蛋白质组学实验教材课程40页PPT

3.4.1 蛋白质组数据库
蛋白质组包括大量的信息：蛋白质的序列信息、加工和修饰信息、表达 结构功能信息、与其他蛋白质形成复合物的信息。
蛋白质 数据库
拟南芥数据库 拟南芥蛋白数据库PAT 苜蓿数据库DOME
3.4.2 蛋白质鉴定分析软件
例如 ：2-DE成像分析软件：Melanie ,QUEST 蛋白质鉴定软件：MASCOT ,PROWL
（2）基因组的组成是固定的，蛋白质组的组成是动态的。 基因组在所有细胞中几乎都是相同的，与之不同，蛋白质组具有 很高的细胞和组织特异性。 基因组是相对稳定的，蛋白质组处于高度动态变化之中。
（3）细胞内蛋白质的拷贝数（108）远比基因拷贝数大（105）。
（4）基因可采用PCR扩增和自动测序，而蛋白质还没有这些技术。
蛋白质组学分为表达蛋白质组学和细胞图谱蛋白质组学。前者利 用各种先进技术研究蛋白质表达的整体变化,即研究在机体的生长发 育、疾病和死亡的不同阶段中,细胞与组织的蛋白质组分的变化;后者 主要通过分离蛋白质复合物系统地研究蛋白质间的相互作用
2.蛋白质组和基因组
蛋白质组和基因组的关系：它们在概念上有相关性，代表某一蛋白
5. 植物蛋白质组学研究的前景和挑战
植物蛋白质组学的研究与应用面临3个主要问题： 1.表达的整体分析以及蛋白质组编目
大规模整体性的分析蛋白质在某一个细胞或组织中的含量以及动 态表达是蛋白质组学的研究目标之一。 2.大规模的蛋白质功能研究 蛋白质最大的挑战是鉴定每一个蛋白质以及它们的异构体的功能， 一个较有前景的策略是通过酵母双杂交系统整体性研究植物蛋白 质之间的相互作用。 3.建立完整的蛋白质调控网络 建立蛋白质调控网，不仅可以提供蛋白质之间的相互关系的信息， 而且还可以和基因组学、转录组学、代谢组学等信息联系起来。

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科技部已将疾病蛋白质组研究列入我国“973” 计划项目和“863”计划项目；国家自然科学基 金委员会也将“蛋白质组研究”列为重点项目。
我国在鼻咽癌、白血病、肝癌和肺癌蛋白质组 研究方面取得了较大的进展。
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第二节 蛋白质组表达模式的研究方法
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主要研究目标
研究蛋白质组组成成分、差异和功能
Genomics （基因组学） Post-genomic science （后基因组时代）
Functional genomics （功能基因组学） ▪ Transcriptomics（ 转录组学） ▪ Proteomics （蛋白质组学） ▪ Metabolomics （代谢组学）
Structural genomics （结构基因组学）
明确各种蛋白质分子是如 何形成类似于电路的网络的；
描绘蛋白质的精确三维结构，揭 示其结构上的关键部位，如与药物结 合并且决定其活性的部位。
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蛋白质组研究包括两个方面：
Proteomics
表达蛋白组学
The study of global changes in protein expression
1994年由Williams和Wilkins提出，是一个动态的概念， 指的是不同细胞在不同时相表达不同的蛋白质。
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蛋白质组：
对应于基因组的所有蛋白质构成的整体，不是 局限于一个或几个蛋白质。
同一基因组在不同细胞、不同组织中的表达情 况各不相同 。
在空间和时间上动态变化着的整体。
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蛋白质组学
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背景
基因数量有限性和基因结构的相对稳定性 VS 生命现象的复杂性和多变性 从genomic到proteome

