蛋白質(zhì)組學(xué)與分析技術(shù)第一講

蛋白質(zhì)組學(xué)與分析技術(shù)任課教師：邱德文楊秀芬曾紅/p>

qiudewen@中國(guó)農(nóng)科院植物保護(hù)研究所課程名稱(chēng)：蛋白質(zhì)組學(xué)與分析技術(shù)英文名稱(chēng)：ProteomicsanditsAnalysisTechnology

講課課時(shí)：56學(xué)分：3蛋白質(zhì)組學(xué)與分析技術(shù)課程教學(xué)大綱教學(xué)目的和要求教學(xué)對(duì)象：中國(guó)農(nóng)科院碩士研究生知識(shí)背景：要求選修該課的學(xué)生基本掌握有關(guān)生物化學(xué)、分子生物學(xué)、普通生物學(xué)等相關(guān)農(nóng)業(yè)學(xué)科的基本理論及實(shí)驗(yàn)方法。目的：通過(guò)農(nóng)業(yè)蛋白質(zhì)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)踐學(xué)習(xí)掌握蛋白質(zhì)組學(xué)的基本概念和學(xué)習(xí)了解蛋白質(zhì)組學(xué)的現(xiàn)代分析技術(shù)。要求：通過(guò)課程的學(xué)習(xí)要求選修課程的學(xué)生熟知和掌握一個(gè)以上的蛋白質(zhì)組學(xué)的分析技術(shù)及方法，促進(jìn)蛋白質(zhì)分析技術(shù)在今后研究生科研工作中的運(yùn)用。課程重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)方法與教學(xué)設(shè)備要求：課堂講解及提問(wèn)討論，多媒體教學(xué)與黑板書(shū)寫(xiě)相結(jié)合重點(diǎn)：講授蛋白質(zhì)組學(xué)的基本理論所涉及的研究?jī)?nèi)容（蛋白質(zhì)分離純化及制備）及分析技術(shù)（蛋白質(zhì)相互作用、液質(zhì)聯(lián)儀及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的分析技術(shù)）；難點(diǎn)：該課程內(nèi)容多所設(shè)及的分析技術(shù)面廣，有關(guān)儀器設(shè)備難以普及，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用比較高目前不能安排相關(guān)試驗(yàn)課程，所以有關(guān)內(nèi)容比較抽象。課程內(nèi)容：蛋白質(zhì)組學(xué)主要講授內(nèi)容第一章蛋白質(zhì)組學(xué)概念一、蛋白質(zhì)組學(xué)概念二、蛋白質(zhì)組學(xué)研究與分析技術(shù)特點(diǎn)三、蛋白質(zhì)組學(xué)研究目的和意義四、蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)簡(jiǎn)介五、蛋白質(zhì)組學(xué)與分析技術(shù)課參考書(shū)第二章蛋白質(zhì)分離和提取的技術(shù)與方法一、蛋白質(zhì)的分離技術(shù)二、蛋白質(zhì)樣品的制備原則三、從生物樣品中抽提蛋白質(zhì)時(shí)需要考慮的幾個(gè)因素四、影響蛋白質(zhì)純化的因素五、蛋白純化技術(shù)六、蛋白質(zhì)的濃縮技術(shù)七、蛋白質(zhì)組學(xué)與分析技術(shù)課參考書(shū)第三章蛋白質(zhì)電泳分析技術(shù)一、蛋白電泳類(lèi)型二、2-DE電泳的蛋白樣品制備技術(shù)三、2-DE電泳技術(shù)三、2-DE分離后的蛋白檢測(cè)四、蛋白質(zhì)電泳圖像分析五、雙向凝膠電泳面臨的問(wèn)題第四章蛋白質(zhì)層析分析技術(shù)與方法一、吸附層析（AdsorptionChromatography）二、離子交換層析(IonExchangeChromatography，IEC)三、凝膠過(guò)濾層析(gelfiltrationchromatograpHy)四、親和層析(affinitychromatograpHy)五、聚焦層析(focusingchromatography)六、蛋白質(zhì)的分析制備七、高效液相層析與質(zhì)譜分析第五章高效液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用儀在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用一、高效液相色譜發(fā)展歷史二、高效液相色譜的儀器組成、應(yīng)用及特點(diǎn)三、樣品的預(yù)處理技術(shù)四、高效液相色譜法的固定相和流動(dòng)相的選擇五、液相色譜法的蛋白質(zhì)分離六、高效液相色譜的定性分析七、高效液相色譜在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用八、質(zhì)譜（MassSpectrometry，MS）第六章PCR技術(shù)在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用

