各位生物學的學霸們一定對中心法則都不陌生，最簡化的中心法則是 DNA 經過轉錄成為 RNA，RNA 經過翻譯成為蛋白質，由于蛋白質組學（簡稱蛋白組）關心的是翻譯成為蛋白質后發(fā)生的事情，因此這里就不贅述諸如逆轉錄，轉錄后調控等過程了。

研究什么

那么蛋白組究竟研究的是什么呢？

簡單的說呢，就是高通量或者說大規(guī)模地研究蛋白質的科學。具體來說主要是三大塊：

• 第一，蛋白質定性，或者說大規(guī)模檢測某些蛋白質是否存在于樣品當中；

• 第二，蛋白質定量，也就是大規(guī)模檢測某些蛋白質的含量（包括絕對含量與相對含量）；

• 第三，蛋白質翻譯后修飾，這些修飾主要包括磷酸化，泛素化，糖基化，乙?；鹊?，也包括對這些翻譯后修飾的定量研究。

這三大塊中所提到的大規(guī)模，既可以是樣品數量的大規(guī)模高通量，也可以是少量樣本中蛋白數量的大規(guī)模高通量。

研究原因

有的同學可能又要問，簡單的定性定量研究，有了 RNA-seq 等高通量的實驗方法，為什么還學要蛋白組學呢？

首先，由于翻譯調控和翻譯后調控的存在，RNA 的表達量與實際對應蛋白質的含量相關性并不高，1999 年， 蛋白組學界大神 Steven Gygi 還在另一位大神 Ruedi Aebersold 門下學習時發(fā)表的古老文章¹，就簡單地測試了酵母中 mRNA 和對應蛋白質的定量相關性，結果是，低豐度蛋白與 mRNA 的相關性尤其低，而高豐度蛋白和其 mRNA 的相關性則高，經過平均后 r 值僅為 0.4。

那么，低豐度蛋白都指的是什么呢？

諸如蛋白激酶，轉錄因子等調控性蛋白大多都是低豐度蛋白，這些可都是做學術的各位最為青睞的蛋白呀。當然，這篇文章年代久遠，蛋白與 mRNA 相關性的討論在學術界依然激烈，相當大一部分文章也依然使用 mRNA 來代表蛋白含量，但是，由此我們也可以知道，如果想要精細了解一個蛋白質的定量信息，直接觀察蛋白質本身才是最為靠譜的方案。

其次，很多蛋白質的功能和調控與其翻譯后修飾密不可分，例如，有的蛋白質需要磷酸化后才能行使功能²，有的蛋白質會在特定條件下經過泛素化降解³，從而通過調節(jié)其豐度而調節(jié)其在細胞內功能，這兩篇文章都是我所待過的實驗室的研究成果，一篇是講植物光信號的轉導，一篇是講人體鐵內穩(wěn)態(tài)的調控，由此也可以知道，蛋白質翻譯后修飾對于從植物到動物都起著非常重要的作用，那么了解它們定性定量信息的重要性就不言而喻了。

如何研究

說了這么多，我們究竟怎么研究蛋白質組學呢？

大概分為兩類，基于抗體免疫的方法，和基于質譜學的方法。

抗體免疫的方法呢，其實就是 ELISA，Western 及蛋白質芯片。通過合成大量蛋白質特異的抗體，能夠進行定性檢測及相對定量分析，只要你有好用的抗體，那么就可以通過免疫反應讓抗體快速的識別你感興趣的蛋白質，然后用例如 HRP 發(fā)光等標記方法顯示它們是否存在于你的樣品當中。現在已有的抗體不僅能識別特定蛋白質，還能識別特定修飾的特定蛋白質或者被特定修飾過的特定蛋白質 Motif。

基于抗體的方法呢，好處是速度快，特異性好，靈敏度也相對高，壞處呢，是通量低，價格高……有人可能會說有蛋白質芯片呀，我個人非常懷疑蛋白質芯片里究竟有多少抗體是特異性好且效價高的。

目前高通量檢測蛋白質的方法中，還是首推基于質譜的方法，納流液相可以將復雜樣品中的肽段高效地分離，然后依次進入質譜，對每個被離子化的肽段及其碎裂后碎片的荷質比進行分析，從而得到該肽段的序列信息，然后根據對應的色譜峰面積或者報告離子強度等信息，我們又可以得到該肽段的定量信息。

綜上所述呢，基于質譜的方法呢，不僅一次性告訴你，你的樣品里都有哪些蛋白質，蛋白質都有多少，還能告訴你它們帶沒帶翻譯后修飾，修飾在哪個氨基酸上面，這種修飾的蛋白有多少。

隨著質譜儀器與檢測方式的進步，對于樣品信息的覆蓋率以及低豐度蛋白的靈敏度，正在快速提高。

那么到底有多高呢，2014 和 2015 年人類蛋白組圖譜^4,5 的兩篇報道，通過多組織樣品全蛋白組分析，已經可以從推測的 2 萬多個可編碼蛋白中做到了 90% 的覆蓋，而當時的儀器條件來說，單次 60 分鐘梯度，也就檢測出約 1000 個蛋白質，如今對于癌細胞，一次 60 分鐘的梯度可以達到約 4000 個蛋白質的水平甚至更多。

對于可以解決的科學問題，蛋白組學與傳統(tǒng)免疫沉淀等生化方法聯(lián)用，可以一次找出目標蛋白的多個相互作用蛋白⁶，蛋白組學與交聯(lián)及冷凍電鏡聯(lián)用可以得到蛋白復合體的結構信息⁷，可以進行絕對定量用于臨床檢測⁸ 等等。

如果大家感興趣，我今后還會給大家再寫一些小文章進一步跟大家交流和學習相關方面的知識和技術。

參考文獻