代谢性疾病蛋白质组学研究通过对糖尿病、肥胖症等代谢 性疾病相关蛋白质的分析，发现了一些与代谢过程密切相 关的关键蛋白质。这些蛋白质涉及糖代谢、脂肪代谢等多 个方面，为药物研发和个体化治疗提供了新的思路和靶点 。同时，对代谢性疾病蛋白质组学的研究也有助于深入了 解疾病的发病机制，为疾病的预防和治疗提供科学依据。
蛋白质组学揭示基因表达 的复杂性
蛋白质组学研究关注基因表达的最终产物蛋白质，揭示了基因表达的复杂性和多样性 。蛋白质的表达和功能受到多种因素的影响 ，如翻译后修饰、蛋白质相互作用等，这些
因素在基因组学研究中难以全面考虑。
蛋白质组学与代谢组学的关系
代谢组学为蛋白质组学提供上下文
代谢组学研究生物体内小分子代谢物的变化，为蛋白质组学提供了上下文和背景。蛋白 质的功能和表达往往与代谢物的变化相互关联，了解代谢物的变化有助于更深入地理解 Nhomakorabea02
蛋白质组学研究技术
蛋白质分离技术
双向凝胶电泳技术
通过改变电泳的pH值和电场强度， 将复杂的蛋白质混合物分离成多 个有序的蛋白质带，以便后续的 鉴定和分析。
蛋白质芯片技术
将蛋白质固定在固相支持物上， 通过与特定的配体或抗体相互作 用，实现对蛋白质的快速、高通 量筛选和检测。
蛋白质免疫沉淀技
术
利用抗体与目标蛋白质的特异性 结合，将目标蛋白质从复杂的混 合物中分离出来，常用于蛋白质 相互作用的研究。
详细描述
癌症蛋白质组学研究通过对癌症细胞和正常细胞蛋白 质表达谱的比较，发现了一系列与癌症发生发展相关 的关键蛋白质。这些蛋白质涉及细胞信号转导、细胞 周期调控、细胞凋亡等多个方面，为癌症治疗提供了 潜在的药物靶点。
案例二：神经退行性疾病蛋白质组学研究

拖尾"point streaking") 。
3.二相SDS-PAGE
丙烯酰胺/甲叉双丙烯 酰胺溶液
分离胶缓冲液
10%（w/v）过硫酸铵 溶液
（30.8%T，2.6%C）：30%（W/V）丙烯酰胺和 0.8%甲叉双丙烯酰胺的水溶 液。将 300g 丙烯酰胺和 8g 甲叉双丙烯酰胺溶解于去离子水中，最后用去离
研究 内容
蛋白质的研究内容主要有两方面：
1、结构蛋白质组学：主要是蛋白质表达模型的研究，包括蛋白质氨基酸序列 分析及空间结构的解析种类分析及数量确定; 2、功能蛋白质组学：主要是蛋白质功能模式的研究，包括蛋白质功能及蛋白 质间的相互作用。
研究 内容
蛋白质组学可分为三个主要领域： 1、蛋白质的微特性以供蛋白质的规模化鉴定和他们的后翻译饰； 2、“差异显示”蛋白质组学供蛋白质水平与疾病在广泛范围的有力应用比 较； 3、应用特定的分析技术如质谱法（包括串联质谱法、生物质谱法）或酵母 双杂交系统以及其他蛋白质组学研究新技术研究蛋白质-蛋白质相互作用。
该方法所研究的蛋白均是在体内经过翻译后修饰的，并且是可 分离的天然状态的相互作用蛋白复合物，能够反映正常生理条件下的 蛋白质间相互作用
蛋白质相互作用
2、酵母双杂交系统：
该系统利用真核细胞调控转录起始过程中，DN A结合结构域(binding domain,BD)识别DNA上的特异序列并使转录激活结构域(activation domain, AD)启动所调节的基因的转录这一原理，将己知蛋白X和待研究蛋白Y的基 因分别与编码AD和BD的序列结合，通过载体质粒转入同一酵母细胞中表 达，生成两个融合蛋白。若蛋白X和Y可以相互作用，则AD和BD在空间上 接近就能形成完整的有活性的转录因子，进而启动转录，表达相应的报告 基因;反之，如果X和Y之间不存在相互作用，报告基因就不会表达。这样， 通过报告基因的表达与否，便可确定是否发生了蛋白质的相互作用。

但是仅仅进行鉴定并不能提供用以阐明蛋白质的功 能的全部信息，监控蛋白质的表达水平对阐明细胞 体内存在的各种生物进程是非常重要的。因此，定 量蛋白质组学作为蛋白质组学研究的重要一部分被 提出来。
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常用研究方法
以质谱技术为基础的化学标记定量方法 荧 光 差 示 双 向 凝 胶 电 泳 技 术 （ F－2D－
质量变化依赖于氮原子数目，因此对未 知的蛋白质难以进行定量。
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（二）稳定同位素标记的必需氨基酸体 内标记(SILAC法)
高等动物细胞的生长中需要一些必需氨基酸的摄入，如赖氨酸 (Lys)、亮氨酸(Leu)、苯丙氨酸(Phe)等，这些氨基酸细胞自身 无法合成，需要从外界摄入补充。
在培养细胞时，可以在培养介质中特异的加入用稳定同位素标 记的某一种必需氨基酸，在经过适当的培养时间后，细胞中合 成的含有这类氨基酸的蛋白质几乎都掺入了标记的氨基酸 。
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MCAT策略流程：定性
Lys只在Trypsin酶切后的末端，所以产生的b离子都没有被修饰；所有的y 离子带Lys，因此被修饰。
在MS/MS图谱上，所有的b离子是单一条带出现，所有的y离子是成对出现， 丰度比例一样，且相差同样的m/z。
容易区分b离子和y离子，容易读出氨基酸序列。
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MCAT策略流程：定量
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–COOH羧基标记
通过对羧基酯化进行 标记
用H和D标记的甲醇酯 化标记，来定量研究 蛋白质表达量的差异
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羧基酯化标记进行蛋白定量研究
比例＝2 : 1
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缺点：
特异性不是很好，在C末端和Asp和 Glu残基上都有标记，且效率不均
采用的标记条件容易引起天冬酰胺 (Asn)和谷氨酰胺(Gln)的去酰胺

