技术专题
蛋白质组学在农业及疾病领域中的应用
文章来源：genecreate
作者：genecreate
发布时间：2018-04-23 13:53
蛋白质组学技术在农业生物科研领域、疾病机理机制研究、药物研究、海洋环境、植物胁迫机制研究等方面具有广泛应用。蛋白组学的研究通常遵循以下思路：
1、蛋白质组学在农业生物科研领域的应用
蛋白质组学技术在农业生物科研领域的应用为作物生长发育、病虫害防治、遗传育种、畜牧兽医学疾病诊断和治疗等方面发挥重要的作用，为现代农业发展开辟新途径。
蛋白质组学技术在农业生物科研领域的应用为作物生长发育、病虫害防治、遗传育种、畜牧兽医学疾病诊断和治疗等方面发挥重要的作用，为现代农业发展开辟新途径。
1.1 蛋白质组学在农作物研究中的应用
农业是我国人口赖以生存的基础，而提高粮食产量和品质则是农业发展的关键。蛋白质组学关键技术在作物遗传育种、品系鉴定、品质改良、逆境胁迫应答等关键环节的应用，为农业作物的进一步开发利用提供巨大的参考价值。蛋白质组学可系统研究农作物在特定环境或某个发育阶段的组织和器官中蛋白质的表达变化，有助于作物发育过程机制的理解。
Jia等人利用SWATH等技术对四种玉米组织中的蛋白质进行定量分析：包括未成熟雌穗，未成熟雄穗，授粉后20天的幼胚和14日龄幼苗的根。在玉米的4种组织中总共 鉴定到4551个蛋白质，其中在雌穗，雄穗，幼胚和幼根中分别鉴定到3916、3707、3702和2871种蛋白质。利用生物信息学技术将蛋白质组和转录组进行关联分析，并且进一步分析组织特异性高表达的基因和蛋白，以了解玉米组织结构和器官发生的调节机制，为研究玉米发育生物学研究提供了新的线索。相关成果2017年发表在Journal of Proteome Research上。
Jia等人利用SWATH等技术对四种玉米组织中的蛋白质进行定量分析：包括未成熟雌穗，未成熟雄穗，授粉后20天的幼胚和14日龄幼苗的根。在玉米的4种组织中总共 鉴定到4551个蛋白质，其中在雌穗，雄穗，幼胚和幼根中分别鉴定到3916、3707、3702和2871种蛋白质。利用生物信息学技术将蛋白质组和转录组进行关联分析，并且进一步分析组织特异性高表达的基因和蛋白，以了解玉米组织结构和器官发生的调节机制，为研究玉米发育生物学研究提供了新的线索。相关成果2017年发表在Journal of Proteome Research上。
文献来源： Jia HT, Sun W, Li MF, et al. An integrated analysis of protein abundance, transcript level and tissue diversity to reveal developmental regulation of maize [J]. J. Proteome Res, December 18, 2017.
