蛋白質組學在新藥/海洋/植物脅迫/外泌體研究中的應用
信息來源：金開瑞 作者：genecreate 發布時間：2018-04-23 13:52:03
1、蛋白質組學在新藥研究中的應用
新藥研發是一個周期長、高風險、高投入、高回報的產業，競爭的焦點在于篩選新藥，問題的核心是低成本、高效率地篩選新藥。蛋白質組學是從蛋白質整體水平上、從生命本質的層次上研究和發現生命活動的規律。由于疾病的發生與發展、藥物的作用大多是在蛋白質水平上進行的，因此，蛋白質組學研究克服了蛋白質表達和基因之間的非線性關系。將蛋白質組應用于新型藥物的研發，可通過對疾病與正常細胞中的蛋白質組進行比較，發現可成為藥物篩選作用靶標及與疾病相關的蛋白質。
藥靶識別是理解藥物作用機制的關鍵步驟，可以改善藥物目前的治療體系并擴大藥物的治療潛力。Wang等人利用iTRAQ技術研究了一種能有效抑制腫瘤轉移的抗癌劑——穿心蓮內酯（andrographolide，簡稱Andro）在活癌細胞中的特異性細胞靶點。iTRAQ實驗共定量到291種蛋白質，其中有208個蛋白在統計學上可信度較高。經過進一步嚴格篩選，最終發現有75個蛋白質可作為Andro的特異靶點。隨后的pathway分析表明，Andro可能通過多種靶點和途徑發揮其抗癌作用，其中涉及癌細胞死亡途徑的靶標有30多個，涉及細胞遷移和轉移的靶標有15個，與炎癥相關的靶標有20個，與蛋白合成途徑相關的靶標有10個。作者發現NF-κB和β-actin是涉及癌細胞轉移途徑所有靶標蛋白中差異比例最高的兩種靶標蛋白質。因此，鑒于它們在腫瘤轉移中的關鍵作用，后期選擇這兩種蛋白質以進一步驗證Andro的抗癌細胞轉移作用。WB實驗、細胞遷移和侵襲實驗發現Andro具有新型抗轉移潛力。相關研究2014年發表在Molecular & Cellular Proteomics上。
新藥研發是一個周期長、高風險、高投入、高回報的產業，競爭的焦點在于篩選新藥，問題的核心是低成本、高效率地篩選新藥。蛋白質組學是從蛋白質整體水平上、從生命本質的層次上研究和發現生命活動的規律。由于疾病的發生與發展、藥物的作用大多是在蛋白質水平上進行的，因此，蛋白質組學研究克服了蛋白質表達和基因之間的非線性關系。將蛋白質組應用于新型藥物的研發，可通過對疾病與正常細胞中的蛋白質組進行比較，發現可成為藥物篩選作用靶標及與疾病相關的蛋白質。
藥靶識別是理解藥物作用機制的關鍵步驟，可以改善藥物目前的治療體系并擴大藥物的治療潛力。Wang等人利用iTRAQ技術研究了一種能有效抑制腫瘤轉移的抗癌劑——穿心蓮內酯（andrographolide，簡稱Andro）在活癌細胞中的特異性細胞靶點。iTRAQ實驗共定量到291種蛋白質，其中有208個蛋白在統計學上可信度較高。經過進一步嚴格篩選，最終發現有75個蛋白質可作為Andro的特異靶點。隨后的pathway分析表明，Andro可能通過多種靶點和途徑發揮其抗癌作用，其中涉及癌細胞死亡途徑的靶標有30多個，涉及細胞遷移和轉移的靶標有15個，與炎癥相關的靶標有20個，與蛋白合成途徑相關的靶標有10個。作者發現NF-κB和β-actin是涉及癌細胞轉移途徑所有靶標蛋白中差異比例最高的兩種靶標蛋白質。因此，鑒于它們在腫瘤轉移中的關鍵作用，后期選擇這兩種蛋白質以進一步驗證Andro的抗癌細胞轉移作用。WB實驗、細胞遷移和侵襲實驗發現Andro具有新型抗轉移潛力。相關研究2014年發表在Molecular & Cellular Proteomics上。
文獻來源：Wang J, Tan X F, Nguyen V S, et al. A quantitative chemical proteomics approach to profile the specific cellular targets of andrographolide, a promising anticancer agent that suppresses tumor metastasis.[J]. Molecular & Cellular Proteomics Mcp, 2014, 13(3):876.