iTRAQ 结构
iTRAQ包括三部分：报告部分、肽反应部分、平 衡部分。 1、报告部分：有八种，因此iTRAQ可同时标记8 组样品。 2、肽反应部分：能与肽N端及赖氨酸侧链发生共 价连接而标记上肽段，几乎可以标记所有蛋白质。 3、平衡部分：保证iTRAQ标记的同一肽段的质荷 比相同。
辉骏生物：fitgene/
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2：蛋白质组学研究内容
2.1：蛋白质的表达模式 （1）生理、病理或不同发育状态下蛋白质组表达差异蛋白质信息库。 （2）蛋白质及其组成质点的分离、分析、鉴定。 2.2：蛋白质的功能模式 （1）蛋白质结构分析。 （2）蛋白之间相互作用，翻译后修饰，细胞定位等。
3: 化学标记法—iTRAQ
简介：
iTRAQ试剂是可与氨基酸末端氨基及赖氨酸侧链氨基连接的胺标记同重元素。在质谱图 中，任何一种iTRAQ试剂标记不同样本中的同一蛋白质表现为相同的质荷比。 在串联质谱 中，信号离子表现为不同质荷比(113-119，121)的峰，因此根据波峰的高度及面积，可以 鉴定出蛋白质和分析出同一蛋白质不同处理的定量信息。

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1：双向电泳
基于2D-PAGE 的经典定量分 析方法。 1、样品准备 和定量：抽提 对照组和各种 不同实验组的 蛋白质。 2、蛋白质分 离：蛋白质经 过2D-PAGE分离 后染色（银染、 考染等）。 3、蛋白质的 定性与定量分 析：通过与对 照组相Image Master 7.0分 析出实验组中 差异点，质谱 鉴定差异点蛋 白质,同时应用 软件分析出其 表达量的变化。
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ICAT的优点
• ICAT具有广泛的兼容性，主要表现在：(1) 能够兼容分析任何条件下体液、细胞、组 织中绝大部分蛋白质；(2)烷化反应即使在 盐、去垢剂、稳定剂(如SDS、尿素、盐酸 胍等)存在下都可进行；(3)只需分析含Cys 残基的肽段，从而降低了蛋白质混合物分 析的复杂性；(4)ICAT战略允许任何类型的 生化、免疫、物理的分离方法，因此能很 好地定量分析微量蛋白质。
双向凝胶电泳
• 首先利用等电点聚焦来分离不同等电点的 蛋白，再利用SDS－PAGE来分离不同分子 量的蛋白，其分辨率是非常高的。微克级 的蛋白质就可以被很好的分辨开了。
基质辅助的激光解吸电离技术
（MALDI）的发展
• 日本岛津公司的田中耕一的工作，是质谱分析发 展的一个主动力。 1987年，在第二届中－日质谱 分析联合讨论会上，田中耕一论述了软激光解吸 附技术可以使蛋白质分子离子化。一年之后，他 的这篇创造性的论文发表在Rapid Communications in Mass Spectrometry上。田中 耕一的工作为基质辅助的激光解吸电离技术 （Maldi）打下了基础。2019年，他和弗吉尼亚联 邦大学的John B Fenn，由于他们对软吸附电离 方法上的贡献一起被授予了该年度诺贝尔化学奖
应用实例
• 1.通过比较给药前后细胞的蛋白质组, 鉴别出毒理学的蛋白质标志物 。
• 2. 疟疾疫苗的研究。
ICAT技术
同位素标记的亲和标签（isotope-coded affinity tag， ICAT）技术作为一种体外标记稳定同位素的相对定量方法， 已经成为重要的蛋白质组学定量分析方案。2019年，Gygi 等人用化学方法合成一种能和半胱氨酸反应的亲和试剂， 称为稳定同位素编码的亲和标签，它有轻链和重链(稳定重 同位素)两种形式，可以在体外标记不同状态下的蛋白质样 品，酶解并用亲和柱分离纯化被标记的肽段后，再用质谱 进行分析，和体内标记法一样也能够得到成对的峰表示不 同样品中肽段及对应蛋白质含量的差异。这种稳定同位素 亲和标签技术可以广泛地应用在细胞和组织的定量蛋白质 组学分析上，提供精确的蛋白质相对定量数据。

