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生物科技:蛋白質體生物科技

93/09/07 瀏覽次數 8788
蛋白質分子所扮演的角色

蛋白質是構成人體的基礎物質,所有的生物都由蛋白質構成,例如肌肉是由成串的蛋白分子構成。大到肌肉,小到激素、神經纖維、或是酶,都是由小蛋白分子構成的。蛋白質占肌肉總重的80%、皮膚
總重的70%、血液總重的90%。生物體內之蛋白質維持著各種細胞的功能,例如,它們負責運送所有的分子進出細胞。

蛋白質分子是由胺基酸所組成的大分子,它在細胞內扮演非常重要的角色,舉凡細胞周期的調控、代謝反應、訊息傳導、基因的複製及養分的運送等維持細胞生長的重要功能,都需要蛋白質分子的參與。細胞內的蛋白質分子可以透過彼此間的交互作用,形成所謂的蛋白質網路,所以當細胞內蛋白質的表現失去平衡,細胞內的蛋白質網路會被破壞,並造成細胞的病變。

蛋白質體學的觀念,就是觀察細胞內蛋白質網路的變化;如果可以掌握疾病與蛋白質表現失衡的關係,我們就可以針對關鍵的蛋白質找出可能的治療方法與藥物。

基因體及蛋白質體

基因體是細胞中所有基因的總稱,所以基因體是固定的,也就是說我們身體內全身上下所有的細胞,都具有相同的基因體;而蛋白質體則是指細胞內蛋白質種類及含量的變化情形,不同類型的細胞依功能及生長條件的不同,而具有不同的蛋白質體;換句話說:我們身上所有的細胞都具有相同的基因,但是不同細胞中蛋白質表現都不相同。因此,蛋白質體的研究要比基因體研究更具複雜性及挑戰性。

基因體的研究與蛋白質體的研究息息相關,目前蛋白質體技術可以快速鑑定蛋白質種類,並建立蛋白質網路,都要歸功於基因體研究所建立的基因資料庫。我們知道:整個細胞運作所需的資訊均儲存在細胞核中的DNA分子內,我們身上所有的細胞都具有相同的DNA序列,為何具有相同基因的細胞,卻表現出不同類型的蛋白質體,其原因為何?我們可以用電腦軟體的觀念來說明兩者間的關係。

微軟公司推出的Office套裝軟體是一常用的軟體,不同電腦只要安裝Office軟體就擁有相同的程式碼。但是不同電腦可能因作業需求不同,而啟動不同的應用程式,有些啟動Word程式進行文字編輯,有些啟動Excel或是Power Point進行其他作業;雖然不同電腦具有相同的程式碼(基因體),但因需求不同而開啟了不同的應用程式,執行不同的功能(蛋白質體)。這些特性與細胞內蛋白質的表現相同,雖然每一個細胞內所儲存的DNA訊息都相同,但是細胞並不是隨時表現染色體中的所有基因;細胞會依所在環境及生存所需,選擇表現某些特定的蛋白質。因此,不同類型的細胞雖然具有相同的基因體,卻表現不同的蛋白質體,例如:肝細胞與腦細胞所表現的蛋白質體便不盡相同,也就其來有自了。

蛋白質體學研究的重要性

為什麼許多國家及藥廠均投入大筆資金及人力,進行蛋白質體學的研究?其重要性可舉下例來說明:之前的研究發現,癌症的形成導因於細胞內基因表現不正常,造成調控細胞周期的蛋白質網路被破壞,使得細胞生長調節失去控制,最後形成腫瘤。因此尋找腫瘤組織中,造成蛋白質網路失衡的關鍵酵素,乃成為了解及治療癌症的第一步。

因為蛋白質體學技術能在短時間內,大規模分析及鑑定蛋白質的種類,因此有越來越多的研究開始利用此技術,探討發病組織與正常組織、致病菌與非致病菌、或是藥物處理前及處理後,細胞內蛋白質表現的狀況;希望藉由蛋白質體的研究,對於以前無法探討的生物機制,有更深一步的了解,進而找出治療疾病的方法及藥物。

蛋白質體的分析原理

細胞內所表現的蛋白質種類約有上千種,如果將蛋白質比喻成大海中不同的生物,若要找出不同的生物種類,蛋白質體就像捨棄用釣竿而採用撒網的方式來一網打盡。蛋白質體的技術可以觀察細胞內蛋白質表現的變化,目前最常採用的工具是蛋白質二維電泳及質譜儀的分析。

蛋白質二維電泳是目前常用的分離工具之一,原理是:蛋白質混合物經二維電泳分離後,不同類型的蛋白質會依其特性分布在電泳片上。電泳片經染色後,可以發現顏色深淺不同,蛋白質含量多則顏色較深,反之則顏色變淺。藉由比對電泳片上含量增加或減少的蛋白質,我們可以找出表現量有差異的蛋白質點,再透過質譜儀鑑定這些蛋白質。

質譜儀是偵測分子量的儀器。自電泳片中取出的蛋白質樣品,經特定酵素進行水解反應後,轉變成小的片段,這些片段的排列組合可比擬為蛋白質的指紋;將質譜儀分析的蛋白質分子片段,與資料庫中蛋白質指紋資料庫比對,即可快速地鑑定出蛋白質的種類。

蛋白質體的應用

蛋白質體的技術常應用在臨床醫學上,因為分析病變細胞的蛋白質作用網路,讓我們有機會發現致病的關鍵蛋白質,進而找出合適的藥物,或是發展出更為精準快速的診斷方法。

根據調查,癌症臨床治療及診斷的市場一年高達250億美元以上。以蛋白質體的實驗策略,可以觀察腫瘤細胞內蛋白質網路的變化,透過分析比對,我們可以推論腫瘤的發生機制;當我們清楚腫瘤的發生機制後,就可以針對關鍵蛋白質設計藥物或是建立更靈敏的診斷方式。

以傳統的研究方法,研究藥物的作用機制並不容易,但以蛋白質體學的方法,比較藥物處理前後,細胞內蛋白質的變化,藉由蛋白質網路的探討,我們可以對藥物的作用機制有更清楚的了解,並且可以提供藥廠生產新藥的參考。目前有許多藥廠投入大筆的資金及人力在蛋白質體的研究上,也就是看準此技術在藥物開發上的潛力。

蛋白質體技術也可應用於幹細胞的研究,幹細胞是一種有自我複製能力且能分化成多種類型細胞的細胞。幹細胞進行分裂後,可形成幹細胞本身以及某些分化的細胞,以補充因經常性耗損或受傷而死亡的細胞,例如:表皮細胞、肝細胞和血球細胞等。

幹細胞的研究,著重在提供適當的生長因子及環境,誘導幹細胞使其分化成特定的細胞類型;蛋白質體學的技術,是一個很好的研究工具,讓我們可以全面分析細胞分化過程中,蛋白質的變化,以對細胞分化的機制有更進一步的了解。

蛋白質體學是後基因體時代所發展出來的技術,其特色是快速分析及鑑定蛋白質的變化,藉此我們可以建立完整的蛋白質網路。蛋白質體學的研究不僅加速生物醫學的研究腳步,而且讓我們對於生命的運作有更深入的了解。
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