化学与生物学新的前沿交叉领域——化学蛋白质组学

化学与生物学新的前沿交叉领域——化学蛋白质组学A New Intersectional Frontier Of chemistry and Biology

——Chemical Proteomics

摘要：在过去的十年里，许多种生物的DNA序列测定使我们开始有机会看到从一个完整基因组表达的所有蛋白质产物。蛋白质组学正面临着阐明这些蛋白质在正常和病理过程中的细胞功能的任务。然而，我们却面临着基因表达的多样性和复杂性的带来的困难。因此，需要可以直接对蛋白质活动进行直接定量检测的方法来揭示蛋白质在生理和病理事件中的功能。一个被称作化学蛋白质组学（Chemical proteomics）的新的研究领域就是在这种情况下产生的，化学反应组合的选择性可以对特定的蛋白质或蛋白质集合进行标记、纯化和分析。因此，这种技术有助于发现新的具有酶活性的蛋白质，还可能加速新药靶点的发现。我将在这篇文章中简要综述化学蛋白质组学的研究进展。

关键词：化学蛋白质组学；化学探针；研究进展；

Abstract:In the past decade, DNA sequencing of multiple organisms has provided us with oppurtunities to look at complete lists of protein products expressed from a whole genome. The field of proteomics is now challenged with the task of elucidating the cellular functions of these proteins in both normal and pathological pro-cesses.However,we are stucked with the variations and complications of the gene expression. Thus, methods that allow direct quantification of protein activities rather than simple abundance are required to uncover distinct protein functions in physiological and pathological events.A new research field called Chemicaol proteomics(or activity-based proteomics)has been created in this situation.The selectivity of the chemically reactive group allows specific proteins or protein subsets to be tagged, purified, and analyzed. As a result, this technique is able to identify novel enzymatic proteins and has the potential to accelerate the discovery of new drug targets.I will briefly summerize some advances in the research of Chemistry promeotics in this paper.

Key words:chemical proteomics;chemical probep;research advances

众所周之，化学是一门基础的自然科学，应用十分广泛，目前，化学正在不断地与其它学科领域发生交叉，产生一些新的研究方向，而生物学，作为研究生物的结构、功能、发生和发展的规律，与化学有着密不可分的关系。化学与生物学交叉产生的生物化学因其研究生命化学本质的内容，至今仍是生物学研究的基础分支科学之一。

近年来，随着人类基因组测序的完成，人们发现基因的表达方式错综复杂，同样的一个基因在不同条件、不同时期可能会起到完全不同的作用。人们越来越发现基因组学不能回答人类关于生命活动的许多问题，而蛋白质才是基因功能的实施者，了解蛋白质的结构、定位和蛋白质与蛋白质相互作用和蛋白质的功能则明显更有利于我们了解生命现象的本质。这便是蛋白质组学（promeotics）。

[1]

与传统的蛋白质研究技术不同的是蛋白质组学应用高通量的新技术手段、通过系统性、整体性和相互联系的新视角来研究基因组表达的蛋白质及其翻译后修饰以便得到生物体生理病理和信号转导过程的功能整合信息。而蛋白质组学的研究很大程度上要靠实验技术的发展推动，化学与生物学的一个新的交叉领域——化学蛋白质组学（Chemical Proteomics）就此产生。

本文将从三个方面综述目前国际上关于化学蛋白质组学研究的新进展。包括什么是化学蛋白质组学、化学蛋白质组学的主要研究内容及所用到的技术手段、化学蛋白质组学的在新药开发中的应用。

一．什么是化学蛋白质组学

作为一个与基因组相伴随的概念，在特定细胞、组织或有机个体内表达的蛋白质的集合被称作蛋白质组(proteom)。因此，蛋白质组学是用来解释蛋白质组内的所有蛋白质的的功能、结构和作用规律的。在进行蛋白质组学这一颇具难度的研究时，科学家们开发出了很多先进的手段，其中一个就是化学蛋白质组学。目前，学术界对于化学蛋白质组学尚没有一个统一的定义，但通常认为，化学蛋白质组学是一个利用体内和体外化学探针进行探索蛋白质功能的化学生物学的分支学科，他的目标是通过直接可见的蛋白质与其配体之间的反应来确定蛋白质的功能和作用机制。因为大多数的蛋白质的功能都依赖于小分子配体与靶蛋白结合的过程，利用能够与靶蛋白质特异作用的化学小分子来扰动和探测蛋白质组，有可能在蛋白质组的整体水平上，揭示我们感兴趣的特定蛋白质的功能以及它们与化学小分子的相互作用，以达到蛋白质组学研究的目的。[2]有别于以往的主要以蛋白质定性定量鉴定为基础的蛋白质组学技术，化学蛋白质组学利用化学小分子直接从功能角度切入蛋白质组的研究，因此，被认为是很有前途的新一代功能蛋白质组学技术。

