Nat,Biotechnol：新型DNA图谱工具或帮助科学家更好理解基因调节机制

Nat,Biotechnol：新型DNA图谱工具或帮助科学家更好理解基因调节机制

2016年10月14日讯 来自加州大学洛杉矶分校等机构的科学家近日通过研究设计了一种强大的新型工具，其或能够帮助理解细胞中DNA控制基因活性的分子机制，该工具还可以使得研究者在高分辨率下对大片细胞的基因组图谱进行绘制，基因组中的DNA核苷酸能够调节基因的活性，相关研究刊登于国际杂志Nature Biotechnology上。

研究者Jason Ernst说道，这是首个方法帮助我们同时检测数千个人类DNA调节区域如何关闭或开启基因的表达，同时还可以在高分辨率下帮助绘制激活或抑制基因表达的元件的图谱。文章中，研究者将这种新型工具应用到了超过1.5万个DNA片段上，在两种人类细胞类型中，这些DNA片段被预测含有多种调节性控制元件，研究者发现，平均活性较高的DNA序列中的重复较短模式或许此前并未被描述过，同时较高活性的调控元件或许是那些被认为是古老逆转录病毒残留下来的DNA片段。

来自MIT的科学家Manolis Kellis教授说道，关于人类的DNA我们还有很多需要理解的，而且A、T、C、G核苷酸到底意味着什么我们也并不清楚；本文中所开发的新工具或许就能够阐明调节性元件中的重要核苷酸，为我们理解基因组的复杂语言或将提供很多思路。当我们生病或者健康时，阐明DNA调节基因的机制就能够帮助科学家理解细胞和器官的工作机制，目前很多疾病的发病机制我们并不清楚，而且也并没有什么特效的疗法，如果科学家们阐明调节基因的DNA区域或许就能够找到解决之策。

在实验自动化和先进算法的帮助下，科学家们就能够对来自人类基因组中可疑的基因调节区域中数千个DNA片段进行分析检测，来判定其增强或者抑制特殊报道基因的活性；不同于此前的研究方法，文章中研究者检测了DNA的重叠部分，从而就能够更加清楚地发现相邻序列间的微小差异，同时还能够在高分辨率下对揭示调节性核苷酸被激活或抑制的机制。

最后研究者指出，这项研究或将加速我们的研究来对调节性DNA元件进行绘制和特性分析，从而为更好地理解基因被调节的机制，以及阐明调节性DNA中突变或核苷酸的变异引发疾病的相关机制。

