細胞分子基因營養醫學

余兆松教授:蛋白質體學簡介

    過去十年基因體(大陸稱為基因組)研究的浪潮,在人類基因體序列被解開後可以說達到了頂峰。基因體研究主要探討各別基因在染色體上的分佈、有無變異及其在不同生理狀況下表現的情形。為處理基因體序列相關之龐大資料,生物資訊學(Bioinformatics)隨之而生。

基因體學是蛋白質體學的源頭

    由於基因只是四種鹼基分子的特定排列組合(不同的排序就好像是密碼),它們之所以對生物體有決定性的影響,乃是透過細胞內的轉錄(DNA→ mRNA)及轉譯(mRMA → Protein)作用所製造出一個個功能不一的蛋白質來執行的(這也就是分子生物學的中心定律DNA → mRNA → Protein)

    因此,蛋白質功能的研究,可以說是繼基因體後生物醫學研究必然要走的道路。學者們為「在短時間內大規模探討眾多蛋白質的功能」的學問創造了一個新名詞--蛋白質體學(proteomics)(或是稱為功能性基因體學,Functional genomics)

    大家也許會好奇,為什麼我們要在短時間內進行大規模蛋白質功能的探討。舉例來說,從事基礎醫學研究的人都知道癌症的形成導因於細胞內基因表現不正常,而異常的基因表現連帶使得負責管理細胞功能運作的蛋白質也不正常,最後使得細胞生長調節失去控制而在生物體內產生腫瘤。

    因此,尋找腫瘤組織中異常表現的基因及蛋白質成為瞭解癌症成因的第一步。同樣的道理,許多其他人類重大疾病也牽涉到基因及蛋白質表現或功能異常的情況。而基因體研究方法顯然已不能滿足我們對明瞭真實蛋白表現差異的渴望,而蛋白質體學的研究正是為此而發展出來的。

    事實上,蛋白質功能的研究早在人類瞭解釀酒過程須要特定酵素參與就已經開始了;不過,以往的研究受限於蛋白質分析技術及對基因體瞭解有限,學者在短時間內能同時分析的蛋白質數目不多。過去十年中,因為基因資料庫越來越完備及蛋白質分析技術的進步(特別是高靈敏度生物質譜儀的研發),使得蛋白質體的研究不再遙不可及。

    如何在短時間內大規模分析特定組織細胞內的眾多蛋白質表現情況呢?由於蛋白質是由二十多種胺基酸分子以不同數目及排序聚合而成,而每種胺基酸所帶電荷不一,因此在特定酸鹼值時,幾乎沒有任何兩種蛋白質分子具有完全相同的帶電量與分子量。

    根據此一特性,目前標準的做法是先將蛋白質萃取樣品以二維電泳(第一維以帶電量不同來分離,儘接著第二維以分子量不同來分離)在電泳膠片上分離不同蛋白質,然後以染劑偵測膠片內所有蛋白質的位置。保守估計在一片20 x 20公分二維電泳膠片上可分離出一千種以上的蛋白質分子,而蛋白質染色程度之深淺,經過影像密度測定儀分析後,可以得知特定蛋白質的相對含量。

    此一技術瓶頸直到最近十年質譜儀與生物資訊學的長足發展才有所突破。早期質譜儀主要應用於分析化學領域。它的運作原理其實很簡單,簡言之是讓化學分子先離子化(帶上正或負電荷),然後給予強大電場驅動帶電化學分子,在特殊真空管路內飛行一定距離後,撞擊偵測標靶,產生光電訊號。帶電化學分子質量越大,則飛行速度越慢,到達標靶時間越長;因此只要分析數種已知質量的化學分子在同一質譜儀飛行時間的長短,即可得知待測分子之質量。

    蛋白質是由二十種胺基酸分子以不同數目及排序聚合而成,而某些特定蛋白質分解酵素(如胰蛋白脢Trypsin)可以將蛋白質分子中某些特定胺基酸(ArginineLysine)分解,使每一個蛋白質被切割成為一群獨特的、大小不同、質量不一的胺基酸片段。此一群胺基酸片段的質量數目組合(比如六個胺基酸片段,其質量分別為474587652883921 1034),對其原來未被切割的蛋白質分子而言,就如同指紋對於每一個人一樣,具有獨特性,重覆的機會非常小。

    因此,在二維電泳膠片上所分離之上千種蛋白質,可以分別取出並利用胰蛋白脢切割成胺基酸片段,接著送入質譜儀分析這些胺基酸片段的各別質量。質量決定出來後,直接將這些質量數目組合輸入資料庫(胰蛋白脢切割所有已知蛋白質成所形成胺基酸片段的質量數目組合資料庫)內比對,立刻可以得知蛋白質的身份。

    有鑑於蛋白質體學技術能在短時間內大規模分析特定樣品內的眾多蛋白質身份,國際生物醫學界有越來越多的研究人員開始利用此技術探討基礎及臨床醫學的特定課題。凡是想要比較某兩種生物樣本之間(如發病組織與正常組織、腫瘤與非腫瘤、致病菌與非致病菌)、或是同一生物樣本在不同生理條件下(如處理同一藥物前後,或處理不同藥物)其整體蛋白質表現之狀況,皆可從蛋白質體學角度來探討。

    當然分析蛋白質表現之差異並非蛋白質體學研究的目的,這只是手段,真正重要的是此線索背後所隱含的意義與分子作用機轉,研究人員有機會藉由瞭解其中的意義與作用機轉而找出導致疾病發生的可能原因。另一方面在基礎研究領域,以往因為蛋白質樣品含量太少而無法進行之重要實驗,如今藉助質譜儀的高靈敏度,使得研究人員有機會完成他們的夢想。