蛋白質組學在農業及疾病領域中的應用
信息來源：金開瑞 作者：genecreate 發布時間：2018-04-23 13:53:48
蛋白質組學技術在農業生物科研領域、疾病機理機制研究、藥物研究、海洋環境、植物脅迫機制研究等方面具有廣泛應用。蛋白組學的研究通常遵循以下思路：
1、蛋白質組學在農業生物科研領域的應用
蛋白質組學技術在農業生物科研領域的應用為作物生長發育、病蟲害防治、遺傳育種、畜牧獸醫學疾病診斷和治療等方面發揮重要的作用，為現代農業發展開辟新途徑。
蛋白質組學技術在農業生物科研領域的應用為作物生長發育、病蟲害防治、遺傳育種、畜牧獸醫學疾病診斷和治療等方面發揮重要的作用，為現代農業發展開辟新途徑。
1.1 蛋白質組學在農作物研究中的應用
農業是我國人口賴以生存的基礎，而提高糧食產量和品質則是農業發展的關鍵。蛋白質組學關鍵技術在作物遺傳育種、品系鑒定、品質改良、逆境脅迫應答等關鍵環節的應用，為農業作物的進一步開發利用提供巨大的參考價值。蛋白質組學可系統研究農作物在特定環境或某個發育階段的組織和器官中蛋白質的表達變化，有助于作物發育過程機制的理解。
Jia等人利用SWATH等技術對四種玉米組織中的蛋白質進行定量分析：包括未成熟雌穗，未成熟雄穗，授粉后20天的幼胚和14日齡幼苗的根。在玉米的4種組織中總共 鑒定到4551個蛋白質，其中在雌穗，雄穗，幼胚和幼根中分別鑒定到3916、3707、3702和2871種蛋白質。利用生物信息學技術將蛋白質組和轉錄組進行關聯分析，并且進一步分析組織特異性高表達的基因和蛋白，以了解玉米組織結構和器官發生的調節機制，為研究玉米發育生物學研究提供了新的線索。相關成果2017年發表在Journal of Proteome Research上。
Jia等人利用SWATH等技術對四種玉米組織中的蛋白質進行定量分析：包括未成熟雌穗，未成熟雄穗，授粉后20天的幼胚和14日齡幼苗的根。在玉米的4種組織中總共 鑒定到4551個蛋白質，其中在雌穗，雄穗，幼胚和幼根中分別鑒定到3916、3707、3702和2871種蛋白質。利用生物信息學技術將蛋白質組和轉錄組進行關聯分析，并且進一步分析組織特異性高表達的基因和蛋白，以了解玉米組織結構和器官發生的調節機制，為研究玉米發育生物學研究提供了新的線索。相關成果2017年發表在Journal of Proteome Research上。
文獻來源： 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 蛋白質組學在食品科學中的應用
在食品安全研究中，蛋白組學的出現為食品科學的研究指明了方向，同時也為食品科學的研究奠定了良好的發展平臺。蛋白質組學在糧油食品、肉類食品、水產食品、乳品食品等方面的應用，不僅可以提高食品安全，并且在改善食品制作以及儲存條件的同時，還可以提高食品的口感以及營養程度。
在熱處理過程中，肉類的主要成分蛋白質會發生結構性變形，如氧化、降解、變性和聚集。蛋白質的這些變化對最終肉制品的質量、顏色、嫩度和風味有重要影響，并最終影響適口性和可接受性。Tian等人利用2-DE等技術手段研究了在加熱中心溫度為72℃時用不同的烹飪方法，例如水浴烹飪-WB、短時歐姆烹飪-STOH和長時間歐姆烹飪-LTOH，對牛肉的顏色、烹飪損失、剪切值和蛋白質組變化的影響。蛋白質組學分析表明，歐姆烹飪的烹飪損失、剪切值顯著低于水浴烹飪（P<0.05）。利用2-DE蛋白組學技術成功鑒定到STOH和WB烹飪樣品之間的17個差異蛋白質，并鑒定出LTOH和WB樣品之間的13個差異蛋白質。大多數差異蛋白是肌原纖維和肌漿蛋白，可能與肉質的變化相關。WB烹飪可改變蛋白質溶解度并降低2-DE圖像中的蛋白質斑點強度。應用歐姆烹飪會產生更高質量的牛肉產品，并減少烹飪時間。相關成果2016年發表在Innovative Food Science & Emerging Technologies上。
在食品安全研究中，蛋白組學的出現為食品科學的研究指明了方向，同時也為食品科學的研究奠定了良好的發展平臺。蛋白質組學在糧油食品、肉類食品、水產食品、乳品食品等方面的應用，不僅可以提高食品安全，并且在改善食品制作以及儲存條件的同時，還可以提高食品的口感以及營養程度。
