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1、第19 卷第 3 期2007 年6 月Vol. 19, No. 3Jun., 2007我国蛋白质组学研究现状及展望高雪，郑俊杰，贺福初*（军事医学科学院放射与辐射医学研究所，北京蛋白质组研究中心，蛋白质组学国家重点实验室，北京100850）摘要：蛋白质组学是系统研究分子机器、亚细胞器、细胞、组织、器官乃至整体等生物体系内蛋白质全组成及其活动规律的科学，已成为21 世纪生命科学的焦点之一。本文简要介绍了蛋白质组学研究背景，我国蛋白质组学研究现状、存在问题和前景展望。关键词：蛋白质组学；现状；展望中图分类号：Q51文献标识码：AThe progress and perspectives of pr
2、oteomics in ChinaGAO Xue, ZHENG Junjie, HE Fuchu*(State Key Laboratory of Proteomics, Beijing Proteome Research Center, Beijing Institute of Radiation Medicine,Beijing 100850, China)Abstract: Proteomics is a science which globally studies on a complete understanding of proteome in the moleculemachin
3、eries, organelles, cells, tissues, organs or intact organisms. It has been becoming the focus of lifesciences and the cutting-edged technique in biotechnologies in the 21st century. We briefly introduced thebackground and an overview on the progress, problems and perspectives of proteomics in China.
4、Key words: proteomics; progress; perspective收稿日期：2007-05-31作者简介：高雪(1 9 8 1 ) ，女，硕士研究生；贺福初( 1 9 6 2 ) ，男，博士，研究员，博士生导师，中国科学院院士，第三世界科学院院士，* 通讯作者，E-mail: 文章编号：1004-0374(2007)03-0257-07随着大量生物体全基因组序列的揭示，特别是人类基因组序列图测定的完成，人们发现仅从基因组序列的角度根本无法完整、系统地阐明生物体的功能。要想真正揭开生命现象的奥秘，需要系统地认识基因组的产物蛋白质组。蛋白质是生命存在和运动的物质基础，是细胞增
5、殖、分化、衰老和凋亡等重大生命活动的执行者，生理功能的产生以及病理性的变化往往由蛋白质的群体甚至整体共同完成。因此，对蛋白质群体尤其是蛋白质组的系统研究，将显著加深人们对生命现象与本质的认识和理解。1蛋白质组学研究背景“proteome”(蛋白质组)一词由澳大利亚Macquaie大学的Marc Wilkins 于1994 年首次提出，其含义是指一个基因组、一种生物或一种细胞/ 组织所表达的全套蛋白质1-3。2001 年2 月，Nature 和Science杂志在公布人类基因组序列草图的同时，分别发表了“And now for the proteome”和“Proteomicsin genome
6、land”的述评与展望，对蛋白质组学研究发出了时代性呼唤4-5。蛋白质组学运用“一网打尽”的“组学”研究模式，与以往研究单个蛋白质的“钓鱼”模式有所不同。它采用大规模、高通量、高灵敏度的技术手段，通过全局性研究基因组所表达的所有蛋白质在不同时间与空间的表达谱和功能谱，全景式地揭示生命活动的本质。在基础研究上，蛋白质组 专题258 生命科学第19 卷学研究将带来一系列有关生命科学特别是人体科学重大问题的突破。由于几乎所有重要的生命现象，如发育、代谢、信号传导、体内能量转换、神经活动等都关联到众多蛋白质复合体的活动，也即交汇于细胞蛋白质组，因而人类一些重要组织和细胞功能蛋白质组的揭示，将会广泛而深
