微生物蛋白質(zhì)組學(xué)

前言

　　本書(shū)我們嘗試重新組織了一批在微生物蛋白質(zhì)組學(xué)——整體功能生物學(xué)方面最有造詣的科學(xué)家，為這個(gè)學(xué)科提供一個(gè)總體概覽。目前還沒(méi)有一個(gè)科學(xué)團(tuán)體能更好地理解和闡釋整個(gè)機(jī)體的生物學(xué)功能,因此,本書(shū)在這個(gè)幾乎是人跡罕至的領(lǐng)域中前進(jìn)了很長(zhǎng)一段距離，尤其在更多的細(xì)節(jié)和焦點(diǎn)問(wèn)題方面。這本書(shū)旨在使專家和初學(xué)者能夠深入地探究這個(gè)迷人領(lǐng)域背后的東西,并且開(kāi)始有意識(shí)地處理更加深?yuàn)W的概念，比如,在一個(gè)最簡(jiǎn)單的機(jī)體內(nèi)定義生命本身和生命的過(guò)程。薛定諤（Schr?dinger）在其作品《生命是什么》（What is life,劍橋大學(xué)出版社， 1945年）中,在定義包含必要信息的系統(tǒng)的性質(zhì)方面取得了顯著的進(jìn)步,即他的非周期性晶體。不久之后, 冷泉港實(shí)驗(yàn)室的Hershey （1908～1997）和他的助手Martha Chase （1923～2003）指出, 噬菌體病毒的脫氧核糖核酸（ DNA ）而不是蛋白質(zhì)承載著噬菌體的基因，也就是生命的密碼。在獲得與本教科書(shū)中相類似的大量關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，我們現(xiàn)在能夠更進(jìn)一步，可以提煉生命系統(tǒng)的共同特征,并進(jìn)一步地定義生命自身的特性。這種定義能將我們對(duì)這些復(fù)雜現(xiàn)象的理解精確地限制在一些有限的參數(shù)中?！　≡谶^(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里,隨著了解的更加深入,我們正逐漸認(rèn)清這些精確地組成一個(gè)生命系統(tǒng)的數(shù)學(xué)限定和觀測(cè)限定。如微生物,因?yàn)橄鄬?duì)簡(jiǎn)單,它們成為廣泛的實(shí)驗(yàn)研究的操作對(duì)象,這些研究針對(duì)兩個(gè)生物學(xué)的需求——改善疾病的預(yù)防和治療，以及更好地理解整個(gè)機(jī)體的生物學(xué)功能。在本書(shū)中,我們將看到大量很好的分析部分和整體模型的還原分析法例子。未來(lái)的工作將會(huì)面臨更加使人畏懼的任務(wù)，即在生命系統(tǒng)內(nèi)不同時(shí)空尺度上的這些信息之間建立更深入的聯(lián)系，和整個(gè)外界環(huán)境之間的聯(lián)系——所有這一切的目的都是為了生存和應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力。　　接下來(lái)幾十年的研究方向主要致力于微生物的生理學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)和生物化學(xué)的研究，而從分子組成作為詳細(xì)知識(shí)庫(kù)的角度來(lái)看，我們研究機(jī)體整體行為的能力也僅僅是在最近10年才成為可能, 即從Fleishman等在1995年6月的“Science”上發(fā)表第一個(gè)細(xì)菌的基因組測(cè)序結(jié)果開(kāi)始。巧合的是,也是在1995年6月, Wasinger等在科學(xué)期刊“Electrophoresis”上第一次使用并定義了蛋白質(zhì)組學(xué)?！　≡谶^(guò)去的１０年中我們看到了應(yīng)用于微生物系統(tǒng)的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和系統(tǒng)建模。學(xué)術(shù)上和商業(yè)上的刺激無(wú)疑是這些研究的推動(dòng)力,也就是第一次可以對(duì)全基因組、基因產(chǎn)物的分析進(jìn)行預(yù)期并可以在嚴(yán)格條件（例如恒化器）下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制?！　‰m然微生物在實(shí)驗(yàn)上的易改造性可能是吸引人的,但事實(shí)卻可能有某些不同,即知識(shí)庫(kù)開(kāi)始需要進(jìn)一步回答表型方面的問(wèn)題，并全面認(rèn)知所有生物系統(tǒng)固有的高度的復(fù)雜性。對(duì)于生命過(guò)程中包含的分子和原子，必須完全忘記它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)和處在宇宙其他地方的區(qū)別。也就是說(shuō),在宇宙中的規(guī)律必須適用于每個(gè)分子,無(wú)論它出現(xiàn)在哪里。準(zhǔn)確理解生命系統(tǒng)的困難和挑戰(zhàn)主要在于：活細(xì)胞是怎樣保證分子有序工作的?大部分的答案都將其歸因于時(shí)空上的隔離并通過(guò)保持反應(yīng)物的分離來(lái)維持生命過(guò)程。也就是生命藝術(shù)的最偉大之處在于阻止生命的停息?！　∈聦?shí)上,盡管有了日益完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),但我們只是剛剛觸及從細(xì)胞或組織代代相傳的生命力的表面。雖然如此,正如書(shū)中所說(shuō)的那樣,現(xiàn)在我們可以精確地計(jì)算與細(xì)胞半衰期（細(xì)胞加倍時(shí)間）相關(guān)聯(lián)的信息、不同時(shí)間核糖核酸（RNA）和蛋白表達(dá)的水平、RNA與蛋白合成和降解速率、在細(xì)胞內(nèi)時(shí)空上的隔離、代謝的產(chǎn)物,處理包括影響生理閾值的正負(fù)反饋通路的復(fù)雜生化過(guò)程的系統(tǒng)化模型。反過(guò)來(lái),后者賦予了整個(gè)細(xì)胞一個(gè)特定的生物活性。從一個(gè)初始起點(diǎn)——由前代獲得的結(jié)構(gòu)單元開(kāi)始,子代必須管理細(xì)胞內(nèi)的分子濃度,并且使用它的遺傳裝置來(lái)應(yīng)答細(xì)胞在面對(duì)環(huán)境壓力、各種沖擊以及持續(xù)生存需要等方面時(shí)對(duì)細(xì)胞的需求。細(xì)胞內(nèi)組分和分子豐度的平衡而后必須處理令人驚駭?shù)??6萬(wàn)億個(gè)不同的蛋白質(zhì)相互作用的可能性,在大腸桿菌蛋白質(zhì)組表面上的5?mer結(jié)合位點(diǎn)的多樣性促成了如此多的相互作用（Humphery?Smith 和Gestel， 未發(fā)表的數(shù)據(jù)）?！　∥覀兿Ｍx者能夠與這門令人著迷的微生物蛋白質(zhì)組學(xué)——整體功能生物學(xué)的學(xué)科有一個(gè)精彩的相聚。