2、蛋白質組學在海洋環境中的應用
蛋白質組學在海洋環境科學研究中有著廣泛的應用，特別是生態毒理、環境脅迫與應答、宏蛋白質組等研究方向。
蛋白質組學在海洋環境科學研究中有著廣泛的應用，特別是生態毒理、環境脅迫與應答、宏蛋白質組等研究方向。
生態毒理蛋白質組學是從整體的蛋白質水平上，探討生物在污染物下，細胞蛋白的變化，并闡明污染物的毒性作用及其機制。海洋環境中多環芳香烴（PAH）的污染對海洋生物和人類的生存產生了嚴重的危險。 Enerstvedt 等人應用Label-free定量蛋白質組學技術研究了大西洋鱈經PHA處理后，血漿蛋白質組變化情況。該項研究中，研究者共設計了10組實驗，包括不同的PAH種類及其不同劑量處理實驗。實驗結果顯示：在鑒定到的369種血漿蛋白質中，其中有12種蛋白是在PHA處理中特異存在，可作為候選標志物。從分析出的差異蛋白中發現，上調的11個蛋白主要是免疫球蛋白，這表明大西洋鱈經PHA處理后發生了免疫反應。總之，該研究結果為今后大西洋鱈血漿蛋白組的研究提供了基礎，新的血漿蛋白生物標志物的發現為環境監測環芳烴提供了科學依據。相關成果2017年發表在Chemosphere上。
文獻來源：Enerstvedt K S, Sydnes M O, Pampanin D M. Study of the plasma proteome of Atlantic cod ( Gadus morhua ): Effect of exposure to two PAHs and their corresponding diols[J]. Chemosphere, 2017, 183:294-304.
3、蛋白質組學在植物脅迫機制中的應用
鹽脅迫是對植物非常重要的一種非生物脅迫，對植物的整個生命進程產生影響，例如降低作物的產量，從而形成復雜的自適應機制來應對鹽害，這種機制主要體現在光合作用的調節、滲透調節、選擇性離子吸收或排斥。Zhang等人應用iTRAQ定量蛋白質組學技術研究了在鹽脅迫條件下兩種棉花幼苗的耐鹽機制。在該項研究中作者選用的兩種旱地棉花品種：鹽敏感基因型（N）和耐鹽基因型(Z)。以NaCl處理的種子生長發育后幼苗為樣本，先采用iTRAQ篩選特異性蛋白并在生物信息分析中將蛋白質組學與轉錄組學進行關聯分析，后從RNA 層面進行了驗證。作者通過iTRAQ定量蛋白質組學技術從棉花幼苗中共鑒定到2300多個蛋白。其中有100多個差異蛋白，包括58種不同的鹽反應蛋白。鹽處理后，RNA解旋酶3和原葉綠素還原酶受到明顯抑制，而磷酸鹽相關的差異蛋白磷酸乙醇胺N-甲基轉移酶1被誘導，所有這些蛋白在鹽脅迫中發揮重要作用。另外通過關聯分析發現有16個差異表達蛋白與差異基因表達相一致，qRT-PCR驗證結果與組學結果一致。相關成果2017年發表在Frontiers in Plant Science上。
文獻來源：Gong W, Xu F, Sun J, et al. iTRAQ-Based Comparative Proteomic Analysis of Seedling Leaves of Two Upland Cotton Genotypes Differing in Salt Tolerance[J]. Frontiers in Plant Science, 2017, 8:2113.
鉛污染是越來越嚴重的環境問題，持續威脅著作物產量。為了揭示作物對鉛毒適應性的分子機制，Zhu等人運用SWATH技術對鉛作用后的擬南芥進行了蛋白質組學檢測，實驗組為鉛作用擬南芥幼苗24h，對照組為水作用擬南芥幼苗24h。共鑒定和定量了1719個蛋白，鉛作用后有231個蛋白含量發生了變化，其中有151個蛋白表達量上調，80個蛋白表達量下調。功能分類表明大多數Pb響應蛋白參與不同的代謝過程，相反，導致谷胱甘肽、茉莉酸（JA）、硫代葡萄糖苷（GSL）和苯丙素生產的途徑被上調。實驗表明Pb處理的擬南芥幼苗內源JA產生迅速升高，而JA缺陷型突變體和JA不敏感型突變體表現出Pb對根的超敏反應，暗示JA在Pb響應過程中起重要作用。鉛處理后GSL水平顯著提高，而在JA突變體中未檢測到這種誘導，這表明Pb誘導的GSL積累是JA依賴性的。該研究第一次將SWATH-MS分析技術應用于擬南芥，強調了JA在Pb脅迫過程中潛在的介導作用。相關成果2016年發表在Journal of Proteome Research上。
鉛污染是越來越嚴重的環境問題，持續威脅著作物產量。為了揭示作物對鉛毒適應性的分子機制，Zhu等人運用SWATH技術對鉛作用后的擬南芥進行了蛋白質組學檢測，實驗組為鉛作用擬南芥幼苗24h，對照組為水作用擬南芥幼苗24h。共鑒定和定量了1719個蛋白，鉛作用后有231個蛋白含量發生了變化，其中有151個蛋白表達量上調，80個蛋白表達量下調。功能分類表明大多數Pb響應蛋白參與不同的代謝過程，相反，導致谷胱甘肽、茉莉酸（JA）、硫代葡萄糖苷（GSL）和苯丙素生產的途徑被上調。實驗表明Pb處理的擬南芥幼苗內源JA產生迅速升高，而JA缺陷型突變體和JA不敏感型突變體表現出Pb對根的超敏反應，暗示JA在Pb響應過程中起重要作用。鉛處理后GSL水平顯著提高，而在JA突變體中未檢測到這種誘導，這表明Pb誘導的GSL積累是JA依賴性的。該研究第一次將SWATH-MS分析技術應用于擬南芥，強調了JA在Pb脅迫過程中潛在的介導作用。相關成果2016年發表在Journal of Proteome Research上。
文獻來源：Zhu F Y, Chan W L, Chen M X, et al. SWATH-MS Quantitative Proteomic Investigation Reveals a Role of Jasmonic Acid during Lead Response in Arabidopsis[J]. Journal of Proteome Research, 2016, 15(10):3528.
