质谱技术在蛋白质组学和代谢组学研究中的应用.doc

质谱技术在蛋白质组学和代谢组学研究中的应用 ??? 质谱技术在当前生物医学领域的研究热点集中体现在蛋白质组学和代谢组学中的广泛应用。蛋白质组学和转录组学技术作为整体的研究模式，其在生物医学领域的快速发展为从整体水平上认识各种生物机制提供了一种重要的研究手段。 ??? 关键词：质谱；蛋白质组学；代谢组学 ??? 前言 ??? 直至20世纪80年代早期，质谱仍然主要活跃于化学领域。由于生物来源化合物具有热稳定和难挥发的性质，不能采用当时的电离方法进行分析，制约了质谱在生物领域的应用。尽管热裂解样品或衍生化生成特殊的化合物如脂肪酸后，可完成生物物质的质谱分析，然而分析完整生物分子的质谱始终停滞不前。 粒子轰击电离方法的出现，敲开了生物分析领域的大门，尤其是等离子共振吸收（Plasma resonance desorption, PD），快原子轰击（Fast atom bombardment, FAB）和快离子轰击类似方法的出现，使质谱的分析范围扩展到多肽，多糖和寡核苷酸等。质谱技术的迅速发展不断促进质谱功能的多样化，其应用已扩展到生物化学、分子生物学、药学、环境监测等各个领域。在前期，主要应用FAB、PD和激光吸收电离（Laser desorption ionization, LDI）质谱分析全细胞或细胞裂解物的脂类，脂肪酸和内毒素等。在后期，电喷雾质谱（Electrospray ionization mass spectrometry, ES MS）和基质辅助激光解析电离质谱(Matrix assistant laser desorption ionization mass spectrometry, MALDI MS)技术的突破性进展极大的促进了质谱在生物领域的应用，具有对样品的破坏性小，高质量检测范围，分子量测定准确，样品纯度要求低，适合分析成分复杂的微生物样品的优点，已迅速发展成为检测和鉴定生物大分子如多肽、蛋白质、低聚糖、核酸等的有力手段，特别是MALDI TOF MS在分析复杂混合物和未纯化的样品时更具有优越性。质谱与高分辨率的二维SDS PAGE已经成为蛋白质组研究中必不可少的工具；与其它分析方法如液相色谱(Liquid chromatography, LC)、气相色谱(gas chromatography, GC)和电泳技术等的联用，尤其是ES MS和LC或毛细管电泳(Capillary electrophoresis, CE)的联用，使质谱的分析范围进一步扩大，极大的推进了生物质谱的发展[1, 2]。 ???随着后基因组时代的到来，各种“组学”技术蓬勃发展，这种整体的研究模式无疑加深了质谱技术在生物医学领域研究中的重要性。在蛋白质组学和代谢组学研究中，质谱技术作为最重要的研究手段在疾病发生发展、毒素暴露、药物治疗等各领域中发挥着重要的作用。 ???1、质谱的原理与方法 ???质谱由最初在化学领域广泛使用到在生物领域中大显身手，主要归因于新电离方法的出现。但是从本质上讲，各种类型的质谱都具有相同的分析过程，包括分析物的电离，质量分离和检测三个步骤，首先是分析样品在特定的条件下电离，转变为高速运动的离子，由于这些离子的质量/电荷比（m/z）不同，在静电场和磁场的作用下就能够实现分离，用特定的检测器可以记录各种离子的相对强度并形成质谱图，最后进行质谱分析。质谱提供的典型信息包括分子量，分子结构和化合物的元素组成。以下仅简单介绍热裂解质谱（Pyrolysis MS, Py-MS），MALDI TOF MS，ES MS和串联质谱（Tandem MS/MS）的基本原理。 ??? 1.1 Py-MS ???在惰性气体或真空中热降解复杂的物质，使分子在不牢固的结合点裂开，产生较小的、具挥发性的碎片称为热解物，这个过程称为热裂解。居里点（Curie-point）裂解可较为直接的说明这种技术，首先将样品干燥至合适的金属上，快速加热到金属的居里点，然后用质谱仪分离热裂解组分，得到热裂解图谱，这种组合的技术即是所谓的热裂解质谱。 热裂解是一种可控制的热降解过程，能够快速分析非挥发性的样品。热裂解质谱能分析样品的全部化学成分，并将结果记录为质谱图，从而完成鉴定。在结果分析方面，已有的研究多数采用建立的人工神经网络（artificial neural network，ANN）分析结果。Roger Freeman即是应用ANN这一系统，根据平均的热裂解图谱实现了结核分枝杆菌和牛分枝杆菌的区分，显示出ANN具有的鉴别能力[3]。 1.2 MALDI TOF MS ??? MALDI是在20世纪80年代由德国科学家karas和Hillenkamp发现的质谱电离方式，其基本原理是将微量样品与过量小分子基质混合到一起，点加到样品盘上，溶剂