在熱處理過程中，肉類的主要成分蛋白質會發生結構性變形，如氧化、降解、變性和聚集。蛋白質的這些變化對最終肉制品的質量、顏色、嫩度和風味有重要影響，并最終影響適口性和可接受性。Tian等人利用2-DE等技術手段研究了在加熱中心溫度為72℃時用不同的烹飪方法，例如水浴烹飪-WB、短時歐姆烹飪-STOH和長時間歐姆烹飪-LTOH，對牛肉的顏色、烹飪損失、剪切值和蛋白質組變化的影響。蛋白質組學分析表明，歐姆烹飪的烹飪損失、剪切值顯著低于水浴烹飪（P<0.05）。利用2-DE蛋白組學技術成功鑒定到STOH和WB烹飪樣品之間的17個差異蛋白質，并鑒定出LTOH和WB樣品之間的13個差異蛋白質。大多數差異蛋白是肌原纖維和肌漿蛋白，可能與肉質的變化相關。WB烹飪可改變蛋白質溶解度并降低2-DE圖像中的蛋白質斑點強度。應用歐姆烹飪會產生更高質量的牛肉產品，并減少烹飪時間。相關成果2016年發表在Innovative Food Science & Emerging Technologies上。
文獻來源：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 蛋白質組學在畜牧獸醫領域的應用
蛋白質組學在畜牧獸醫學研究領域應用主要集中在病原致病或耐藥機制靶蛋白的篩選、疫苗候選抗原及藥物靶標蛋白的篩選、動物遺傳育種、品系鑒定、品質改良等方面。
Wang等人基于iTRAQ的LC-MS / MS技術，比較了剛地弓形蟲的速殖子（T）、緩殖子孢囊（C）和孢子化卵囊（O）三個不同發育階段的蛋白質豐度。共鑒定到6285種蛋白質，其中在孢子化卵囊與速殖子，速殖子與緩殖子孢囊以及緩殖子孢囊與孢子化卵囊中分別鑒定到875、656和538個差異蛋白。對差異蛋白進行進一步的GO、KEGG和String分析，發現一些毒力相關因子和核糖體蛋白在整個生命周期的不同階段表現出不同的表達模式。這些發現對于了解弓形蟲的發育生物學具有重要意義，有助于發現新的治療靶點以更好地控制弓形蟲病。相關成果于2017年發表在Frontiers in microbiology上。
蛋白質組學在畜牧獸醫學研究領域應用主要集中在病原致病或耐藥機制靶蛋白的篩選、疫苗候選抗原及藥物靶標蛋白的篩選、動物遺傳育種、品系鑒定、品質改良等方面。
Wang等人基于iTRAQ的LC-MS / MS技術，比較了剛地弓形蟲的速殖子（T）、緩殖子孢囊（C）和孢子化卵囊（O）三個不同發育階段的蛋白質豐度。共鑒定到6285種蛋白質，其中在孢子化卵囊與速殖子，速殖子與緩殖子孢囊以及緩殖子孢囊與孢子化卵囊中分別鑒定到875、656和538個差異蛋白。對差異蛋白進行進一步的GO、KEGG和String分析，發現一些毒力相關因子和核糖體蛋白在整個生命周期的不同階段表現出不同的表達模式。這些發現對于了解弓形蟲的發育生物學具有重要意義，有助于發現新的治療靶點以更好地控制弓形蟲病。相關成果于2017年發表在Frontiers in microbiology上。
文獻來源：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等人以豬為模型，利用iTRAQ技術研究豬膳食中蛋白質含量的限制（PL）對小腸黏膜蛋白質組學的改變。共鑒定并定量到5275種蛋白質，篩選出了202個差異蛋白。利用生物信息學技術對差異蛋白進行進一步分析并利用WB進行驗證，發現PL可以增強空腸黏膜對外來抗原的免疫應答，另外PL可以通過抑制mTOR途徑減少氨基酸轉運和細胞增殖。研究揭示了PL如何影響腸道生理功能，特別是氨基酸的運輸，腸粘膜結構和微環境以及腸道免疫。其中，mTOR信號通路可能在通過感知氨基酸的供給中，在調節腸道生理功能方面起著核心作用。相關成果2016年發表在Scientific Reports上。