內(nèi)容概要

本書(shū)對(duì)微生物蛋白質(zhì)組學(xué)給予了—個(gè)詳盡的分析和描繪，重點(diǎn)介紹了最新進(jìn)展和應(yīng)用以及未來(lái)的研究方向。本書(shū)的作者們向我們展示了較為簡(jiǎn)單的微生物在改善疾病預(yù)防、治療以及增加對(duì)整個(gè)生命體功能生物學(xué)的理解方面的大量實(shí)驗(yàn)操作，以及這些微生物如何以及為什么能夠成為如此有吸引力的研究對(duì)象。特別是，本書(shū)揭示了微生物蛋白質(zhì)組學(xué)分掀口何在藥物的發(fā)現(xiàn)方面發(fā)揮作用，包括鑒別新的靶點(diǎn)、新的診斷標(biāo)記物以及前導(dǎo)物的優(yōu)選。     每個(gè)章節(jié)都是由該領(lǐng)域的—個(gè)或多個(gè)權(quán)威專家撰寫，并被仔細(xì)地編排以確保本書(shū)保持系統(tǒng)性和連貫性。本書(shū)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了目前最有前景的研究策略、相關(guān)方法、技術(shù)以及工具。關(guān)鍵主題包括以下部分：     從蛋白質(zhì)組學(xué)角度闡述微生物的致病機(jī)理     全細(xì)胞建模     結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)和計(jì)算分析     生物大分子間的相互作用     生理蛋白質(zhì)組學(xué)     使用蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行代謝重建     本書(shū)在呈現(xiàn)蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況的同時(shí)，也明確說(shuō)明了該領(lǐng)域的局限性，指出未來(lái)需要進(jìn)一步研究的方向。     由國(guó)際公認(rèn)的專家提供的方法和技術(shù)在書(shū)中均有講述，因而本書(shū)適用于生物化學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和藥學(xué)、生物工程以及獸醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中從事相關(guān)研究工作的教師和學(xué)生閱讀參考。