化学蛋白质组学因此是传统的生化机制以基于系统的方式进行，使用或活化或亲和靶蛋白的探针，通过化学反应性或相关的结合位点各自的形状和性质。系统是由相关的蛋白质组的代谢途径，调控通路或结合到相同的配体。研究可以基于两种主要的蛋白质组样品类型：集合了蛋白质的蛋白质混合物或对给定的某一系统中的多个单个的蛋白质进行并行研究。虽然化学蛋白质组学这个研究领域是由共价标记策略，如同位素代码标记技术（ICAT）的使用产生的，他正在扩展到包括化学探针，蛋白质非共价结合，并包括更多的观察蛋白质配体相互作用的方法。[3]

二．化学蛋白质组学的主要研究内容和技术

1.蛋白质组与化学小分子之间的相互作用

小分子与细胞内靶蛋白质的相互作用是很多蛋白质生物功能的基础这种相互作用强弱不一，既可以是可逆的，也可以是不可逆的可以是单靶点的，也可以是同时作用于多个靶蛋白的，生物体细胞组织等蛋白质组的所有蛋白质经化学小分子处理前后的差异蛋白质组展示可以用来研究这种相互作用。目前，差异蛋白质组的研究方法仍是双向电泳(2一DE)和质谱(MS)鉴定联合应用，基于2-DE的二维差异凝胶电泳(2D-DIGE)方法弥补了以往2一DE的弱点，可在同一块胶上更精确、更直观地观察2种样品蛋白质的差异表达并对其定量[3]，提高了蛋白检测的灵敏度和重现性，更适用于差异蛋蛋白质组研究。另一种基于液相色谱的定量蛋白质

组技术同位素代码标记技术(ICAT)则是通过引入同位素标签的化学小分子探针标记蛋白质组,含半胱氨酸功能基团的蛋白质-来精确定量差异展示蛋白质组的。[4]

此外，为弥补二位差异凝胶电泳他们经常不能检测到翻译后调控蛋白质功能的蛋白质与蛋白质以及蛋白质与小分子之间的作用的不足，. Speers和Benjamin F. Cravatt开发出了ABPP，可以更高效地检测进行蛋白质组差异展示。[5]

2.利用化学小分子探测功能蛋白质组

基因组与转录组研究只需知道序列和丰度两个信息就可以了，而蛋白质在特定细胞和组织内的功能则可能会被很多不同的参数影响（Figure 1）。生物的蛋白质组在要比基因组大得多，通常，我们都是在整体水平上研究一部分感兴趣的功能蛋白质。美国Scripps研究所的Cravatt小组发展了一种新的化学蛋白组学技术，利用基于靶酶活性的特异化学小分子探针（activity-based probes,ABPs）来探测功能蛋白

质组该技术的原理是:合

成同时带有反应基团.和

标签基团的ABPs 试剂

与待研究的蛋白质组作

用(ABPs中的反应基团

能够特异性共价修饰蛋

白质组中的某类酶蛋白而

将化学小分子“挂”到感

兴趣的靶酶上，然后利用

ABPs中的荧光或生物素

标签基团又可将这些靶

酶一个个地从蛋白质组

中“钓”出来，由于ABPs

是针对待研究靶酶的活

性而定向设计的化学小

分子，因而能够直接检测

蛋白质组中感兴趣的靶

酶的活性。[6]

H.Ovaa和

F.Van.Leeuvan利用“亚蛋白质组”来解决研究对象过大的问题，他们从蛋白质组中剔除可能干涉检测的却不是所要研究的对象的大量蛋白质，而获得“亚蛋白质组”他们通过合理设计的试剂和大量的质谱技术来研究经过富集的蛋白质组。而有机合成则为选取较小的蛋白质组提供工具[7]（Fiugure 2）。

3.蛋白质微芯片技术

蛋白质微芯片（protein chip）技术是近年来在化学生物学中迅速发展起来的一项高新技术，其基本原理是，将各种蛋白质有序地固定于滴定板、滤膜或载玻片等各种载体上作为检测用的芯片，然后，用标记了特定荧光抗菌素的蛋白质或其他成分与芯片作用，将未能与芯片上蛋白质互补结合的成分洗去，再利用荧光扫描仪或激光共聚焦扫描技术，测定芯片上各点的荧光强度，通过荧光强度分析蛋白质间的相互作用，最终达到测定各种蛋白质功能的目的。

ZHU等将生物素化的钙调蛋白固定于载玻片上，采用蛋白质微芯片技术测定其与酵母蛋白质组中球蛋白的相互作用，结果，测得39种已知的钙调蛋白与激酶可产生相互作用，并发现33种新的蛋白质与钙调蛋白存有潜在的相互作用。

