互动科普

蛋白质组学是生物技术领域的“新新事物”，热衷于这一领域的学者正在争相研究我们人体内蛋白质的种类，以及蛋自质分子之间形成网络结构的机理。这努力的结果将可能是不断有更多、更好的药物问世。

蛋白质统治时代

Carol Ezzel

该让位了，基因组！

基因组倍受瞩目的统治时期行将结束，科学家现在已经把关注的焦点转移到了人类蛋白质组一一人体组织和细胞制造的各种各样的蛋白质。虽然人类基因组包含了我们身体的全部遗传信息，但那也只是制造蛋白质的原材料，而构成细胞并发挥各种功能则是由蛋白质来完成的。蛋白质也是机体各种不同类型细胞之间差异的决定因素，尽管所有的细胞都拥有同样的基因组，但在不同的细胞内会有不同的基因处在活跃状态，从而合成不同的蛋白质。同样，病变细胞和正常细胞的差异在很大程度上也是由功能基因及其合成蛋白质的不同来决定的。

在各大公司和学术界工作的科学家正试图列出所有的蛋白质种类，并揭示他们之间的相互作用，其最终的目的则是发明疗效更高、副作用更小的新药。

实现这个目的并非易事。研究蛋白质要比研究基因困难得多，生物技术公司都在全力开发最好的技术和实验仪器，这方面的竞争已经全面展开。至少有一家公司预言将在3年内破译蛋白质组，而设法弄清各种蛋白质之间复杂的相互作用则是其中重要的环节。同时，美国联邦政府的科研计划也在为学术界的科学家提供经费，支持他们研究癌细胞中和血清液体成分中的蛋白质组。

研究人员已经取得了重要进展。在1月份，有2个研究组分别报告了他们应用一种细胞生物学常用研究模型一一啤酒酵母，成功地描绘出蛋白质相互作用的概况。还有科学家在2月份宣布，他们利用蛋白质组学技术成功地开发了一种早期而准确地诊断卵巢癌的试剂。

蛋白质组学也正在成为一个巨大的产业。根据Frost＆Sullivan投资分析，全球蛋白质组学研究设备、试剂和服务等方面的市场份额，将从1999年的7亿美元上升到2005年的56亿美元，这还不包括基于蛋白质研究成果而开发的药物和诊断方法所获得的收入。Morgan Stanley公司副经理兼执行经理Jessica Chutter指出，蛋白质组学在未来制药领域的作用是举足轻重的。制药业2000年在研发方面的投入是300{L美元，但当年被批准的药物却只有30种，“因此必须借助蛋白质组学的迅速发展和相关技术的应用来改进药物研发过程，否则制药公司将无以为继。”她说。

“基因微不足道”

“蛋白质组”一词是澳大利亚悉尼蛋白质组系统公司副总裁兼生物信息负责人Marc R．Wilkins于1994年提出的，用以描述基因组编码的各种蛋白质成分(名词后缀一ome和-omics在生物学领域已被广泛应用，在web网站上，这类带后缀的术语列出来可以多达数十条)。虽然各人给蛋白质组学下的定义各有不同，但大多数科学家认同其研究内容主要包括3个部分：了解某种特定的细胞、组织或器官制造的蛋白质种类；明确各种蛋白质分子是如何形成类似于电路的网络的；描绘蛋白质的精确三维结构，揭示它们结构上的关键部位——与药物结合并且决定其活性的部位。

这些工作听起来简单，但2001年蛋白质组学大会的主题却耐人寻味：“人类蛋白质组计划：基因微不足道”。人类基因组计划经过艰苦努力已基本完成，围绕人类基因组计划的一些哗众的大话使人们以为，一旦知道了人类基因组中大约30亿个编码子或DNA碱基对序列，特别是搞清了各种蛋白质的编码基因序列，就能对蛋白质本身有深入的认识了。

不幸的是，蛋白质组要远比基因

组复杂的多。DNA“字母表”只有4种不同的化学碱基，按它们的第一个字母分别称为：A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鸟嘌呤)和T(胸腺嘧啶)。而蛋白质组则不同，是由20种被称为氨基酸的物质组成的。由哪些氨基酸组成什么种类的蛋白质是基因决定的，但即使科学家知道了某种蛋白质的氨基酸序列，也不见得就能推断出其功能或与其他蛋白质的相互关系，同样也不一定能够完全准确地推断出其三维结构。与基因的简单线状结构不同，蛋白质会折叠成不同的形状，有时可能跟人们想象的情况完全相反。

不仅如此，细胞在合成蛋白质的过程中还常常通过增加糖基或／和脂质而对蛋白质进行修饰，其方式也是很难预料的。对于一个新发现的基因，科学家无法只靠基因结构和对应的氨基酸序列来推测它所编码蛋白质的结构，还必须得明确其脂质和糖基的修饰情况。研究人员还要考虑到有些蛋白质是溶干水的，而有些则通常只有在油性环境中才具活性，或者蛋白质的一部分结构域可能被包埋在充满脂质的细胞膜中。了解了所有这些，才可能对蛋白质的特性有一个较为全面的认识。