继续一篇关于蛋白质组学的论文

字数可能有点超,你自己截取吧~~

分子生物学(molecular biology)
在分子水平上研究生命现象的科学。研究生物大分子(核酸、蛋白质)的结 构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质。研究内容包括各种生命过程如光合作用、发育的分子机制、神经活动的机理、癌的发生等。
从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学。自20世纪50年代以来，分子生物学是生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系 (中心是分子遗传学)和蛋白质-脂质体系（即生物膜）。
生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。现代化学和物理学理论、技术和方法的应用推动了生物大分子结构功能的研究，从而出现了近30年来分子生物学的蓬勃发展。分子生物学和生物化学及生物物理学关系十分密切，它们之间的主要区别在于：①生物化学和生物物理学是用化学的和物理学的方法研究在分子水平，细胞水平，整体水平乃至群体水平等不同层次上的生物学问题。而分子生物学则着重在分子（包括多分子体系）水平上研究生命活动的普遍规律；②在分子水平上，分子生物学着重研究的是大分子，主要是蛋白质，核酸，脂质体系以及部分多糖及其复合体系。而一些小分子物质在生物体内的转化则属生物化学的范围；③分子生物学研究的主要目的是在分子水平上阐明整个生物界所共同具有的基本特征，即生命现象的本质；而研究某一特定生物体或某一种生物体内的某一特定器官的物理、化学现象或变化，则属于生物物理学或生物化学的范畴。
发展简史 结构分析和遗传物质的研究在分子生物学的发展中作出了重要的贡献。结构分析的中心内容是通过阐明生物分子的三维结构来解释细胞的生理功能。1912年英国 W.H.布喇格和W.L.布喇格建立了X射线晶体学，成功地测定了一些相当复杂的分子以及蛋白质的结构。以后布喇格的学生W.T.阿斯特伯里和J.D.贝尔纳又分别对毛发、肌肉等纤维蛋白以及胃蛋白酶、烟草花叶病毒等进行了初步的结构分析。他们的工作为后来生物大分子结晶学的形成和发展奠定了基础。50年代是分子生物学作为一门独立的分支学科脱颖而出并迅速发展的年代。首先是在蛋白质结构分析方面，1951年L.C.波林等提出了 α-螺旋结构，描述了蛋白质分子中肽链的一种构象。1955年F.桑格完成了胰岛素的氨基酸序列的测定。接着 J.C.肯德鲁和M.F.佩鲁茨在X射线分析中应用重原子同晶置换技术和计算机技术分别于1957和1959年阐明了鲸肌红蛋白和马血红蛋白的立体结构。1965年中国科学家合成了有生物活性的胰岛素，首先实现了蛋白质的人工合成。
另一方面，M.德尔布吕克小组从1938年起选择噬菌体为对象开始探索基因之谜。噬菌体感染寄主后半小时内就复制出几百个同样的子代噬菌体颗粒，因此是研究生物体自我复制的理想材料。1940年G.W.比德尔和E.L.塔特姆提出了“一个基因，一个酶”的假设，即基因的功能在于决定酶的结构，且一个基因仅决定一个酶的结构。但在当时基因的本质并不清楚。1944年O.T.埃弗里等研究细菌中的转化现象，证明了DNA是遗传物质。1953年J.D.沃森和F.H.C.克里克提出了DNA的双螺旋结构，开创了分子生物学的新纪元。在此基础上提出的中心法则，描述了遗传信息从基因到蛋白质结构的流动。遗传密码的阐明则揭示了生物体内遗传信息的贮存方式。1961年F.雅各布和J.莫诺提出了操纵子的概念，解释了原核基因表达的调控。到20世纪60年代中期，关于DNA自我复制和转录生成RNA的一般性质已基本清楚，基因的奥秘也随之而开始解开了。
仅仅30年左右的时间，分子生物学经历了从大胆的科学假说，到经过大量的实验研究，从而建立了本学科的理论基础。进入70年代，由于重组DNA研究的突破，基因工程已经在实际应用中开花结果，根据人的意愿改造蛋白质结构的蛋白质工程也已经成为现实。
基本内容 蛋白质体系 蛋白质的结构单位是α-氨基酸。常见的氨基酸共20种。它们以不同的顺序排列可以为生命世界提供天文数字的各种各样的蛋白质。
蛋白质分子结构的组织形式可分为 4个主要的层次。一级结构，也叫化学结构，是分子中氨基酸的排列顺序。首尾相连的氨基酸通过氨基与羧基的缩合形成链状结构，称为肽链。肽链主链原子的局部空间排列为二级结构。二级结构在空间的各种盘绕和卷曲为三级结构。有些蛋白质分子是由相同的或不同的亚单位组装成的，亚单位间的相互关系叫四级结构。
蛋白质的特殊性质和生理功能与其分子的特定结构有着密切的关系，这是形形色色的蛋白质所以能表现出丰富多彩的生命活动的分子基础。研究蛋白质的结构与功能的关系是分子生物学研究的一个重要内容。
随着结构分析技术的发展，现在已有几千个蛋白质的化学结构和几百个蛋白质的立体结构得到了阐明。70年代末以来，采用测定互补DNA顺序反推蛋白质化学结构的方法，不仅提高了分析效率，而且使一些氨基酸序列分析条件不易得到满足的蛋白质化学结构分析得以实现。
发现和鉴定具有新功能的蛋白质，仍是蛋白质研究的内容。例如与基因调控和高级神经活动有关的蛋白质的研究现在很受重视。
蛋白质－核酸体系 生物体的遗传特征主要由核酸决定。绝大多数生物的基因都由 DNA构成。简单的病毒，如λ噬菌体的基因组是由 46000个核苷酸按一定顺序组成的一条双股DNA（由于是双股DNA，通常以碱基对计算其长度）。细菌，如大肠杆菌的基因组，含4×106碱基对。人体细胞染色体上所含DNA为3×109碱基对。
遗传信息要在子代的生命活动中表现出来，需要通过复制、转录和转译。复制是以亲代 DNA为模板合成子代 DNA分子。转录是根据DNA的核苷酸序列决定一类RNA分子中的核苷酸序列；后者又进一步决定蛋白质分子中氨基酸的序列，就是转译。因为这一类RNA起着信息传递作用，故称信使核糖核酸(mRNA)。由于构成RNA的核苷酸是4种，而蛋白质中却有20种氨基酸，它们的对应关系是由mRNA分子中以一定顺序相连的 3个核苷酸来决定一种氨基酸，这就是三联体遗传密码。