1.2 蛋白质组学在食品科学中的应用
在食品安全研究中，蛋白组学的出现为食品科学的研究指明了方向，同时也为食品科学的研究奠定了良好的发展平台。蛋白质组学在粮油食品、肉类食品、水产食品、乳品食品等方面的应用，不仅可以提高食品安全，并且在改善食品制作以及储存条件的同时，还可以提高食品的口感以及营养程度。
在热处理过程中，肉类的主要成分蛋白质会发生结构性变形，如氧化、降解、变性和聚集。蛋白质的这些变化对最终肉制品的质量、颜色、嫩度和风味有重要影响，并最终影响适口性和可接受性。Tian等人利用2-DE等技术手段研究了在加热中心温度为72℃时用不同的烹饪方法，例如水浴烹饪-WB、短时欧姆烹饪-STOH和长时间欧姆烹饪-LTOH，对牛肉的颜色、烹饪损失、剪切值和蛋白质组变化的影响。蛋白质组学分析表明，欧姆烹饪的烹饪损失、剪切值显著低于水浴烹饪（P<0.05）。利用2-DE蛋白组学技术成功鉴定到STOH和WB烹饪样品之间的17个差异蛋白质，并鉴定出LTOH和WB样品之间的13个差异蛋白质。大多数差异蛋白是肌原纤维和肌浆蛋白，可能与肉质的变化相关。WB烹饪可改变蛋白质溶解度并降低2-DE图像中的蛋白质斑点强度。应用欧姆烹饪会产生更高质量的牛肉产品，并减少烹饪时间。相关成果2016年发表在Innovative Food Science & Emerging Technologies上。
在食品安全研究中，蛋白组学的出现为食品科学的研究指明了方向，同时也为食品科学的研究奠定了良好的发展平台。蛋白质组学在粮油食品、肉类食品、水产食品、乳品食品等方面的应用，不仅可以提高食品安全，并且在改善食品制作以及储存条件的同时，还可以提高食品的口感以及营养程度。
在热处理过程中，肉类的主要成分蛋白质会发生结构性变形，如氧化、降解、变性和聚集。蛋白质的这些变化对最终肉制品的质量、颜色、嫩度和风味有重要影响，并最终影响适口性和可接受性。Tian等人利用2-DE等技术手段研究了在加热中心温度为72℃时用不同的烹饪方法，例如水浴烹饪-WB、短时欧姆烹饪-STOH和长时间欧姆烹饪-LTOH，对牛肉的颜色、烹饪损失、剪切值和蛋白质组变化的影响。蛋白质组学分析表明，欧姆烹饪的烹饪损失、剪切值显著低于水浴烹饪（P<0.05）。利用2-DE蛋白组学技术成功鉴定到STOH和WB烹饪样品之间的17个差异蛋白质，并鉴定出LTOH和WB样品之间的13个差异蛋白质。大多数差异蛋白是肌原纤维和肌浆蛋白，可能与肉质的变化相关。WB烹饪可改变蛋白质溶解度并降低2-DE图像中的蛋白质斑点强度。应用欧姆烹饪会产生更高质量的牛肉产品，并减少烹饪时间。相关成果2016年发表在Innovative Food Science & Emerging Technologies上。
文献来源：Tian X, Wu W, Yu Q, et al. Quality and proteome changes of beef M.longissimus dorsi, cooked using a water bath and ohmic heating process[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2016, 34:259-266.
1.3 蛋白质组学在畜牧兽医领域的应用
蛋白质组学在畜牧兽医学研究领域应用主要集中在病原致病或耐药机制靶蛋白的筛选、疫苗候选抗原及药物靶标蛋白的筛选、动物遗传育种、品系鉴定、品质改良等方面。
Wang等人基于iTRAQ的LC-MS / MS技术，比较了刚地弓形虫的速殖子（T）、缓殖子孢囊（C）和孢子化卵囊（O）三个不同发育阶段的蛋白质丰度。共鉴定到6285种蛋白质，其中在孢子化卵囊与速殖子，速殖子与缓殖子孢囊以及缓殖子孢囊与孢子化卵囊中分别鉴定到875、656和538个差异蛋白。对差异蛋白进行进一步的GO、KEGG和String分析，发现一些毒力相关因子和核糖体蛋白在整个生命周期的不同阶段表现出不同的表达模式。这些发现对于了解弓形虫的发育生物学具有重要意义，有助于发现新的治疗靶点以更好地控制弓形虫病。相关成果于2017年发表在Frontiers in microbiology上。
蛋白质组学在畜牧兽医学研究领域应用主要集中在病原致病或耐药机制靶蛋白的筛选、疫苗候选抗原及药物靶标蛋白的筛选、动物遗传育种、品系鉴定、品质改良等方面。
Wang等人基于iTRAQ的LC-MS / MS技术，比较了刚地弓形虫的速殖子（T）、缓殖子孢囊（C）和孢子化卵囊（O）三个不同发育阶段的蛋白质丰度。共鉴定到6285种蛋白质，其中在孢子化卵囊与速殖子，速殖子与缓殖子孢囊以及缓殖子孢囊与孢子化卵囊中分别鉴定到875、656和538个差异蛋白。对差异蛋白进行进一步的GO、KEGG和String分析，发现一些毒力相关因子和核糖体蛋白在整个生命周期的不同阶段表现出不同的表达模式。这些发现对于了解弓形虫的发育生物学具有重要意义，有助于发现新的治疗靶点以更好地控制弓形虫病。相关成果于2017年发表在Frontiers in microbiology上。
文献来源：Wang Z X, Zhou C X, Elsheikha H M, et al. Proteomic Differences between Developmental Stages of Toxoplasma gondii Revealed by iTRAQ-Based Quantitative Proteomics[J]. Frontiers in Microbiology, 2017, 8:985.
