蛋白組學及其在食品科學研究中的應用

李學鵬 勵建榮 于 平 朱軍莉 王彥波 傅玲琳

(浙江省食品安全重點實驗室浙江工商大學食品與生物工程學院,杭州 310035)

蛋白組學及其在食品科學研究中的應用

李學鵬 勵建榮 于 平 朱軍莉 王彥波 傅玲琳

(浙江省食品安全重點實驗室浙江工商大學食品與生物工程學院,杭州 310035)

后基因組時代的主要研究任務之一即是蛋白組學研究,蛋白組學技術發展迅速,目前已有望成為用來解決生命科學領域中諸多問題包括食品品質與安全等食品科學問題的有力工具。蛋白組學為食品科學相關研究提供了新的思路和技術,在食品科學研究中已有廣泛的應用。介紹了蛋白質組學研究的核心技術,即蛋白質組分分離、蛋白質組分鑒定、利用蛋白質組信息學進行結構和功能預測,綜述了蛋白組學技術在食品科學研究中的進展,并展望了其應用前景。

蛋白組學 雙向電泳 質譜 蛋白質信息學 食品科學 應用

人類基因組計劃完成之后,生命科學研究的重心已從解析生命的全套遺傳信息轉移到系統研究這些遺傳信息代表的生物學功能上來,即蛋白質的研究,從而產生了一門新的學科——蛋白組學 (Pro2 teomics),使得生命科學研究進入了以基因組學 (Ge2 nomics)、蛋白組學 (Proteomics)、代謝組學 (Metabo2 nomics)等“組學”研究為標志的后基因組時代。組學技術的應用也促進了與食品科學相關 DNA、RNA、蛋白質和小分子代謝物的研究以及相關數據庫的建立[1]。2001年的 Science雜志已把蛋白組學列為六大研究熱點之一,其“熱度”僅次于干細胞研究,名列第二。蛋白組學的受關注程度如今已令人刮目相看。蛋白質組 (Proteome)是指由基因組表達產生的所有相應的蛋白質。與具有同源性和普遍性的基因組相比,蛋白質組是對某一生物或細胞在特定生理或病理狀態下表達的所有蛋白質的特征、數量和功能進行系統性的研究,能提供全面的細胞動力學過程的信息,具有動態性、時間性、空間性和特異性,更能在細胞和生命的整體水平上闡明生命現象的本質和活動規律。這就促使了蛋白質組學研究相對于基因組學研究越來越受到人們的重視,目前已有望成為解決生命科學領域中諸多問題的工具,其中也包括食品科學領域。

食品質量與安全事關人民群眾身體健康和生命安全,已成為人們時刻關心的焦點問題。消費者期望食品生產者和經營者能夠提供優質、安全的食品,然而食品品質是一個復雜的綜合問題,食品原料的性質、貯藏條件及加工過程中各種條件等諸多因素都會影響到食品的品質與安全性。由于蛋白質是多數食品的主要組成成分,因而蛋白質組分析能夠提供參與決定食品品質的各種生理機制過程中的蛋白質的結構和功能等方面的更多信息,因此蛋白組學為食品科學研究提供了嶄新的思路和技術。目前,蛋白質組學在食品科學領域中的應用還處于一個早期階段,但已有了許多新的發現[2-3],表現出了廣闊的應用前景。

就蛋白質組學的主要研究技術及其發展作一綜述,并著重介紹蛋白組學在食品科學研究中的進展和應用前景。

1 蛋白質組學的概念與研究內容

1.1 蛋白組學概念

1994年,澳大利亞悉尼 Maquarie大學的 Marc W ilkins等[4]首先將蛋白質組 (proteome)定義為“基因組所表達的全部蛋白質,包括各種亞型及蛋白質修飾”。這個概念的提出標志著一個新的學科——蛋白組學的誕生,即以蛋白質組為研究對象,應用相關研究技術,從整體水平上來認識蛋白質的存在及活動方式 (表達、修飾、功能、相互作用等)的學科[5-6]。

1.2 蛋白組學研究內容

總體上看,蛋白質組研究可分為兩個方面。一個是對蛋白質表達模式 (或蛋白質組組成)的研究,另一方面是對蛋白質組功能模式 (目前主要集中在蛋白質相互作用網絡關系)的研究。目前蛋白組學研究的主要內容包括:①蛋白質的發現與功能的明確;②蛋白質翻譯后的修飾特征;③蛋白質結構分析;④蛋白質活性的調節;⑤蛋白質的相互作用及其構象研究;⑥蛋白質的轉運分析以及亞細胞結構中的蛋白質分離;⑦蛋白質的表達分析;⑧生物信號轉導與代謝途徑分析等[7-8]。

2 蛋白組學主要研究技術

蛋白組學研究的核心技術為:蛋白質組分分離技術,蛋白質組分的鑒定技術,利用蛋白質信息學進行蛋白質結構、功能分析及預測。目前,主要有三種常用的蛋白組學技術,即 2– DE分離經膠上原位酶解后的質譜鑒定技術、特異性酶解后多維色譜–質譜聯用蛋白質鑒定技術 (MudPIT)和抗體芯片表面增強激光解析電離法檢測技術 (SELD I– TOF–MS),方法的選擇取決于研究目的和可利用的儀器設備[9]。雖然發展了幾種途徑的蛋白質表達分析技術,2D– PAGE與 MS結合仍是目前最經典也是應用最廣泛的方法[10]。