基因在表达其性状的过程中贯串着核酸与核酸、核酸与蛋白质的相互作用。DNA复制时，双股螺旋在解旋酶的作用下被拆开，然后DNA聚合酶以亲代DNA链为模板，复制出子代 DNA链。转录是在 RNA聚合酶的催化下完成的。转译的场所核糖核蛋白体是核酸和蛋白质的复合体，根据mRNA的编码，在酶的催化下，把氨基酸连接成完整的肽链。基因表达的调节控制也是通过生物大分子的相互作用而实现的。如大肠杆菌乳糖操纵子上的操纵基因通过与阻遏蛋白的相互作用控制基因的开关。真核细胞染色质所含的非组蛋白在转录的调控中具有特殊作用。正常情况下，真核细胞中仅2～15％基因被表达。这种选择性的转录与转译是细胞分化的基础。
蛋白质－脂质体系 生物体内普遍存在的膜结构，统称为生物膜。它包括细胞外周膜和细胞内具有各种特定功能的细胞器膜。从化学组成看，生物膜是由脂质和蛋白质通过非共价键构成的体系。很多膜还含少量糖类，以糖蛋白或糖脂形式存在。
1972年提出的流动镶嵌模型概括了生物膜的基本特征：其基本骨架是脂双层结构。膜蛋白分为表在蛋白质和嵌入蛋白质。膜脂和膜蛋白均处于不停的运动状态。
生物膜在结构与功能上都具有两侧不对称性。以物质传送为例，某些物质能以很高速度通过膜，另一些则不能。象海带能从海水中把碘浓缩 3万倍。生物膜的选择性通透使细胞内pH和离子组成相对稳定，保持了产生神经、肌肉兴奋所必需的离子梯度，保证了细胞浓缩营养物和排除废物的功能。
生物体的能量转换主要在膜上进行。生物体取得能量的方式，或是像植物那样利用太阳能在叶绿体膜上进行光合磷酸化反应；或是像动物那样利用食物在线粒体膜上进行氧化磷酸化反应。这二者能量来源虽不同，但基本过程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。对于这两种能量转换的机制，P.米切尔提出的化学渗透学说得到了越来越多的证据。生物体利用食物氧化所释放能量的效率可达70％左右，而从煤或石油的燃烧获取能量的效率通常为20～40％，所以生物力能学的研究很受重视。对生物膜能量转换的深入了解和模拟将会对人类更有效地利用能量作出贡献。
生物膜的另一重要功能是细胞间或细胞膜内外的信息传递。在细胞表面，广泛地存在着一类称为受体的蛋白质。激素和药物的作用都需通过与受体分子的特异性结合而实现。癌变细胞表面受体物质的分布有明显变化。细胞膜的表面性质还对细胞分裂繁殖有重要的调节作用。
对细胞表面性质的研究带动了糖类的研究。糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子结构与功能的研究越来越受到重视。从发展趋势看，寡糖与蛋白质或脂质形成的体系将成为分子生物学研究的一个新的重要的领域。
理论意义和应用 分子生物学的成就说明：生命活动的根本规律在形形色色的生物体中都是统一的。例如，不论在何种生物体中，都由同样的氨基酸和核苷酸分别组成其蛋白质和核酸。遗传物质，除某些病毒外，都是DNA，并且在所有的细胞中都以同样的生化机制进行复制。分子遗传学的中心法则和遗传密码，除个别例外，在绝大多数情况下也都是通用的。
物理学的成就证明，一切物质的原子都由为数不多的基本粒子根据相同的规律所组成，说明了物质世界结构上的高度一致，揭示了物质世界的本质，从而带动了整个物理学科的发展。分子生物学则在分子水平上揭示了生命世界的基本结构和生命活动的根本规律的高度一致，揭示了生命现象的本质。和过去基本粒子的研究带动物理学的发展一样，分子生物学的概念和观点也已经渗入到基础和应用生物学的每一个分支领域，带动了整个生物学的发展，使之提高到一个崭新的水平。
过去生物进化的研究，主要依靠对不同种属间形态和解剖方面的比较来决定亲缘关系。随着蛋白质和核酸结构测定方法的进展，比较不同种属的蛋白质或核酸的化学结构，即可根据差异的程度，来断定它们的亲缘关系。由此得出的系统进化树，与用经典方法得到的是基本符合的。采用分子生物学的方法研究分类与进化有特别的优越性。首先，构成生物体的基本生物大分子的结构反映了生命活动中更为本质的方面。其次，根据结构上的差异程度可以对亲缘关系给出一个定量的，因而也是更准确的概念。第三，对于形态结构非常简单的微生物的进化，则只有用这种方法才能得到可靠结果。
高等动物的高级神经活动是极其复杂的生命现象，过去多是在细胞乃至整体水平上研究，近年来深入到分子水平研究的结果充分说明高级神经活动也同样是以生物大分子的活动为基础的。例如，在高等动物学习与记忆的过程中，大脑中RNA和蛋白质的组成发生明显的变化，并且一些影响生物体合成蛋白质的药物也显著地影响学习与记忆的能力。又如，“生物钟”是一种熟知的生物现象。用鸡进行的实验发现，有一种重要的神经传递介质（5-羟色胺）和一种激素（褪黑激素）以及控制它们变化的一种酶，在鸡脑中的含量呈24小时的周期性变化。正是这种变化构成了鸡的“生物钟”的物质基础。
在应用方面，生物膜能量转换原理的阐明，将有助于解决全球性的能源问题。了解酶的催化原理就能更有针对性地进行酶的人工模拟，设计出化学工业上广泛使用的新催化剂，从而给化学工业带来一场革命。
分子生物学在生物工程技术中也起了巨大的作用，1973年重组DNA技术的成功，为基因工程的发展铺平了道路。80年代以来，已经采用基因工程技术，把高等动物的一些基因引入单细胞生物，用发酵方法生产干扰素、多种多肽激素和疫苗等。基因工程的进一步发展将为定向培育动、植物和微生物良种以及有效地控制和治疗一些人类遗传性疾病提供根本性的解决途径。
从基因调控的角度研究细胞癌变也已经取得不少进展。分子生物学将为人类最终征服癌症做出重要的贡献。
[编辑本段]分子生物学的应用
1，亲子鉴定
近几年来，人类基因组研究的进展日新月异，而分子生物学技术也不断完善，随着基因组研究向各学科的不断渗透，这些学科的进展达到了前所未有的高度。在法医学上，STR位点和单核苷酸（SNP）位点检测分别是第二代、第三代DNA分析技术的核心，是继RFLPs（限制性片段长度多态性）VNTRs（可变数量串联重复序列多态性）研究而发展起来的检测技术。作为最前沿的刑事生物技术，DNA分析为法医物证检验提供了科学、可靠和快捷的手段，使物证鉴定从个体排除过渡到了可以作同一认定的水平，DNA检验能直接认定犯罪、为凶杀案、强奸杀人案、碎尸案、强奸致孕案等重大疑难案件的侦破提供准确可靠的依据。随着DNA技术的发展和应用，DNA标志系统的检测将成为破案的重要手段和途径。此方法作为亲子鉴定已经是非常成熟的，也是国际上公认的最好的一种方法。
参考资料：http://baike.baidu.com/view/2461.htm