Qin等人以豬為模型，利用iTRAQ技術研究豬膳食中蛋白質含量的限制（PL）對小腸黏膜蛋白質組學的改變。共鑒定并定量到5275種蛋白質，篩選出了202個差異蛋白。利用生物信息學技術對差異蛋白進行進一步分析并利用WB進行驗證，發現PL可以增強空腸黏膜對外來抗原的免疫應答，另外PL可以通過抑制mTOR途徑減少氨基酸轉運和細胞增殖。研究揭示了PL如何影響腸道生理功能，特別是氨基酸的運輸，腸粘膜結構和微環境以及腸道免疫。其中，mTOR信號通路可能在通過感知氨基酸的供給中，在調節腸道生理功能方面起著核心作用。相關成果2016年發表在Scientific Reports上。
文獻來源：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、蛋白質組學在疾病機理機制研究中的應用
利用非標記定量蛋白質組學技術如：Label-free、SWATH及標記定量蛋白質組學技術iTRAQ、SILAC等蛋白質方法技術手段，可實現對不同樣品中的大量蛋白進行大規模的相對定量研究，為實現疾病相關機制的研究提供思路和見解。其圖解流程如下：
利用非標記定量蛋白質組學技術如：Label-free、SWATH及標記定量蛋白質組學技術iTRAQ、SILAC等蛋白質方法技術手段，可實現對不同樣品中的大量蛋白進行大規模的相對定量研究，為實現疾病相關機制的研究提供思路和見解。其圖解流程如下：
2.1 鑒定疾病生物標志物
生物標志物(biomarker)是一種能客觀測量并評價正常生物過程、病理過程或對藥物干預反應的指示物，也是生物體受到損害時的重要預警指標，涉及細胞分子結構和功能的變化，生化代謝過程的變化，生理活動的異常表現，個體、群體或整個生態系統的異常變化等。生物標志物的研究在新藥開發、醫學診斷、臨床研究方面具有重要的價值，有助于提出更有效的診療手段，尤其在腫瘤、心血管疾病、糖尿病、神經性失調等慢性疾病與復雜疾病的防控上具有重要的價值。
肝細胞癌（HCC）是最常見的惡性腫瘤之一，發病率位居全球第六，全球死亡率位居第三。高頻率的早期轉移意味著HCC在確診時通常處于晚期，降低了患者獲得及時治愈的可能。因此，通過諸如血清生物標志物的檢測來診斷早期HCC是非常重要的。2017年，一篇報道在Oncotarget上的文章，利用iTRAQ蛋白質組學技術手段篩選出乙肝（HBV，n=10）組、肝硬化（LC，n=10）組、肝細胞癌（HCC，n=10）組和健康對照（HC，n=10）組之間的差異表達蛋白，并且對潛在的肝細胞癌標志物進行K均值聚類分析，GO和串聯網絡分析。最終選取3個肝癌標志物（CD14、GELS和QSOX1）進行WB驗證。綜合分析后鎖定CD14分子進行Elisa實驗確證，發現其具有作為早期肝癌診斷標志物的潛能。
生物標志物(biomarker)是一種能客觀測量并評價正常生物過程、病理過程或對藥物干預反應的指示物，也是生物體受到損害時的重要預警指標，涉及細胞分子結構和功能的變化，生化代謝過程的變化，生理活動的異常表現，個體、群體或整個生態系統的異常變化等。生物標志物的研究在新藥開發、醫學診斷、臨床研究方面具有重要的價值，有助于提出更有效的診療手段，尤其在腫瘤、心血管疾病、糖尿病、神經性失調等慢性疾病與復雜疾病的防控上具有重要的價值。
肝細胞癌（HCC）是最常見的惡性腫瘤之一，發病率位居全球第六，全球死亡率位居第三。高頻率的早期轉移意味著HCC在確診時通常處于晚期，降低了患者獲得及時治愈的可能。因此，通過諸如血清生物標志物的檢測來診斷早期HCC是非常重要的。2017年，一篇報道在Oncotarget上的文章，利用iTRAQ蛋白質組學技術手段篩選出乙肝（HBV，n=10）組、肝硬化（LC，n=10）組、肝細胞癌（HCC，n=10）組和健康對照（HC，n=10）組之間的差異表達蛋白，并且對潛在的肝細胞癌標志物進行K均值聚類分析，GO和串聯網絡分析。最終選取3個肝癌標志物（CD14、GELS和QSOX1）進行WB驗證。綜合分析后鎖定CD14分子進行Elisa實驗確證，發現其具有作為早期肝癌診斷標志物的潛能。
文獻來源：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.
