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蛋白质组学在新药/海洋/植物胁迫/外泌体研究中的应用

信息来源：金开瑞作者：genecreate 发布时间：2018-04-23 13:52:03

1、蛋白质组学在新药研究中的应用
新药研发是一个周期长、高风险、高投入、高回报的产业，竞争的焦点在于筛选新药，问题的核心是低成本、高效率地筛选新药。蛋白质组学是从蛋白质整体水平上、从生命本质的层次上研究和发现生命活动的规律。由于疾病的发生与发展、药物的作用大多是在蛋白质水平上进行的，因此，蛋白质组学研究克服了蛋白质表达和基因之间的非线性关系。将蛋白质组应用于新型药物的研发，可通过对疾病与正常细胞中的蛋白质组进行比较，发现可成为药物筛选作用靶标及与疾病相关的蛋白质。
药靶识别是理解药物作用机制的关键步骤，可以改善药物目前的治疗体系并扩大药物的治疗潜力。Wang等人利用iTRAQ技术研究了一种能有效抑制肿瘤转移的抗癌剂——穿心莲内酯（andrographolide，简称Andro）在活癌细胞中的特异性细胞靶点。iTRAQ实验共定量到291种蛋白质，其中有208个蛋白在统计学上可信度较高。经过进一步严格筛选，最终发现有75个蛋白质可作为Andro的特异靶点。随后的pathway分析表明，Andro可能通过多种靶点和途径发挥其抗癌作用，其中涉及癌细胞死亡途径的靶标有30多个，涉及细胞迁移和转移的靶标有15个，与炎症相关的靶标有20个，与蛋白合成途径相关的靶标有10个。作者发现NF-κB和β-actin是涉及癌细胞转移途径所有靶标蛋白中差异比例最高的两种靶标蛋白质。因此，鉴于它们在肿瘤转移中的关键作用，后期选择这两种蛋白质以进一步验证Andro的抗癌细胞转移作用。WB实验、细胞迁移和侵袭实验发现Andro具有新型抗转移潜力。相关研究2014年发表在Molecular & Cellular Proteomics上。

文献来源：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、蛋白质组学在海洋环境中的应用
蛋白质组学在海洋环境科学研究中有着广泛的应用，特别是生态毒理、环境胁迫与应答、宏蛋白质组等研究方向。

生态毒理蛋白质组学是从整体的蛋白质水平上，探讨生物在污染物下，细胞蛋白的变化，并阐明污染物的毒性作用及其机制。海洋环境中多环芳香烃（PAH）的污染对海洋生物和人类的生存产生了严重的危险。 Enerstvedt 等人应用Label-free定量蛋白质组学技术研究了大西洋鳕经PHA处理后，血浆蛋白质组变化情况。该项研究中，研究者共设计了10组实验，包括不同的PAH种类及其不同剂量处理实验。实验结果显示：在鉴定到的369种血浆蛋白质中，其中有12种蛋白是在PHA处理中特异存在，可作为候选标志物。从分析出的差异蛋白中发现，上调的11个蛋白主要是免疫球蛋白，这表明大西洋鳕经PHA处理后发生了免疫反应。总之，该研究结果为今后大西洋鳕血浆蛋白组的研究提供了基础，新的血浆蛋白生物标志物的发现为环境监测环芳烃提供了科学依据。相关成果2017年发表在Chemosphere上。

文献来源：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、蛋白质组学在植物胁迫机制中的应用

盐胁迫是对植物非常重要的一种非生物胁迫，对植物的整个生命进程产生影响，例如降低作物的产量，从而形成复杂的自适应机制来应对盐害，这种机制主要体现在光合作用的调节、渗透调节、选择性离子吸收或排斥。Zhang等人应用iTRAQ定量蛋白质组学技术研究了在盐胁迫条件下两种棉花幼苗的耐盐机制。在该项研究中作者选用的两种旱地棉花品种：盐敏感基因型（N）和耐盐基因型(Z)。以NaCl处理的种子生长发育后幼苗为样本，先采用iTRAQ筛选特异性蛋白并在生物信息分析中将蛋白质组学与转录组学进行关联分析，后从RNA 层面进行了验证。作者通过iTRAQ定量蛋白质组学技术从棉花幼苗中共鉴定到2300多个蛋白。其中有100多个差异蛋白，包括58种不同的盐反应蛋白。盐处理后，RNA解旋酶3和原叶绿素还原酶受到明显抑制，而磷酸盐相关的差异蛋白磷酸乙醇胺N-甲基转移酶1被诱导，所有这些蛋白在盐胁迫中发挥重要作用。另外通过关联分析发现有16个差异表达蛋白与差异基因表达相一致，qRT-PCR验证结果与组学结果一致。相关成果2017年发表在Frontiers in Plant Science上。

