，将此图变成开发新药的“探宝图”。

　　20世纪的新药研究集中在作用于细胞膜上的酶靶和受体靶，以信息传递或阻断为目标，发现和生产目前临床上常用的药物，如β-受体阻断剂、ACE抑制剂等。借助于蛋白质组学的相关技术，可了解其内部的作用与运转机制，成为药物发现的“路标”。在药物发现阶段，大量合成有机化合物和分离获得的天然有效成分，利用自动筛选，发现具有进一步开发价值的化合物，从而缩短新药发现周期。还可以通过疾病发生不同时期蛋白质的变化进行分析。发现疾病不同时期蛋白质标志物，不仅对发现新药有指导意义，而且可形成未来诊断学和治疗学的理论基础。

　　目前抗癌药均具有较严重的毒副反应和耐药性，如果研究中有毒副反应和耐药的蛋白质表达，就可以以此蛋白质作为靶点，设计避免毒副反应和耐药的新药。抗生素的耐药普遍存在，目前新药开发的速度往往落后于微生物产生耐药的速度，而利用蛋白质组学可了解微生物哪些蛋白质对抗生素产生耐药，根据其改变情况而设计靶标的新药。

　　蛋白质组学最令人注目的是研究和开发抗体药物。抗体是抵抗病原体的主要防御体系，他们是由免疫系统自主产生的蛋白质，每一个抗体都具有特异性地识别作为抗原靶分子的特征。近百年来，传染病的防治方法主要是利用疫苗注入或口服，使体内产生抗体而发挥作用，应用此种方法已使部分传染病如天花等疾病被消灭。利用蛋白质组学技术和药物基因组学技术的配合，可直接生产各种抗体药物，经注射或口服进入人体内直接发挥防治疾病的作用，不仅对传染病有效，对某些非传染病也有效。

　　“蛋白质组学”和“药物基因组学”，两者相互结合，相互补充，相互融合，将在21世纪新药开发中占据主导地位。

摘自 生物医药世界