2.1 雙向電泳質譜 (2-DE-MS)技術

雙向電泳技術是一種用來從復雜的樣本中分離蛋白質的電泳方法,其基本原理是,第一步是根據蛋白質等電點 (PI)的不同來分離蛋白質,稱作等電聚焦 (IEF)。通過固定 pH梯度技術 (IPG)可以實現非常精確的蛋白質分離并具有高度的可重復性;第二步是根據蛋白質分子量大小的差別,采用經典的 SDS– PAGE電泳來達到蛋白質分離的目的,在 2– DE分析中,蛋白質根據它的分子質量和所攜帶的電荷移到特定的位置,形成蛋白質點圖譜,一個蛋白質點就代表一種單個的蛋白質。蛋白質點的飽和度顯示的是那個細胞所產生的實際蛋白質數。2– DE在數小時內可同時分離大量蛋白質,應用大面積膠,一次可鑒定多達 10 000個蛋白質點[11];可通過蛋白質點染色的強度對其進行定量分析,也可提供蛋白質翻譯后修飾信息,具有不同程度的糖基化或磷酸化修飾的蛋白質亞型能較容易地進行分離[12]。在過去40年中已經測定了許多物種和組織的 2– DE膠圖譜 ,其中包括豬[13]、牛[14]、雞[15]和水產品[16]等 ,一些圖譜已經被用于獲得與食品品質性狀相關的分子標記。

在過去 20年中,質譜技術 (MS)已經從分析小的揮發性分子發展到一個很廣的應用范圍,包括對蛋白質和肽的分析。應用質譜分析可進行蛋白質鑒定和序列測定,其基本原理是樣品分子離子化后,根據不同離子之間的質荷比的差異來分離并確定相對質量。在離子化方法上,現多采用電噴霧離子化 (ESI)和基質輔助激光解吸離子化 (MALD I)的軟電離方法,樣品分子進行電離時能保留整個分子的完整性,而不會形成碎片離子,又稱肽質指紋圖譜 (Peptide-Mass Fingerprinting,PMF)技術。這些電離方法是基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜 (MALD I– TOF)和電噴霧電離–串聯質譜 (ESI–MS/MS)技術的核心,將它們結合起來使用是蛋白質組學中一個經典的成就[17]。PMF是一種現在運用最廣的用來鑒定2-DE分離出來的蛋白質和肽的方法,已經成功地應用于鑒定包括全部的家養動物在內的許多生物的蛋白質[18]。

2.2 多維色譜–質譜聯用 (MudPIT)技術

MudPIT技術先由特異性的胰蛋白酶消化,產生的多肽由強陽離子交換柱和反相 HPLC分離后經ESI–MS/MS分析。同位素親和標簽可標記對照組和處理組樣品的蛋白質,從而得到蛋白組的定量信息。而且用13C標記多肽加入到蛋白質消化混合物中,可用于樣品制備過程中肽回收率的測定。由于MudPIT法采用高速且高靈敏度的色譜分離法來代替耗時的 2-DE蛋白質分離法,故其與經典的 2– DE–MS法相比,具有快速、樣品需要量少和多肽分離的通用性強等優點,但MudPIT法不能提供蛋白質異構體和翻譯后修飾的相關信息[19]。

2.3 SELD I-TOF-MS技術

SELD I技術通過離子交換柱或 LC分離蛋白質,并通過芯片上抗體、底物等的親和力從蛋白質混合物中直接獲得單個或多個目標蛋白。故 SELD I技術能從復雜蛋白質樣品中富集蛋白質亞群,所得蛋白經激光解析離子化后進一步質譜鑒定。SELD I技術的樣品制備簡便,減少了樣品的復雜性,特別適于轉錄因子等低豐度蛋白質的檢測,并能迅速進行蛋白質的表征。然而該方法目前僅可應用于分子質量不大于 20 ku蛋白質的分離鑒定,且分子質量精確度低于經典的 2-DE-MS法[20]。

2.4 蛋白質信息學

生物信息學 (Bioinfor matics)是通過對生物學實驗數據的獲取、加工、存儲、檢索與分析來獲取所得數據的生物學信息。在獲得了編碼蛋白質的 DNA序列后,其表達蛋白的功能研究成為下一步分析的主要目的。蛋白質信息學 (Protein Bioinfor matics)在蛋白質組分析中起重要作用,一是通過與數據庫中的已知蛋白質相比較來判斷未知蛋白質的功能;二是預測蛋白質的結構,并判斷蛋白質有無發生修飾。蛋白質組學中出現的大量復雜數據需要整合許多其他來源的數據,包括表型以及結構基因組和功能基因組數據,數據搜集和合并是蛋白質組分析中一個主要的任務,近年來出現了一些處理數據的先進算法和軟件,并且還存在著許多開放性資源和商業化的數據庫平臺[21-22]。

表 1 在網絡上一些可以免費使用的蛋白質鑒定工具

蛋白質組數據庫被認為是蛋白質組學知識的儲存庫,包含所有鑒定的蛋白質信息,如蛋白質的順序、核苷酸順序、雙向凝膠電泳、三維結構、翻譯后的修飾、基因組及代謝數據庫等,一些開放性的蛋白質組數據庫見表 1[21]。這些數據庫涵蓋了人類和經典的模式生物如小鼠、大鼠和酵母。生物信息學的發展使蛋白質的鑒定更方便、更快捷,而且隨著基因組學的深入研究,能夠為蛋白質組學研究提供更全面的數據庫[22]。