蛋白质组学技术
本节将介绍蛋白质组学常用的实验技术和分析方法，包括质谱、二维电泳、 蛋白质结构预测等。
蛋白质组学应用领域
本节将探讨蛋白质组学在生物医药、农业和环境科学等领域的应用，展示其 广泛的研究价值。
蛋白质组学研究的重要性
本节将详细解释为何蛋白质组学研究对于解决生物学中的关键问题和推动科学进步具有重要意义。
《蛋白质组学》PPT课件
欢迎观看《蛋白质组学》PPT课件，本课程将介绍蛋白质组学的概念、技术、 应用领域和重要性，以及它的发展趋势。
课程介绍
本节将介绍蛋白质组学的基本概念和研究对象，以及在生物学研究中的重要 性。
蛋白质组学概述
本节将对蛋白质组学的研究内容、方法和技术进行概述，帮助您理解蛋白质组学的基本原理。
蛋白质组学的发展趋势
本节将展望析和应用拓展等方面。
结论和要点
本节将总结蛋白质组学课程的要点和结论，帮助您加深对蛋白质组学的理解 和应用。

功能蛋白质组学 结构蛋白质组学
.
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人类蛋白质组学研究进展
2001年成立国际人类蛋白质组组织（HUPO）， 2003.12.15启动两个首批行动计划 1.人类肝脏蛋白质组计划（HLPP）由中国军事医学科学
院副院长贺福初院士领导，16国80多个实验室参加。 中国第一次领导重大国际协作计划。 2. 人类血浆蛋白质组计划（HPPP）由美国科学家牵头， 13国47个实验室参加。
双向电泳后的凝胶
经染色后蛋白呈现二维
分布图： 水平方向反映出蛋
白在pI上的差异， 垂直方向反映出它
聚焦后凝 胶放置在 SDS凝胶 上，进行 第二向电 泳
们在分子量上的差别。
第二向电泳： SDS-PAGE
pH9
.
pH9
pH3
分子量大 分子 量小
pH3
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(1)等电聚焦 凝胶电泳 （ IFE）
利用载体两 性电解质在电场 作用下沿电场方 向在凝胶内形成 一个连续而稳定 的pH梯度。
根据一定的配方计算后，将适宜的IPG试剂添加至混 合物中用于凝胶聚合，在聚合中缓冲基团通过乙烯键共 价聚合至聚丙烯酰胺骨架中而形成pH梯度。通过这种方 式生成的IPG不会发生电渗作用，因而可以进行特别稳 定的IEF分离达到真正的平衡状态。
.
5
第一节 蛋白质组及蛋白质组学基本概念
.
6
什么是蛋白质组？
蛋白质组(proteome)：
PROTEOME = PROTE in +genOME Proteins expressed by a genome.
是指“特定细胞、组织乃至机体作为一个 生命单元中所有蛋白质的集合，即生命体中携 带的基因信息在某一时段所表达的全部蛋白质。

• 在20世纪90年代中期，国际上萌发了一门研究细
胞内各种蛋白质的组成及其活动规律的新兴学科-蛋白质组学(proteomics)。
• 蛋白质组(proteome)这一概念是1995年由澳大利 亚学者最先提出来的，源于蛋白质（protein）与 基因组（genome）两个词的杂合，指的在一个 特定的时间和空间内，一个基因组､一种细胞组 织或一种生物体所表达的全部蛋白质。
• 对蛋白质组问题的研究称之为蛋白质组学
(proteomics)，主要是在整体水平上研究细胞 内蛋白质的组成及其活动规律。
第四页，共48页。
• 而化学在这里再一次与生物学的最新发展融合，形成新的交叉研究
领域-化学蛋白质组学(chemical proteomics)。化学蛋白质组学
是一个目前仍在不断扩展中的全新领域，学术界至今对其尚未有确
根据分子量大小进行分离。
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2，基质辅助激光解吸电离-飞行
时间质谱技术
• 基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱测量法以多 肽质量/电荷比为依据同数据库资料进行比较,进而
对蛋白质进行鉴定。此法通常被称为肽质量指纹法。
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3，色谱与质谱联用技术
• 将色谱技术与新型质谱技术相结合,可有效地克服双向凝胶电 泳/质谱的不足,确保了分析的准确性。
• 首先对蛋白质混合物进行酶切得到混合肽段,然后通过强离子交换
反相色谱柱进行多次分离,并连用液相色谱-串联质谱分析肽段, 而且通过核素标记肽段的技术实现蛋白定量分析。分离 后的产品离子得到完好地扫描,连用分析肽段,可以区分待
测蛋白质和其他类似物。
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第十三页，共48页。

