蛋白质组学技术新进展

作者：周海涛

作者单位：518036 广东深圳，北京大学深圳医院核医学科                【关键词】  蛋白质组学 质谱显像 多维液相色谱技术 同位素亲和标签色谱 蛋白质芯片 化学喷墨印迹

　　0  引言    　　蛋白质组学是针对蛋白质组研究的一门新兴学科，是人类基因组计划完成后生命科学最活跃的领域之一，近年来发展迅速，其相应的方法学也取得了巨大的进步。双向电泳质谱技术虽然一直是蛋白质组学的核心技术，但是近年来一系列新技术新思想融入了蓬勃发展的蛋白质学技术当中，极大的促进了这门新兴学科在生命科学各个领域的应用[1]。本文就蛋白质组学研究的有关新技术做一概述。

　　1  质谱显像（Mass Spectrometry Imaging，MSI）技术   

　　质谱显像技术是利用基质辅助激光解吸/离子化质谱，直接确定新鲜冰冻组织切片的多肽或蛋白的新技术，也被称为原位蛋白质组学[2]。其基本过程是将冰冻组织切片置于金属盘上，涂上基质，紫外脉冲激光激发基质使蛋白质离子化，测定质核比；利用组织上的光栅获得数千个点的峰密度值，最后形成特定质量分子的质谱影像。通常该技术可以在组织的任意位置检出400个以上的蛋白信号。MALDI质谱显像既有质谱设备的高敏感性全部优点，又具有同时检测混合物中多种成分的能力，基本无需考虑化学性质和分子质量。MALDI MSI可以用于生物标记物如多肽和蛋白的示踪，也可以绘制药物/组织相互作用图。Rohner等[3]阐述了质谱显像的各种应用潜力，如对Aiheimer病患者脑组织切片质谱成像、优化药物研究的阮蛋白作图、利用质谱成像进行靶标鉴定和将组织印记与消化相结合的一步法分子扫描技术。    　　质谱成像也可应用于整块组织切片分析。Chaurand等[4]对鼠附睾显像研究，检测到的蛋白质超过400个。其中50个以上的蛋白从附睾头部向尾部成区域性分布。从高解析度质谱成像中获得的信息和激光捕获显微切割实验数据结合分析，附睾内一系列蛋白在细胞水平定位，并依据信号强度获得了各个蛋白空间分布的半定量信息。对其中几种蛋白另外做了mRNA原位杂交和免疫组织化学染色，与质谱显像结果基本一致。Crossman等[5]进一步证明该法可以检测到组织下40μm的蛋白成分。    　　质谱成像技术正在快速应用于许多领域[6]包括肿瘤研究。Rohner等[3]利用质谱显象技术获得了显示人类肺组织肿瘤与正常组织有不同的蛋白表达模式数据。

　　2  多维液相色谱（Multiple Dimension Liquid Chromatography, MDLC）   

　　双向电泳分离蛋白，需要制胶，电泳，转移，切胶，抽提，脱色，然后才能进行质谱分析，步骤较多且需要人为因素干预，不利于高通量作业，准确性和重复性也不理想。所以无胶分离技术正在迅速发展。MDLC在蛋白质组学领域大有代替传统的蛋白质分离的核心技术双向电泳分离蛋白质的趋势。MDLC[7]基本过程是：首先将蛋白抽提物变性，然后用酪氨酸蛋白酶水解并酸化，使pH<3。酸化后蛋白水解产物通过强阳离子交换柱，根据各肽段的电荷差异进行分离。各洗脱峰直接进入反相层析柱，各组分再根据疏水性的差异进行分离，同时脱盐；最后洗脱的各组分直接进入电喷雾离子化质谱仪（ESIMS）中鉴定。这一过程反复进行，从而得到由样品产生的多肽混合物中各肽段的肽指纹图谱，结合数据库搜索而得到样品的蛋白组成。感兴趣的肽段还可以在通过源后裂解或碰撞裂解直接得出序列信息，实现分离和鉴定一次完成，达到对复杂多肽和蛋白样本的有效分析和在线检测。分析速度快、自动化程度高，可获得完整蛋白质高精度分子质量Mw，所得图谱远优于2DE图谱，而且通过图谱可以研究蛋白质表达量的变化及详细结构上的变化，甚至可以检测翻译后修饰，是二维液相色谱应用越来越多原因。应用二位液相色谱增进了低丰度蛋白、膜蛋白或疏水性蛋白、分子量特别大和特别小蛋白的分离和检测能力；重现性好，回收率高，可保持蛋白质完整性和活性。Skold等[8]把纳米毛细管反向液相层析色谱与电喷雾离子化四极杆飞行时间质谱仪在线联合使用，对大鼠三个不同脑区的大量多肽进行分析，每个脑区检测到1 500个多肽，其中一些用源后裂解法测序并确定了蛋白，证明这一方法是研究脑中大量多肽及蛋白片段的有力工具。Tyan等[9]利用2DLC 和电喷雾串联质谱对43例肺腺癌患者胸水研究，共检出1 415种蛋白，其中某些蛋白是未在血浆中检出过的，可能为胸水所特有。作者正在进行进一步的差异蛋白质组学研究以确定哪些蛋白可以作为肺腺癌的生物标志。

