Proteomics application progress in medical research

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.33.017

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Studies on the proteomics contribute not only to exploring the laws governing life activities, but also to elucidating the pathogenesis of a variety of diseases to find the treatment strategies.
OBJECTIVE: To summarize the application of proteomics in the plateau medical research.
METHODS: A computer-based online search was conducted in PubMed and Wanfang databases from 1995 to 2015 to screen the relevant literatures using the key words “proteomics, medical research, plateau medicine” in English and Chinese, respectively. A total of approximately 200 English and 60 Chinese relevant literatures were selected and the 59 eligible literatures were included after screening finally.
RESULTS AND CONCLUSION: Currently, the human genome has been decoded through the studies on exploring the proteomics changes under the pathological conditions and the underlying mechanisms. Construction of physiological and pathological mapping based on the human proteome contributes to revealing the novel treatment targets, diagnostic markers, and drugs for the prevention and treatment of diseases. Proteomics has become the frontier and hot research field both at home and abroad, including all the proteins expressed in the tissue, cell or organism, and becomes a bridge between the genome and clinical application.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Proteomics, Altitude, Genes

CLC Number:

R318

Li Yu-xiang, Rong Hao, Hu Qun-ying, Li Wen-hua. Proteomics application progress in medical research[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(33): 4985-4992.