文献来源：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.
铅污染是越来越严重的环境问题，持续威胁着作物产量。为了揭示作物对铅毒适应性的分子机制，Zhu等人运用SWATH技术对铅作用后的拟南芥进行了蛋白质组学检测，实验组为铅作用拟南芥幼苗24h，对照组为水作用拟南芥幼苗24h。共鉴定和定量了1719个蛋白，铅作用后有231个蛋白含量发生了变化，其中有151个蛋白表达量上调，80个蛋白表达量下调。功能分类表明大多数Pb响应蛋白参与不同的代谢过程，相反，导致谷胱甘肽、茉莉酸（JA）、硫代葡萄糖苷（GSL）和苯丙素生产的途径被上调。实验表明Pb处理的拟南芥幼苗内源JA产生迅速升高，而JA缺陷型突变体和JA不敏感型突变体表现出Pb对根的超敏反应，暗示JA在Pb响应过程中起重要作用。铅处理后GSL水平显着提高，而在JA突变体中未检测到这种诱导，这表明Pb诱导的GSL积累是JA依赖性的。该研究第一次将SWATH-MS分析技术应用于拟南芥，强调了JA在Pb胁迫过程中潜在的介导作用。相关成果2016年发表在Journal of Proteome Research上。

文献来源：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、蛋白质组学在外泌体研究中的应用

外泌体（Exosome）也称为多囊泡体，是活细胞分泌来源于晚期核内体的纳米级脂质包裹体结构，直径30-150nm，密度1.13-1.21g/ml，内部包裹了蛋白质、mRNA和microRNA等物质。包括肿瘤细胞在内的几乎所有类型的细胞，都可以产生并释放外泌体。外泌体由细胞分泌释放出来，在血液等体液内传播，最后又可被其他细胞吞噬，是细胞间通讯的重要介质。外泌体天然存在于体液中，包括血液、唾液、尿液和母乳等，而不同组织来源的外泌体在内容物组成和功能方面存在差异，同时这种差异受到细胞外基质和微环境的动态调控。越来越多的证据表明，宿主细胞或肿瘤细胞分泌的外泌体参与了肿瘤发生、生长、侵袭和转移。而基于质谱的蛋白质组学是研究外泌体不可或缺的一项技术。将蛋白质组学技术应用于外泌体研究，可以极大地辅助疾病的早期诊断、疾病的治疗、疗效评价和预后分析。
在肿瘤发生过程中，外泌体已被证明可促进肿瘤血管生成和转移，而其在鼻咽癌（NPC）中的生物学功能尚不清楚。Chan等人利用超速离心法分离来自鼻咽癌细胞系-C666-1和非肿瘤NP细胞系（NP69和NP460）细胞培养上清中的外泌体，通过WB、蔗糖密度梯度和电子显微镜验证外泌体的分子谱和生物物理学特性，并且运用iTRAQ蛋白质组学技术对分离出的C666-1、NP69和NP460外泌体蛋白进行鉴定和定量。从外泌体中共鉴定到640种蛋白质，与对照组相比，C666-1外泌体中有51种蛋白上调、89种蛋白下调。与预期的结果一样，包括ICAM-1和CD44v5在内的促血管生成蛋白上调表达，而血管抑制蛋白TSP-1在C666-1外泌体中下调表达。进一步运用共聚焦显微镜研究和WB实验证实了受体HUVECs中ICAM-1和TSP-1表达的改变是由于外泌体的内化。这些数据表明了鉴定到的血管生成蛋白在外泌体诱导的血管生成过程中具有关键作用，可作为潜在的治疗靶标。相关成果2016年发表在International Journal of Cancer上。

文献来源：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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