3 蛋白組學在食品科學研究中的應用

3.1 蛋白組學在糧油科學研究中的應用

影響農作物品質和產量的因素很多,近年來運用蛋白質組學技術與方法對其機理進行研究和探討,對農產品性狀的改良和產量的提高具有積極作用。Natarajan等[23]對野生型和栽培型大豆種子的蛋白譜進行分析后,發現二者具有相似性,提高大豆蛋白中含硫氨基酸的濃度,可以顯著的改善大豆蛋白的品質。在提高農產品產量方面,Bahrman等[24]通過比較蛋白質組學方法研究不同小麥品種間氮肥施用效果的差異,研究發現氮水平對小麥籽粒數量、干重和含氮量的影響是很顯著的,該研究對今后更好地采取提高產量的有效措施具有重要的意義。

蛋白組學能夠提供與小麥品質及籽粒硬度相關的蛋白質組成的相關信息,為小麥品質的改良提供指導,同時也可以預測面包的品質[24]。谷物蛋白質組學在小麥谷蛋白、醇溶蛋白等種子貯藏蛋白影響面團黏彈性及烘焙品質方面已有一些研究。Amiour等[25]采用 2– DE分離得到目的蛋白點,采用MALD– TOF和 ESI– MS/MS對小麥籽粒進行了蛋白組學研究,以增加對小麥籽粒中兩親性蛋白的生理功能的了解。Salt等[26]經研究證明小麥生面團中形成泡沫的可溶性蛋白對面團中的氣泡具有穩定性作用。科研人員分別利用雙向電泳技術對小麥胚乳、面筋及灌漿期的小麥胚乳進行了蛋白組分析,試闡明相關的生物化學特性,為提高面食產品的質量奠定理論基礎[27-28]。何中虎等[29]對中國小麥品種品質評價體系建立與分子改良技術的研究取得了重要進展,特別是通過蛋白質組學方法發現了與面筋強度直接相關的水溶性蛋白WS-6,以及運用改進的SDS-PAGE方法明確了面包和面條對亞基組成的要求等研究成果,為進一步推動小麥品質改良工作提供了新的理論依據。

3.2 蛋白組學在肉品學研究中的應用

3.2.1 肌肉的生長和發育

肌纖維分兩種類型:紅肌纖維和白肌纖維,這兩種類型在代謝水平上存在著結構和功能的差異。纖維類型與肉質性狀比如多汁性、風味和嫩度之間的關系有很多爭議,尤其是纖維類型對肉嫩度的影響仍然不清楚[30]。利用能描述生長表型和獨特的嫩度性狀的動物模型(如牛的雙肌和羊的肥臀性狀)進行蛋白質組學研究,可以更好地了解生長和肉質性狀之間相關的分子機制[31-32]。Doherty等[33]闡述了蛋雞胸肌蛋白質組的特性,揭示了生長期幾種相關的蛋白質在表達水平上均有極大的變化。Boule等[34]應用蛋白質組研究牛骨骼肌的過度生長現象,表明肌肉生長抑制素(Myostain)基因上有 11對堿基對缺失導致 13種肌肉蛋白質發生了改變。包括收縮蛋白和代謝蛋白,這些蛋白質絕大多數是來自有收縮性的器官組織,并能夠加快肌纖維的收縮功能。同時,他們發現隨著肌肉收縮特征的改變,肌肉蛋白質的代謝模式也發生了改變。Lametsch等[35]通過研究發現豬的補償性生長可以改變其肌肉的蛋白質組,這有助于進一步了解補償性生長與蛋白周轉變化、肉質軟化之間的關系。盡管這些研究還未能得出肌肉生長和肉品質性狀最主要的聯系,但是蛋白質組意義上的觀察將對理解骨骼肌的生長規律起到重要有用,而且在將來的研究中可能為肌肉生長和肉品質性狀如何相互聯系提供信息。

3.2.2 屠宰后肌肉的代謝活動

由于屠宰后肌肉早期的生化現象在很大程度上影響肉的品質,因此了解屠宰后肌肉的代謝活動與肉品質的關系是肉品學關注的一個主要的焦點。研究表明,與理化性質相關的參數、組織化學性質、溫度、基因型及其他諸多因素都會影響到屠宰后肌肉的代謝活動,然而對于屠宰后肌肉的代謝活動與肉質之間的關系卻知之甚少[36]。一般說來,使肉變得僵硬的因素會顯著影響嫩度,這些因素包括電刺激、壓力、冷卻速度和屠宰前的營養狀況[37-38],因此建立能夠描述屠宰后肌肉蛋白質組變化的動物模型是一個挑戰性的工作[39]。

Lametsch等[40]首次利用蛋白質組分析了屠宰后豬肌肉的變化情況。他們采集了剛屠宰至屠宰后48 h肌肉的蛋白質組樣品,這些肌肉蛋白質從 5～200 ku不等,pH值在 4～9之間,結果發現蛋白質組模式發生了 15種顯著的變化。此后,Lametsch等[41-42]通過研究最終確定了可作為肉品質標記的20多種蛋白質,包括結構蛋白質 (肌動蛋白,肌球蛋白和肌鈣蛋白 T)和代謝酶,如肌激酶、丙酮酸激酶和糖原磷酸化酶。在這些標記蛋白中,人們發現肌動蛋白和肌球蛋白重鏈 (MHC)與肌肉的剪切力之間存在極顯著的相關,這表明屠宰后肌動蛋白和MHC的降解會影響肉的質量。Remignon[43]等直接對肌肉蛋白片段進行分析,認為蛋白質的改變很可能是導致家禽 PSE肉綜合癥的直接原因,但目前對于具體是哪些蛋白質發生了改變以及這些蛋白質如何被修飾還知之甚少。Molette[44-45]等研究發現火雞 (BUT9)屠宰后胸肌糖酵解的速度比較快 (屠宰后每 20分鐘pH值比正常的多下降 0.5),從而使得肉品質發生改變,如系水力下降,加工產量降低,嫩度降低。