Figures/Tables 1

2.1 蛋白质组学的飞速发展蛋白质组学是研究生物体、组织、细胞中所有蛋白质的组成、结构、功能及其蛋白相互作用的一门科学[2]，其技术主要包括质谱技术、蛋白质芯片技术、双向电泳、表面等离子体共振技术、蛋白质复合物纯化技术和生物信息学分析等[16]，近年来飞行质谱联用技术，具有大规模、高通量和系统化等特点及优势，在蛋白质组学研究中发挥着重要作用[17]。蛋白质的鉴定技术主要为质谱法(MS)，即利用样品离子化后，离子间的质荷比(m/z)的差异来分析确定样品的分子质量现最常用的有两种，即基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF/MS)和电喷雾质谱(ESI-MS)[18]。 MALDI-TOF-MS是近年来应用较广，发展较快的软电离生物质谱，具有较高的灵敏度和分辨率，具有准确度高，重复性好，检测费用低等特点，已被广泛用于膀胱癌，胃癌，前列腺癌，肺癌，乳腺癌，卵巢癌，白血病，神经系统等疾病中，它与磁珠技术相结合，可有效地寻找出各类血清生物标志物，并在应用ClinProTools软件数据筛选出的蛋白质组可视化[19]。血清蛋白组的研究内容大致可分为两个即：蛋白质表达模式的研究和蛋白质功能模式的研究。但是必须将血清进行特殊处理并结合多项技术才能很好的呈现蛋白质[20]。不同策略导致同样技术达成不同的结论和价值，同时海量数据并不能自然转化为知识或智慧。蛋白质组是基因组的逻辑延伸，但研究策略是不同的，总结了4点关于蛋白质组学的研究策略：①以理解细胞内生命活动为出发点和目标的研究策略；②探寻蛋白质相互作用和调控的网络关系的研究策略；③高度重视动态研究及其策略。蛋白质组学已经成为细胞生物学的基础，动态和体内是蛋白质组学的目前趋势；④蛋白质组学干预与筛选交替进行的扇形拓展策略。此研究策略达到的效果：①有可能找到更多新的包括更好的标志蛋白；②有可能逐步拼出调控网络中的相关部分(一定意义上类似于测序的拼接) [9，21]。 2.2 蛋白质组学国内外研究现状目前国内外蛋白质组学系列研究产生的数据将解读人类基因组这部“天书”，系统地揭示人体蛋白质组的组成、相互作用及其调节规律，书写后基因组研究篇章。将精确表达各种病理状态下蛋白质组的变化及其机制，构建基于人类蛋白质组的生理图谱和病理图谱，将揭示许多新的治疗靶点，新的诊断标志物和新的药物，为整体提升防治疾病水平提供新策略新手段。 2.2.1 蛋白质组学在恶性肿瘤研究中的应用研究显示，基于质谱的蛋白质组技术广泛应用于癌症特异性生物标志物的研究。邓敬桓等[22]针对肝癌高发家族和无癌家族的患者的血清进行分析，得到血清蛋白质指纹图谱，再经过计算机进行分析，从而建立肝癌高发家族和无癌家族患者的比较筛选模型。王子赫等[23]认为基质辅助激光解析电离飞行时间质谱在肺癌早期诊断、筛查、疗效评价等方面有着良好的应用前景。范乃军等[24]应用弱阳离子磁珠联合基质辅助激光解吸离子化飞行时间质谱，建立胃癌与正常人血清蛋白质谱，共有48个差异蛋白峰，利用其中8个差异峰(质荷比分别为3 316.28，1 213.99，2 934.23，1 214.86，760.02，1 779.70，3 884.85及1 945.67)建立诊断胃癌模型。熊万成等[25]筛选出血清蛋白质谱中的29个显著差异蛋白质峰，据此建立的诊断乳腺癌模型。综上所述，蛋白质组学在肝癌、肺癌、胃癌、乳腺癌、直肠癌、甲状腺癌、前列腺癌、等具有良好的应用前景。一方面，能筛选出相关的血清蛋白标志物，并建立相关疾病的诊断模型，提供一种全新的血清学诊断方法；另一方面，可通过这些特异性标志物，为易感人群的筛查、早期诊断、治疗选择和随访提供参考依据。 2.2.2 蛋白质组学在遗传性疾病中的应用 Yang等[26]应用MALDI-TOF MS/MS技术，鉴别出信号转导和细胞凋亡相关的肽基脯氨酸反式异构酶A和丝切蛋白-1，α-2-珠蛋白，分离出差异表达蛋白14种，建立大鼠阿尔兹海默病模型进行蛋白质组学的分析，有利于进一步深入了解阿尔兹海默病的发病机制。Rabilloud等[27]通过质谱技术和双向凝胶电泳，研究病态时和健康状态的人的线粒体蛋白质，可见疾病影响了核编码蛋白的稳定性。这种影响包括细胞色素C氧化酶亚单位的蛋白质表达水平下调。综上所述，蛋白质组学在遗传病，如遗传学球形红细胞增多症和阿尔兹海默病等，具有良好的应用前景。可通过蛋白质组学的技术，深入剖析这些遗传病的病理生理机制。在一定程度上，能增加对这些疾病的认识，也为疾病的预防和诊疗提供强有力的依据，寻找诊疗遗传病的生物标记物和关键的药物靶点。 2.2.3 蛋白质组学在药物研究中的应用 Li等[28]应用质谱技术和双向凝胶电泳，研究了导致神经退行性病变和记忆损伤发生的蓝藻细菌衍生物的微囊藻素-精氨酸-亮氨酸(MCRL)诱导神经毒性相关的蛋白发生改变所致。O'Connell等[29]通过采用液相色谱-质谱联用技术对3种前列腺癌细胞系，如DU145、22RV1和PC-3，与其对应的多西他赛抗性的子代细胞间进行比较分析，发现这有利于进一步了解其生化机制，提高临床诊疗效果。