蛋白质的复杂性还不止这些，尽管大多数学者都认为基因组大约包括40000个基因，但仅仅一个典型的细胞就能制造成千上万种不同的蛋白质。要认识蛋白质组，科学家就必须逐一研究所有这些蛋白质的特性。人类基因组计划所获得的数据最终还是没有摆脱一个基因编码一种蛋白质的局限性，只是简单地把那些数据拿来，其实意义不大。一个基因在不同的情况下可以产生多种不同的蛋白质，这是显而易见的。

尽管蛋白质如此复杂多变，但蛋白质组研究者仍看到了乐观的一面。旧金山加州大学的Burlingame说：“在人体内的蛋白质约有30—59％是未知或功能不明的，但我们已经具备了快速探究人类蛋白质组的能力，在未来两三年内将会取得重大进展。”

蛋白质组学工厂

科学家在试图弄清某些特定的组织或细胞含有哪些蛋白质时，通常借助2种技术：二维凝胶电泳(2一D凝胶)和质谱技术。利用2一D凝胶，科学家把蛋白质混合物加到薄薄的凝胶一侧，先在一个方向上电冰，将不同(质量)大小的蛋白质分子区分开，然后在与其相垂直的另一个方向上再次电泳，分离带不同电荷的蛋白质(见上一页图解)。蛋白质的分子量大小和带电情况各不相同，这样就会在凝胶上出现在各自相应的位点上。研究人员把凝胶上不同位置的点切下来，再利用其他的技术就可鉴定各个点中所含蛋白质的特性了。将两种组织分别进行2一D凝胶电泳，通过比较所出现的点的差异，可以找出蛋白质是由某种组织合成而不是由另一种组织合成的。

质谱技术利用磁场或电场，根据构成各种蛋白质的原子的质量不同而将它们区分开，其结果是在输出曲线上显示一些特征峰。无论2一D凝胶电泳还是质谱技术，目前都还有不尽如人意的地方。众所周知，2一D凝胶电泳操作比较困难，而且无法分离特别大或特别小或者那些跨膜的蛋白质分子。而质谱技术的费用相当昂贵(一台仪器的价格超过50万美元)，对罕见的蛋白质有时也难以检测出来。

不过，几家公司正在对这些方法进行改进，以便能像人类基因组计划那样实现大规模工业化操作。人类基因组计划的核心设备是Applied Biosystems所拥有的DNA测序仪ABI3700。(Applied Biosystems现在隶属于Applera，后者还包括有Celer基因组学公司，他们跟政府联合于2000年完成了人类基因组测序。)1月份，Applied Biosystems将他们研制的质谱4700蛋白质组学分析仪公诸于世，并宣布已与PerkinElmer和Millipore公司达成协议，提供2-D凝胶自动电泳和分析系统。公司负责人希望这些自动化设备能大大提高科学家的效率，使他们在数日内就能完成以往要数月甚至数年才能完成的工作。

但是，这些新的实验设备是否符合蛋白质组学的标准还有待于进一步观察。Applera的竞争者Agilent公司的生命科学研发总监Darlene Solomon指出：“任何一种工具都主宰不了蛋白质组学行业，这个领域实在太大了。”

与此同时，像盐湖城的Myriad Genetics、日内瓦的Gene Prot、加州的Large Scale Biology、多伦多的MDSProteomics等这样一些公司也加快了他们建立自己蛋白质组学工厂的步伐，有些还引入了机器人自动化技术。Myriad去年宣布，它和日立公司、美国甲骨文公司联合投资1．85亿美元，计划在3年内破译整个人类蛋白质组，这项计划已于今年1月正式启动。Celera公司投入了将近10亿美元用于蛋白质组学研究，其创始人J．Craig Venter已于1月份辞去总裁职务，而公司宣布他们正在寻找一位在药物开发方面更有经验的继任者，这表明该公司的经营模式正在发生改变，从单靠向其他公司出售其基因组学和蛋白质组学数据逐渐转向研究开发他们自己的药物。

对这种庞大计划的批评者指出，人体内的蛋白质组并不是单一的，如胰腺所制造的蛋白质和脑制造的蛋白质种类就大不相同，而且还都处在不断变化之中，喝一杯酒就可能改变体内的蛋白质合成。MDSProteomics的科技首席官Michael F. Moran进一步解释说：每一种状况——增加或去掉疾病的影响，增加或去掉药物的干扰，都会产生不同的蛋白质组。

换句话说，列出人体内蛋白质的种类就已是够复杂的了，要了解各种蛋白质在体内的作用并开发有用的药物，则还需要进一步明确不同细胞之间以及同一种细胞在不同条件下所表达蛋白质的差异。另外，还必须知道各种蛋白质如何协同作用，从而实现细胞的各种功能活性。

蛋白质组网络

Moran所在的公司正集中精力做一项最新的工作——探讨蛋白质分子之间的密切联系：如何形成生化反应链，又怎样在细胞增殖过程中产生分子动力、导致细胞分裂。他说：“蛋白质分子被组装成网络，如果你想了解某一种蛋白质，那你就去了解与它有相互作用的其他蛋白质”。