一、PCR的發(fā)展概況二、PCR技術(shù)的基本原理三、PCR的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)四、PCR擴(kuò)增產(chǎn)物五、PCR循環(huán)的主要參數(shù)六、PCR相關(guān)技術(shù)第七章基因文庫(kù)與cDNA文庫(kù)在蛋白質(zhì)中的應(yīng)用

一、基因文庫(kù)二、基因文庫(kù)的分析方法與技術(shù)三、cDNA文庫(kù)四、cDNA文庫(kù)的分析方法與技術(shù)第八章基因芯片技術(shù)在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用

一、基因芯片技術(shù)及應(yīng)用二、基因芯片操作流程圖三、基因芯片操作實(shí)例第九章酵母雙雜交技術(shù)在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用

一、酵母雙雜交的基本原理二、酵母雙雜交系統(tǒng)的應(yīng)用三、酵母雙雜交體系的實(shí)驗(yàn)程序四、酵母雙雜交系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)五、酵母雙雜交技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)及展望第十章基因敲除和RNA干擾技術(shù)在蛋白質(zhì)組學(xué)中應(yīng)用

一、基因敲除的原理二、基因敲除技術(shù)的分析與應(yīng)用三、RNA干擾原理四、RNA干擾技術(shù)的分析與應(yīng)用第十一章蛋白質(zhì)表達(dá)系統(tǒng)的建立及應(yīng)用