蛋白质质谱分析研究进展

摘 要： 随着科学的不断发展，运用质谱法进行蛋白质的分析日益增多，本文简要综述了肽和蛋白质等生物大分子质谱分析的特点、方法及蛋白质质谱分析的原理、方式和应用，并对其发展前景作出展望。

关键词： 蛋白质，质谱分析，应用

前言：
蛋白质是生物体中含量最高，功能最重要的生物大分子，存在于所有生物细胞，约占细胞干质量的50%以上， 作为生命的物质基础之一，蛋白质在催化生命体内各种反应进行、调节代谢、抵御外来物质入侵及控制遗传信息等方面都起着至关重要的作用，因此蛋白质也是生命科学中极为重要的研究对象。关于蛋白质的分析研究，一直是化学家及生物学家极为关注的问题，其研究的内容主要包括分子量测定，氨基酸鉴定，蛋白质序列分析及立体化学分析等。随着生命科学的发展，仪器分析手段的更新，尤其是质谱分析技术的不断成熟，使这一领域的研究发展迅速。
自约翰.芬恩(JohnB.Fenn)和田中耕一(Koichi.Tanaka)发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法及发明了对生物大分子的质谱分析法以来，随着生命科学及生物技术的迅速发展，生物质谱目前已成为有机质谱中最活跃、最富生命力的前沿研究领域之一[1]。它的发展强有力地推动了人类基因组计划及其后基因组计划的提前完成和有力实施。质谱法已成为研究生物大分子特别是蛋白质研究的主要支撑技术之一，在对蛋白质结构分析的研究中占据了重要地位[2]。
1．质谱分析的特点
质谱分析用于蛋白质等生物活性分子的研究具有如下优点：很高的灵敏度能为亚微克级试样提供信息，能最有效地与色谱联用，适用于复杂体系中痕量物质的鉴定或结构测定，同时具有准确性、易操作性、快速性及很好的普适性。
2．质谱分析的方法
近年来涌现出较成功地用于生物大分子质谱分析的软电离技术主要有下列几种：1)电喷雾电离质谱；2)基质辅助激光解吸电离质谱；3)快原子轰击质谱；4)离子喷雾电离质谱；5)大气压电离质谱。在这些软电离技术中，以前面三种近年来研究得最多，应用得也最广泛[3]。
3．蛋白质的质谱分析
蛋自质是一条或多条肽链以特殊方式组合的生物大分子，复杂结构主要包括以肽链为基础的肽链线型序列[称为一级结构]及由肽链卷曲折叠而形成三维[称为二级，三级或四级]结构。目前质谱主要测定蛋自质一级结构包括分子量、肽链氨基酸排序及多肽或二硫键数目和位置。
3.1蛋白质的质谱分析原理
以往质谱(MS)仅用于小分子挥发物质的分析，由于新的离子化技术的出现，如介质辅助的激光解析/离子化、电喷雾离子化，各种新的质谱技术开始用于生物大分子的分析。其原理是：通过电离源将蛋白质分子转化为气相离子，然后利用质谱分析仪的电场、磁场将具有特定质量与电荷比值(M/Z值)的蛋白质离子分离开来，经过离子检测器收集分离的离子，确定离子的M/Z值，分析鉴定未知蛋白质。
3.2蛋白质和肽的序列分析
现代研究结果发现越来越多的小肽同蛋白质一样具有生物功能，建立具有特殊、高效的生物功能肽的肽库是现在的研究热点之一。因此需要高效率、高灵敏度的肽和蛋白质序列测定方法支持这些研究的进行。现有的肽和蛋白质测序方法包括N末端序列测定的化学方法Edman法、C末端酶解方法、C末端化学降解法等，这些方法都存在一些缺陷。例如作为肽和蛋白质序列测定标准方法的N末端氨基酸苯异硫氰酸酯(phenylisothiocyanate)PITC分析法(即Edman法，又称PTH法)，测序速度较慢(50个氨基酸残基/天)；样品用量较大(nmol级或几十pmol级)；对样品纯度要求很高；对于修饰氨基酸残基往往会错误识别，而对N末端保护的肽链则无法测序[4]。C末端化学降解测序法则由于无法找到PITC这样理想的化学探针，其发展仍面临着很大的困难。在这种背景下，质谱由于很高的灵敏度、准确性、易操作性、快速性及很好的普适性而倍受科学家的广泛注意。在质谱测序中，灵敏度及准确性随分子量增大有明显降低，所以肽的序列分析比蛋白容易许多，许多研究也都是以肽作为分析对象进行的。近年来随着电喷雾电离质谱(electrospray ionisation，ESI)及基质辅助激光解吸质谱(matrix assisted laser desorption/ionization，MALDI)等质谱软电离技术的发展与完善，极性肽分子的分析成为可能，检测限下降到fmol级别，可测定分子量范围则高达100000Da，目前基质辅助的激光解吸电离飞行时间质谱法(MALDI TOF MS)已成为测定生物大分子尤其是蛋白质、多肽分子量和一级结构的有效工具，也是当今生命科学领域中重大课题——蛋白质组研究所必不可缺的关键技术之一 [5] 。目前在欧洲分子生物实验室(EMBL)及美国、瑞士等国的一些高校已建立了MALDI TOF MS蛋白质一级结构(序列)谱库，能为解析FAST谱图提供极大的帮助，并为确证分析结果提供可靠的依据[6]。
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3.3蛋白质的质谱分析方式
质谱用于肽和蛋白质的序列测定主要可以分为三种方法：一种方法叫蛋白图谱(proteinmapping)，即用特异性的酶解或化学水解的方法将蛋白切成小的片段，然后用质谱检测各产物肽分子量，将所得到的肽谱数据输入数据库，搜索与之相对应的已知蛋白，从而获取待测蛋白序列。将蛋白质绘制“肽图”是一重要测列方法。第二种方法是利用待测分子在电离及飞行过程中产生的亚稳离子，通过分析相邻同组类型峰的质量差，识别相应的氨基酸残基，其中亚稳离子碎裂包括“自身”碎裂及外界作用诱导碎裂.第三种方法与Edman法有相似之处，即用化学探针或酶解使蛋白或肽从N端或C端逐一降解下氨基酸残基，形成相互间差一个氨基酸残基的系列肽，名为梯状测序(laddersequencing)，经质谱检测，由相邻峰的质量差知道相应氨基酸残基。