Qin等人以猪为模型，利用iTRAQ技术研究猪膳食中蛋白质含量的限制（PL）对小肠黏膜蛋白质组学的改变。共鉴定并定量到5275种蛋白质，筛选出了202个差异蛋白。利用生物信息学技术对差异蛋白进行进一步分析并利用WB进行验证，发现PL可以增强空肠黏膜对外来抗原的免疫应答，另外PL可以通过抑制mTOR途径减少氨基酸转运和细胞增殖。研究揭示了PL如何影响肠道生理功能，特别是氨基酸的运输，肠粘膜结构和微环境以及肠道免疫。其中，mTOR信号通路可能在通过感知氨基酸的供给中，在调节肠道生理功能方面起着核心作用。相关成果2016年发表在Scientific Reports上。
Qin等人以猪为模型，利用iTRAQ技术研究猪膳食中蛋白质含量的限制（PL）对小肠黏膜蛋白质组学的改变。共鉴定并定量到5275种蛋白质，筛选出了202个差异蛋白。利用生物信息学技术对差异蛋白进行进一步分析并利用WB进行验证，发现PL可以增强空肠黏膜对外来抗原的免疫应答，另外PL可以通过抑制mTOR途径减少氨基酸转运和细胞增殖。研究揭示了PL如何影响肠道生理功能，特别是氨基酸的运输，肠粘膜结构和微环境以及肠道免疫。其中，mTOR信号通路可能在通过感知氨基酸的供给中，在调节肠道生理功能方面起着核心作用。相关成果2016年发表在Scientific Reports上。
文献来源：Qin C, Qiu K, Sun W, et al. A proteomic adaptation of small intestinal mucosa in response to dietary protein limitation[J]. Scientific Reports, 2016, 6:36888.
2、蛋白质组学在疾病机理机制研究中的应用
利用非标记定量蛋白质组学技术如：Label-free、SWATH及标记定量蛋白质组学技术iTRAQ、SILAC等蛋白质方法技术手段，可实现对不同样品中的大量蛋白进行大规模的相对定量研究，为实现疾病相关机制的研究提供思路和见解。其图解流程如下：
利用非标记定量蛋白质组学技术如：Label-free、SWATH及标记定量蛋白质组学技术iTRAQ、SILAC等蛋白质方法技术手段，可实现对不同样品中的大量蛋白进行大规模的相对定量研究，为实现疾病相关机制的研究提供思路和见解。其图解流程如下：
2.1 鉴定疾病生物标志物
生物标志物(biomarker)是一种能客观测量并评价正常生物过程、病理过程或对药物干预反应的指示物，也是生物体受到损害时的重要预警指标，涉及细胞分子结构和功能的变化，生化代谢过程的变化，生理活动的异常表现，个体、群体或整个生态系统的异常变化等。生物标志物的研究在新药开发、医学诊断、临床研究方面具有重要的价值，有助于提出更有效的诊疗手段，尤其在肿瘤、心血管疾病、糖尿病、神经性失调等慢性疾病与复杂疾病的防控上具有重要的价值。
肝细胞癌（HCC）是最常见的恶性肿瘤之一，发病率位居全球第六，全球死亡率位居第三。高频率的早期转移意味着HCC在确诊时通常处于晚期，降低了患者获得及时治愈的可能。因此，通过诸如血清生物标志物的检测来诊断早期HCC是非常重要的。2017年，一篇报道在Oncotarget上的文章，利用iTRAQ蛋白质组学技术手段筛选出乙肝（HBV，n=10）组、肝硬化（LC，n=10）组、肝细胞癌（HCC，n=10）组和健康对照（HC，n=10）组之间的差异表达蛋白，并且对潜在的肝细胞癌标志物进行K均值聚类分析，GO和串联网络分析。最终选取3个肝癌标志物（CD14、GELS和QSOX1）进行WB验证。综合分析后锁定CD14分子进行Elisa实验确证，发现其具有作为早期肝癌诊断标志物的潜能。