一、各種蛋白質(zhì)表達(dá)系統(tǒng)及其特點(diǎn)二、在大腸桿菌中表達(dá)蛋白三、問(wèn)題探討四、蛋白質(zhì)在植物中的表達(dá)第十二章蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能解析一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的歷史回顧三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀四、蛋白質(zhì)單晶的培養(yǎng)五、生物大分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定六、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的最新方法參考書(shū)1、《蛋白質(zhì)組學(xué)導(dǎo)論》[美]D.C.利布萊爾.科學(xué)出版社2、《蛋白質(zhì)化學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)》.夏其昌，曾嶸.科學(xué)出版社3、《蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析：制備、鑒定與微量測(cè)定.》[德]RM坎普.科學(xué)出版社4、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)指南》（影印版）.[澳]R.J.辛普森5、《蛋白質(zhì)組學(xué)》[中]錢(qián)小紅賀福初.科學(xué)出版社6、《蛋白質(zhì)組學(xué)原理》[英]特懷曼.化學(xué)工業(yè)出版社7、《藥物研究中的蛋白質(zhì)組學(xué)》[美]哈馬馳科學(xué)出版社8、《植物基因組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)》[英]卡利斯化學(xué)工業(yè)出版社9、《基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)與疫苗》[意]格蘭迪10、《藥物蛋白質(zhì)組學(xué)》[中]郭葆玉人民衛(wèi)生出版社11、《基因組研究手冊(cè)基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、信息生物學(xué)、倫理學(xué)和法律問(wèn)題》[加拿大]森森科學(xué)出版社12、《蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)組學(xué)：生命科學(xué)新視野2》[英]索倫森科學(xué)出版社13、《BayesianInferenceforGeneExpressionandProteomics基因表達(dá)與蛋白質(zhì)組學(xué)貝氏分析》MarinaVannucci14、《蛋白質(zhì)生物農(nóng)藥》[中]邱德文等.科學(xué)出版社考試方式課程論文：20%，根據(jù)所學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)的概念和蛋白質(zhì)組學(xué)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用與蛋白質(zhì)組學(xué)的現(xiàn)代分析技術(shù)和研究方法結(jié)合個(gè)人的科學(xué)研究或設(shè)想提出一個(gè)蛋白質(zhì)組學(xué)分析技術(shù)的科學(xué)研究技術(shù)路線(xiàn)和主要研究?jī)?nèi)容。平時(shí)成績(jī)：20%（課堂回答及出勤）期末考試（筆試）：60%第一章蛋白質(zhì)組學(xué)的概念蛋白質(zhì)組學(xué)是研究與基因?qū)?yīng)的蛋白質(zhì)組的學(xué)科，蛋白質(zhì)組（proteome）一詞，源于蛋白質(zhì)（protein）與基因組（genome）兩個(gè)詞的雜合，意指“一種基因組所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)”,即包括一種細(xì)胞乃至一種生物所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）：MarcWilkins20世紀(jì)90年代早期提出的，有“基因組學(xué)”（genomics）和蛋白質(zhì)（protein）組合而成。蛋白質(zhì)組學(xué)的研究是生命科學(xué)進(jìn)入后基因時(shí)代的特征。90年代初期開(kāi)始實(shí)施的人類(lèi)基因組計(jì)劃，在經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家近20年的努力下，已經(jīng)取得了巨大的成就。完成了人類(lèi)基因的測(cè)序及二十余種模式生物（從大腸桿菌、釀酒酵母到線(xiàn)蟲(chóng)）基因組全序列的測(cè)定工作?；虻谋磉_(dá)方式錯(cuò)綜復(fù)雜，同樣的一個(gè)基因在不同條件、不同時(shí)期可能會(huì)起到完全不同的作用。關(guān)于這些方面的問(wèn)題，基因組學(xué)是無(wú)法回答的。所以，科學(xué)家們進(jìn)一步提出了后基因組計(jì)劃，蛋白質(zhì)組（proteome）研究是其中一個(gè)很重要的內(nèi)容。