Jia等[30]通过采用2-D凝胶电泳和串联质谱技术，研究用乙醇诱导的肝硬化模型，发现16中差异蛋白可能成为酒精性肝硬化的新药靶点。研究表明，利用蛋白质组学技术寻找新药物的靶点是一把利器。 2.2.4 蛋白质组学在微生物学研究中的应用基于质谱的蛋白质组技术应用于微生物学特异性生物标志物的研究。Fernandez等[31]通过采用双向凝胶电泳和MALDI-TOF MS技术，分析羧甲基纤维素培养的葡萄胞菌蛋白质中分离出的蛋白斑点，发现诸多蛋白质促使其发挥致病作用。Fang等[32]通过采用2-DE和MALDI-TOF MS技术，研究草莓幼苗叶子，发现凯尔文循环、糖酵解途径受阻和49就差异表达蛋白，使得了解其病原抗性机制。Ansong等[33]通过液相色谱-质谱联用技术，分别对对数期、静止期、和在低pH/低Mn条件下的沙门菌属的蛋白质进行分析，发现高表达S.thphi Ty2蛋白，而这蛋白可能与宿主和S.thphi的病原性特异性相关。综上所述，蛋白质组学在微生物学研究中发挥着重要的作用，其研究深入到生命科学的诸多领域，一方面，有利于研究病原微生物的病原抗性机制、致病机制等；另一方面，有利于研制疫苗，促进健康。 2.2.5 蛋白质组学在高原医学研究中的应用血清蛋白质组学分析系统包括质谱系统、磁珠分离系统、可选的体液样品自动处理系统和分析软件。将收集的患者或正常对照组的血浆[34]、血清[35]、脑脊髓液[36]、尿液等样本[37]；磁珠分离去除样本中的其他杂质和高丰度蛋白，如盐等，收集低丰度目的蛋白；加入基质混合后，直接点在AnchorChip靶上，进行飞行时间质谱分析；通过软件筛选患者或正常对照组的差异表达蛋白，获得两者的特异质谱图谱。该研究方法目前主要应用于肿瘤标志物的筛选与诊断[38-40]。由于高原习服过程中，机体会发生严重的生理生化的变化，在很大程度上会反映在血清的组份变化上，预期会有很好的研究和应用前景。近年来学者已经意识到蛋白质组学在高原医学研究中的应用是一新的技术手段，目前蛋白质组学应用于高原医学研究中，有些聚焦在发现高原低氧适应机制方面，如：低氧大鼠海马CA3区和CA1区蛋白质组学研究中[41]，99个蛋白质点被鉴定，其中15个蛋白质点表达有明显差异多位于CA1区，相关的蛋白可能有细胞新陈代谢相关蛋白和结构蛋白以及凋亡相关蛋白，低氧导致CA1区损伤发生的机制可能与应激蛋白增强、新陈代谢增强和细胞凋亡有关，为了解神经组织适应低氧环境的分子机制和提高神经组织低氧的耐受性提供帮助。有些研究采用质谱技术联合双向电泳，比较平原地区的藏族、世居高原藏族和低海拔地区的尼泊尔世居者的肌肉蛋白质组，7个差异蛋白质被鉴定，研究显示藏族高海拔世居者和低海拔地区的藏民可能存在某些防止氧化性损伤机制[42]。进行质谱技术和双向电泳分析基因敲除肌红蛋白的小鼠对低氧环境的良好适应，显示其脂肪酸连接蛋白和热休克蛋白27表达下降，可能是肌肉蛋白质组脂肪能量代谢变化所致[43]。为了研究急进高原时习服的规律和机制，作者课题组将平原雄性SD大鼠运往高原，光、电镜观察大鼠心脏、肺脏、脑组织，应用 RT-PCR、Western Blot、实时定量PCR，系统观察了不同高原实地低氧暴露时间对相关基因表达蛋白的影响. 将60只随机分为6 组，每组10只，分别为高原低氧1，2，3，7，30 d组和对照组(西安地区，海拔5 m)。高原低氧1 d 组由西安地区途中耗时1 d带到海拔2 700 m青海格尔木地区，高原低氧2 d组途中耗时2 d带到海拔5 000 m唐古拉地区，高原低氧3，7，30 d组途中耗时3 d带到海拔4 500 m西藏那曲地区，7 d组在那曲饲养7 d。30 d组在那曲饲养30 d。经过高原低氧习服后心肺组织病变明显减轻[44-45]，同时可以观察到HIF-1 mRNA表达水平逐渐升高[46]；缺氧30 d组右心室明显代偿性肥大伴右心功能显著上调，同时右心室血管紧张素转换酶2(ACE2)mRNA、蛋白合成均有明显增加(P < 0.01)[47](如图2)。脑组织热休克蛋白70(Hsp70)生成量与高原暴露时间成正比[48]。不同基因型的大鼠其血浆肾素，血管紧张素Ⅱ，醛固酮的浓度变化存在差异，ACE2基因型为GG的，血浆肾素，血管紧张素Ⅱ含量显著上升，醛固酮含量明显下降(P ＜ 0.01)。ACE2 基因型AA个体血浆肾素、ATⅡ含量上升，醛固酮含量下降(P ＜ 0.05)，而ACE2基因型AG血浆肾素、血管紧张素Ⅱ，醛固酮变化不明显(P > 0.05)[49]。从平原进入高原，机体从整体、器官、细胞及分子水平等不同层次适应高原低氧环境。其中HIF-1α在细胞水平低氧应答反应中起核心作用，直接或间接的控制着百余种基因，包括细胞生长，凋亡，能量代谢，血管生成等基因的表达。肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)是整体水平低氧应答反应的重要环节，在高原低氧习服中发挥着重要的作用。"

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