　　3  核素标签色谱    　　核素标签色谱是液相色谱质谱技术与核素示踪技术相结合的分离方法，主要用于定量分析差异表达蛋白。广泛应用的是同位素亲和标签(Isotopiccode affinity tag, ICAT)[10]。此法敏感度高，低表达蛋白分析准确性好。ICAT是一种人工合成的有机分子，一端是起亲和标签作用的生物素，另一端为可与半胱氨酸发生特异性反应的活性基团。中间连接部分含8个氢原子（轻型）或8个氘原子（重型），两者Mw相差8U。比较两种样品蛋白质时，分别加入轻型或重型ICAT，充分反应后，等量混合，胰酶水解，过生物素亲和柱，吸附ICAT标记肽段。洗脱并进行质谱分析，可见不同来源的同种多肽成对并相邻地展现在质谱图上，Mw差值为8U或4U（肽段带两个电荷）。两者峰面积差为蛋白质在两样品中的表达差异[11]。Pawlik等[12]利用同位素亲和标签分析了乳腺癌早期患者健侧与患侧乳头吸出液蛋白质组差异，发现α2HS糖蛋白（重轻标记量比值H∶L 0.63）在患侧下调，而lipophilin B(H∶L 1.42), β珠蛋白 (H∶L 1.98), 血红素结合蛋白(H∶L  1.73)和维生素D结合蛋白前体(H∶L 1.82)上调，显示出该策略在肿瘤标志物研究中具有很好的应用前景。    　　ICAT技术利用巯基标记，所以只能对含半胱氨酸残基的蛋白质进行分析是其不足之处。ICAT方法又衍生了多种新的方法，如定量研究蛋白质磷酸化的磷酸化蛋白亲和标签[13]、大规模研究N末端糖基化的糖基化定点标签[14]、分析蛋白质丰度的串联质量标签等[15]。

　4  蛋白质芯片技术    　　蛋白质芯片（Protein chips）[16]技术是一类高通量、微型化分析蛋白质表达和蛋白功能的新型分离及鉴定技术。可分为生物化学型芯片、化学型芯片和缩微芯片三类。    　　生物化学型芯片与基因芯片的原理相似，芯片上固定的是结合特异蛋白质的分子如抗体、抗原、配体、受体及酶等，形成蛋白质的微阵列，依据蛋白分子间、蛋白与核酸、蛋白与其他分子相互作用实现检测目的。实验时将待检样品中的蛋白质用荧光素、同位素或酶分子标记，在适当的条件下与芯片作用，结合到芯片上的靶蛋白就会直接或间接通过底物发出特定信号（荧光、放射线或颜色），然后用激光共聚焦扫描仪、荧光透射扫描仪或质谱仪等对信号进行检测。这样的芯片已在肿瘤标志物分析中应用于临床[17]。    　　化学型芯片的设计基于传统色谱原理，在芯片表面包裹各种色谱介质，通过色谱介质的疏水力、静电力、金属螯合、共价结合等捕获样本中的目标蛋白，经特定的洗脱液去除杂质后，再用质谱进行检测保留在芯片上的蛋白，获得样品蛋白质表达谱。这类芯片已商品化，广泛应用于肿瘤等方面的研究[18]。Moscova等[19]利用强阳离子化学芯片研究卵巢癌细胞系发现磷脂酰肌醇3激酶（Phosphatidy linositol 3kinase, PI3K)通路调节白介素8、CXC chemokine ligand 1 (CXCL1)等化学激素分泌。    　　缩微芯片又称芯片实验室（Labon a chip）[20]，通过在玻片或硅片上制作各种微泵、微阀、微电泳、微通道以及微流路, 将生化实验室的分析功能浓缩固化在蛋白质芯片上，将蛋白质的分离、纯化、酶解、分析等步骤集中在一块玻片上进行，是蛋白质芯片技术发展的最终目标。由于微型化，单位体积表面积增加，分子扩散和热传导作用显著增强，生物检定、分析及化学合成能力均比常规条件增强[21]，新药开发领域对此充满期待。

　　5  化学喷墨印迹    　　化学喷墨印迹是一种结合了2DE技术和蛋白质芯片技术双重优点的新型技术[22]，直接将2DE分离结果转印到膜上，形成一个固相蛋白质阵列，然后利用特殊装置对选定的蛋白质点微小部分进行原位消化，采用压电脉冲技术，无接触式微量喷进质谱完成分析。该方法省去了2DE分离后胶内酶切的多个步骤，而且经2DE分离的蛋白质可以应用多种酶消化，联合进行蛋白质序列的鉴定。化学喷墨技术是发现新的诊断标记物和药物靶点的重要工具。    　　蛋白质组学技术本身在今后数年仍将快速发展，而且会向更高的自动化方向发展。蛋白质组学将推动对疾病本质的认识，协助解决复杂疾病包括肿瘤的预防、诊断、治疗和预后判定问题。

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