3.3.1蛋白消化
蛋白的基团越大，质谱检测的准确率越低。因此，在质谱检测之前，须将蛋白消化成小分子的多肽，以提高质谱检测的准确率。一般而言，6-20个氨基酸的多肽最适合质谱仪的检测。现今最常用的酶为胰蛋白酶(trypsin)，它于蛋白的赖氨酸(lysine)和精氨酸(arginine)处将其切断。因此，同一蛋白经胰蛋白酶消化后，会产生相同的多肽。
3.3.2基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱测量法(MALDI-TOF MS) [7]
简而言之，基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱测量仪是将多肽成分转换成离子信号，并依据质量/电荷之比(mass/charge，m/z)来对该多肽进行分析，以判断该多肽源自哪一个蛋白。待检样品与含有在特定波长下吸光的发光团的化学基质(matrix)混合，此样品混合物随即滴于一平板或载玻片上进行挥发，样品混合物残余水份和溶剂的挥发使样品整合于格状晶体中，样品然后置于激光离子发生器(lasersource)。激光作用于样品混合物，使化学基质吸收光子而被激活。此激活产生的能量作用于多肽，使之由固态样品混合物变成气态。由于多肽分子倾向于吸收单一光子，故多肽离子带单一电荷.这些形成的多肽离子直接进入飞行时间质量分析仪(TOFmassanalyzer)。飞行时间质量分析仪用于测量多肽离子由分析仪的一端飞抵另一端探测器所需要的时间。而此飞行时间同多肽离子的质量/电荷的比值成反比，即质量/电荷之比越高，飞行时间越短。最后，由电脑软件将探测器录得的多肽质量/电荷比值同数据库中不同蛋白经蛋白酶消化后所形成的特定多肽的质量/电荷比值进行比较，以鉴定该多肽源自何种蛋白.此法称为多肽质量指纹分析(peptidemassfin-gerprinting)。基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱测量法操作简便，敏感度高，同许多蛋白分离方法相匹配，而且，现有数据库中有充足的关于多肽质量/电荷比值的数据，因此成为许多实验室的首选蛋白质谱鉴定方法。
3.3.3电子喷雾电离质谱测量法(electrosprayion-izationmassspectrometry,ESI-MS)[8 ]
同基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱测量法在固态下完成不同，电子喷雾电离质谱测量法是在液态下完成，而且多肽离子带有多个电荷，由高效液相层析等方法分离的液体多肽混合物，在高压下经过一细针孔。当样本由针孔射出时，喷射成雾状的细小液滴，这些细小液滴包含多肽离子及水份等其他杂质成分。去除这些杂质成分后，多肽离子进入连续质量分析仪(tan- demmassanalyzer)，连续质量分析仪选取某一特定质量/电荷比值的多肽离子，并以碰撞解离的方式将多肽离子碎裂成不同电离或非电离片段。随后，依质量/电荷比值对电离片段进行分析并汇集成离子谱(ionspectrum)，通过数据库检索，由这些离子谱得到该多肽的氨基酸序列。依据氨基酸序列进行的蛋白鉴定较依据多肽质量指纹进行的蛋白鉴定更准确、可靠。而且，氨基酸序列信息即可通过蛋白氨基酸序列数据库检索，也可通过核糖核酸数据库检索来进行蛋白鉴定。
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4．蛋白质质谱分析的应用
1981年首先采用FAB双聚焦质谱测定肽分子量，分析十一肽(Mr=1318)，质谱中出现准分子离子[M+1]+=1319强峰。分子量小于6kDa肽或小蛋白质合适用FAB质谱分析，更大分子量的多肽和蛋自质可用MALDI质谱或ESI质谱分析。用MALDI-TOF质谱分析蛋自质最早一例是Hillen Kramp等[9]于1988年提出用紫外激光以烟酸为基质在TOF谱仪上测出质量数高达60kDa蛋白质，精确度开始只有0.5%，后改进到0.1-0.2%。质谱技术主要用于检测双向凝胶电泳或“双向”高效柱层析分离所得的蛋白质及酶解所得的多肽的质量，也可用于蛋白质高级结构及蛋白质间相互作用等方面的研究[10,11],三条肽段的精确质量数便可鉴定蛋白质。近年来，串联质谱分析仪发展迅猛，其数据采集方面的自动化程度、检测的敏感性及效率都大大提高，大规模数据库和一些分析软件(如:SEQUEST)的应用使得串联质谱分析仪可以进行更大规模的测序工作。目前，利用2D电泳及MS技术对整个酵母细胞裂解产物进行分析，已经鉴定出1484种蛋白质，包括完整的膜蛋白和低丰度的蛋白质[12]；分析肝细胞癌患者血清蛋白质组成分[13]，并利用质谱进行鉴定磷酸化蛋白研究工作[14]及采用质谱技术研究许旺细胞源神经营养蛋白(SDNP)的分子结构[15]等。
结束语：
在蛋白质的质谱分析中，质谱的准确性(accuracy)对测定结果有很大影响，因此质谱测序现在仍很难被应用于未知蛋白的序列测定。肽和蛋白的质谱序列测定方法具有快速、用量少、易操作等优点，这些都非常适合于现在科学研究的需要。我们相信，随着各种衍生化方法和酶解方法的不断改进，蛋白双向电泳的应用[16]以及质谱技术的不断完善，质谱将会成为多肽和蛋白质分析最有威力的工具之一。