由動脈粥樣硬化引起的心血管疾?。–VD）是引起全球人類死亡的主要原因。目前用于冠心病（CAD）診斷和監測的成像方式和血清學指標主要集中在晚期癥狀階段，常發生在不可逆性心肌損傷后，限制了疾病的及時治療。為解決早期診斷CAD并及時給與干預和預防的問題，Cheow等人利用iTRAQ技術手段對心絞痛組(NMI，n= 20)、急性心肌梗塞組（MI，n=15）和健康對照組（Ctrl，n=14）血漿蛋白進行鑒定和定量，獲得371個高置信度的蛋白（FDR <1％，p <0.05），其中包括53個初步篩選的生物標志物。接下來利用MRM技術對初步篩選的生物標志物進行驗證，最終篩選得到8個潛在冠心病新型候選生物標志物。相關成果2017發表在Journal of Proteome Research上。
文獻來源：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 蛋白質組學技術癌癥研究中的應用
癌癥是世界上最嚴重的公共健康問題之一。人們已經做了諸多努力來治療癌癥，包括化療、光動力療法和光熱療法等直接療法。然而，這些療法都面臨一個共同問題，那就是對癌細胞殺傷力有限，并且對正常細胞具有細胞毒性。這一矛盾阻礙了這些療法在癌癥治療中的有效使用。一氧化碳(CO)是一種內源性氣體分子，其對細胞凋亡有廣泛的影響。CO 的直接使用能對癌細胞產生細胞凋亡作用，同時減少對正常細胞的毒性。2017年一篇報道在Advanced Materials上的文章利用iTRAQ等技術分析了一種能夠將內源性CO2轉化為CO的新型光催化納米材料HisAgCCN，并對其良好的生物相容性和抗癌化療效果進行了闡述。HisAgCCN處理PC-3細胞（人前列腺癌細胞）前后的樣品，共鑒定到4052種蛋白質，其中有146個差異表達的蛋白。利用生物信息學技術對差異蛋白進行進一步的GO、KEGG和String分析，并對一些差異表達蛋白進行進一步的表達驗證和功能研究，證實了新型納米材料HisAgCCN可以增強線粒體的生物合成，特異性地增強癌細胞的氧化應激反應。體內研究表明HisAgCCN / DOX聯合治療具有協同抑瘤作用，可為臨床癌癥治療提供新的方向。
癌癥是世界上最嚴重的公共健康問題之一。人們已經做了諸多努力來治療癌癥，包括化療、光動力療法和光熱療法等直接療法。然而，這些療法都面臨一個共同問題，那就是對癌細胞殺傷力有限，并且對正常細胞具有細胞毒性。這一矛盾阻礙了這些療法在癌癥治療中的有效使用。一氧化碳(CO)是一種內源性氣體分子，其對細胞凋亡有廣泛的影響。CO 的直接使用能對癌細胞產生細胞凋亡作用，同時減少對正常細胞的毒性。2017年一篇報道在Advanced Materials上的文章利用iTRAQ等技術分析了一種能夠將內源性CO2轉化為CO的新型光催化納米材料HisAgCCN，并對其良好的生物相容性和抗癌化療效果進行了闡述。HisAgCCN處理PC-3細胞（人前列腺癌細胞）前后的樣品，共鑒定到4052種蛋白質，其中有146個差異表達的蛋白。利用生物信息學技術對差異蛋白進行進一步的GO、KEGG和String分析，并對一些差異表達蛋白進行進一步的表達驗證和功能研究，證實了新型納米材料HisAgCCN可以增強線粒體的生物合成，特異性地增強癌細胞的氧化應激反應。體內研究表明HisAgCCN / DOX聯合治療具有協同抑瘤作用，可為臨床癌癥治療提供新的方向。
文獻來源：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蛋白質組學技術在糖尿病研究中的應用
2.3蛋白質組學技術在糖尿病研究中的應用
已知糖尿病（DM）與不良心臟重塑有關，即使沒有冠狀動脈疾病，高血壓或其他潛在病因存在的情況下，臨床心臟功能障礙、臨床心力衰竭風險也會增加。Hung等人利用iTRAQ等技術分析研究了老年2型糖尿病（T2DM）小鼠模型組（實驗組）與健康對照組小鼠（對照組）的心肌細胞膜蛋白質組學差異。共鑒定到1304個蛋白，并定量了1260個蛋白。亞細胞定位分析注釋了735個膜或膜相關蛋白以及315個質膜蛋白，包括179個轉運蛋白，30個通道和64個受體。與對照相比，來自T2DM小鼠的心肌細胞中有417種蛋白呈現出差異表達，其中287個蛋白上調、130個蛋白下調。對差異蛋白進行進一步的GO和IPA分析，發現老年T2DM小鼠的心臟收縮功能障礙與能量障礙及細胞骨架紊亂有關。這些發現加深了對糖尿病心肌病的細胞機制理解，并為治療提供了新的途徑。相關研究2017年發表在Journal of Proteome Research上。
文獻來源：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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