7、入地推动基础生命科学研究。在应用研究上，蛋白质组学是发现大量新型生物标志物、药靶和药物的重要途径6，已成为生物医药产业及其相关产业发展的新生长点，其发展直接关系到未来整个生物技术产业及其相关产业的发展空间和市场份额，因此日益受到各国的普遍关注。1.1蛋白质组学已经成为世界各国奋力抢占的战略制高点蛋白质组学已成为重要的前沿领域之一。美国、加拿大、欧盟、日韩等国家和地区都已将蛋白质组学作为优先支持发展的领域，相继启动各具特色的大型蛋白质组学研究计划，大力推动本国蛋白质组学的发展，力图在这场新世纪最激烈的生命科学竞争中取得先机。如美国国立卫生研究院(NIH)提出的未来15年发展纲要NIH线路图(NI
8、HRoadmap)投入了大量经费支持蛋白质组研究(http:/nihroadmap.nih.gov)；美国能源部2003 年底出炉的美国未来二十年大型科学设施展望明确把蛋白质组学大型设施作为其发展重点之一，资助经费在5 0 0 0 万美元以上( h t t p: / /www. s c . do e . go v/Scientific_User_Facilities/History/20-Year-Outlookscreen.pdf)。欧共体先期资助了酵母蛋白质组研究并取得重要进展，随后在“第六框架计划”(SixthFramework Programme)中将蛋白质组学研究列为优先资助的重要领
9、域(http:/cordis.europa.eu/lifescihealth/home.html)；日本启动了“ 蛋白质3000 计划”(Protein3000 Project)，在结构蛋白质组研究项目上已经投入7 亿美金的研究经费(http:/www.mext-life.jp/protein/index.html)。许多跨国公司，尤其是制药企业和一些分析仪器公司纷纷投入巨资，加强蛋白质组研究，抢占蛋白质组研究相关产业的巨大市场。2001 年，国际上最大的蛋白质组公司GeneProt在瑞士成立，该公司投资1.22 亿美元建立了大规模蛋白质组研究中心7。独立完成人类基因组测序的Celera公司也
10、宣布投资上亿美元于蛋白质组学领域8。这一新兴领域已成为国家、企业等多个层次的国际性战略争夺目标。1.2国际人类蛋白质组计划已经启动20 01 年，国际人类蛋白质组组织( H uma nProteome Organization, HUPO)成立，提出了人类蛋白质组计划(Human Proteome Project, HPP)(http:/www.hupo.org/)。人类蛋白质组计划是继人类基因组计划(Human Genome Project, HGP)之后生命科学领域最大规模的国际性科技工程，也可能是21世纪第一个重大国际合作计划。由于蛋白质组研究的复杂性和艰巨性，人类蛋白质组计划将按人体组
11、织、器官和体液分批启动的策略实施。首批行动计划包括由美国科学家牵头的人类血浆蛋白质组计划和由中国科学家牵头的人类肝脏蛋白质组计划(http:/www.hlpp.org/)。随后由英国科学家牵头的蛋白质组标准化计划(http:/ 正酝酿启动重要疾病生物标志物计划，致力于利用蛋白质组学技术寻找重要疾病的生物标志物，以提高其预警、早期诊断和治疗水平。在HPP 的起始阶段，已初步构建了人血浆9、胎肝10、成人肝脏蛋白质组表达谱。从2006 年开始，HPP 进入全面发展阶段，蛋白质组表达谱的构建已经逐步由起始阶段数量上的竞争，向标准化、定量化、动态化和功能化发展，并且更加关注低丰度的蛋白质。同时，蛋白质
12、组的修饰谱、相互作用网络以及全细胞/ 亚细胞的定位研究也逐步深入。1.3众多国家和地区成立蛋白质组学术组织并踊跃参与国际计划欧美以及亚太地区许多著名的研究院所和大学利用其雄厚的生命科学研究基础，都不同程度地开展蛋白质组学研究，从不同层次、不同视角对人体乃至整个动、植物和微生物进行了广泛的蛋白质组分析，在此基础上寻求物种起源和物种构成的物质基础。在HUPO 的号召和带领下，许多国家和地区相继成立了各自的蛋白质组学术组织，如亚太地区人类蛋白质组组织(AOHUPO)、北美地区人类蛋白质组组织( AHUPO) 、中国人类蛋白质组组织(CNHUPO)等。目前，许多从事蛋白质组研究的科学家纷纷联合起来，达