各位大大，本人即将高考，想咨询下生命科学的发展趋势和就业、深造前途。特别是微生物和生物化学。

（一）：GTL计划分析

上个世纪分子生物学的突破性成果成为生命科学的生长点，使生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化；蛋白质、酶、核酸等生物大分子的结构、功能和相互关系的揭示为研究生命现象的本质和活动规律奠定了理论基础。进入21世纪以后，美国能源部启动了新的战略计划—“基因组到生命”（Genomes to Life，GTL）计划，为生命科学在能源和环境领域的应用奠定了基础。

1 GTL计划的背景

为期五年、资助强度为1亿美元的后基因组计划“从基因组到生命（Genomes to Life）”是由美国能源部于2002年7月正式推出，其基础是在人类基因组计划和1994年开始实施的美国微生物计划。

2005年10月3日，美国能源部公布了新一期的生物研究综合计划——GTL计划路线图。GTL路线图以原有的GTL研究项目为基础并将之扩展，至今已经有800多名科学家和技术专家参与该项目。

2 GTL计划的目标

GTL计划的核心目标就是在未来的十到二十年时间里，了解几千种微生物的基因组及微生物系统是如何调控生命活动的，为使用生物手段解决环境问题铺平道路。GTL路线图将扩大基因组项目的投入，帮助国家解决能源和环境难题。此项研究需要填补知识空白点，发展生物技术，并在数据挖掘、计算和存储中应用生信息学。

GTL计划的基础是准确地刻画出生命系统的所有“分子机器”，认识“分子机器”在生命体中是如何协调工作的。这需要收集大量的基因组数据及其相关数据，尤其是基因组表达的数据，以及不同细胞内、不同条件下蛋白质组装和作用的数据。

GTL计划的具体目标包括：（1）鉴别“分子机器”，这些分子机器主要是蛋白质的复合物，并且执行生命系统的基本功能；（2）弄清控制“分子机器”行为的基因调控网络；（3）认识自然环境中的微生物群体；（4）发展建立和实现生物系统模型所需的计算机技术。

3 GTL计划的意义

21世纪人类面临健康、能源、环境等一系列迫切需要解决的问题，生物学的发展也许是解决这些问题的关键，基因组信息的研究则是理解生命体系的分子组成、调控机制的基础。这需要了解整个生物体系与环境相互作用的方式与机制，并利用这些信息来指导后续的生物学研究。

基因组中的基因按照一定的时间和空间规律被表达成蛋白质，而蛋白质需要和其它蛋白质或者核酸相互作用，结合起来形成有机的“分子机器”。GTL计划的实施将促进生物、物理、计算科学多学科的交叉与进步，促进实验设备、软件工具、分析方法、以及科学思想上的重大突破，为多角度的全面理解生物体打下基础，并将其应用到生物与环境相互影响与作用的问题探讨中。这些都是将生物技术应用于能源和环境问题解决的基础。

这一基于人类基因组计划的新计划的实施，将以整体理解和预测人体和微生物等生物系统为内容，为环境、能源等问题的解决提供生物技术手段。

（二）：GTL路线图

美国能源部于2002年开始了基因组到生命计划（Genomes to Life，GTL），为人类利用生物技术手段解决能源和环境问题提供了手段。2005年10月3日，美国能源部公布了新的GTL计划路线图，为GTL的具体实施提供了指导方向。

1 GTL计划实施的关键

GTL路线图对GTL计划实施的关键进行了阐述。在此之前实施的人类基因组计划着重于基因组表达的研究，但对于细胞内、不同条件下蛋白质表达和组装的研究很少。对于这些研究内容的了解与认识是GTL计划实现一个关键环节。GTL计划实现的另一个关键环节是高性能计算，利用先进的计算工具管理和集成研究获得的数据，建立细胞的系统模型，并进行计算机模拟，在此基础上深入分析，进而认识“分子机器”的工作机理。

在高性能计算的研究方面，建立基本的生物信息学算法和模拟过程的方法，确定数据标准，开发可视化工具是GTL计划的主要目标。GTL计划中的许多计算任务的计算量非常大，需要每秒万亿次浮点计算能力的超大型计算机。

2 GTL路线图的实施机构

美国能源部致力于为GTL计划的实施提供必要的科学平台，以支持科研和技术成果的应用。GTL计划将建四个前沿生物学机构，以支持相关的技术的发展、方法的研究、计算能力的提高，并设立公共科研平台。该平台的服务对象不仅包括科研团体，也包括产业界，以加速科研成果的转化或技术转移。GTL计划成功的核心是发展计算和信息技术，以克服基于基因组序列的生物学功能研究上的障碍。美国能源部将构建整合的计算环境，把各种实验数据、理论、模型和新观点融入到基本的生物学机制发现和系统生物学理论和试验的发展。