書(shū)籍目錄

第一篇 微生物／模式生物的蛋白質(zhì)組學(xué)研究   第1章 微生物的整體生物學(xué)：基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)  第2章 動(dòng)態(tài)性測(cè)量的策略：蛋白質(zhì)組學(xué)的暫時(shí)組分  第3章 探尋“全蛋白質(zhì)組覆蓋率”  第4章 肺炎支原體的蛋白質(zhì)組  第5章 古細(xì)菌蛋白質(zhì)組學(xué)第二篇 蛋白質(zhì)組學(xué)和細(xì)胞生理學(xué)   第6章 通過(guò)蛋白質(zhì)組分析闡明單核細(xì)胞增生李斯特菌的酸脅迫機(jī)制  第7章 細(xì)菌蛋白質(zhì)組在饑餓情況下的氧化  第8章 兩種金屬還原菌的研究：硫還原土桿菌PCA和奧奈達(dá)希瓦菌MR-1的比較蛋白質(zhì)組學(xué)分析  第9章 AMT標(biāo)簽方法確定耐放射性異常球菌和奧奈達(dá)希瓦菌的蛋白質(zhì)組特征第三篇 工業(yè)菌的生理蛋白質(zhì)組學(xué)   第10章 重要的工業(yè)菌——谷氨酸棒狀桿菌的蛋白質(zhì)組學(xué)  第11章 乳酸乳球菌的蛋白質(zhì)組學(xué)：一個(gè)食用細(xì)菌的表型  第12章 枯草芽胞桿菌分泌組的蛋白質(zhì)組學(xué)研究第四篇 病原微生物的蛋白質(zhì)組學(xué)   第13章 在蛋白質(zhì)組水平上研究細(xì)菌致病機(jī)制  第14章 應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)方法闡明遲鈍愛(ài)德華菌發(fā)病機(jī)制  第15章 一個(gè)致死性細(xì)菌的計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)：從多條戰(zhàn)線與結(jié)核分枝桿菌作斗爭(zhēng)  第16章 植物病原性卵菌和真菌的蛋白質(zhì)組學(xué)研究  第17章 從蛋白質(zhì)組學(xué)洞察白色念珠菌的生物學(xué)和致病性  第18章 蛋白質(zhì)組學(xué)在念珠菌病的診斷、治療和預(yù)防中的作用  第19章 為開(kāi)發(fā)針對(duì)布魯桿菌屬的細(xì)菌菌蛻疫苗尋找候選蛋白質(zhì)  第20章 基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)在反向疫苗中的應(yīng)用第五篇 蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫(kù)、生物信息學(xué)和生物模型   第21章 用于蛋白質(zhì)組計(jì)算機(jī)分析的數(shù)據(jù)庫(kù)和資源  第22章 微生物蛋白質(zhì)的種內(nèi)與種間比較：獲得有關(guān)基因祖先、蛋白質(zhì)功能以及物種生活方式的信息  第23章 微生物代謝的分子動(dòng)力學(xué)模型參考文獻(xiàn)索引

章節(jié)摘錄

　　第一篇 微生物／模式生物的蛋白質(zhì)組學(xué)研究　　第1章 微生物的整體生物學(xué)：基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)　　1.1　引言　　生物的表型是由環(huán)境和其遺傳物質(zhì)決定的，因此了解基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組之間的關(guān)系是生物學(xué)研究的基本目的之一。在過(guò)去的10年中，定量生物學(xué)分析已經(jīng)在基因組、轉(zhuǎn)錄和翻譯水平逐步展開(kāi)，這在大規(guī)模DNA測(cè)序、基因組范圍的遺傳分析、DNA和蛋白質(zhì)芯片以及與質(zhì)譜聯(lián)合能對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行快速、高靈敏分析的雙向電泳（2DE）或多維液相色譜（LC）中得到充分體現(xiàn)?；蚪M學(xué)研究的進(jìn)展是令人驚嘆的，包括人類基因組在內(nèi)的超過(guò)160種生物已完成全基因組分析，而這一點(diǎn)蛋白質(zhì)組研究根本無(wú)法比擬。盡管取得如此成就，但是任何一個(gè)特定的基因組能為相應(yīng)細(xì)胞活動(dòng)所提供的信息是微不足道的，要更好地了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、生物學(xué)特性以及病理過(guò)程，將需最終挖掘由這些基因組所編碼的蛋白信息——蛋白質(zhì)組學(xué)。本章的目的在于強(qiáng)調(diào)蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)我們掌握的有機(jī)體的整體微生物學(xué)（whole-organism microbiology）知識(shí)所做出的貢獻(xiàn)。　　蛋白質(zhì)組學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)從最初的用2DE顯示大量的蛋白質(zhì)慢慢延伸至整合了許多新技術(shù)、對(duì)所有蛋白質(zhì)表達(dá)的全局洞察，這是基因組科學(xué)所必需的，因此蛋白質(zhì)組學(xué)研究已經(jīng)被賦予一個(gè)更強(qiáng)大的科學(xué)領(lǐng)域。對(duì)蛋白質(zhì)的定量測(cè)定、蛋白質(zhì)表達(dá)模式的改變和細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的相互作用等的關(guān)注給予蛋白質(zhì)組學(xué)一個(gè)前所未有的新的成熟水平?！　?.2　蛋白質(zhì)組的展望　　不像基因組測(cè)序，到目前為止還沒(méi)有完成任何一個(gè)生物的蛋白質(zhì)組，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)組的終點(diǎn)還不確定。盡管如此，研究某一基因組的所有蛋白質(zhì)是可行的。對(duì)于鑒定和分析這類復(fù)雜生物樣品的最大挑戰(zhàn)是其集中了各種變異性，因?yàn)樗鼈儼怂械鞍踪|(zhì)的理化特性并且依賴于體內(nèi)外參數(shù)。這些參數(shù)導(dǎo)致了蛋白質(zhì)組的復(fù)雜性，在表型上顯示為相關(guān)蛋白質(zhì)的豐度變化、修飾或斷裂（如酶切割）、分子或蛋白質(zhì)相互作用的改變、復(fù)合物的形成或裂解以及蛋白質(zhì)的存在或缺失?！　〉鞍踪|(zhì)組的復(fù)雜性可從三個(gè)方面得到解釋：進(jìn)化的復(fù)雜性（evolutionary complexity），內(nèi)在的復(fù)雜性（internal complexity）和樣品的復(fù)雜性（sample complexity，以后將談到）。　　

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