蛋白質組學在大豆與根瘤菌相互作用中的研究進展

劉向東

蛋白質（protein）是生命的物質基礎，是有機大分子，是構成細胞的基本有機物，是生命活動的主要承擔者。機體所有重要的組成部分都需要有蛋白質的參與，沒有蛋白質就沒有生命。隨著功能基因組學的興起，蛋白質組學（proteomics）已成為生命科學研究的重點之一，蛋白質組學又譯作蛋白質體學，是對蛋白質特別是其結構和功能的大規模研究。蛋白質組學研究的宗旨是對組織或細胞的所有蛋白質（只是是大部分）進行分離與鑒定。通過蛋白質組的分析可以檢測生命活動變化過程中蛋白質達量及翻譯后修飾等的變化，從而闡明生物功能產生的分子機制。

蛋白質組學簡介

蛋白質組（Proteome）一詞，源于蛋白質（protein）與 基因組（genome）兩個詞的組合，意指“一種基因組所表達的全套蛋白質”，即包括一種細胞乃至一種生物所表達的全部蛋白質。蛋白質組學本質上指的是在大規模水平上研究蛋白質的特征，包括蛋白質的表達水平，翻譯后的修飾，蛋白與蛋白相互作用等，由此獲得蛋白質水平上的關于疾病發生，細胞代謝等過程的整體而全面的認識，這個概念最早是由Marc Wilkins 在1994年提出的。

蛋白質組（Proteome）的概念最先由Marc Wilkins提出，指由一個基因組（genome），或一個細胞、組織表達的所有蛋白質（Protein）。蛋白質組的概念與基因組的概念有許多差別，它隨著組織、甚至環境狀態的不同而改變. 在轉錄時，一個基因可以多種mRNA形式剪接，并且，同一蛋白可能以許多形式進行翻譯后的修飾。故一個蛋白質組不是一個基因組的直接產物，蛋白質組中蛋白質的數目有時可以超過基因組的數目。蛋白質組學（Proteomics）處于早期“發育”狀態，這個領域的專家否認它是單純的方法學，就像基因組學一樣，不是一個封閉的、概念化的穩定的知識體系，而是一個領域。蛋白質組學集中于動態描述基因調節，對基因表達的蛋白質水平進行定量的測定，鑒定疾病、藥物對生命過程的影響，以及解釋基因表達調控的機制。作為一門科學，蛋白質組研究并非從零開始，它是已有20多年歷史的蛋白質（多肽）譜和基因產物圖譜技術的一種延伸。多肽圖譜依靠雙向電泳（Two-dimensional gel electrophoresis， 2-DE）和進一步的圖象分析；而基因產物圖譜依靠多種分離后的分析，如質譜技術、氨基酸組分分析等。

蛋白質組學在大豆與根瘤菌相互作用中的研究進展

在植物與微生物相互作用機理方面，大多數植物在受到微生物共生、寄生和疾病侵害時，將通過改變體內蛋白質的表達來完成信號的感應、傳遞，從而引起植物相應的反應，研究相關蛋白質有利于更好的了解生物之間的相互作用，在此方面關于豆科植物根瘤的蛋白質組成比較研究已有相關報道。Wan等應用蛋白質組學技術檢測了大豆根與根瘤菌的相互作用，萌發4d的幼苗經B.japonicum野生型菌株和Nodc突變體菌株處理后，收集根和根毛，用水處理過的幼苗來對比，根與根毛的蛋白質組圖譜比較顯示，有96個蛋白表達差異，其中，共有12個蛋白是根毛中特有的。經MALDI-TOF MS分析，一共鑒定出23個蛋白，其中幾丁質酶I和脅迫誘導基因H4是根毛特有。另一方面，對照與B.japonicum野生型菌株處理的根毛采用NanoLC-Q-TOFMS/MS分析后差異表達的有16個蛋白點，其中，脂氧合酶、苯丙氨酸解氨酶和抗壞血酸過氧化物酶1都是已知的對處理有反應的蛋白；也有一些是新鑒定出的。例如，肽鏈內切酶CLP ATP-結合酶、磷脂酶D、泡狀融合酶和伴侶蛋白。10個蛋白在野生型菌株與突變體菌株處理的根毛中有表達量的變化，這組蛋白中包含一些已知的蛋白，一些新蛋白的鑒定還需要Nodc-功能表達分析。

Panter等分離出大豆根瘤中環形細菌的膜蛋白，共獲得17個膜蛋白的蛋白質數據，其中有6個蛋白質是已知功能的同源蛋白。Hoale等比較大豆根瘤和根線粒體的蛋白，在根線粒體中檢測到特異蛋白，其中差異表達的蛋白參與根瘤的代寫。Sarma等研究大豆和土壤細菌間的共生固氮過程，利用雙向電泳技術分離類菌體蛋白，證明類菌體在氮、碳代謝中表達了一個主要的、精細的蛋白網絡。Larrainzar等確定了377個根瘤蛋白。Nathan等分析大豆根瘤細胞液，鑒定了69個蛋白，包括28%碳代謝，12%氮代謝，12%活性氧代謝蛋白，這些蛋白都參與了共生固氮作用。