4、蛋白質組學在外泌體研究中的應用
外泌體（Exosome）也稱為多囊泡體，是活細胞分泌來源于晚期核內體的納米級脂質包裹體結構，直徑30-150nm，密度1.13-1.21g/ml，內部包裹了蛋白質、mRNA和microRNA等物質。包括腫瘤細胞在內的幾乎所有類型的細胞，都可以產生并釋放外泌體。外泌體由細胞分泌釋放出來，在血液等體液內傳播，最后又可被其他細胞吞噬，是細胞間通訊的重要介質。外泌體天然存在于體液中，包括血液、唾液、尿液和母乳等，而不同組織來源的外泌體在內容物組成和功能方面存在差異，同時這種差異受到細胞外基質和微環境的動態調控。越來越多的證據表明，宿主細胞或腫瘤細胞分泌的外泌體參與了腫瘤發生、生長、侵襲和轉移。而基于質譜的蛋白質組學是研究外泌體不可或缺的一項技術。將蛋白質組學技術應用于外泌體研究，可以極大地輔助疾病的早期診斷、疾病的治療、療效評價和預后分析。
在腫瘤發生過程中，外泌體已被證明可促進腫瘤血管生成和轉移，而其在鼻咽癌（NPC）中的生物學功能尚不清楚。Chan等人利用超速離心法分離來自鼻咽癌細胞系-C666-1和非腫瘤NP細胞系（NP69和NP460）細胞培養上清中的外泌體，通過WB、蔗糖密度梯度和電子顯微鏡驗證外泌體的分子譜和生物物理學特性，并且運用iTRAQ蛋白質組學技術對分離出的C666-1、NP69和NP460外泌體蛋白進行鑒定和定量。從外泌體中共鑒定到640種蛋白質，與對照組相比，C666-1外泌體中有51種蛋白上調、89種蛋白下調。與預期的結果一樣，包括ICAM-1和CD44v5在內的促血管生成蛋白上調表達，而血管抑制蛋白TSP-1在C666-1外泌體中下調表達。進一步運用共聚焦顯微鏡研究和WB實驗證實了受體HUVECs中ICAM-1和TSP-1表達的改變是由于外泌體的內化。這些數據表明了鑒定到的血管生成蛋白在外泌體誘導的血管生成過程中具有關鍵作用，可作為潛在的治療靶標。相關成果2016年發表在International Journal of Cancer上。
在腫瘤發生過程中，外泌體已被證明可促進腫瘤血管生成和轉移，而其在鼻咽癌（NPC）中的生物學功能尚不清楚。Chan等人利用超速離心法分離來自鼻咽癌細胞系-C666-1和非腫瘤NP細胞系（NP69和NP460）細胞培養上清中的外泌體，通過WB、蔗糖密度梯度和電子顯微鏡驗證外泌體的分子譜和生物物理學特性，并且運用iTRAQ蛋白質組學技術對分離出的C666-1、NP69和NP460外泌體蛋白進行鑒定和定量。從外泌體中共鑒定到640種蛋白質，與對照組相比，C666-1外泌體中有51種蛋白上調、89種蛋白下調。與預期的結果一樣，包括ICAM-1和CD44v5在內的促血管生成蛋白上調表達，而血管抑制蛋白TSP-1在C666-1外泌體中下調表達。進一步運用共聚焦顯微鏡研究和WB實驗證實了受體HUVECs中ICAM-1和TSP-1表達的改變是由于外泌體的內化。這些數據表明了鑒定到的血管生成蛋白在外泌體誘導的血管生成過程中具有關鍵作用，可作為潛在的治療靶標。相關成果2016年發表在International Journal of Cancer上。
文獻來源：Chan Y K, Zhang H, Liu P, et al. Proteomic analysis of exosomes from nasopharyngeal carcinoma cell identifies intercellular transfer of angiogenic proteins.[J]. International Journal of Cancer, 2015, 137(8):1830-1841.
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