蛋白質(zhì)組學(xué)是后基因組時(shí)代功能基因組學(xué)研究的新興學(xué)科和熱點(diǎn)領(lǐng)域。目前，蛋白質(zhì)組學(xué)已從早期用雙向電泳和凝膠蛋白鑒定進(jìn)行蛋白質(zhì)表達(dá)譜研究擴(kuò)展到蛋白質(zhì)研究的幾乎所有方面，如蛋白質(zhì)相互作用、翻譯后修飾、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)胞內(nèi)移位等，可以理解為大規(guī)模研究蛋白質(zhì)相關(guān)問(wèn)題的學(xué)科。蛋白質(zhì)的特征蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒(méi)有蛋白質(zhì)就沒(méi)有生命。它是與生命及與各種形式的生命活動(dòng)緊密聯(lián)系在一起的物質(zhì)。蛋白質(zhì)占人體重量的16%-20%。蛋白質(zhì)是生物體中廣泛存在的一類(lèi)生物大分子，由核酸編碼的α氨基酸之間通過(guò)α氨基和α羧基形成的肽鍵連接而成的肽鏈，經(jīng)翻譯后加工而生成的具有特定立體結(jié)構(gòu)的、有活性的大分子。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)氨基酸序列為蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序，以及二硫鍵的位置。TLYMSPDYAATTLEGLFHThr-Leu-Tyr-Met-Ser-Pro-Asp-Tyr-Ala-Ala-Thr-Thr-Leu-Glu-Gly-Leu-Phe-His蘇氨酸－亮氨酸－酪氨酸－甲硫氨酸－絲氨酸－脯氨酸－天冬氨酸－酪氨酸－丙氨酸－丙氨酸－蘇氨酸－蘇氨酸－亮氨酸－谷氨酸－甘氨酸－亮氨酸－苯丙氨酸－組氨酸蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子局區(qū)域內(nèi)，多肽鏈沿一定方向盤(pán)繞和折疊的方式，主要為Beta折疊和Alpha螺旋結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上借助各種次級(jí)鍵卷曲折疊成特定的球狀分子結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象。蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)：多亞基蛋白質(zhì)分子中各個(gè)具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈，以適當(dāng)?shù)姆绞骄酆纤纬傻牡鞍踪|(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)組對(duì)應(yīng)于基因組的所有蛋白質(zhì)構(gòu)成的整體，不是局限于一個(gè)或幾個(gè)蛋白質(zhì)。同一基因組在不同細(xì)胞、不同組織中的表達(dá)情況各不相同。在空間和時(shí)間上動(dòng)態(tài)變化著的整體。蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）指應(yīng)用各種技術(shù)手段來(lái)研究蛋白質(zhì)組的一門(mén)新興科學(xué)；其目的是從整體的角度分析細(xì)胞內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的蛋白質(zhì)組成成分、表達(dá)水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系，揭示蛋白質(zhì)功能與細(xì)胞生命活動(dòng)規(guī)律。功能蛋白質(zhì)組學(xué)（functionalproteomics）功能蛋白質(zhì)組：細(xì)胞在一定階段或與某一生理現(xiàn)象相關(guān)的所有蛋白質(zhì)。介于對(duì)個(gè)別蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)蛋白質(zhì)化學(xué)研究和以全部蛋白質(zhì)為研究對(duì)象的蛋白質(zhì)組學(xué)之間。從局部入手研究蛋白質(zhì)組的各個(gè)功能亞群體；將多個(gè)亞群體組合起來(lái)，逐步描繪出接近于生命細(xì)胞的“全部蛋白質(zhì)”的蛋白質(zhì)組圖譜。蛋白質(zhì)組學(xué)強(qiáng)調(diào)的是針對(duì)蛋白質(zhì)的一個(gè)整體思路，蛋白質(zhì)組學(xué)自其出現(xiàn)起，就有兩種研究策略。一種可稱(chēng)為“窮盡法”或“竭澤法”，即采用高通量的蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)，力圖查清生物體內(nèi)一切蛋白質(zhì)，這種大規(guī)模系統(tǒng)性的策略較為符合蛋白質(zhì)組學(xué)的本質(zhì)。另一種策略是“差異法”（也稱(chēng)為“功能法”）它著重于尋找和篩選任何有意義的因素引起的不同樣本之間的差異蛋白質(zhì)譜，試圖揭示細(xì)胞對(duì)此因素的反應(yīng)途徑、進(jìn)程與本質(zhì)，同時(shí)獲得對(duì)某些關(guān)鍵蛋白的認(rèn)識(shí)和功能分析。這種方法更趨向于把蛋白質(zhì)組學(xué)作為研究生命現(xiàn)象的手段和方法，技術(shù)上具有更高的可實(shí)現(xiàn)性，是目前蛋白質(zhì)組學(xué)在應(yīng)用上最具前景的領(lǐng)域。蛋白質(zhì)組學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要有兩個(gè)方面結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)和功能蛋白質(zhì)組學(xué)；結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)主要是蛋白質(zhì)表達(dá)模式的研究，包括蛋白質(zhì)氨基酸序列分析及空間結(jié)構(gòu)的解析，蛋白質(zhì)表達(dá)模式的研究室蛋白質(zhì)組學(xué)研究的基礎(chǔ)內(nèi)容，主要研究特定條件下某一細(xì)胞或組織的所有蛋白質(zhì)的表征問(wèn)題；功能蛋白質(zhì)組學(xué)主要是蛋白質(zhì)功能模式的研究，包括蛋白質(zhì)的功能和蛋白質(zhì)間的相互作用。蛋白質(zhì)的功能模式的研究是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的最終目標(biāo)，目前主要集中在蛋白質(zhì)組相互作用網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的研究，它是要揭示蛋白質(zhì)組成員間的相互作用、相互協(xié)調(diào)的關(guān)系，并深層次了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的相互關(guān)系，以及基因的結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。978Cell136,March6,2009蛋白質(zhì)組學(xué)與分析技術(shù)特點(diǎn)

蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展既是技術(shù)所推動(dòng)的也是受技術(shù)限制的。蛋白質(zhì)組學(xué)研究成功與否，很大程度上取決于其技術(shù)方法水平的高低。蛋白質(zhì)研究技術(shù)遠(yuǎn)比基因技術(shù)復(fù)雜和困難。不僅氨基酸殘基種類(lèi)遠(yuǎn)多于核苷酸殘基（20/4）,而且蛋白質(zhì)有著復(fù)雜的翻譯后修飾，如磷酸化和糖基化等，給分離和分析蛋白質(zhì)帶來(lái)很多困難。此外，通過(guò)表達(dá)載體進(jìn)行蛋白質(zhì)的體外擴(kuò)增和純化也并非易事，從而難以制備大量的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)的興起對(duì)技術(shù)有了新的需求和挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)組的研究實(shí)質(zhì)上是在細(xì)胞水平上對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行大規(guī)模的平行分離和分析，往往要同時(shí)處理成千上萬(wàn)種蛋白質(zhì)。因此，發(fā)展高通量、高靈敏度、高準(zhǔn)確性的研究技術(shù)平臺(tái)是現(xiàn)在乃至相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的主要任務(wù)。

蛋白質(zhì)組學(xué)與分析技術(shù)特點(diǎn)內(nèi)容多：蛋白質(zhì)組作圖、蛋白質(zhì)組成分鑒定、蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、新型蛋白質(zhì)發(fā)掘、蛋白質(zhì)差異顯示、同工體比較、基因產(chǎn)物識(shí)別、基因功能鑒定、基因調(diào)控機(jī)制分析、細(xì)胞周期、細(xì)胞分化與發(fā)育、腫瘤發(fā)生與發(fā)展、環(huán)境反應(yīng)與調(diào)控、物種進(jìn)化、新型藥物靶分子、人體病理介導(dǎo)分子、病原菌毒性成分、植物信號(hào)識(shí)別、植物誘導(dǎo)抗性、免疫增產(chǎn)激發(fā)子、抗蟲(chóng)蛋白晶體、植物病害毒素、植物致病相關(guān)蛋白等等。分析技術(shù)面廣：氨基酸組分、序列測(cè)定；SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳；毛細(xì)管電泳；高效液相色譜；質(zhì)譜；液質(zhì)聯(lián)儀；毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用；雙向凝膠電泳；蛋白質(zhì)芯片；蛋白質(zhì)生物信息學(xué)；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能；園二色譜；X光衍射；高能輻射；蛋白質(zhì)雜交技術(shù)；蛋白質(zhì)酶學(xué)技術(shù)。蛋白質(zhì)組學(xué)與分析技術(shù)特點(diǎn)分析技術(shù)面廣：氨基酸組分、序列測(cè)定；SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳；毛細(xì)管電泳；高效液相色譜；質(zhì)譜；液質(zhì)聯(lián)儀；毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用；雙向凝膠電泳；蛋白質(zhì)芯片；蛋白質(zhì)生物信息學(xué)；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能；園二色譜；X光衍射；高能輻射；蛋白質(zhì)雜交技術(shù)；蛋白質(zhì)酶學(xué)技術(shù)。蛋白質(zhì)組學(xué)研究的最終目標(biāo)

闡明生命細(xì)胞進(jìn)行代謝、信號(hào)傳導(dǎo)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)，并理解這些網(wǎng)絡(luò)如何在病理中失去功能，又如何通過(guò)干預(yù)如藥物和基因改變它們的功能。幾乎所有的生理和病理過(guò)程，以及藥物和環(huán)境因子的作用都依賴(lài)于蛋白質(zhì)，并引起蛋白質(zhì)的變化。反之，對(duì)蛋白質(zhì)組變化的分析也能提供對(duì)上述過(guò)程或結(jié)果的重要信息。蛋白質(zhì)組的研究不僅為生命活動(dòng)規(guī)