为主要目标。这种观点更倾向于把蛋白质组学
作为研究生命现象的手段和方法。（差异表达
的蛋白质组）
.
7
蛋白质组学研究的范围
蛋白质的表达模式 蛋白质翻译后修饰研究 蛋白质-蛋白质相互作用的研究
.
8
二、蛋白质组学的研究方法
差异蛋白组学
.
9
生物学问题 的提出
实验模型 的设计
实验组和对照组 样品的制备
优点: 易获得 缺点: 这些细胞系从组织中分离出来并经体 外培养后蛋白质会发生许多变化
.
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（2） 外科手术切除的肿瘤组织
优点: 来源较为方便 缺点: 整个组织包括基质，纤维原细胞，免疫 细胞等，组织匀浆困难，不易分离总蛋白而蛋 白质组研究需要的通常是单一的细胞类型。
.
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（3）以激光捕获显微切割（ LCM）肿瘤 细胞
感兴趣 蛋白点 的切取
蛋白样品的IEF和PAGE电泳分离 图像扫描和初步分析
胰酶对脱色后蛋白质的消化 质谱的多肽指纹图、微测序分析
蛋白信息的 初步获得
质谱结果的生物信息学分析和比对 新蛋白质的发现
.
其它实验
的进一步
验证
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第一步 、蛋白质分离 蛋白质组分析的首要要求
将来自于全细胞、组织或生物体中所包含 的多达几千种混合蛋白质进行分离、检测 和分析 。
LCM是直接从冰冻或石蜡包埋肿瘤组织切片中 获取细胞。它是用乙烯醋酸盐聚合体膜覆盖在被 选择的细胞上，然后用红外激光熔化膜，这时膜 与组织在目标位置牢固结合，当膜被提起时，仅 目的细胞留在膜上。
优点：能准确切取肿瘤细胞
缺点：需昂贵的仪器
.
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第二步、蛋白质的分离
二维色谱 毛细管电泳 双向电泳(2DE)

Typical Mass Spectrum
Relative Abundance
aspirin
120 m/z-for singly charged ion this is the mass
Resolution in MS
Resolution in MS
783.455
QTOF
784.465 785.475
2 Unknown masses 1 hit on P21234 3 hits on P12345
Conclude the query protein is P12345
Database search
PeptIdent (ExPasy) Mascot (Matrix Science) MS-Fit (Prospector; UCSF) ProFound (Proteometrics) MOWSE (HGMP)
3: 化学标志法—iTRAQ
iTRAQ法。 1：样本经过不同处置后， 提取蛋白质; 2：蛋白质经过复原，封锁 后胰蛋白酶酶切; 3：肽段混合物分别用不同 的iTRAQ标志; 4：等量混合各种iTRAQ试剂 标志的肽段; 5：MS/MS质谱检测及分析。
4: SILAC
SILAC法。 细胞培育条件下稳定同位素 标志技术(Stable isotope labeling with amino acids in cell culture，SILAC)
450 698
2098 1940 (trp)
500
1000
1500
2000
2500
Query vs. Database
Query Masses Database Mass List Results

蛋白质组定义
1，基因组表达的全部蛋白质。 2，在一种细胞/组织内存在的全部蛋白 质。
Proteome
• 1994 M.Wilkins and K.W.Williams
•
Macquarie University in Sydney
• Total Proteins Complement of a Genome
环境
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
REAL COMPLEXITY…
IS IN CELLULAR ROTEOMES • BEYOND THE GENOME… • Tissue Specific Expression • Alternate Splicing, (1/3 of all genes) • Post-Translational Modifications
Functional
Proteomics
• During human development, cell express different proteins
• Normal and cancer cells express different proteins
• Cell treated with and without drug express different proteins
– Types and Level:
– Signal Sequence cleavage – Glycosylation
– Phosphorylation – Farnylation – Isoprenylation – Acetylation
• All combine > 100-1000 fold increase in complexity