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蛋白質組學的原理及應用
蛋白怎么“讀”
“讀”，在字典里的意思是識取、讀取，放在蛋白研究中可以理解為對生物樣本中未知單一蛋白或復雜蛋白的篩選、鑒定或者定量檢測。
自2003年4月14日人類基因組計劃（HGP）宣告完成以來，基因組研究取得了舉世矚目的成就。基因組學雖然在基因活性和疾病的相關性方面為人類提供了有力證據，但實際上絕大多數疾病并不是因為基因序列改變所造成。并且，基因的表達方式錯綜復雜，同樣的基因在不同條件下、不同生理期可能發揮著*不同的功能，許多生物學問題僅從基因組水平來研究遠遠不夠，需要對生命活動的直接執行者——蛋白質進行更深入的研究。
蛋白質組（proteome）一詞是澳大利亞科學家Williams和Wilkins于1994年首先提出的，它是指基因組表達的所有相應蛋白質的集合，即細胞、組織或機體全部蛋白質的存在及其活動方式。相比較基因組，蛋白質組是一個動態的概念，其更容易受到環境因素的影響而發生動態變化。因此，通過監測蛋白質組的變化更容易找到與疾病狀態和細胞生理病理過程相關的分子機理或可診斷疾病的分子標志物。
蛋白質組學是指利用各種技術手段來研究蛋白質組的一門新學科，本質上指的是在大規模水平上研究蛋白質的特征，包括蛋白質的表達水平、翻譯后的修飾、蛋白與蛋白相互作用等，由此獲得蛋白質水平上的關于疾病發生、細胞代謝等過程的整體且全面的認識。
隨著LC-MS-MS技術的迅猛發展，一篇2014年發表在nature上的文章展示了人類*個蛋白質組草圖，擁有17，294個蛋白，這也代表蛋白質組學在人體高通量的研究一個里程碑式的進展。但是，目前僅僅是初步鑒定了這些蛋白，至于其功能等細致性工作僅僅是冰山一角，要“讀懂”蛋白質，我們還有很長的路要走。
目前，利用蛋白質組學技術，我們可以解決如下問題：
1、 單一蛋白鑒定
單個蛋白質身份鑒定是生物化學領域常見的問題，目前有兩大方法：Edman降解法和質譜法。質譜法又細分為兩類：MALDI-TOF和LC-MS/MS，主流文獻中的方法都是LC-MS/MS，LC-MS/MS具有更高的靈敏度和幾乎100%的可靠性，且具有MALDI-TOF不可比擬的從單一蛋白質膠帶中準確鑒定出多個蛋白質組分的能力，也是目前使用極廣泛的蛋白質組學手段。
2、 蛋白質組全譜鑒定
蛋白質組學的核心內容之一就是蛋白質鑒定，如2014年Nature發表的人類蛋白質組草圖。傳統的方法如蛋白質微量測序、氨基酸組成分析（如Edman降解法）費時費力、通量低，存在不容易實現規模化和自動化，結果靈敏度差等問題。當前主流的基于軟電離技術的液相色譜-質譜系統（LC-MS/MS）是實現高通量蛋白鑒定的主要方法。
3、 蛋白質定量
從生命活動的直接執行者——蛋白質的角度研究生命現象和規律（特別是疾病防治和病理研究）已成為研究生命科學的主要手段。而這些研究往往離不開對細胞、組織或器官中含有蛋白質種類和表達量的研究。對處不同時期、不同條件下蛋白質表達水平變化的研究，尋找生物標志物，這些研究都需要對蛋白質進行鑒定和定量。生物質譜技術的出現和不斷成熟為蛋白質差異表達分析提供了更可靠、動態范圍更廣的研究手段。當前，基于質譜技術的定量技術主要有iTRAQ、SWATH、SILAC和Label-free。
4、 蛋白質相互作用
蛋白質很少單獨發揮作用，在所有生物功能中，蛋白質復合物的功能占主導地位。在所有細胞中，蛋白質是重要的組成部分，并且在大多數細胞功能中蛋白質間的相互作用是基本的活動。如基因轉錄、細胞周期調控、信號轉導和調控等一些基本過程都依賴于正常功能的蛋白質復合物。干擾蛋白質的合成或者擾亂蛋白復合物的組裝經常會導致細胞功能的紊亂，并且zui終引發疾病。因此，在疾病病理生理學研究方面，蛋白質之間相互作用的透徹研究已變得非常重要，由此也可以找到新的藥物作用靶細胞。通過液質聯用技術（LC-MS/MS）對IP、Co-IP、Pull-down等純化樣本中的蛋白混合物進行鑒定，可同時鑒定目的蛋白及其相互作用蛋白，從而構建與目的蛋白的蛋白質相互作用譜。
5、蛋白質翻譯后修飾
越來越多的研究發現，許多重要的生命活動、疾病發生不僅與蛋白質的豐度相關，更重要的是被各類蛋白質翻譯后修飾（PTMs）所調控。因此深入研究蛋白質翻譯后修飾對揭示生命活動的機理、篩選疾病的臨床標志物、鑒定藥物靶點等方面都具有重要意義。如今，蛋白修飾已經成為上蛋白質研究的一個極其重要的領域，目前研究比較成熟的有磷酸化、乙酰化、糖基化、泛素化等。利用高質量的蛋白質修飾類抗體和富集材料，將修飾肽段富集，然后通過LC-MS/MS系統和生物信息學分析，即可實現修飾底物的高通量鑒定和修飾的動態定量。