3.2.3 鈣蛋白酶在保持肉嫩度中的作用

研究表明鈣激活中性蛋白酶在肉的嫩化中起到一個關鍵的作用,其限速因子是 calpastatin介導的對屠宰后鈣蛋白酶活性的抑制作用[46]。引起羊肥臀主要原因是由于 18號染色體的突變,導致鈣激活中性蛋白酶的活性增加強兩到三倍。肥臀羊死后肌肉結構的變化與其他類型的羊相似,但發生的速度較慢,這就表明了鈣激活中性蛋白酶系統在肉嫩化中的重要作用[47]。Lametsch等[48]研究報道了具體的肌纖維蛋白由鈣激活中性蛋白酶介導的降解圖譜,肌動蛋白、肌鈣蛋白和一些原肌球蛋白異構體的特定降解圖譜也將被測定,這些肽的圖譜與肉嫩度之間的關系仍需要進一步的分析。

3.3 蛋白組學在水產品貯藏加工研究中的應用

魚貝類等水產品的基質同畜禽肉一樣,無論從細胞水平還是從從組織水平都是由大量的蛋白質組成。顯然,蛋白組學在水產品原料組成、貯藏加工過程中的品質變化、蛋白質之間及蛋白質與其他成分之間的相互關系等方面的研究中同樣具有重要價值。

Kjaersgard等[49]在 11種不同冷凍儲存條件下對鱈魚肌肉蛋白質圖譜進行了分析,發現不同冷凍儲存溫度對蛋白質圖譜無顯著影響,但是經過不同的冷凍儲存時間 (3個月、6個月和 12個月),肌漿球蛋白輕鏈、磷酸丙糖異構酶、醛縮酶 A、2–α肌動蛋白片段等蛋白質的濃度發生了顯著變化,從而導致魚肉質地和味道特有的變化。Bos worth等[50]對受低氧溫脅迫的斑馬魚的魚肉進行研究分析,發現低氧對6個低豐度蛋白產生影響,而不影響蛋白的表達模式。Martinez等[51]將雙向電泳技術用于魚種屬和魚肉組織的鑒定,研究了北極和熱帶品種死亡后的變化特征及某些添加劑在魚肉加工過程中的影響。

3.4 蛋白組學在乳品學研究中的應用

3.4.1 在乳蛋白質研究中的應用

蛋白質水解是影響乳制品質地的關鍵因素,所產生的肽類一般是風味物質的前體,或具有獨特的生物學特性。2– DE可用于考察蛋白水解酶對蛋白質的降解作用。Kunji等[52]為了研究 L.lactis中β-酪蛋白水解途徑,將蛋白水解系統中編碼關鍵酶的幾個基因切除,結果表明細胞壁上有關的蛋白酶具有底物特異性,主要表現在β-酪蛋白的 C–末端,并且存在有能轉移至少 10個殘基的寡肽轉移系統,只有少數的肽類能被轉移到細胞中。Deutsch等[53]比較了瑞士奶酪中幾種嗜熱乳酸菌的細胞提取物的水解作用,包括 Lactobacillus helveticus、Lactobacil2 lus delbruecki subsp.lactis和Streptococcus ther m ophilus,其中 L.helveticus水解β-酪蛋白的能力最強,但存在于水解產物中的磷酸肽幾乎不能被降解,用相同的底物對保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌以及 4種丙酸菌研究也能得到類似的結果。

3.4.2 在乳酸菌蛋白質組中的應用

3.4.2.1 乳酸菌的標準圖譜

Anglade等[54]報道了 L.lactis的第一個標準凝膠,得到了 450個銀染斑點,鑒定了 15個蛋白質。通過 2DE分離蛋白質,再由肽類質譜圖及搜索數據庫而實現蛋白質的鑒定。由于基因組數據庫中乳酸菌的信息還不完全,因而限制了蛋白質的鑒定。Perrin等[55]對生長于M17–乳糖培養基上的嗜熱鏈球菌進行研究,用 2D– PAGE分離并通過 N–末端測序來鑒定,建立了一種相當精確的對斑點指數化的方法。在所用的分析條件下只檢測到了大約理論蛋白質組的 17%。目前有很多工作致力于更精確地描述乳酸菌蛋白質組。

3.4.2.2 乳酸菌蛋白質的差異表達

乳酸菌中蛋白質的差異表達研究最多的是 L.lactis,對它的差異研究主要是 2個菌株之間或不同培養基上生長的細胞所產生的蛋白質組的比較。Guimont等[56]比較了在M17培養基或牛奶中生長的不同 St.ther m ophilus菌株的蛋白質組成,不同的菌株和培養基對蛋白質組成的數量及性質都有影響,牛奶基質中酶的產量要比M17培養基低。

大多數有關乳酸菌的差異表達研究集中在脅迫反應和適應方面,這有助于更好地理解乳酸菌的適應反應及相關的交叉保護機制,將乳酸菌應用于特定的工業過程。Rechinger等[57]采用 35S標記的方法,結合 2– DE和 N–末端測序,以動力學方式研究了保加利亞乳桿菌在合成培養基與牛奶中所表達的蛋白質的差異,他們發現將細胞從MRS培養基轉接到牛奶中后不會誘導脅迫酶或糖酵解酶的大量合成。

