Proteomics in genomeland Science 297: 1221 , 2001)
And now for the proteome. . .
Nature 409: 747 , 2001
1 蛋白质组概念的提出
• 蛋白质组( proteome ) 一词是澳大利亚Macquarie 大学 Wilkins 和Williams 在1994 年首次提出，最早见于文献是 在1995 年7月《Electrophoresis》杂志上，是指由一个基因 组，或一个细胞、组织表达的所有蛋白质。
• 蛋白质组学的研究手段也可以应用于农业研究、 环境保护等多方面。
• 蛋白质组研究不仅可实现与基因组的对接与确认， 直接揭示生命活动规律和本质、人类重大疾患 （病原体）致病的物质基础以及发生与发展的病 理机制；
• 而且可广泛推动生命科学基础学科以及分析、信 息、材料等应用科学的发展；
• 对提高我国生物医学原始创新能力、重大疾病防 诊治能力和国民健康水平以及新药研发能力、对 促进生物医药产业乃至国民经济的发展具有重大 的战略意义
46
Orbitrap
47
Orbitrap
k
m/z
w = oscillation frequency k = instrumental const. m/z = …. what we want!
48
Orbitrap
49
课 堂内容
一. 蛋白质组学简介 二. 质谱技术基础 三. 质谱数据分析 四. 蛋白质组数据库
43
Quadrupole Mass Filter
44
FT-ICR
Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry
Analyst (2005) 130, 18–28
45
FT-ICR-MS
Analyst (2005) 130, 18–28
1.质谱技术是鉴定蛋白质的最主要技术 2.质谱数据是蛋白质组学中最丰富的信息源 3.质谱技术与蛋白质鉴定是蛋白质组计划中启动最早，
也是相对研究基础较强的方向
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质谱仪的组成
36
质谱仪的组成与结构
37
质谱仪的三大构件
Sample
+ _
Ionizer
• MALDI • Electro-Spray
Ionization (ESI)
• 另外，蛋白质组学与其它学科的交叉也将日益显 著和重要，
• 蛋白质组学与其它大规模科学如基因组学，生物 信息学等领域的交叉，所呈现出的系统生物学 （System Biology）研究模式，将成为未来生命科 学最令人激动的新前沿。
人类肝脏蛋白质组的研究问题
21
蛋白质组学与信息技术
蛋白质组学
计算
色谱技术
5、蛋白质组学的发展趋势
基础研究方面
• 已被应用到各种生命科学领域，如细胞生 物学、神经生物学等；
• 涉及到各种重要的生物学现象，如信号转 导、细胞分化、蛋白质折叠等等。
• 在研究对象上，覆盖了原核微生物、真核 微生物、植物和动物等范围；
应用研究方面
• 蛋白质组学将成为寻找疾病分子标记和药 物靶标最有效的方法之一。
68
69
70
71 /course/2005.jan.eng.pdf
Single Stage MS
72 /course/2005.jan.eng.pdf
Tandem MS
73 /course/2005.jan.eng.pdf
25
Biomarker 发现
7500
10000
12500
15000
4
2
0 4
7500 3 2 1 0 4 7500 3 2 1 0 4 7500 3 2 1 0
7500 4
2
10000 10000 10000 10000
C
C-B8
12500
15000
C
D-B9
12500
15000
N
E-B10
12500
1. 人类基因组测序计划（HGP）完成之后，自2001年前 后开始，蛋白质组学逐渐受到重视，人类蛋白质组计 划成为HGP之后又一重大国际合作大科学项目
2. 生化测试仪器技术的快速发展导致“数据泛滥、知识 困乏”尴尬局面日益突出，尤其是在蛋白质组学领域
3. 计算技术可以为在蛋白质组学中快速可靠地发现生物 学关键知识和指导提高生物学实验的质量和效率提供 强大的技术方法支持
39
Electrospray (ESI)
40
2002年诺贝尔化学奖
"for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules"
"for their development of soft desorption
• 蛋白质组学（ Proteomics ）是研究在特定时间或环境下某 个细胞或某种组织基因组表达的全部蛋白质。
Wilkins
2、蛋白质组学的研究意义
• 蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象的直接 体现者，对蛋白质结构和功能研究将直接阐明生 命在生理或病理条件下的变化机制。
• 几乎所有的生理和病理过程，以及药物和环境因 子的作用都依赖于蛋白质，并引起蛋白质的变化。 反之，对蛋白质组变化的分析也能提供对上述过 程或结果的重要信息。
10
蛋白质组学
后基因组时代
功能基因组学
Genome DNA
RNA
Transcriptome
Proteins
Metabolites
Protein-DNA, Protein-RNA Protein-protein
Proteome Metabolome Interactome
转录组学
蛋白质组学 代谢组学 表型组学 相互作用组 ……
ionisation methods for mass spectrometric
NMR
analyses of biological macromolecules"
John B. Fenn ESI
b. 1917
Koichi Tanaka MALDI b. 1959
41
42
Time of Flight （TOF）
50
51
Ion Trap (LCQ, LTQ)
52
53
一个应用示例
54
恐龙胶原蛋白的质谱图
55
第二个应用示例
56
第三个应用示例
57
Primary Structure No. in UniProtKB
58
一张串联质谱
59
What is a Protein ?
60
The Structure of Protein
问题
凝胶电泳
质谱技术
从头测序
解决
NMR
方案
X-Ray
信息技术
数据库
算法学 统计学
模式识别 信息论 几何学
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利用串联质谱鉴定蛋白质
输入
蛋白质数据库
？查询
①
串联质谱图
序列片段
③ PNT
②
从头测序
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输出
氨基酸序列 VLDPNTVFAL
癌症的早期诊断问题
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(Source: Nature)
质谱与Biomarker发现
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课 堂内容
一. 蛋白质组学简介 二. 质谱技术基础 三. 质谱数据分析 四. 蛋白质组数据库
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Left: An LTQ mass spectrometer (image from University of Vermont) Right: A high-end Fourier Transform mass spectrometer (imag33e from Pacific Northwest National Labs)
urce: Science)
蛋白质组 VS 基因组（复杂性）
7
蛋白质的复杂性
8
Proteoform: 描述蛋白质的复杂性
9
人类蛋白质组计划
Human Plasma Proteome Project, USA
Human Disease Glycomics/Proteome Initiative (HGPI), Japan
4）功能蛋白质组学 蛋白质的功能和相互作用；
5）蛋白质组学研究的技术平台与生物信息学 分离、鉴定技术，分析软件和数据库。
4、蛋白质组学的研究技术
• 蛋白质分离技术
凝胶双向电泳、HPLC；
• 蛋白质鉴定技术
Edman 测序、质谱技术；
• 图像分析与生物信息
图像分析软件，数据库；
• 相互作用研究技术
酵母双杂交技术、免疫共沉淀、蛋白质芯片等。
15000
N
C-B14
12500
15000
C
D-B15
0
26
750000
1100000 00
112250000
1155000 00
“计算蛋白质组学”
Computational Proteomics:
以计算技术为主，专门研究蛋白质组学实验中产生的大 规模数据的存储、管理、计算、分析与理解的一门蛋白 质组学的主要分支学科。
Mass Analyzer
• Time-Of-Flight (TOF) • Quadrapole • Ion-Trap