生物标志物(biomarker)是一种能客观测量并评价正常生物过程、病理过程或对药物干预反应的指示物，也是生物体受到损害时的重要预警指标，涉及细胞分子结构和功能的变化，生化代谢过程的变化，生理活动的异常表现，个体、群体或整个生态系统的异常变化等。生物标志物的研究在新药开发、医学诊断、临床研究方面具有重要的价值，有助于提出更有效的诊疗手段，尤其在肿瘤、心血管疾病、糖尿病、神经性失调等慢性疾病与复杂疾病的防控上具有重要的价值。
肝细胞癌（HCC）是最常见的恶性肿瘤之一，发病率位居全球第六，全球死亡率位居第三。高频率的早期转移意味着HCC在确诊时通常处于晚期，降低了患者获得及时治愈的可能。因此，通过诸如血清生物标志物的检测来诊断早期HCC是非常重要的。2017年，一篇报道在Oncotarget上的文章，利用iTRAQ蛋白质组学技术手段筛选出乙肝（HBV，n=10）组、肝硬化（LC，n=10）组、肝细胞癌（HCC，n=10）组和健康对照（HC，n=10）组之间的差异表达蛋白，并且对潜在的肝细胞癌标志物进行K均值聚类分析，GO和串联网络分析。最终选取3个肝癌标志物（CD14、GELS和QSOX1）进行WB验证。综合分析后锁定CD14分子进行Elisa实验确证，发现其具有作为早期肝癌诊断标志物的潜能。
文献来源：Identification of CD14 as a potential biomarker of hepatocellular carcinoma using iTRAQ quantitative proteomics. Oncotarget (IF=5.2). 2017 Jun 28;8(37): 62011-62028.
由动脉粥样硬化引起的心血管疾病（CVD）是引起全球人类死亡的主要原因。目前用于冠心病（CAD）诊断和监测的成像方式和血清学指标主要集中在晚期症状阶段，常发生在不可逆性心肌损伤后，限制了疾病的及时治疗。为解决早期诊断CAD并及时给与干预和预防的问题，Cheow等人利用iTRAQ技术手段对心绞痛组(NMI，n= 20)、急性心肌梗塞组（MI，n=15）和健康对照组（Ctrl，n=14）血浆蛋白进行鉴定和定量，获得371个高置信度的蛋白（FDR <1％，p <0.05），其中包括53个初步筛选的生物标志物。接下来利用MRM技术对初步筛选的生物标志物进行验证，最终筛选得到8个潜在冠心病新型候选生物标志物。相关成果2017发表在Journal of Proteome Research上。
文献来源：Cheow E S H, Cheng W C, Yap T, et al. Myocardial injury is distinguished from stable angina by a set of candidate plasma biomarkers identified using iTRAQ/MRM-based approach[J]. Journal of Proteome Research, 2017.