3.5 蛋白組學在食品營養學研究中的應用

3.5.1 食品蛋白質組成和活性成分研究

食品蛋白質測定的傳統方法不能得到純的蛋白和氨基酸序列等信息,而蛋白組分析則可輕易獲得這些重要信息。目前,食品蛋白組學研究主要集中在富含蛋白的大豆、乳品蛋白組成和活性成分的研究。Gianazza等[58]采用 2– DE– MS法發現不同蛋白質組成的大豆對人體血漿脂蛋白等水平有影響,其中血漿 7S和 11S球蛋白變化顯著。Smolenski等[59]采用MudPIT和 2– DE–MS法表征牛奶蛋白組,分別發現 2903和 2770個多肽,說明牛奶成分比先前報道的更為復雜,還鑒定了 15種與機體防御機能有關的蛋白。

3.5.2 營養素在胃腸道的消化與吸收研究

食物營養素的營養價值和其它功能不僅與自身的成分有關,還依賴于其在胃腸道中的消化和吸收,但目前對消化酶和上皮細胞營養物質的轉運體卻所致甚少。蛋白組分析表明,大鼠小腸存在一些小腸分子伴侶蛋白、細胞骨架可塑性蛋白和維生素轉運蛋白等以前未發現的蛋白質,比如:胃腸調理素、α-細絲蛋白和 V D結合蛋白前體等[60]。Alpert等[61]在體外用內毒素或病原菌處理小腸上皮細胞后,2–DE–MS法分析發現有 25種和 18種蛋白質分別上調和下調表達,這些蛋白可能與炎癥條件下營養素的消化和吸收不佳有關。

3.5.3 營養素的代謝與代謝調控機制研究

蛋白組學技術為糖尿病、肥胖、衰老、心血管疾病等營養代謝與調控異常疾病的機制研究提供了新的途徑,闡明了營養素代謝和調控機制。Li等[62]采用 2–DE–MS法比較了青年人與老年人正常結腸粘膜上皮細胞蛋白質組,發現代謝、能量產生、分子伴侶、抗氧化、信號轉導、蛋白質修復和細胞調亡相關蛋白質出現差異表達。這些研究有助于理解人營養吸收與代謝相關細胞衰老的分子機制。Bluher等[63]比較了脂肪敏感胰島素受體基因敲除小鼠的脂肪細胞內蛋白質表達差異,發現 27個脂質和能量代謝通路的關鍵蛋白上調或下調表達,其中轉酮醇酶、延伸因子– 2和葡萄糖調節蛋白– 78等與胰島素信號轉導和脂肪細胞大小調控密切相關,其中 14種蛋白質可能由相應 mRNA表達量變化引起,13種可能由蛋白質翻譯或周轉引起,這說明胰島素可以在轉錄和翻譯后修飾水平影響蛋白質的表達模式。這些研究結果進一步加深了人們對營養物質代謝調控網絡的了解。

3.6 蛋白組學在食品安全與食品鑒偽中的應用

各種食品安全突發事件,如食物過敏事件、沙門氏菌、李斯特菌污染事件、瘋牛病事件等已經引起人們對食品安全的極大關注。其中,食物過敏是一個全世界關注的焦點問題。隨著社會環境和生活方式的巨大變化,人類的飲食環境進入多樣化時代,過敏性疾病的發病率隨之亦呈持續快速上升的趨勢。最近調查顯示,我國 15～24歲年齡段健康人群中,約有 6%的人曾患有食物過敏。成年人多對海鮮有過敏反應,大約有 7百萬美國人對海產品過敏,占美國總人口的 2.3%,其中 0.5%的成年人對蝦類產品過敏。海鮮過敏是由免疫球蛋白 IgE對海產品中一些特殊蛋白質 (如結構蛋白:原肌球蛋白等)反應引起的[64]。蛋白組學為食物過敏原的鑒定和表征提供了技術支持。Yu等[65]采用 2– DE– MALD I– TOF技術研究了斑節對蝦的致敏原,結果顯示該致敏原是一種具有精氨酸激酶的蛋白質,它能與蝦過敏性病人血清 IgE發生反應,從而引起蝦過敏性病人的皮膚過敏反應。Koller等[66]采用 2– DE和 MS/MS及能夠檢測、鑒定超過 2 500種蛋白質的多維蛋白質鑒定技術對水稻 (O ryza sativa)的葉、根和種子組織進行了系統的蛋白組學研究,結果在種子樣品中鑒定出了幾種已經表征過的過敏性蛋白,顯示了蛋白組學技術在食物過敏事件的監督中具有很大的潛能。

近年來,隨著我國市場食品品種的豐富,加工手段的多樣化,食品添加劑的廣泛使用,食品真實性、品質鑒定等問題也逐漸凸現。如何快速鑒別食品的真、偽、優、劣和品質成為食品市場管理的重點和難點。隨著科技的發展,假冒偽劣的手段也在不斷提高,仿真度極高的劣質產品給檢驗工作帶來了巨大的困難。因此,食品鑒偽已成為食品安全領域的關注熱點。伴隨著DNA種質鑒別等其他分子技術、同位素產地溯源技術等在食品鑒偽體系中的應用和發展,蛋白組學也已被證明成為該領域的一個有力工具,尤其是在鑒別動物的健康狀況,繁殖和屠宰處理時所受刺激和污染的水平等方面[54]。Martinez等[67]綜述了蛋白組學方法與其他一些方法在食品鑒偽中的應用進展,指出蛋白質組與基因組不同,基因組僅提供靜態信息,蛋白質組則對某一生物或細胞在特定生理或病理狀態下表達的所有蛋白質的特征、數量和功能進行系統性的研究,能提供更多更全面的信息,這些信息不僅包括種屬方面的信息,還包括食品的新鮮程度和組織方面等信息。盡管 DNA鑒別技術在近期仍然會是種屬鑒別的主要技術,發展迅速的蛋白組學技術將在食品鑒偽領域逐漸發揮其其商業價值。在很多情況下,僅通過肉眼觀察 2– DE圖上蛋白質組的差異,即可把種屬關系很近的兩種魚類區分開來。

