蛋白质组学

蛋白质组学在病毒研究中的应用

白质组学是生命科学领域中的一门新兴学科,可以高通量的分析正常及病理条件下机体、组织、细胞或亚细胞成分中全部蛋白质,对不同空间、不同时间上动态变化的蛋白质组的整体进行比较,分析不同蛋白质组之间在表达数量、表达水平和修饰状态下的差异。蛋白质组学可以发现与疾病相关的特异性蛋白质,对病变相关蛋白的研究可以为探索病毒本身及其感染机制提供信息,且这些蛋白还可能作为疾病诊断潜在的生物标志和治疗的药物靶点。

概念提出及常用技术

蛋白质组(proteome)这一概念由Wilkins和Williams等在1994年提出,以它作为研究对象的蛋白质组学是后基因组时代产生和发展的一门新兴学科,其从整体上分析组织,细胞内动态变化的蛋白质组成、表达水平与翻译后修饰,探索蛋白质的功能及蛋白质之间相互作用与联系。

蛋白质组学中对蛋白表达分析方面的研究应用较多的技术有双向凝胶电泳(two-dimensional electrophoresis,2-DE)、基于2-DE将其重复性和准确性加以改进的双向差异凝胶电泳(two-dimensional difference electrophoresis,2D-DIGE),以及对筛选到的差异表达蛋白进行快速准确鉴定的串联质谱技术(mass spectrometry,MS),其中质谱技术是蛋白质组学研究中的核心技术。

在质谱技术中的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrum,MALDI-TOFMS)是分析多肽和蛋白质混合物的主要方法,此外,使用标记的氨基酸在细胞中进行稳定同位素标记(stable-isotope labeling by amino acids in cell culture,SILAC) 是一种鉴定和定量病毒感染后细胞蛋白中表达差异的有效方法。基糖化蛋白质蛋白质组学技术在病毒学中的应用有助于病毒感染及病毒宿主间的相互作用机制研究。

 

蛋白质组学

 

应用案例

病毒寄生于宿主细胞中,需要不断地适应和改变宿主的环境。他们能够编码多种多功能蛋白质,这些蛋白能与宿主蛋白发生一系列的相互作用以完成病毒的各种功能。目前,许多病毒的基因组已完成测序,但由于受到病毒影响而发生相应改变的宿主蛋白组、宿主蛋白翻译后修饰等还未被完成阐明。近年来,高通量技术的兴起,如基于质谱技术的定量或半定量蛋白组方法,已被广泛应用于病毒宿主相互作用的研究中。依托质谱技术的蛋白质组学飞速发展,不仅促进了病毒蛋白质组学研究的不断进步,同时也加快了对于病毒相关的宿主蛋白鉴定。今后相关研究数据仍会急速增加,这需要更加先进的生物信息学技术对数据进行处理,更全方面地了解病毒感染过程。

案例1:SARS(severe acute respiratory syndrome-associated coronavirus,SARS-CoV)冠状病毒研究中的蛋白组学技术

SARS基因组的基因产物包括20多种蛋白质,据报道,有研究学者应用DIGE技术分析了SARS-CoV感染的Vero E6细胞,鉴定出355个在SARS-CoV感染后表达发生变化的蛋白,其中186个显著差异表达蛋白,为理解SARS-CoV的感染和致病机制提供了线索。对感染SARS-CoV的BHK21细胞进行SILAC定量分析及进一步功能分析表明,BAG3可以压制SARS-CoV的复制。对感染病人的血清蛋白质组分析,有助于可用于病毒感染的诊断、预后及治疗的生物标记。

案例2:禽流感病毒(avian influenza virus,AIV)研究中的蛋白质组学技术

据报道,研究学者利用2-DE技术筛选H9N2感染人源细胞系后不同时间点的差异表达蛋白,运用质谱技术鉴定到22种蛋白,主要包括细胞骨架蛋白、RNA加工途径相关蛋白和代谢相关蛋白等,多组学联合分析其中表达差异显著的蛋白主要参与细胞骨架网络的构成。这些蛋白的鉴定有助于理解禽流感病毒在哺乳动物中的复制及其宿主之间的相互作用。

案例3:揭示新型寨卡病毒宿主因子的蛋白质组学技术

寨卡病毒(ZIKV)是一种与登革热病毒,西尼罗河病毒和丙型肝炎病毒(HCV)有关的黄病毒,具有单链RNA基因组,编码多蛋白,共翻译和翻译后加工成三个结构蛋白,前体膜和包膜以及七种非结构蛋白。

据报道,有研究学者使用人类神经前体细胞和神经细胞 SK-N-BE2 进行整合蛋白质组学方法,以表征细胞在病毒侵染后的蛋白质组和磷酸化蛋白质组变化,并使用亲和蛋白质组学来鉴定ZIKV蛋白的细胞靶标。

通过亲和纯化结合液相色谱和串联质谱技术(AP-LC-MS / MS)鉴定与人SK-N-BE2神经母细胞瘤细胞中表达的10种ZIKV蛋白中的每一种相互作用的细胞蛋白和相关复合物,研究鉴定到了386种 ZIKV 相互作用蛋白、ZIKV 特异性和泛黄病毒活性相关的宿主因子,这些宿主因子已知与神经元发育、视网膜缺陷和不育相关。

由此,相关论文作者绘制了神经元细胞中的ZIKV蛋白-宿主蛋白相互作用网络。此外,研究还分析确定了在 ZIKV 感染后特异性上调或下调的1,216个磷酸化位点,表明病毒感染引起基本信号传导通路为 ZIKV 感染引起的增殖停滞提供了新的见解。

当前,通过比较蛋白质组学对病毒感染前后的蛋白表达图谱进行鉴定,进一步对病毒感染引起的差异表达蛋白进行功能分析和验证,探索其在病毒感染中的潜在作用机制、寻找病毒的作用靶标,为病毒的预防诊治提供理论依据和解决途径。 因此,在继病毒感染细胞的差异蛋白质组分析后,为更能反映真实的变化规律,更到位的解释病毒感染和致病机制,进行病毒感染宿主机体的差异及功能蛋白质组分析将是研究发展的趋势。

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