2.2 蛋白质组学技术癌症研究中的应用
癌症是世界上最严重的公共健康问题之一。人们已经做了诸多努力来治疗癌症，包括化疗、光动力疗法和光热疗法等直接疗法。然而，这些疗法都面临一个共同问题，那就是对癌细胞杀伤力有限，并且对正常细胞具有细胞毒性。这一矛盾阻碍了这些疗法在癌症治疗中的有效使用。一氧化碳(CO)是一种内源性气体分子，其对细胞凋亡有广泛的影响。CO 的直接使用能对癌细胞产生细胞凋亡作用，同时减少对正常细胞的毒性。2017年一篇报道在Advanced Materials上的文章利用iTRAQ等技术分析了一种能够将内源性CO2转化为CO的新型光催化纳米材料HisAgCCN，并对其良好的生物相容性和抗癌化疗效果进行了阐述。HisAgCCN处理PC-3细胞（人前列腺癌细胞）前后的样品，共鉴定到4052种蛋白质，其中有146个差异表达的蛋白。利用生物信息学技术对差异蛋白进行进一步的GO、KEGG和String分析，并对一些差异表达蛋白进行进一步的表达验证和功能研究，证实了新型纳米材料HisAgCCN可以增强线粒体的生物合成，特异性地增强癌细胞的氧化应激反应。体内研究表明HisAgCCN / DOX联合治疗具有协同抑瘤作用，可为临床癌症治疗提供新的方向。
癌症是世界上最严重的公共健康问题之一。人们已经做了诸多努力来治疗癌症，包括化疗、光动力疗法和光热疗法等直接疗法。然而，这些疗法都面临一个共同问题，那就是对癌细胞杀伤力有限，并且对正常细胞具有细胞毒性。这一矛盾阻碍了这些疗法在癌症治疗中的有效使用。一氧化碳(CO)是一种内源性气体分子，其对细胞凋亡有广泛的影响。CO 的直接使用能对癌细胞产生细胞凋亡作用，同时减少对正常细胞的毒性。2017年一篇报道在Advanced Materials上的文章利用iTRAQ等技术分析了一种能够将内源性CO2转化为CO的新型光催化纳米材料HisAgCCN，并对其良好的生物相容性和抗癌化疗效果进行了阐述。HisAgCCN处理PC-3细胞（人前列腺癌细胞）前后的样品，共鉴定到4052种蛋白质，其中有146个差异表达的蛋白。利用生物信息学技术对差异蛋白进行进一步的GO、KEGG和String分析，并对一些差异表达蛋白进行进一步的表达验证和功能研究，证实了新型纳米材料HisAgCCN可以增强线粒体的生物合成，特异性地增强癌细胞的氧化应激反应。体内研究表明HisAgCCN / DOX联合治疗具有协同抑瘤作用，可为临床癌症治疗提供新的方向。
文献来源：Zheng D W, Li B, Li C X, et al. Photocatalyzing CO2 to CO for Enhanced Cancer Therapy[J]. Advanced Materials, 2017, 29(44):1703822.
2.3蛋白质组学技术在糖尿病研究中的应用
2.3蛋白质组学技术在糖尿病研究中的应用
已知糖尿病（DM）与不良心脏重塑有关，即使没有冠状动脉疾病，高血压或其他潜在病因存在的情况下，临床心脏功能障碍、临床心力衰竭风险也会增加。Hung等人利用iTRAQ等技术分析研究了老年2型糖尿病（T2DM）小鼠模型组（实验组）与健康对照组小鼠（对照组）的心肌细胞膜蛋白质组学差异。共鉴定到1304个蛋白，并定量了1260个蛋白。亚细胞定位分析注释了735个膜或膜相关蛋白以及315个质膜蛋白，包括179个转运蛋白，30个通道和64个受体。与对照相比，来自T2DM小鼠的心肌细胞中有417种蛋白呈现出差异表达，其中287个蛋白上调、130个蛋白下调。对差异蛋白进行进一步的GO和IPA分析，发现老年T2DM小鼠的心脏收缩功能障碍与能量障碍及细胞骨架紊乱有关。这些发现加深了对糖尿病心肌病的细胞机制理解，并为治疗提供了新的途径。相关研究2017年发表在Journal of Proteome Research上。
文献来源：Hung C L, Pan S H, Han C L, et al. Membrane Proteomics of Impaired Energetics and Cytoskeletal Disorganization in Elderly Diet-Induced Diabetic Mice[J]. Journal of Proteome Research, 2017, 16(10).
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