大規(guī)模基因組測(cè)序計(jì)劃的實(shí)施已改變生命科學(xué)的重心，在相當(dāng)短的時(shí)期內(nèi)，一些原核生物和某些低等真核生物的基因組序列已被測(cè)定。1995年，流感嗜血桿菌基因組序列首次被破譯，在此后不到兩年的時(shí)間，近50個(gè)細(xì)菌的基因組序列已被完成。然而，這僅僅是理解有機(jī)物功能的一個(gè)起點(diǎn)。在基因組時(shí)代，許多DNA序列信息僅提供相關(guān)基因組的結(jié)構(gòu)和功能。然而，對(duì)基因產(chǎn)物（mRNA和蛋白質(zhì)）的理解是理解細(xì)胞生物學(xué)的一個(gè)不可缺少的部分。DNA序列信息不能預(yù)測(cè)：1)基因表達(dá)產(chǎn)物是否或何時(shí)被翻譯；2)基因產(chǎn)物的相應(yīng)含量；3)翻譯后修飾的程度；4)基因剔除或過表達(dá)的影響；5)遺留的小基因或<300 bp的ORFs的出現(xiàn)；6)多基因現(xiàn)象的表型。此外，mRNA水平的測(cè)量并不能完全揭示細(xì)胞調(diào)節(jié)；且蛋白質(zhì)的樣品較mRNA 穩(wěn)定；蛋白質(zhì)和mRNA之間的相關(guān)系數(shù)僅為0.4～0.5，還存在轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯調(diào)節(jié)以及翻譯后加工等。故而，“基因組時(shí)代”的迅猛發(fā)展同時(shí)激起了人們對(duì)“后基因組時(shí)代”中蛋白質(zhì)組研究的需求。

1 蛋白質(zhì)組的含義

蛋白質(zhì)組(Proteome)的概念最先由Marc Wilkins提出，指由一個(gè)基因組(genOME)，或一個(gè)細(xì)胞、組織表達(dá)的所有蛋白質(zhì)(PROTein)。蛋白質(zhì)組的概念與基因組的概念有許多差別，它隨著組織、甚至環(huán)境狀態(tài)的不同而改變。在轉(zhuǎn)錄時(shí)，一個(gè)基因可以多種mRNA形式剪接，并且，同一蛋白可能以許多形式進(jìn)行翻譯后的修飾。故一個(gè)蛋白質(zhì)組不是一個(gè)基因組的直接產(chǎn)物，蛋白質(zhì)組中蛋白質(zhì)的數(shù)目有時(shí)可以超過基因組的數(shù)目。

蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics)處于早期“發(fā)育”狀態(tài)，這個(gè)領(lǐng)域的專家否認(rèn)它是單純的方法學(xué)，就像基因組學(xué)一樣，不是一個(gè)封閉的、概念化的穩(wěn)定的知識(shí)體系，而是一個(gè)領(lǐng)域。蛋白質(zhì)組學(xué)集中于動(dòng)態(tài)描述基因調(diào)節(jié)，對(duì)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)水平進(jìn)行定量的測(cè)定，鑒定疾病、藥物對(duì)生命過程的影響，以及解釋基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制。作為一門科學(xué)，蛋白質(zhì)組研究并非從零開始，它是已有20年歷史的蛋白質(zhì)(多肽)譜和基因產(chǎn)物圖譜技術(shù)的一種延伸。多肽圖譜依靠雙向電泳(Two-dimensional gel electrophoresis，2-DE)和進(jìn)一步的圖象分析；而基因產(chǎn)物圖譜依靠多種分離后的分析，如質(zhì)譜技術(shù)、氨基酸組分分析等。

2 蛋白質(zhì)組研究的核心用于分離的雙向電泳(2-DE)

蛋白質(zhì)組研究的發(fā)展以雙向電泳技術(shù)作為核心。雙向電泳由O’Farrell’s于1975年首次建立并成功地分離約1 000個(gè)E。coli 蛋白，并表明蛋白質(zhì)譜不是穩(wěn)定的，而是隨環(huán)境而變化。雙向電泳原理簡(jiǎn)明，第一向進(jìn)行等電聚焦，蛋白質(zhì)沿pH梯度分離，至各自的等電點(diǎn)；隨后，再沿垂直的方向進(jìn)行分子量的分離。目前，隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，已能分離出10 000個(gè)斑點(diǎn)(spot。當(dāng)雙向電泳斑點(diǎn)的全面分析成為現(xiàn)實(shí)的時(shí)候，蛋白質(zhì)組的分析變得可行。