13、成广泛共识，有组织、有第3期高雪，等：我国蛋白质组学研究现状及展望259计划、分重点地全面推动和实施人类蛋白质组计划。经过10 余年的积累，国际蛋白质组学研究已经进入蓬勃发展时期，一批高水平的研究成果陆续在Cell、Nature 和Science 等杂志上发表。针对不同组织或细胞中蛋白质的表达、定位、相互作用网络与功能关系的研究取得了系列突破性进展11-16。2我国蛋白质组学研究现状2.1发展历程我国蛋白质组学研究经历了最初仅国内少数几个单位参与到逐步发展壮大最后走向世界，并在国际上占有一席之地的发展历程。国家自然科学基金委员会于1998 年设立了重大项目“蛋白质组学技术体系的建立”，在中国科
14、学院生物化学研究所、军事医学科学院、复旦大学与湖南师范大学初步建立了以生物质谱为代表的技术平台，启动了蛋白质组学研究，并在国际上较早提出了功能蛋白质组学的研究策略。2001 2003 年间，国家“973”项目“人类重大疾病的蛋白质组学研究”、国家科技攻关项目“人类重大疾病与重要生理功能相关的蛋白质组学研究”、国家“8 6 3 ”项目“蛋白质组研究技术平台的建立及其在癌症研究中的应用”和“蛋白质组技术平台的建立及其在肿瘤泛素通路研究中的应用”、以及北京市重大科技项目“肝脏及重大肝病的蛋白质组学研究”等项目相继启动。这些项目集中了国内十余家优势单位，针对严重影响我国人民健康的重大疾病和重要生命科学
15、问题开展了系统的蛋白质组研究。中国科学家团队于2002年在国际上率先提出了“人类肝脏蛋白质组计划”(Human Liver ProteomeProject, HLPP)17，并提出了蛋白质组“两谱(表达谱、修饰谱)、两图(连锁图和定位图)、三库(样本库、抗体库和数据库)”的科学目标，获得国际学术同行的认同与响应。这是第一个人体组织/ 器官的蛋白质组研究计划。HLPP 一经提出就引起全球蛋白质组学领域科学家的高度关注，目前报名参与该研究项目的国家有中国、美国、法国、加拿大等18 个国家和地区的100 多家实验室。Nature、Science和Nature Biotechnology等杂志相继高度
16、评价了此项计划18-20。2004 年，国家科技部启动了“中国人类肝脏蛋白质组计划”重大专项，国内70 余家实验室共同参与了该计划。在我国中长期科技发展规划中，蛋白质组研究作为“蛋白质研究计划”的一项核心内容，已明确被列为我国重要的战略发展领域之一，国家将在未来15 年形成更大规模和更深层次的部署，对蛋白质组研究予以更大力度的支持。随着我国蛋白质组学研究队伍的不断壮大，我国蛋白质组学研究的重心也逐步从最初以建立技术平台，开展技术方法的研究、整合为主，发展到以高通量蛋白质组学研究技术平台为基础，深入研究关系我国人民健康的重大疾病问题和重要生命科学问题。2.1.1蛋白质组学支撑技术目前我国已建立具
17、有国际先进水平的、高通量、高灵敏度的蛋白质组学研究技术平台，并且成功开展了人重要生理及病理相关的蛋白质组学研究，如人胎肝蛋白质表达谱、磷酸化修饰谱10、肺癌21和肝癌22差异蛋白质组等研究。同时，依靠平台的优势，领衔实施了HLPP计划，成功建立了规范化中国人肝脏组织标本库和国际第一个系统化人类健康肝脏蛋白质组表达谱数据库；积极参与国际人类血浆蛋白质组计划(HPPP)23；此外还参与了钩端螺旋体的全基因组生理和病理特征注解工作24。与此同时，发展和完善了一批具有自主知识产权的蛋白质组新技术新方法。在蛋白质分离方面，发展了一系列新型液相色谱、加压电色谱、电色谱与质谱联用接口等新技术，提高了蛋白质分
18、离的通量和灵敏度，如多维强离子交换- 阵列式毛细管高效液相色谱新技术使蛋白质/酶解肽样品分析时间缩短18 倍以上25。在蛋白质鉴定方面，引入了一系列新材料使生物分子的分离、酶解、离子化变得更加有效，如利用新型纳米晶体材料直接富集低丰度肽/ 蛋白26-27。鉴于抗体技术对实现蛋白质组学诸多研究目标的重要作用，我国已初步建立规模化的抗原和抗体制备技术平台以及服务于HLPP计划的抗人肝脏蛋白质规模化抗体库。在抗体制备方面应用组分化抗原成功制备了针对人类肝脏线粒体蛋白质28、人类血浆蛋白质29等的高质量单克隆抗体，有效提高了制备通量。在基于抗体的免疫诊断技术方面，建立了以时间免疫分辨技术(TRF)为核