美国能源部的科学办公室是GTL路线图实施的主要协调机构，致力于提供非凡的科学发现和科研工具，改变人们对能源和物质的理解，提高美国经济和能源安全水平。办公室的主要任务包括：（1）为国家面临的能源安全提供解决方案，为国家能源与经济安全提供必要的科学基础；（2）国家物理科学最主要的支持，在280多所大学、15个国家实验室和许多国际研究机构进行科研投资；（3）为国家科学事业提供最主要的科研工具，从科学共享出发，建造和运行公用的科研设备；（4）在科学领域内最大限度地支持核心能力建设、理论建设以及实验和模拟，使美国保持在世界知识创新的领先地位。

GTL计划成功实施的关键要素是整合计算和技术平台，为科研和生物技术方案发展提供及时、便捷的平台。在生物学的新发展中，计算技术和生物学本身已经同等重要；因此，GTL由美国能源部科学办公室的两个部门——生物与环境研究办公室和前沿科学计算研究办公室合作完成。

3 GTL路线图战略

GTL战略目标是理解生物学系统，发展研究生物学机制的计算模型，并且利用这些模型来预测生命系统的行为，最终的目标是利用微生物的生物化学过程来为一系列的创新应用服务。这需要通过有效的研究、生产、成本和质量控制、效率提高来实现。

正如人类基因组计划能够刺激生物医药及生物技术工业的增长一样，GTL路线图中列出的研究也将加速新的生物工艺学的增长。与能源和环境相关的系统生物学是一项探测未知微生物世界的计划，以DNA序列编码信息为起点，目的是找到更加清洁和更加安全的生物资源、修复有毒废料，诠释微生物在全球气候变化中的作用，并发展与之相关的新兴科学。微生物可以用作驱动21世纪的综合经济力发展的工艺和新产品。

该路线图描绘了其具体的发展路径，包括新兴技术的利用、综合计算技术的发展和新研究设施的开发使用等。这些目标的实现，依赖于科学家对新型微生物的发现，对生命的起源和局限性以及对生命科学研究的新认识。微生物具有广阔地遗传性和多样性，因而它们的发展意味着地球环境的繁荣，包括极端温度，化学和压力下的环境。大多数时间，微生物生活在广泛的自然环境中，形成了各种各样的生物群落。这些生物群落已经演变成综合生物化学体系，要比任何工业领域的化学工艺体系具有高地选择性，能源利用效率和更少地污染。GTL路线图将利用这些微生物，为化学工艺体系的全面提升铺平道路。

（三）：GTL实施阶段

美国能源部于2002年开始了基因组到生命计划（Genomes to Life，GTL），为人类利用生物技术手段解决能源和环境问题提供了手段。2005年10月3日，美国能源部公布了新一代生物研究综合计划——GTL计划路线图，为GTL的具体实现提供了指导方向。

1 GTL计划实施的阶段

GTL计划的实现分三个阶段：

第一阶段：开展对有关对能源和环境相关的复杂系统试验关键问题的研究，开发新技术和新的计算技术，改进研究设施；

第二阶段：利用先进工具和新技术开展研究，快速了解生物学过程，提出能源和环境问题解决的新思路，收集全球气候与生物过程相互作用的信息；

第三阶段：将前期获得的知识和能力快速转化成革命性的新工艺和新产品，满足国家能源和环境的需要。

2 GTL计划第一阶段的目标

GTL第一阶段的主要目标主要是通过科学、技术和应用工艺三方面的起步为GTL计划的实施奠定基础。

科学基础：系统生物学的基因组学基础研究，分子、细胞和群落水平的研究，以及研究的关键目标与战略设定。

技术，计算与设施：高级技术发展与测试，前沿研究、计算与技术升级，机构/设施研究、发展、设计与建立。

目标应用：目标导向的关键系统选择，细胞与群落过程及相互作用的认识，系统数据与战略分析。

3 GTL计划第一阶段的目标

GTL第二阶段的主要目标则在通过科学、技术和应用过程三方面将科研成果工程化。

科学基础：关键系统和关键过程的高通量研究，比较分析、系统模型发展，整合实验与计算的系统。

技术，计算与设施：设施运行，整合数据与计算能力的运行，快速收集并应用完整的生物学系统数据的能力。

目标应用：开始目标模式系统分析，工程战略目标的理解，特定应用战略设定。

4 GTL计划第一阶段的目标

GTL第三阶段的将在科学、技术和应用工艺三方面进一步深入发展，并将其具体应用到各个领域。

科学基础：目标方案设计的知识整合，科学与技术发展与应用，科学创新与下一代概念发展。

技术，计算与设施：工程系统的设施应用、测试、评价、监控和鉴定，新功能与新概念的工程化。

目标应用：完整工程系统的设计与发展，工程系统试验与评价，下一代工程的发展。

（四）：GTL应用目标

美国于2002年提出的基因组到生命（Genomes to Life，GTL）计划目标是开展生命的分子机制及调控网络研究，在分子水平理解自然环境下微生物群体的功能特征、建立计算机模型理解复杂生物系统并预测其行为。在此基础上，2005年提出的GTL路线图对如何开展利用生物技术手段解决能源和环境问题进行了具体阐述。