樣品制備(sample prepareation)和溶解同樣事關(guān)2-DE的成效，目標(biāo)是盡可能擴(kuò)大其溶解度和解聚，以提高分辨率。用化學(xué)法和機(jī)械裂解法破碎以盡可能溶解和解聚蛋白，兩者聯(lián)合有協(xié)同作用。對(duì)IEF(isoelectric focusing)樣品的預(yù)處理涉及溶解、變性和還原來完全破壞蛋白間的相互作用，并除去如核酸等非蛋白物質(zhì)。理想的狀態(tài)是人們應(yīng)一步完成蛋白的完全處理。近來，在“變性劑雞尾酒”中，含14～16個(gè)碳的磺基甘氨酸三甲內(nèi)鹽(ASB14～16 )的裂解液效果最好。而離液劑2 mol/L硫脲和表面活性劑4%CHAPS的混合液促使疏水蛋白從IPG(immobilized pH gradients)膠上的轉(zhuǎn)換。三丁基膦(Tributyl phosphine，TBP )取代β-巰基乙醇或DTT完全溶解鏈間或鏈內(nèi)的二硫鍵，增強(qiáng)了蛋白的溶解度，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)至第二向的增加 。兩者通過不同的方法來增加蛋白的溶解度，作為互補(bǔ)試劑會(huì)更有效。在保持樣品的完整性的前提下，可利用超離和核酸內(nèi)切酶去除核酸(DNA)。除此之外，機(jī)械力被用來對(duì)蛋白分子解聚，如超聲破碎等。另外，添加PMSF等蛋白酶抑制劑，可保持蛋白完整性。由于商品化的IPG膠條是干燥脫水的，可在其水化的過程中加樣，覆蓋整個(gè)IPG膠，避免在樣品杯中的沉淀所致的樣品丟失。此外，低豐度蛋白(low abundance protein)在細(xì)胞內(nèi)可能具有重要的調(diào)節(jié)功能，代表蛋白質(zhì)組研究的“冰山之尖”，故分離低豐度蛋白是一種挑戰(zhàn)。亞細(xì)胞分級(jí)和蛋白質(zhì)預(yù)分級(jí)、提高加樣量(已達(dá)到1～15 mg級(jí)的標(biāo)準(zhǔn) 、應(yīng)用敏感性檢測(cè)，可以提高其敏感性。如一種多肽免疫2-DE印跡(MI-2DE)是利用幾種單克隆抗體技術(shù)來分析和檢測(cè)。提高組蛋白和核糖體蛋白等堿性蛋白(basic proteins)的分離是另一難點(diǎn)。由于堿性pH范圍內(nèi)凝膠基質(zhì)的不穩(wěn)定及逆向電滲流(EOF)的產(chǎn)生，對(duì)PI(等電點(diǎn))超過10的堿性蛋白，通過產(chǎn)生?0～10%?的山梨醇梯度和16%的異丙醇可減少之。亦可用雙甲基丙烯酰胺來增加基質(zhì)的穩(wěn)定性。

2-DE面臨的挑戰(zhàn)是高分辨率和重復(fù)性。高分辨率確保蛋白最大程度的分離，高重復(fù)性允許進(jìn)行凝膠間配比(match)。對(duì)2-DE而言，有3種方法分離蛋白：1)ISO-DALT(isoelectric focus)以O’Farrell’s技術(shù)為基礎(chǔ)。第一向應(yīng)用載體兩性電解質(zhì)(carrier ampholyte，CA)，在管膠內(nèi)建立pH梯度。隨著聚焦時(shí)間的延長(zhǎng)，pH梯度不穩(wěn)，易產(chǎn)生陰極漂移。2)NEPHGE(non-equilibrium pH gradient electrophoresis用于分離堿性蛋白(pH>7.0)。如果聚焦達(dá)到平衡狀態(tài)，堿性蛋白會(huì)離開凝膠基質(zhì)而丟失。因此，在等電區(qū)域的遷移須在平衡狀態(tài)之前完成，但很難控制。3)IPG-DALT發(fā)展于80年代早期。由于固相pH梯度(Immobilized pH gradient，IPG的出現(xiàn)解決了pH梯度不穩(wěn)的問題。IPG通過immobiline共價(jià)偶聯(lián)于丙烯酰胺產(chǎn)生固定的pH梯度，克服了IEF的缺點(diǎn)，從而達(dá)到高度的重復(fù)性。目前可以精確制作線性、漸進(jìn)性和S型曲線，范圍或?qū)捇蛘?/SPAN>pH梯度。新的酸性pH 3～5或堿性pH 6～11的IPG凝膠梯度聯(lián)合商品化的