蛋白质微芯片技术不同于基于简单的核酸杂交的DNA芯片——DNA分子的组成只需4种核苷酸，其芯片中蛋白质具有复杂的连接方式，且由很多构件模块组成，需要高品质和包含广泛的表达文库、较好的排列产物的方法和大量活化的功能蛋白，这就使得蛋白质微芯片在固定蛋白质的稳定性方面比DNA芯片面临更大的挑战。[8]

目前，以日本科学家田中教授发明的“对生物大分子的MS分析法”为应用原理、由美国Chipher gen公司研发生产的蛋白质微芯片-飞行质谱仪，已经在国内外的多个蛋白质组学研究机构得到广泛应用[9]，其最大优点是检测快速、简便易行、样本用量少、可进行高通量分析，具有高度并行性、多样性、微型化和自动化的特点；不需进行蛋白质分离，只是利用抗体或其他类型亲和探针构成的芯片，即可直接在不经处理的各种体液和分泌物中进行检测等，并可同时检测几千

种蛋白质，效率非常高，且可检测到样品中特异性蛋白质的分子质量。因此，此项技术在蛋白质组学研究中较现有常规方法更具优势。

尽管蛋白质芯片技术前景诱人,但从目前的进展看，这种技术手段还存在一些棘手的问题，发展落后与基因微列阵新品，主要是与基因微阵列芯片相比,蛋白质目前还没有PCR那样的有效克隆手段,因而大规模制备纯化芯片点样蛋白是最大的瓶颈，而且，蛋白质的功能取决于其三维结构的完整性，对大量性质不同的蛋白质如何平行处理后仍在芯片上保留各自的生物活性也是一大难题。此外，基于蛋白质芯片的检测手段也有待提高。

三．化学蛋白质组学的在新药研发中的应用

化学探针可以用来研究从蛋白质表达、鉴定到细胞定位和调节的蛋白质组学研究的所有层，在这里，主要讨论化学探针在新药开发中的应用。

1.靶点的鉴别与确认

医药公司目前面临的最大挑战就是提供对于与治疗相关的蛋白质白靶点，靶点的选择很复杂，一个简单的靶点的选择可能要花掉大量的时间和金钱。据估计，一个进入医疗市场的新药的候选靶点需要250名全职雇员用一年的时间、花掉7千万美元。[10]其中的花费主要集中在新靶点的寻找和选择。不当的靶点选择将会造成大量人力和金钱的损失。而化学探针可以又快又好地发现更高效、对治疗更有帮助，也更容易被批准的靶点。化学谈怎将工作重点从鉴定新靶点转移到寻找更易于确认和用于新药开发的靶点。化学探针不仅可以用于早期疾病模型的筛选，也可以在最初靶点的确认试验中应用。[11]化学探针已经被用来识别半胱氨酸蛋白酶参与的生理和病理过程，包括细胞凋亡[12]、白内障的形成[13]和疟疾感染[14]中半胱氨酸蛋白酶的变化情况。

可以肯定的是，化学探针正在加速新药靶点的发现，几乎过半的酶具有与化学探针反应的潜力，化学蛋白质组学在这方面具有无穷的潜力，我们可以通过设计、合成和应用相关的探针，迅速、系统和全面地寻找这些靶点。[15]

2.药效研究

化学探针也可用于药效研究。通过分析候选药物和化学探针之间简单的竞争结合，鉴别出复杂的蛋白质组中药物靶点。同时，可利用更贴近生理条件的天然酶，验证候选药物的功效。此外，可采用相关的组织样本，分析候选药物抑制特异性靶点的能力。可利用化学探针在纯化的蛋白质、细胞裂解物、活细胞和活动物等不同水平，评价药物作用强度和选择性。

四．结语

化学蛋白质组学是化学生物学在后基因组时代的发展产物，是化学生物学的重要分支学科，属于新一代的功能蛋白质组学，在生物和医药等领域有很好的发展和应用前景，这种基于化学小分子的研究蛋白质组的方法将对蛋白人们认识生命活动的本质起到不可估量的作用，可以肯定的是，随着蛋白质芯片和生物信息学等学科和质谱技术的发展，化学蛋白质组学将成为生物学研究必不可少的重要工具。在后基因组时代，跟上化学蛋白质组的潮流，掌握化学蛋白质组学的知识，将是进行生命科学科学研究的必然趋势。

主要参考文献

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[2] Sem, Daniel S:Editorial.Journal of Molecular Recognition,2002,15(6):349-351

[3]Chemical proteomics from a nuclear magnetic resonance spectroscopy perspective[o]

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[15] Sung-Young Han,Seong Hwan KimIntroduction to Chemical Proteomics for Drug Discovery and Development[J]Arch. Pharm. Chem. Life Sci. 2007, 340, 169 –177