中枢神经系统疾病中蛋白质组学研究进展

罗庆勇

摘要 中枢神经系统疾病如脑肿瘤、创伤、脑血管疾病等发病率高,对人体的危害大。以往在中枢神经系统疾病的研究中,主要是在设定假说的基础上, 在某种程度上限制了脑这一复杂器官疾病的研究进程。近些年来随着蛋白质组学及相关技术的发展,为高通量地筛选疾病相关蛋白提供了强有力的手段。随着近几年中枢神经系统蛋白组学领域的深入研究，在中枢神经系统疾病诊断、个性化治疗、疫苗开发等方面都有着广泛的前景 。

关键词: 中枢神经系统疾病;蛋白质组学;前景

21 世纪初, 人类基因组计划基本完成。基因组学( genomics)是一门研究基因组结构和功能的科学,它是对相对稳定DNA的静态研究。蛋白质组学是对一个基因组或一种细胞、组织、器官所表达的全部蛋白质成分的分析。哺乳动物中30% ～50%基因在中枢神经系统表达[ 1 ] 。不同的基因表达出各种不同的神经表型,从而在基因水平上决定了大脑组织的复杂性。蛋白质组学能帮助我们研究复杂的大脑,了解神经系统紊乱状况和相应的分子生物标记物。本文就最近几年中枢神经系统疾病中蛋白质组学相关研究进展做一简要综述。

中枢神经系统疾病如肿瘤、创伤、脑血管疾病、精神性疾病、神经退行性疾病等发病率高,对人体的危害大,常危及生命或使患者劳动力丧失、生活质量下降。以往在中枢神经系统疾病的研究中,主要是在设定假说的基础上,验证某个或某些基因及蛋白在疾病中的表达和可能作用,无法实现高通量的研究,在某种程度上限制了脑这一复杂器官疾病的研究进程。近些年来随着蛋白质组学及相关技术的发展,为高通量地筛选疾病相关蛋白提供了强有力的手段。虽然中枢神经系统疾病蛋白质组学的研究还处于起步阶段,但在阐明发病机理、筛选诊断、监测、预后指标等方面已经取得丰硕的可喜成果。

1. 蛋白质组学研究现状及研究方法

蛋白质组是指一个基因，一种生物或一种细胞, 组织所表达的全套蛋白质。蛋白质组学是指对一个细胞、组织、有机体在一定时间内表达的所有蛋白质(总蛋白质)，即蛋白质组进行系统的、全面的研究。蛋白质组的研究远比基因组研究复杂。一方面，蛋白质的数目远大于基因的数目，是由于基因的拼接和翻译后修饰造成的;另一方面，基因是相对静态的，一种生物体仅有一个基因组，而蛋白质是动态的，随时间和空间的变化而变化[2]。。双向电泳、计算机图像分析与大规模数据处理技术以及质谱技术被称为蛋白质组研究的3大支撑技术. 双向凝胶电泳是目前惟一能将数千种蛋白质同时分离与展示的分离技术。在双向凝胶电泳中，蛋白质首先根据等电点的不同在一向等电聚焦电泳中分离，接着被转移到二向聚丙烯酰胺凝胶上，再根据相对分子质量的大小不同被分离。经双向凝胶电泳分离后，染色，得到蛋白质表达谱。采用计算机图像分析技术对图谱上的蛋白点进行定位、定量、图谱比较和差异点寻找等。尽管双向凝胶电泳在蛋白质组研究中已被广泛应用，但这种方法还存在局限性。首先，虽然固相化PH梯度等电聚焦电泳技术的出现已使双向凝胶电泳的重复性得到改善，但重复性仍然是双向凝胶电泳方法存在的主要问题。同样的操作人员，同样的样品，同样的仪器，几次操作，所得到的双向凝胶电泳图谱很难一模一样;其次，双向凝胶电泳分析时部分蛋白质的丢失，特别是疏水性蛋白质和相对分子质量大于10×103蛋白质的丢失，使得双向凝胶电泳作为通用的蛋白质分离展示方法有一定局限性。对于一些低丰度蛋白和极端PI值的蛋白不能很好分离[3] ; 再次，通过双向凝胶电泳分离的蛋白点不一定只代表一种蛋白. 另外，为了寻找更有效的蛋白质组研究方法，人们根据DNA 微阵列技术方法，将蛋白质固定在一些固相物质上，做成蛋白质微阵列，从而产生了蛋白质芯片技术。

2 蛋白质组学在中枢神经系统疾病研究中的应用

2. 1 神经退行性疾病( neurodegenerative disease)神经退行性疾病是一类严重影响人类健康的常见病,其主要病理改变是神经元的突起明显变短或消失、神经细胞凋亡。此外, 甲基苯丙胺等成瘾性药物滥用者的大脑也可出现以神经退行性病变为特征的改变[ 4] 。阿尔茨海默病(Alzeimer disease, AD)是一种较典型的神经退行性疾病，AD 死亡患者的海马、颞叶等部位脑组织中共发现411 种差异蛋白质,其中37 种被鉴定,分别和突触传递、热应激和氧化应激、脂质转运和代谢以及糖代谢有关,认为这些机制均和AD的发病有关[ 5 ] 。

