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        蛋白質組學

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        蛋白質組學在病毒研究中的應用

        2021-04-26 13:45:05

        蛋白質組學是生命科學領域中的一門新興學科,可以高通量的分析正常及病理條件下機體、組織、細胞或亞細胞成分中全部蛋白質,對不同空間、不同時間上動態變化的蛋白質組的整體進行比較,分析不同蛋白質組之間在表達數量、表達水平和修飾狀態下的差異。蛋白質組學可以發現與疾病相關的特異性蛋白質,對病變相關蛋白的研究可以為探索病毒本身及其感染機制提供信息,且這些蛋白還可能作為疾病診斷潛在的生物標志和治療的藥物靶點。

        概念提出及常用技術

        蛋白質組(proteome)這一概念由Wilkins和Williams等在1994年提出,以它作為研究對象的蛋白質組學是后基因組時代產生和發展的一門新興學科,其從整體上分析組織,細胞內動態變化的蛋白質組成、表達水平與翻譯后修飾,探索蛋白質的功能及蛋白質之間相互作用與聯系。

        蛋白質組學中對蛋白表達分析方面的研究應用較多的技術有雙向凝膠電泳(two-dimensional electrophoresis,2-DE)、基于2-DE將其重復性和準確性加以改進的雙向差異凝膠電泳(two-dimensional difference electrophoresis,2D-DIGE),以及對篩選到的差異表達蛋白進行快速準確鑒定的串聯質譜技術(mass spectrometry,MS),其中質譜技術是蛋白質組學研究中的核心技術。

        在質譜技術中的基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrum,MALDI-TOFMS)是分析多肽和蛋白質混合物的主要方法,此外,使用標記的氨基酸在細胞中進行穩定同位素標記(stable-isotope labeling by amino acids in cell culture,SILAC) 是一種鑒定和定量病毒感染后細胞蛋白中表達差異的有效方法。基糖化蛋白質蛋白質組學技術在病毒學中的應用有助于病毒感染及病毒宿主間的相互作用機制研究。


        蛋白質組學


        應用案例

        病毒寄生于宿主細胞中,需要不斷地適應和改變宿主的環境。他們能夠編碼多種多功能蛋白質,這些蛋白能與宿主蛋白發生一系列的相互作用以完成病毒的各種功能。目前,許多病毒的基因組已完成測序,但由于受到病毒影響而發生相應改變的宿主蛋白組、宿主蛋白翻譯后修飾等還未被完成闡明。近年來,高通量技術的興起,如基于質譜技術的定量或半定量蛋白組方法,已被廣泛應用于病毒宿主相互作用的研究中。依托質譜技術的蛋白質組學飛速發展,不僅促進了病毒蛋白質組學研究的不斷進步,同時也加快了對于病毒相關的宿主蛋白鑒定。今后相關研究數據仍會急速增加,這需要更加先進的生物信息學技術對數據進行處理,更全方面地了解病毒感染過程。

        案例1:SARS(severe acute respiratory syndrome-associated coronavirus,SARS-CoV)冠狀病毒研究中的蛋白組學技術

        SARS基因組的基因產物包括20多種蛋白質,據報道,有研究學者應用DIGE技術分析了SARS-CoV感染的Vero E6細胞,鑒定出355個在SARS-CoV感染后表達發生變化的蛋白,其中186個顯著差異表達蛋白,為理解SARS-CoV的感染和致病機制提供了線索。對感染SARS-CoV的BHK21細胞進行SILAC定量分析及進一步功能分析表明,BAG3可以壓制SARS-CoV的復制。對感染病人的血清蛋白質組分析,有助于可用于病毒感染的診斷、預后及治療的生物標記。

        案例2:禽流感病毒(avian influenza virus,AIV)研究中的蛋白質組學技術

        據報道,研究學者利用2-DE技術篩選H9N2感染人源細胞系后不同時間點的差異表達蛋白,運用質譜技術鑒定到22種蛋白,主要包括細胞骨架蛋白、RNA加工途徑相關蛋白和代謝相關蛋白等,多組學聯合分析其中表達差異顯著的蛋白主要參與細胞骨架網絡的構成。這些蛋白的鑒定有助于理解禽流感病毒在哺乳動物中的復制及其宿主之間的相互作用。

        案例3:揭示新型寨卡病毒宿主因子的蛋白質組學技術

        寨卡病毒(ZIKV)是一種與登革熱病毒,西尼羅河病毒和丙型肝炎病毒(HCV)有關的黃病毒,具有單鏈RNA基因組,編碼多蛋白,共翻譯和翻譯后加工成三個結構蛋白,前體膜和包膜以及七種非結構蛋白。

        據報道,有研究學者使用人類神經前體細胞和神經細胞 SK-N-BE2 進行整合蛋白質組學方法,以表征細胞在病毒侵染后的蛋白質組和磷酸化蛋白質組變化,并使用親和蛋白質組學來鑒定ZIKV蛋白的細胞靶標。

        通過親和純化結合液相色譜和串聯質譜技術(AP-LC-MS / MS)鑒定與人SK-N-BE2神經母細胞瘤細胞中表達的10種ZIKV蛋白中的每一種相互作用的細胞蛋白和相關復合物,研究鑒定到了386種 ZIKV 相互作用蛋白、ZIKV 特異性和泛黃病毒活性相關的宿主因子,這些宿主因子已知與神經元發育、視網膜缺陷和不育相關。

        由此,相關論文作者繪制了神經元細胞中的ZIKV蛋白-宿主蛋白相互作用網絡。此外,研究還分析確定了在 ZIKV 感染后特異性上調或下調的1,216個磷酸化位點,表明病毒感染引起基本信號傳導通路為 ZIKV 感染引起的增殖停滯提供了新的見解。

        當前,通過比較蛋白質組學對病毒感染前后的蛋白表達圖譜進行鑒定,進一步對病毒感染引起的差異表達蛋白進行功能分析和驗證,探索其在病毒感染中的潛在作用機制、尋找病毒的作用靶標,為病毒的預防診治提供理論依據和解決途徑。 因此,在繼病毒感染細胞的差異蛋白質組分析后,為更能反映真實的變化規律,更到位的解釋病毒感染和致病機制,進行病毒感染宿主機體的差異及功能蛋白質組分析將是研究發展的趨勢。

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