19、心的新一代肝脏疾病免疫诊断技术，成功研制了肝脏疾病诊断、治疗效果监测和预后判断的免疫试剂盒并进入新药报批。鉴于生物信息学在蛋白质组研究中不可替代的支撑作用，我国已建立大规模蛋白质组数据质量控260 生命科学第19 卷制标准、数据分析策略、集成化通用全流程蛋白质组学实验数据管理系统以及系列蛋白质组数据库10,30-31，并有效服务于国内外一系列蛋白质组研究重大专项和合作计划。在HLPP 计划中，构建了国际上最完善的人类肝脏蛋白质组信息数据库，包括表达谱、修饰谱、相互作用连锁图、定位图和抗体的数据库，对系统阐释人类肝脏的重要生理功能积累了数据资源。在蛋白质组分析和相关算法方面，建立了蛋白质组学数据
20、自动质量控制32、蛋白质相互作用预测方法和网络拓扑结构分析33-34、蛋白概率计算方法评估系统35等，为开展蛋白质组功能深入研究奠定基础。2.1.2蛋白质组表达谱和修饰谱研究在蛋白质组表达谱研究方面，选择具有良好转录组研究基础的组织/ 细胞作为研究对象，如胎肝10、成人健康肝脏、肝癌细胞36等，首次构建了人胎肝蛋白质组表达谱10，为HLPP 计划的实施打下基础；鉴定了中国成人健康肝脏蛋白质6 788 个，并建立国际上第一个系统化的人类健康器官蛋白质组表达谱数据库。此外，在对正常人尿液的蛋白质组表达谱研究也取得一系列成果37-38。在蛋白质组修饰谱特别是磷酸化修饰研究方面，取得良好进展。成功构建
21、了人胎肝蛋白质组磷酸化修饰谱10。发展和评价了一个迅捷、有效的研究酪氨酸磷酸化信号系统的亚细胞蛋白质组学方法，对肝癌细胞株的酪氨酸磷酸化蛋白质及其复合物进行了鉴定与分析，从中发现了一系列具有重要功能的新的酪氨酸磷酸化蛋白质及其位点39-40。此外，在植物蛋白质组 41 、微生物蛋白质组42-44以及亚细胞蛋白质组研究方面45-46，也取得一系列进展并发表于国际蛋白质组学核心刊物，得到国内外同行认可。2.1.3蛋白质组相互作用网络和定位研究在蛋白质组相互作用研究方面，首次构建了人胎肝蛋白质组相互作用网络连锁图。基于规模化酵母双杂交技术和具有我国自主知识产权的高通量基因克隆表达与蛋白质分离纯化技术
22、平台，克隆了肝脏表达基因3 500 个，完成了1 000 余个诱饵的文库筛选，获得了1 000余种高可信度的蛋白质相互作用数据，构建了中国人健康肝脏蛋白质相互作用网络的框架，为进一步开展重要蛋白质相互作用及功能蛋白质的发掘与深入功能研究奠定了基础。在蛋白质组定位研究方面，基于高通量细胞微阵列定位技术进行了规模化的蛋白质细胞和亚细胞定位、与特定蛋白质相互作用的蛋白质筛选以及新的蛋白酶体作用底物的发现等一系列研究47-48，为下一步蛋白质组定位图的绘制、重要蛋白质在细胞、亚细胞和超微结构三个水平的精确定位及定位规律的发现做好准备。2.1.4重大疾病发生发展相关的蛋白质组学研究通过对中国人群高发的肝
23、病、恶性肿瘤、心血管疾病、新发传染病等重大疾病发生、发展和转移过程中的蛋白质表达、修饰、相互作用以及亚细胞分布等系统研究，发现或证实了一系列具有重要生理功能或与疾病发展密切相关的新蛋白质、蛋白复合体或已有蛋白质的新功能。在肝病蛋白质组研究方面，建立了大规模的肝癌和其他肝胆疾病的样本库，构建了独具特色的肝癌发生和转移研究的细胞株和实验动物模型49，首次发现并验证了HSP2750、CK1951、p2852等具有临床应用价值的潜在疾病分子标志物和药物靶标。对正常肝- 肝炎- 肝硬化- 小肝癌- 大肝癌等蛋白质组表达谱动态变化的研究，初步发现了肝病发生发展的规律及其蛋白质表达特征53-54，建立了肝炎
24、- 肝硬化- 肝癌- 肝癌转移的多分子判别模式。在恶性肿瘤蛋白质组研究方面，筛选到一批与鼻咽癌55-56、肺癌57和白血病58-59等肿瘤发生发展有关的蛋白质(群)和候选标志蛋白质，为揭示肿瘤发病机制提供了重要线索，通过进一步研究将有望用于肿瘤的诊断和治疗。在心血管疾病蛋白质组研究方面，建立了大鼠高血压、动脉粥样硬化的动物和细胞模型，发现、鉴定了一批心血管疾病相关重要蛋白质并提出了预警和药物靶标的候选蛋白质60。在新发传染病严重急性呼吸系统综合征(SARS)蛋白质组研究方面，首次鉴定了SARS 冠状病毒结构蛋白质61-62，进行了SARS 冠状病毒感染细胞的蛋白质组定量分析63，对发病过程中病