4 前景與展望

蛋白質組學解決了在蛋白質水平上大規模直接研究基因功能的問題,是通過生化途徑研究蛋白質功能的重大突破。蛋白組學能夠提供參與決定食品種屬、品質、功能與安全性的各種生理機制過程中的蛋白質的結構和功能等方面的更多信息,作為專門的技術體系已廣泛用于食品科學研究領域,為食品科學研究提供了嶄新的思路和技術,并極大地拓展了食品科學的研究領域和促進了食品科學的快速發展,將成為食品品質研究的一個高通量、高靈敏度、高準確性的研究平臺。當然基因和蛋白質不會單獨地發揮作用,而是聯合成一個復雜的網絡來產生細胞功能、組織、器官以及有機體。食品品質是由多種因素間復雜的相互作用決定的,蛋白質組只是用于分析的有力工具而不是解決食品品質問題的最終方法,要建立食品品質的生物學標記并將其運用于食品原料、貯藏與加工等工藝過程,還需要多門學科如生理學、遺傳學、細胞生物學、生物信息學的跨學科合作以及與動物生產和食品加工業的密切協作。

[1]FuchsD,W inkelmann I,Johnson I T,et al.Proteomics in nutrition research:principles,technologies and applications[J].British journal of nutrition,2005,94:302-314

[2]CarbonaroM.Proteomics:present and future in food quality evaluation[J]. Trends in Food Science&Technology,2004,15,209-216

[3]Jian-Zhong Han,Yan-BoWang.Proteomics:present and future in food science and technology[J].Trends in Food Science&Technology,2008,19,26-30

[4]WasingerV C,Cordwell S J,Cerpa-Poljak A,et al.Progress with gene-productmappingof themollicutes:Mycoplas ma gen2 italium[J].Electrophoresis,1995,16:1090-1094

[5]Kahn P.From genome to proteome:looking at a cell’s pro2 teins[J].Science,1995,270:369-370

[6]W illiams K L.Genomes and proteomes:towards a multidi2 mensional view of biology[J].Electrophoresis,1999,20:678-688

[7]PandeyA,MannM.Proteomics to study genes and genomes[J].Nature,2000,405:837-846

[8]Kleppe R,Kjarland F,Selheim F.Proteomic and computa2 tionalmethods in systemsmodeling of cellular signaling[J].Current phar maceutical biotechnology,2006,7(3):135-145

[9]Wang J,Li D,Langottl J,et al.Proteomics and its role in nutrition research[J].Journal of Nutrition,2006,136:1759-1762

[10]Tsugita A,Kawakami T,Uchida T,et al.Proteome analy2 sis of mouse brain:two-dimensional electrophoresis pro2 files of tissue proteins during the course of aging[J].Elec2 trophoresis,2000,21:1853-1871

[11]GorgA,WeissW,DunnM J.Current t wo-dimensional e2 lectrophoresis technology for proteomics[J]. Proteomics,2004,4:3665-3685

[12]MullerD R,Schindler P,CoulotM,et al.Mass spectrome2 tric characterization of stathmin isoforms separated by 2-D PAGE[J].Journal ofMass Spectrometry,1999,34:336-345

[13]Morzel,M,Chambon,C,Hamelin,M,et al.Proteome changes during pork meat ageing following use of t wo differ2 ent pre-slaughter handling procedures[J].Meat Science,2004,67(4):689-696

[14]Bouley J,MeunierB,Chambon C,et al.Proteomic analy2 sis of bovine skeletal muscle hypertrophy[J].Proteomics,2005,5(2):490-500

[15]DohertyM K,McLean L,Hayter J R,et al.The proteome of chicken skeletal muscle:changes in soluble protein ex2 pression during growth in a layer strain[J].Proteomics,2004,4(7):2082-2093

[16]JoséLuis López,Anabel Marina,Gonzalo álvarez,et al.Application of proteomics for fast identification of speciesspecific peptides from marine species[J]. Proteomics 2002,2:1658-1665

[17]Domon B,Aebersold R.Mass spectrometry and protein a2 nalysis[J].Science,2006,312(5771):212-217

[18]Magnin J,MasselotA,Menzel C,et al.OLAVPMF:a no2 vel scoring scheme for high-throughput peptide mass fin2 gerprinting[J].Journal of Proteome Research,2004,3(1):55-60

[19]Michael P W.Utilization of proteomics datasets generated via multidimensionalprotein identification technology(Mud2 PIT) [J].Briefings in Functional Genomics and Pro2 teomics,2004,3:280-286

[20]Issaq H J,Veenstra T D,Conrads T P,et al.The SELD I–TOFMS approach to proteomics:Protein profiling and bi2 omarker identification[J].Biochemical andBiophysicalRe2 search Communications,2002,292(3):587-592