1 GTL路线图的内容

GTL路线图是依据美国能源部的目标制定的。路线图战略整合了基因组、系统生物学、微生物、计算科学和主要机构目标，并对三个阶段中各个部分的计划制定了具体的时间表和逻辑构架。在对能源产出、环境修复和二氧化碳循环与吸收的具体目标中，路线图给出了生物科技可以支持的具体领域，以及实现这些目标所应应对的挑战。为实现这些目标，路线图给出了具体的研究计划和目标技术平台，以及相关的管理、培训、伦理和社会等问题的考虑。

GTL路线图的中心是整合的生物学计算平台。系统生物学的发展要求不断增加约束条件来缩小问题的解空间，解空间的缩小极大地帮助了分析、解释、甚至预测来自实验的结果。GTL路线图描述了模型、数据与数据分析、理论等相关内容，同时指出如何实现面向公众的应用和计算平台的建立，以形成GTL研究项目和实施的“中枢神经系统”。

此外，GTL路线图还指出了如何将不同机构进行有效管理，使其高水平、高通量、高效率、高质量、低成本地运行。

2 生物燃料方面的应用目标

GTL的科学计划与美国能源部的目标相统一，美国能源部研究在生物燃料方面的目标包括：

（1）纤维素向燃料的转化，具体包括纤维素酶活性的认识与提高，糖利用与酒精发酵，以及流程的整合。

（2）太阳能向氢能燃料的微生物转化过程，具体包括光解循环生产，光合生物燃料系统的设计。

3 环境修复方面的应用目标

美国能源部研究在环境修复方面的目标包括以下：

（1）利用微生物过程降低有毒金属含量，具体包括理解微生物－金属的相互作用，设计修复过程。

（2）地表微生物群落在污染物转移中的作用，具体包括理解污染物转移的结果与效应，支持修复过程。

4 二氧化碳循环与吸收

美国能源部研究在二氧化碳循环与吸收方面的目标包括：

（1）海洋微生物群落在生物二氧化碳泵中的地位与作用，具体包括对C、N、P、O和S循环的认识，气候变化预测，二氧化碳吸收的影响评估；

（2）陆地微生物群落在全球碳循环中的地位与作用，具体包括对C、N、P、O和S循环的认识，碳变化与气候变化预测，以及二氧化碳吸收的评估。

（五）：GTL科学路线图与系统生物学

上个世纪分子生物学的突破性成果成为生命科学的生长点，使生命科学在自然科学中的地位起了革命性的变化；蛋白质、酶、核酸等生物大分子的结构、功能和相互关系的揭示为研究生命现象的本质和活动规律奠定了理论基础。2005年，美国能源部公布了基因组到生命（Genomes to Life，GTL）计划的路线图，指出了将系统生物学应用于能源和环境问题的解决。

1 GTL的科学路线图

GTL的科学路线图包括：

（1） 基因、蛋白、生物分子、生物途径和系统的描述，具体包括基因组研究与比较、新功能的自然系统基础研究、蛋白的生产与定位，以及生命过程相互作用和复合体的分析。

（2）功能与调节的理解，具体包括分子反应的计量、功能试验的实现。

（3） 机制预测模型的发展，具体包括实验设计、分子设计和操纵、细胞系统的利用。

（4） 群体及其潜在功能分析，具体包括基因组测序和比较，过程的自然系统筛选，以及蛋白生产和定位。

（5） 理解群落反应和调节，具体包括二氧化碳、营养和生物地球化学循环的比较、细胞和群体分子调查以及群体功能试验。

（6） 预测反应及影响，具体包括建立相互作用和预测模型、自然和人工过程的应用。

这些计划的目标产出是：

（1） 系统工程，包括系统设计展开的战略、生命系统和细胞外系统以及鉴定分析。

（2） 强大的政策和工程科学基础，包括自然事件的模式生态系统反应以及介入战略的效率和影响分析。

2从基因组到生物体的系统生物学研究

传统生物学主要基于还原论的研究，通过实验的方法解决问题。然而，生物体是一个复杂系统，它不仅仅是基因与蛋白质的集合，系统特性也不能仅仅通过勾画其相互联系而获得完全理解。系统生物学则基于大量的数据采集与分析，利用软件工具、分析方法、以及新的科学思想分析等研究生物系统动态行为，充分理解其稳定性、鲁棒性背后的机制。

从基因组到生命(GTL)计划，跨越分子、细胞、组织器官、系统到生命，是真正体现生命科学从分析到综合、从还原论到整体研究变革的研究计划。在人类基因组计划基础上GTL计划正体现了这一特点，是新的研究规划。系统生物学在分子、细胞、组织、器官和生物体整体水平上研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并在基因组序列的基础上完成由生命密码到生命全过程的研究；从对生物体内各种分子的鉴别及其相互作用的研究，到对生物途径、分子网络、功能模块的研究，最终完成整个生命活动的路线图。GTL路线图的推出，则将这些具体计划应用到能源、环境问题的解决指出了具体道路，是将生物技术应用于人类所面临的资源、能源和环境瓶颈解决的范例。

生命复杂系统的最重要的特征不在于它非常复杂的个别组成成分，而在于组成成分之间的关系和这种关系形成的动力学，系统功能的综合要高于每一个子成份的分析。生命科学和生物技术的发展，是解决人类发展所面临的资源、能源、环境与健康等问题的有效途径。从GTL路线图的实施可以看出，通过系统生物学及其相关技术的发展，来实施这一目标，是生命科学和生物技术的发展方向。

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