25、人血浆中各种蛋白质含量的变化进行了研究64。这些重要进展为深入认识上述疾病病理生理学机制提供了重要启示，更为以寻求疾病预警和防治药物靶标为重要目标的疾病蛋白质组学研究开拓了研究思路，奠定了科学基础。2.2存在问题面对发展迅速且竞争日益激烈的国际蛋白质组学研究领域，尽管我国已取得一系列可喜成绩，但是就目前的核心技术体系及研究水平，仍然存在以下问题和挑战。第3期高雪，等：我国蛋白质组学研究现状及展望2612.2.1蛋白质组学核心支撑技术体系有待进一步完善首先，尽管十五期间我国发展和完善了一批具有自主知识产权的新技术新方法，蛋白质分离富集(高丰度蛋白质去除、低丰度蛋白质富集)、标记技术、新材料应用、
26、相互作用、定量、动态研究等方面在蛋白质组学及相关专业国际重要刊物发表，研究成果受到国际同行的关注，但是这些新技术和新方法在蛋白质组研究中的规模化应用和推广尚不够理想，现有成熟技术在其他领域或行业中的应用也不够重视。其次，目前日益激烈的国际竞争，迫切要求我国在现有基础上建立更大规模的、高通量、自动化的蛋白质组学支撑技术平台，形成有力支撑，从而保证我国“蛋白质研究计划”和“国际人类蛋白质组计划”等大型科技计划顺利实施。2.2.2重大疾病发生发展的蛋白质组学研究方面尚未形成系统在疾病发生发展的病理生理机制方面，目前尚缺乏对疾病相关蛋白质的功能群分析和对疾病发展不同阶段蛋白质表达变化规律的关注，因此为
27、其病理生理机制的阐明所提供的信息还不够充分。在疾病分子标志物的发现与确证方面，尽管已获得大量可能的“疾病标志物”候选蛋白质，但由于缺乏大人群、大样本的验证，因而尚未真正广泛应用于临床的预警和诊断。在疾病蛋白质组学的研究策略方面，现有研究往往集中于一大类疾病中的一个或少数几个病种，或者其研究对象仅仅在疾病中晚期阶段某一种临床表型状态下研究其发生与转归的生物学基础，至今还没有成熟的研究策略对于一大类疾病或不同疾病之间的发生发展与转归规律的蛋白质基础进行综合分析，因此难以比较疾病的共性和个性发展规律，发现疾病特异性标志蛋白。3前景展望基于我国蛋白质组学的研究现状及存在问题，我国蛋白质组研究应以国家中
28、长期科技发展规划纲要为导向，针对蛋白质组学和功能基因组学的重大科学问题，从关系我国国计民生的重大疾病防、诊、治需求出发，以人体和模式生物重要器官、组织、细胞及体液等为材料，全面系统地开展蛋白质组学研究。系统完善高通量、规模化蛋白质发现和鉴定、功能蛋白质组学核心支撑技术体系，完善蛋白质组学研究的科学体系，逐步实现对人类基因组的全面注释以及人类基因组、转录组和蛋白质组数据的对接。发现一批重要功能基因和蛋白质并阐明其调控网络，揭示人类基因组序列的变异与人类多基因疾病和其他生物学性状的蛋白质组学基础，发展基于分子机制的疾病预防、诊断和治疗的新途径、新方法。我国蛋白质组学未来重点研究的科学问题及发展方向
29、建议集中在以下五个方面：第一，系统完善蛋白质组学研究支撑技术平台，全面发展相关新技术新方法并广泛推广应用；第二，针对我国有较好研究基础及具有重要生理功能或/和重大应用价值的生物体/ 组织/ 细胞，系统建立其蛋白质组或亚蛋白质组的“两谱”( 表达谱和修饰谱) 、“两图”( 连锁图和定位图) ；第三，开展针对上述生物体/ 组织/ 细胞的蛋白质之间作用机制的功能蛋白质组研究；第四，以关系我国国计民生的人畜重大疾病、重要生物资源为对象，进行重要生理/ 病理体系或过程的比较蛋白质组研究，针对候选标志物(群)进行面向人(畜)群的临床/ 病理验证，同时开展多病种的规模性疾病蛋白质组研究，建立疾病多层面、多阶
30、段、多病种的比较蛋白质组学分析策略；第五，发展完整、系统的蛋白质组学生物信息分析体系，开展系统生物学研究。在组织管理方面，针对重点研究的科学问题遴选若干有较好前期基础或有重大突破潜力的研究方向，组织跨学科、跨行业、跨部门、跨地域的大科学协作，集中人力和财力，分步实施，保证重点，建立具有重大国际影响并做出重大历史贡献的国际蛋白质组学研究与开发基地，形成一批战略技术储备和重大科研成果，实现资源共享，从而推动我国生命科学与生物技术的整体水平迈入国际领先行列，提升我国的国际竞争力。参考文献1 Kahn P. From genome to proteome: looking at a cellsprot
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