[21]Barrett J,Brophy PM,Hamilton J V.Analyzing proteomic data[J]. International Journal for Parasitology,2005,(35):543-553

[22]Zi mmer J S,Monroe M E,Qian W J,et al.Advances in proteomics data analysis and display using an accurate mass and time tag approach[J].Mass Spectrometry Reviews,2006,25(3):450-482

[23]Natarajan SS,Xu C,Bae H,et al.Characterization of Stor2 age Proteins in W ild(Glycine soja)and Cultivated(Gly2 cine max)Soybean Seeds Using Proteomic Analysis[J].Journal ofAgricultural and Food Chemistry,2006,54(8):3114-3120

[24]Bahrman N,Le Gouis J,NegroniL,et al.Differential pro2 tein expression assessed by two-dimensional gel electro2 phoresis for t wo wheat varieties grown at four nitrogen levels[J].Proteomics,2004,4(3):709-719

[25]AmiourN,MerlinoM,Leroy P,et al.Proteomicanalysis of amphiphilic proteins of hexaploid wheat kernels[J].Pro2 teomics,2002,2:632-641

[26]SaltL J,Robertson J A,Jenkins J A,et al.The identifica2 tion of foam-for ming soluble proteins from wheat(Triticum aestivum)dough[J].Proteomics,2005.5(6):1612-1623

[27]Islam N,Woo SH,Hirano H,et a1.Proteome approaches to characterize seed storage proteins related toditelocentric chromosomes in corflnlon wheat(Triticum aestivum L.)[J].Proteomics,2002(9):1146-1155

[28]Yahata E,Maruyama-FunatsukiW,Saruyama H,et a1.Wheat cultivar-specific proteins in grain revealed by 2-DE and their application to cultivar identification of flour[J].Proteomics,2005,5(15):3942-3953

[29]何中虎,晏月明,莊巧生,等.中國小麥品種品質評價體系建立與分子改良技術研究[J].中國農業科學,2006,39(6):1091-1101

[30]Maltin C,Balcerzak D,Tilley R,et al.Deter minants of meat quality:tenderness[J].Proceedings of the Nutrition Society,2003,62(2):337-347

[31]OualiA,DemeyerD,Smulders F.Expression of tissue pro2 teinases and regulation of protein degradation as related to meat quality[M]//FiemsL O,Hoof J V,Uytterhaegen L,et al.Comparative quality of meat from doublemuscled and nor mal beef cattle.Utrecht:ECCEAMST Series,1995,381-391

[32]Taylor R G,Koohmaraie M.Effects of post mortem storage on the ultrastructure of the endomysium and myofibrils in nor mal and callipyge longissimus[J].Journal of Animal Science,1998,76(11):2811-2817

[33]DohertyM K,McLean L,Hayter J R,et al.The proteome of chicken skeletal muscle:changes in soluble protein ex2 pression during growth in a layer strain[J].Proteomics,2004,4(7):2082-2093

[34]Bouley J,MeunierB,Chambon C,et al.Proteomic analy2 sis of bovine skeletal muscle hypertrophy[J].Proteomics,2005,5(2):490-500

[35]Lametsch R,Kristensen L,LarsenM R,et al.Changes in the muscle proteomeafter compensatory growth in pigs[J].Journal ofAni mal Science,2006,84(4):918-924

[36]Hollung K,Veiseth E,Jia X et al.Application of pro2 teomics to understand the molecular mechanisms behind meat quality[J].Meat Science,2007,77(1):9-104

[37]Hildrum K I,Solvang M,Nilsen B N,et al.Combined effects of chilling rate,low voltage electrical stimulation and freezing on sensory properties of bovineM.longissi mus dorsi[J].Meat Science,1999,52(1):1-7

[38]Scanga J A,Belk K E,Tatum J D,et al.Factors contribu2 ting to the incidence of dark cutting beef[J].Journal of Animal Science,1998,76(8):2040-2047

[39]Bendixen E.The use of proteomics in meat science[J].Meat Science,2005,71:138-149

[40]Lametsch R and Bendixen E.Proteome analysis applied to meat science:characterizing post mortem changes in porcine muscle[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2001,49(10):4531-4537

[41]Lametsch R,Roepstorff P,Bendixen E. Identification of protein degradation during postmortem storage of pig meat[J].Journal ofAgricultural and Food Chemistry,2002,50(20):5508-5512

[42]Lametsch R,Karlsson A,Rosenvold K,et al.Postmortem proteome changes of porcine muscle related to tenderness[J].Journal ofAgricultural and Food Chemistry,2003,51(24):6992-6997

[43]Remignon H,Molette C,Babile R,et al.Current advances in proteomic analysis and its use for the resolution of poultry meat quality problems[J].World Poultry Science Journal,2006,(62):123-129

[44]Molette C,Remignon H and Babile R.Early post-mortem pH and turkey breast meat quality.Proceeding of the XV I European Symposium on the Quality of PoultryMeat,Saint-Brieuc(France),2003,September 23-23,48-53

[45]Molette C,Remignon H and Babile R.Modifications of gly2 colyzing enzymes induce a lowest meat quality in turkey[J].Poultry Science,2005,84:119-127

[46]Taylor R G,Geesink G H,Thompson V F,et al.Is Z-disk degradation responsible for postmortem tenderization[J].Journal of Animal Science,1995,73(5):1351-1367

[47]Koohmaraie M,Shackelford S D,Wheeler T L,et al.A muscle hypertrophy condition in lamb(callipyge):charac2 terization of effects on muscle growth and meat quality traits[J].Journal of Animal Science,1995,73(12):3596-3607

