蛋白質體學

壹、概述

奧秘，首先就要對蛋白質有深入的了解。蛋白質體(proteome)這個集合名詞最早 是在1994年的Siena二維電泳會議 (2-D Electrophoresis Meeting，1995)中，由威爾 金斯(Marc Wilkins) (目前蛋白質體系統公司的副總裁兼生物資訊主管)及其同事 首次提出，用來表達某生物中根據所有基因體所表現出來之所有蛋白質的集合總 稱。蛋白質體學是研究多種蛋白質組成的系統，蛋白質體學的焦點，放在「系統」

的行為，而不是「單一組成」的行為(Daniel, 2002)。

蛋白質體要比基因體複雜得太多，舉例來說，人類約有30,000到40,000個基 因，但經由轉錄後剪裁及轉譯後修飾將可能產生數十萬種以上不同種類的蛋白 質。此外，蛋白質體學主要的概念意涵與研究內容相當廣泛，包括：蛋白質身分 鑑定、蛋白質之同形體(isoform)分析、蛋白質之修飾鑑定、蛋白質之動態表現量 測定、蛋白質之大量表現、蛋白質之折疊立體結構、蛋白質與蛋白質間之交互作 用、蛋白質與其他分子間之交互作用、蛋白質複合物之組合、蛋白質之生化活性、

蛋白質之分佈位置等。

貳、蛋白質體學的發展及應用

質譜分析蛋白質技術以及電腦功能的不斷開發與創新，高效能鑑定蛋白質成 為實際可行，而使得蛋白質體學能夠蓬勃且快速發展，因而正式進入了「後基因 體時代-蛋白質體學開始」的階段，為21 世紀生物科技最主要的研究趨勢。

利用蛋白質體學技術能在短時間內大規模分析樣品內眾多蛋白質身份，生物 醫學界有越來越多的研究人員開始將此技術利用於基礎及臨床醫學上。研究人員 可從蛋白質體學角度來探討某兩種樣本之間(如發病組織與正常組織、腫瘤與非 腫瘤、致病菌與非致病菌、或是處理同一藥物前後，或處理不同藥物)其整體蛋 白質表現之狀況，及背後所隱含的意義與分子作用機轉，而找出導致疾病發生的 可能原因、藥理機制等等。

參、蛋白質二維凝膠電泳分離

蛋白質體學的研究方法，主要包括：待測蛋白質的分離（Analytical protein separations），蛋白質的分解（Protein digestion），質譜儀的分析，和database的搜 尋（Mass spectrometry analysis and database searching）。目前蛋白質體研究最普遍 使用的實驗方式是結合二維凝膠電泳與質譜儀，常見的有介質輔助雷射脫附游離 飛行時間式質譜儀 (Matrix-assisted laser desorption/ionization-Time of flight / Mass Spectrometry；MALDI-TOF/MS) 及液相層析串聯質譜儀 (Liquid Chromatograph-Mass Spectrometry；LC-MS)。

1975 年 O’Farrell 首先發展出利用蛋白質二維凝膠電泳（Two-Dimensional Electrophoresis；2-DE）技術分離大腸桿菌中的蛋白質。其第一維等電點聚焦乃

是利用蛋白質具不同等電點之特性，使蛋白質在pH 梯度膠中移動分離，接著第

二維SDS-PAGE(Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis)則再將 蛋白質依其分子量大小作分離。當時O’Farrell 分離出約 1100 個蛋白質染色點，

且具有相當好的再現性(O'Farrell, 1975)。二維凝膠電泳無疑為分離成份複雜的蛋 白質樣品的一個強而有力的工具。

肆、質譜儀

質譜儀的分析是蛋白質體學研究當中極為重要的一環。90 年代末期，質譜 儀離子源的發展有了重要突破，Koichi Tanaka 以介質輔助雷射脫附游離法 (MALDI)，以及 John B. Fenn 以電灑法(electrospray ionization，ESI) (Banks et al., 1994)，分別成功的偵測到蛋白質分子，開啟了蛋白質研究分析的新紀元。至於 質譜儀器本身也不斷被研發改良，提高了蛋白質分析的解析度(resolution)、精確 性(accuracy)、質量範圍(mass range)，以及分析通量(throughput)等。因應分析需 求的不同，可將質譜儀串聯使用，並且與多種離子源做搭配。

Cleveland 等人，於 1977 年首先提出胜肽質量指紋圖譜(peptide mass

fingerprinting，PMF)的概念(Cleveland et al., 1977)。但直到 1993 年，才由 Henzel 等人以介質輔助雷射脫附游離飛行時間式質譜儀(MOLDI-TOF MS)配合電腦資 料庫搜尋演算，證實能以PMF 進行蛋白質身分之鑑定(Henzel et al., 1993)。