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蛋白質(zhì)組學(xué)在病毒研究中的應(yīng)用
蛋白質(zhì)組學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域中的一門新興學(xué)科，可以高通量的分析正常及病理?xiàng)l件下機(jī)體、組織、細(xì)胞或亞細(xì)胞成分中全部蛋白質(zhì)，對不同空間、不同時間上動態(tài)變化的蛋白質(zhì)組的整體進(jìn)行比較，分析不同蛋白質(zhì)組之間在表達(dá)數(shù)量、表達(dá)水平和修飾狀態(tài)下的差異。蛋白質(zhì)組學(xué)可以發(fā)現(xiàn)與疾病相關(guān)的特異性蛋白質(zhì)，對病變相關(guān)蛋白的研究可以為探索病毒本身及其感染機(jī)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(biāo)志和治療的藥物靶點(diǎn)。
概念提出及常用技術(shù)
蛋白質(zhì)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(zhì)組學(xué)是后基因組時代產(chǎn)生和發(fā)展的一門新興學(xué)科，其從整體上分析組織，細(xì)胞內(nèi)動態(tài)變化的蛋白質(zhì)組成、表達(dá)水平與翻譯后修飾，探索蛋白質(zhì)的功能及蛋白質(zhì)之間相互作用與聯(lián)系。
蛋白質(zhì)組學(xué)中對蛋白表達(dá)分析方面的研究應(yīng)用較多的技術(shù)有雙向凝膠電泳（two-dimensional electrophoresis,2-DE）、基于2-DE將其重復(fù)性和準(zhǔn)確性加以改進(jìn)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(dá)蛋白進(jìn)行快速準(zhǔn)確鑒定的串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)（mass spectrometry,MS），其中質(zhì)譜技術(shù)是蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的核心技術(shù)。
在質(zhì)譜技術(shù)中的基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜（matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrum,MALDI-TOFMS）是分析多肽和蛋白質(zhì)混合物的主要方法，此外，使用標(biāo)記的氨基酸在細(xì)胞中進(jìn)行穩(wěn)定同位素標(biāo)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(xì)胞蛋白中表達(dá)差異的有效方法。基糖化蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在病毒學(xué)中的應(yīng)用有助于病毒感染及病毒宿主間的相互作用機(jī)制研究。
應(yīng)用案例
病毒寄生于宿主細(xì)胞中，需要不斷地適應(yīng)和改變宿主的環(huán)境。他們能夠編碼多種多功能蛋白質(zhì)，這些蛋白能與宿主蛋白發(fā)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(fā)生相應(yīng)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(shù)的興起，如基于質(zhì)譜技術(shù)的定量或半定量蛋白組方法，已被廣泛應(yīng)用于病毒宿主相互作用的研究中。依托質(zhì)譜技術(shù)的蛋白質(zhì)組學(xué)飛速發(fā)展，不僅促進(jìn)了病毒蛋白質(zhì)組學(xué)研究的不斷進(jìn)步，同時也加快了對于病毒相關(guān)的宿主蛋白鑒定。今后相關(guān)研究數(shù)據(jù)仍會急速增加，這需要更加好的生物信息學(xué)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)技術(shù)
SARS基因組的基因產(chǎn)物包括20多種蛋白質(zhì)，據(jù)報道，有研究學(xué)者應(yīng)用DIGE技術(shù)分析了SARS-CoV感染的Vero E6細(xì)胞，鑒定出355個在SARS-CoV感染后表達(dá)發(fā)生變化的蛋白，其中186個顯著差異表達(dá)蛋白，為理解SARS-CoV的感染和致病機(jī)制提供了線索。對感染SARS-CoV的BHK21細(xì)胞進(jìn)行SILAC定量分析及進(jìn)一步功能分析表明，BAG3可以壓制SARS-CoV的復(fù)制。對感染病人的血清蛋白質(zhì)組分析，有助于可用于病毒感染的診斷、預(yù)后及治療的生物標(biāo)記。
案例2：禽流感病毒（avian influenza virus,AIV）研究中的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)
據(jù)報道，研究學(xué)者利用2-DE技術(shù)篩選H9N2感染人源細(xì)胞系后不同時間點(diǎn)的差異表達(dá)蛋白，運(yùn)用質(zhì)譜技術(shù)鑒定到22種蛋白，主要包括細(xì)胞骨架蛋白、RNA加工途徑相關(guān)蛋白和代謝相關(guān)蛋白等，多組學(xué)聯(lián)合分析其中表達(dá)差異顯著的蛋白主要參與細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)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(fù)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(zhì)組學(xué)技術(shù)
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(guān)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(jié)構(gòu)蛋白，前體膜和包膜以及七種非結(jié)構(gòu)蛋白。
據(jù)報道，有研究學(xué)者使用人類神經(jīng)前體細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞 SK-N-BE2 進(jìn)行整合蛋白質(zhì)組學(xué)方法，以表征細(xì)胞在病毒侵染后的蛋白質(zhì)組和磷酸化蛋白質(zhì)組變化，并使用親和蛋白質(zhì)組學(xué)來鑒定ZIKV蛋白的細(xì)胞靶標(biāo)。
通過親和純化結(jié)合液相色譜和串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)（AP-LC-MS / MS）鑒定與人SK-N-BE2神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中表達(dá)的10種ZIKV蛋白中的每一種相互作用的細(xì)胞蛋白和相關(guān)復(fù)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(guān)的宿主因子，這些宿主因子已知與神經(jīng)元發(fā)育、視網(wǎng)膜缺陷和不育相關(guān)。
由此，相關(guān)論文作者繪制了神經(jīng)元細(xì)胞中的ZIKV蛋白-宿主蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)。此外，研究還分析確定了在 ZIKV 感染后特異性上調(diào)或下調(diào)的1,216個磷酸化位點(diǎn)，表明病毒感染引起基本信號傳導(dǎo)通路為 ZIKV 感染引起的增殖停滯提供了新的見解。
當(dāng)前，通過比較蛋白質(zhì)組學(xué)對病毒感染前后的蛋白表達(dá)圖譜進(jìn)行鑒定，進(jìn)一步對病毒感染引起的差異表達(dá)蛋白進(jìn)行功能分析和驗(yàn)證，探索其在病毒感染中的潛在作用機(jī)制、尋找病毒的作用靶標(biāo)，為病毒的預(yù)防診治提供理論依據(jù)和解決途徑。 因此，在繼病毒感染細(xì)胞的差異蛋白質(zhì)組分析后，為更能反映真實(shí)的變化規(guī)律，更到位的解釋病毒感染和致病機(jī)制，進(jìn)行病毒感染宿主機(jī)體的差異及功能蛋白質(zhì)組分析將是研究發(fā)展的趨勢。
