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蛋白质组学研究策略及在中药领域应用

⊙作者：卫军营

⊙编辑：一墨

蛋白质是生命活动的主要执行者，为应对生命过程中繁复的生理

过程，蛋白质不仅在结构上发生变化，更重要的是通过分子间的相互

修饰实现相关信号通路之间的开合来实现具体的生理调节功能。蛋白

质组(proteome)是一个细胞、组织、器官或生物体拥有的全套基因所

对应的全部蛋白质。蛋白质组学(proteomics)从整体的角度分析细胞

内动态变化的蛋白质组成成分、表达水平和修饰状态，可以全景式地

揭示生命活动的本质。蛋白质组还是研究疾病机理和预防诊治药物等

的直接靶体库。因此，蛋白质研究已成为21世纪生命科学的焦点之一。

成为新世纪最大的战略资源之一，是国际生物科技的战略制高点和竞

争焦点。

当前，蛋白质组学研究的一个重要方向是规模化地鉴定细胞、组

织、体液及亚细胞中的全部蛋白质。而高分辨率地分离分析策略与高

覆盖率地鉴定蛋白质息息相关。目前的蛋白质组学研究策略主要有两

种：一种是基于凝胶电泳–质谱技术(2DE或SDSMS/MS)的

经典蛋白质组学策略，另一种是基于二维液相色谱–串联质谱(2DLC-

MS/MS)技术的鸟枪法蛋白质组学(shotgunproteomics)策略。

1基于凝胶电泳的经典蛋白质组学策略

经典蛋白质组学研究策略的代表是双向凝胶电泳技术，通过该技

术获得蛋白质组的二维凝胶电泳图谱，然后对图谱进行扫描，可以通

过图谱差异分析，结合胶内酶解、质谱分析，从而实现对差异蛋白质

组的定性和定量分析。目前二维凝胶电泳仍然是少数能将数千种蛋白

质同时展示的分离技术。但是由于其有限的动态范围、及对极端蛋白

的歧视等因素，限制了该方法的进一步发展。

2鸟枪法(shotgun)蛋白质组学策略

基于二维液相色谱–串联质谱技术的鸟枪法蛋白质组学策略一定程

度上弥补了2-DE技术的局限。该技术利用胰酶将简单分离或未分离的

蛋白质样本酶解成复杂的肽段混合物，然后经二维液相色谱如强阳离

子交换(SCX)和反相液相色谱(RP)进行分离，最后利用串联质谱

(MS/MS)分析鉴定蛋白质。与经典蛋白质组学策略相比，该策略在识

别和鉴定低丰度蛋白、膜蛋白、酸性蛋白、疏水性蛋白以及相对分子

质量大的蛋白质方面有明显的优势，且回收率高，能保持蛋白质活性

和完整性，而且可以利用液相色谱将肽段混合物每一组分浓缩到很小

的体积(微升或纳升)后直接进入质谱检测，提高了检测的动态范围和灵

敏度，因此在蛋白质组学的研究中占有越来越重要的地位。

3蛋白质组深度覆盖研究及其技术策略

近年来，为了高覆盖率地鉴定细胞、组织、体液及亚细胞中的全

部蛋白质，进行所谓的蛋白质组深度覆盖研究，人们在鸟枪法蛋白质

组学策略基础上发展了多种技术策略。其中一种策略是采用超长色谱

柱和超长梯度时间分离的技术策略。例如Kocher等通过采用10小时

超长梯度时间分离的方法，一次分析实现了对4500余种蛋白质的鉴定

分析。Iwasaki等利用2米的超长色谱柱，并结合8小时的超长梯度时

间分离，一次分析实现了对3700余种蛋白质的鉴定分析。目前，采用

该策略能够实现对上万种蛋白质的深度覆盖鉴定。虽然该策略能够达

到很高的鉴定效率，但由于采用了超长的梯度时间进行分离，整个分

析所需要的时间相当长，这样就降低了蛋白质组分析的效率和通量，

限制了该策略的进一步应用。

另外一种能够实现深度覆盖研究的技术策略是多维高效液相色谱

(multidimensionalHPLC，MD-HPLC)分离技术。它利用两种或多种

不同分离机理组合成不同模式，通过在线或离线的方式进行偶联，从

而实现对复杂样品的分离鉴定。多维分离系统的数学模型指出，在一

定的条件下多维分离系统的峰容量为各单维分离模式峰容量的乘积。

因此，利用MD-HPLC技术，可以提高液质联用系统的分离能力和选

择性，缩短分析时间；也可以富集痕量组分，提高分析灵敏度；还能

从复杂的多种组分中排除干