2. 2 中枢神经系统肿瘤

蛋白质组学在筛选中枢神经系统肿瘤标志物, 探讨神经肿瘤发病、转移机理,寻找预后指标等方面的应用,是近年肿瘤蛋白质组学研究的热点。在胶质瘤的研究中, 通过2D 电泳比较胶质瘤和正常脑组织的蛋白质表达差异,发现胶质瘤中有11 个点表达上调, 4 个点表达下调,一组和细胞骨架相关的蛋白在胶质瘤发生调制性改变,提示细胞骨架的调制在胶质瘤发生中的可能作用。脑脊液成分的变化和中枢神经系统微环境的改变密切相关,可通过活检获得,是中枢神经系统疾病蛋白质组学研究的良好材料。在原发性脑肿瘤患者的脑脊液中发现2 种肿瘤相关的候选蛋白: N -myc肿瘤蛋白(N-myc oncop rotein)和低分子量钙介体蛋白( low molecula weight caldesmon,l-CaD ) 。这些蛋白有可能作为肿瘤检测标志物 、 肿瘤预后指标和化疗监测指标[6]。

2.3 脑血管疾病

脑卒中 Suzuyama等[7]研究了短暂性大脑中动脉闭塞的大鼠模型中脑脊液蛋白质组的改变。用表面增强激光解析及电离飞行时间质谱来检测短暂性脑缺血后的脑脊液蛋白谱的时程改变。据报道，载脂蛋白CI和载脂蛋白CⅢ是最先被报道的在小样本中能够充分区分缺血性和出血性脑卒中的血浆标志物。

2. 4 中枢神经系统创伤

中枢神经系统损伤后可引起一系列复杂的细胞损伤和抗损伤反应,基因水平的变化导致多种蛋白质的表达是这种反应的基础。已证明应用特异的阻断剂阻断机体的损伤性反应,可以改善脑损伤患者的认知功能。高通量研究损伤后的蛋白表达变化,有可能为中枢神经系统损伤的监测和治疗提供新的靶标。人脑创伤后脑脊液中α1 抗胰蛋白酶、结合珠蛋白α1、α2、β等急性期反应蛋白含量增高,而纤维蛋白原β羧基末端降解产物仅在创伤组检测到, 可能作为中枢神经系统创伤的诊断标志物[ 8] 。

2.5 精神疾病 在当今社会精神疾病发生率较高, 疗效差, 复发率高, 归根结底精神疾病为多因素致病, 缺乏客观的诊断标准。严重的精神疾病, 已证实伴有脑功能障碍。Johnston - Wilson等[ 9 ]取根据DSM - Ⅳ确诊为双相情感障碍( bipolar disorder) 、抑郁症(major dep ressive disorder) 和精神分裂症( schizophrenia) 的89例尸体脑组织前额皮质(Broddman10区) 匀浆, 经2 - DE分析, 氨基酸测序, 发现了8种与疾病相关的蛋白质，这方面的相关研究还在进一步深入之中，有望在蛋白质组学方面取得突破。

2.6 其他中枢神经系统疾病:在其他中枢神经系统疾病中,脑组织蛋白质表达也存在相应改变。Lewohl等[ 10 ] 对酒精依赖性患者额叶脑组织蛋白质表达研究发现,有182个蛋白质和正常脑组织有显著差异,其中139个蛋白质表达显著降低, 35个蛋白质表达显著升高,有8个是新发现或消失。迄今为止已确认了其中63个蛋白质。这些变化表明酒精依赖性患者脑组织在分子水平上已经发生变化,同时也说明蛋白质结构与功能密切相关。癫痫是一种神经科常见疾病,以中枢神经元过度放电为特征,但发病机制不明。为揭示其发病机制, Eun等[ 11]研究颞叶癫痫患者大脑皮质蛋白质的表达变化,和正常对照相比,通过蛋白质印迹分析发现线粒体型锰超氧化物歧化酶的表达显著下调,说明线粒体型锰超氧化物歧化酶与癫痫发病机制密切相关。这对研究癫痫的发病机制提供帮助,并有可能成为药物治疗癫痫的新靶点。

3.展望前景

中枢神经系统蛋白组学, 在疾病诊断、个性化治疗、疫苗开发等方面都有着广泛的前景[ 12 ] . 蛋白质组学已广泛应用于基础与临床研究,包括细胞生物学、神经生物学、药理学和临床诊断学等的研究,其基本技术方法为双向凝胶电泳和质谱分析,现在研究的蛋白质主要集中在蛋白酶、细胞骨架蛋白、热休克蛋白质、突触小体蛋白、抗氧化剂蛋白和一些受体蛋白。蛋白质组学因其研究的是直接执行生命活动的蛋白质,是我们探索疾病病因、发病机制、病理分期、判断预后、药物开发等有力工具。蛋白质组学作为一种新兴的检测技术也有其局限性, 如对低丰度蛋白质的检测存在技术难题,还不能满足大规模蛋白质分离要求[ 13 ] ,双向凝胶电泳和质谱法不能分析疏水蛋白和鉴定出成千上万的蛋白质[ 14 ] ,其技术的复杂性和不成熟限制其在临床上的广泛应用。随着技术的发展,未来的蛋白质组学应具有自动化、高通量和高特异性等优点。大脑的复杂性以及蛋白质组的动态变化是研究脑组织蛋白质组学的一大难点。大脑结构的组成和所执行的功能离不开蛋白质参与,研究大脑蛋白质组学是研究大脑理想切入点。绘制大脑蛋白质图谱,找到疾病特异蛋白质会为药物开发、疾病诊断以及指导治疗提供帮助;也将为更高层次研究大脑蛋白质网络以及研究高级神经活动打下坚实的物质和理论基础。

参考文献

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