[48]Lametsch R,Roepstorff P,M“ler H S,et al.Identification of myofibrillar substrates for I-calpain[J].Meat Science,2004,68(4):515-521

[49]Kjaersgard IV,NorrelvkkeM R,Jessen F.Changes in cod muscle proteins during frozen storage revealed by proteome analysis and multivariate data analysis[J]. Proteomics,2006,(5):1606-1618

[50]Bosworth C A,Chou CW,Cole RB,et al.Protein expres2 sion patterns in zebrafish skeletal muscle:initial character2 ization and the effects of hypoxic exposure[J].Proteomics,2005,5(5):1362-1371

[51]Martinez I,Jakobsen Friis T.Application of proteome anal2 ysis to seafood authentication[J].Proteomics,2004,4(2):347-354

[52]Kunji E R S,Fang G,jeronimus-Stratingh C M,et al.Reconstruction of the proteolytic pathway for use of b-case2 in by Lactococcus lactis[J].Molecular Microbiology,1998,27:1107-1118

[53]Deutsch SM,Molle D,Gagnaire V,et al.Hydrolysis of sequenced b-casein peptides provides new insight into the peptidase activity from thermophilic lactic acid bacteria and highlights the intrinsic resistance of phosphopeptides[J].Applied and EnvironmentalMicrobiology,2000,66:5360-5367

[54]Anglade P,Demey E,LabasV,et al.Towards a proteomic map ofLactococcus lactisNCDO 763[J].Electrophoresis,2000,21:2546-2549

[55]Perrin C,Poirson C,Bracquart P,et al.Determination by 2D–PAGE of the protein fingerprint of Streptococcus ther2 mophilus[J].Science De Aliments,2000,20:97-104

[56]GuimontC,ChopardM A,Gaillard J L,et al.Comparative study of the protein composition of three strains of Strepto2 coccus ther mophilus grown either inM17 medium or in milk[J].Le Lait,2002,82:645-656

[57]Rechinger K B,Siegumfeldt H,Svendsen I,et al.Early protein synthesis of Lactobacillus delbruekii ssp.bulgaricus in milk revealed by[35S]methionine labelling and twodi2 mensionalgel electrophoresis[J]. Electrophoresis,2000,21:2660-2669

[58]Gianazza E,Eberini I,Arnoldi A,et al.A proteomic in2 vestigation of isolated soy proteins with variable effects in experimental and clinical studies[J].Journal ofNutrition,2003,133:9-14

[59]Smolenski G,Haines S,Kwan F Y,et al.Characterisation of host defence proteins in milk using a proteomic approach[J].Journal of Proteome Research,2007(6):207-215

[60]Tosco A,Siciliano R A,Cacace G,et al.Dietary effects of copper and iron deficiency on rat intestine:a differential display proteome analysis[J].Journal of Proteome Re2 search,2005(4):1781-1788

[61]Alpert C,EngstW,GuehlerA,et al.Bacterial response to eukaryotic cells.Analysis of differentially expressed proteins using nano liquid chromatography-electrospray ionization tandem mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2005,1082:25-32

[62]LiM,Xiao Z Q,Chen Z C,et al.Proteomic analysis of the agingrelated proteins in human nor mal colon epithelial tissue[J].Journal of Biochemistry and Molecular Biology,2007,40:72-81

[63]BluherM,W ilson-FritchL,Leszyk J,et al.Role of insu2 lin action and cell size on protein expression patterns in adi2 pocytes[J].Journal of Biological Chemistry,2004,279:31902-31909

[64]Lehrer SB,Ayuso R,Reese G.Seafood allergy and aller2 gens:a review[J].Marine Biotechnology,2003,5:339-348

[65]Yu C-J,Lin Y-F,Chiang B-L,et al.Proteomics and immunological analysis of a novel shrimp allergen,pen m 2[J].The Journal of I mmunology,2003,170:445-453

[66]Koller A,Washburn M P,Lange B M,et al.Proteomic survey of metabolic pathways in rice[J].Proceedings of the NationalAcademy of Science USA,2002,99:11564-11566

[67]Martinez I,AursandM,Erikson U,et al.Destructive and non-destructive analytical techniques for authentication and composition analyses of foodstuffs[J].Trends in Food Sci2 ence&Technology,2003,14:489-498.

Proteomics and itsApplication in Food Science Research

Li Xuepeng Li Jianrong Yu Ping Zhu Junli Wang Yanbo Fu Linglin
(Food Safety KeyLab of Zhejiang Province,College of Food Science and Biotechnology,Zhejiang GongshangUniversity,Hangzhou 310035)

Proteomic study is one of the main research task in post-genomic era.W ith rapid progress,pro2 teomic technology is now often cited as a promising tool,which could resolve numerous problems in the field of life science,including food quality and safety.Providing new thoughts and techniques for research,proteomics has been widely used in the field of food science.In this paper,the core of proteomic technology,namely separation of pro2 teins,identification ofproteins,prediction ofprotein structure and function by protein bioinformatics,are introduced,present application of proteomic technology in food science research are reviewed,and the application foreground of proteonics is prospected.

proteomics,t wo-dimensional electrophoresis,mass spectrometry,protein bioinfor matics,food science,application

Q51

A

1003-0174(2010)02-0141-09

國家“863”重點項目(2007AA091806)

2009-03-16

李學鵬,男,1982年出生,博士,食品生物技術

勵建榮,男,1964年出生,教授,博士生導師,食品貯藏加工與安全控制、食品生物技術