在1月10日出版的《自然》杂志上，来自MDSProteomics公司和多伦多大学的科学家，以及来自德国海德尔堡Cellzome公司和欧洲分子生物学实验室的独立研究小组报告，他们发明了一种在酵母中发现上百种蛋白质相互作用的新策略。他们的研究工作包括：先将数百个酵母基因进行修饰——贴上一段编码“粘性标签”的DNA片段，然后把酵母制成匀浆，用一种只与“粘性标签”结合的微珠做成的柱子对酵母匀浆进行纯化，就可以分离得到那些被修饰基因所表达的蛋白质，以及与这些蛋白质结合的其他蛋白。把获得的蛋白质进行质谱分析，结果发现其中90％以上的成分是功能未知的蛋白质。而且有多达80％的蛋白质与至少一种其他的蛋白分子相互作用，这充分说明了细胞内生物化学网络的复杂性。

MDSProteomics公司现正计划将此技术应用到人类蛋白质组研究中。由于酵母蛋白质组计划仅用数周的时间就完成了，公司官员预计他们有可能在1年时间内绘制出一个细胞的蛋白质组基本概况图。目前还不知道他们将选择哪种类型、什么状态下的人类细胞作为研究对象。

公共研究部门也加快了蛋白质组学的研究步伐，Samir M．Hanash领导的密歇根大学研究人员成立了“人类蛋白质组组织(HUPO)”，其目的是像人类基因组计划集中学术机构联合破译人类基因组那样，把公共人类蛋白质组计划的力量整合起来。在HUPO确定的第一批目标中，设法搞清血清中存在的各种蛋白质就是其中之一。

国立癌症研究所(NCI)和美国食品药品管理局(FDA)合作的一项计划，是利用蛋白质组学技术开发更有针对性的癌症治疗办法和更可靠的诊断手段。在这项于2001年7月宣布的计划中，研究人员将分析癌症患者的肿瘤细胞，找出那些只出现在肿瘤细胞而不出现在正常细胞的蛋白质。同时还将设法寻找与侵袭性肿瘤密切相关的蛋白“标记”，这样或许能开发出更好的诊断试剂。

这项NCI／FDA计划的副主任Emanuel Petricoin，和他在该机构中以及在马里兰州Correlogic Systems的同事最近证明了蛋白质组学在诊断癌症中的可行性。在柳叶刀杂志网站2月8日发表的一篇文章中，他们报道对患有和未患卵巢癌者血清中存在的蛋白质模式进行了比较研究。通过分析，他们对全部50名患有卵巢癌的妇女都作出了准确的判断，而在未患卵巢癌的妇女当中只有3例呈现假阳性反应。

找出并描绘蛋白质之间相互作用的关系只占到蛋白质组学研究内容的三分之二，确定蛋白质的形状也具有同样重要的意义。这方面的经典技术是X线晶体衍射技术，科学家先把蛋白质纯化出来并使之成为晶体，然后用X射线对晶体进行辐射。通过分析X射线从蛋白质单个原子上的反射情况，研究人员可以推测出蛋白质的组成成分和整体三维结构。

未来走势

X射线晶体衍射技术曾经一度初具规模，它要求的条件是能够接受同步加速器发出的X射线。在历史上这种设备通常是巨大的环形，直径可达数英里，曾被物理学家用来激发原子，在这个过程中就可以产生X射线。后来在X射线激光方面的进展已经制造出了体积小到可放在桌面的仪器，方便于在实验室使用。

同在圣迭哥的两家公司Syrrx和Structural GenomiX(SGX)现从事X射线晶体衍射技术。Syrrx的发起人之一兼商务开发经理Nathaniel David说，今天做事都已经全自动化了。就像有的公司已经把发现蛋白质的过程自动化了一样，Syrrx也从自动化工业领域借鉴了先进的技术。他们从通用汽车公司引进顾问，把8300平方米的设施全都进行了自动化改造，使得从蛋白质纯化到结晶处理的整个过程都在流水线上进行。除了他们自己的X射线激光之外，LawrenceBerkeley实验室的现代光源公司也提供了应用光源。Argonne国家实验室的现代光子源公司也建立了自己的光源设施。SGX的情况也基本类似。

有关蛋白质结构方面的信息是有商业价值的。英国牛津的GlycoSciences公司认定，可以利用蛋白质组学数据专利权使人类基因组和蛋白质组成为有利可图的事业。去年12月，该公司提交了4000份关于人类蛋白质的专利申请，这一做法为智力财富在生物技术领域的价值作出了很好的诠释。过去，公司一般都注重对DNA序列及预测的编码蛋白质分子进行专利保护，但由于同一个基因可以制造一系列不同的蛋白质，因而对蛋白质本身的专利主张将会更有价值，并且还可以不受竞争对手在DNA序列方面专利权的限制。如此一来，法庭将成为一个新的有利于蛋白质的竞技场，基因就不得不让位了。

【王刚／译 曾少立／校】