毒理蛋白質組學的產生
毒理學(toxicology)是研究外源性物質對生命有機體損傷作用和規律及其機制的一門學科，其內容包括確認和描述外源性物質對生物系統可能產生的有害作用和闡明其作用機制以及建立理論構想和預測評定外源性物質有害作用的危險度。毒理學作為一門套用學科，其研究水平隨著生命科學的研究技術的發展而發展。在傳統的毒理學研究中，對一種新的外源性物質的毒害作用研究通常以動物模型為基礎，開展包括組織病理學和生物化學在內的技術研究，對其危險性評價則基於一般人群接觸外源物質的平均實驗數據和相關資料。雖然這些研究技術有的已比較成熟，但費時費力並缺乏高靈敏性，並且沒有考慮個體的具體差異。因此在實際套用中有其一定的局限性。
蛋白質組(proteome)原指一個細胞基因組(genome)編碼的所有蛋白質，但由於不同細胞不同時期蛋白質的表達有所差異，因此蛋白質組實際上是指某種組織、某個器官或某個細胞在特定時刻的所有蛋白質[1]。蛋白質組學就是研究蛋白質組的科學，包括蛋白質的分離、性質分析和功能鑑定，蛋白質翻譯後的修飾，蛋白質的相互作用以及特定時刻，如接觸某種外源性物質和發生某種疾病。蛋白質表達量和翻譯後修飾的變化。因此蛋白質組學可謂為一門綜合的蛋白質科學[2]。
隨著人類基因組計畫的實施和階段目標的完成，基因組學的研究技術有了長足的發展，由此產生的研究策略和高度發展的研究技術為其他學科的發展提供了理論基礎和技術平台。毒理蛋白質組學是毒理學和蛋白質組學的交叉融合學科是蛋白質組學在毒理學中的套用[3]。儘管蛋白質組學和毒理基因組學自身還未得到充分發展，但毒理蛋白質組學可以認為是它們兩者的融合產物[4]。因為如同基因組學和蛋白質組學的關係一樣，毒理蛋白質組學是在毒理基因組學的基礎上發展而來，是毒理基因組學的延伸和拓展，也可以看作是毒理基因組學的重要研究內容。美國國家毒理基因組學中心(national center for toxicogenomics , NCT)的研究目標之一，就是發展和套用基因表達和蛋白質組學的技術研究化學物質和藥物的生物效應[5]。
毒理蛋白質組學的研究內容
毒理蛋白質組學的研究包括兩大互相重疊的領域：(1)從蛋白質角度研究外源性物質對生命有機體的毒害機制；(2)篩選特定的蛋白質作為外源性物質危險性評價的生物標誌物[3]。這兩個研究領域是相互影響和相互統一的，前者是後者的基礎，後者是前者的目的，其共同目標是促進人類的健康發展。雖然毒理蛋白質組學套用的是蛋白質組研究的策略和技術，但是它必須遵循毒理學的研究原則和方法來進行試驗。此外，也需要全面綜合而又仔細地分析結果。因此將蛋白質組學的方法與傳統的毒理學技術進行比較研究同樣重要。
蛋白質組研究主要是對蛋白質進行分離和鑑定，而很少涉及蛋白質的翻譯後修飾以及蛋白質的相互作用。對蛋白質的分離是通過雙向電泳進行的，可以同時在一次電泳中分離並顯示出數千個蛋白質，然後通過質譜、胺基酸序列以及胺基酸組成分析進行蛋白質鑑定。這種對蛋白質的分離和鑑定顯然是高通量和高效率的，一次可以對多個蛋白質進行分離和鑑定。而不同於常規的蛋白質研究方法。套用蛋白質組學技術進行外源性物質毒性研究的策略是通過比較特定細胞、組織或器官在接觸不同外源性物質的條件下蛋白質所發生的變化，然後對發生變化的蛋白質進行鑑定[6]。
套用蛋白質組技術研究毒性機制尚處於對發生變化蛋白質的分離和鑑定階段。這是受蛋白質組自身的研究技術限制的。當前套用蛋白質組技術研究毒性的外源性物質中主要是治療性藥物。過量服用對乙醯氨基酚(acetaminophen)，導致的肝中毒是研究藥物誘發的肝毒性的實驗模型。以往許多研究表明對乙醯氨基酚代謝物引起肝蛋白質的芳基化和肝中毒相關。以小鼠為動物模型比較了服用放射性標記的藥物和對照肝蛋白質的變化。通過雙向電泳和質譜分離鑑定了20多種蛋白質作為其代謝物的新的作用靶標蛋白[7]。以不同濃度的對乙醯氨基酚和其非毒性異構體3－乙醯氨基酚(3-acetamidophenol)處理小鼠發現了30多種蛋白質發生了改變其中包括S－腺苷甲硫氨酸合成酶、硒結合蛋白、線粒體基質蛋白P1和蛋白質二硫化物異構酶上述這些蛋白質__的變化都是濃度依賴性的[ 8 ]。將多種處理進行比較可以獲得更多有意義的結果。例如:採用鄰苯二甲酸二乙基己基酯(diethylhexylphthalate ,DEHP)處理正常小鼠和過氧物酶體增殖體激活α受體(peroxisome proliferator2activated receptorα,PPARα)基因敲除小鼠之後通過蛋白質組研究鑑定了49種依賴於過氧物酶體增殖體和PPARα的蛋白質這些蛋白質不僅參與機體的脂代謝、胺基酸代謝和糖代謝而且也參加線粒體能量生成和應激反應。另外還發現了6種不依靠過PPARα的蛋白質這些蛋白將有助於發現非遺傳毒性誘導的肝癌發生早期的標誌物[9]。在培養細胞中柔毛黴素(daunorubicin)引起了熱應激蛋白60、70、90表達的增強而相應的mRNA沒有明顯變化這表明這些蛋白的表達水平的改變可能發生在轉錄後的翻譯或蛋白質穩定水平上[10]。此外通過對經神經毒劑紅藻氨酸( kainic acid)處理的動物的蛋白質組分析發現其毒性的產生涉及熱應激蛋白表達改變、神經元壞死、細胞骨架結構崩潰以及線粒體結構破壞[11]。雖然在試驗中會發現多個蛋白質發生改變通過對它們的分離和鑑定可以知道這些蛋白質在毒性機制中扮演一定的角色研究者也可以根據推測形成一定的理論假說但要真正完全清楚毒性機制必須進一步闡明這些蛋白質的相互關係。
套用蛋白質組研究技術不僅可以高通量的發現外源性物質引起的變化的蛋白質為闡明其毒性機理奠定基礎而且可以通過篩選特異性蛋白作為毒性預測和安全評價的生物標誌物。蛋白質作為細胞結構的構成者和生命功能的執行者用其作為生物標誌物方面有著DNA和mRNA不可替代的優越性。同時由於許多蛋白質在特定生理狀態下直接分泌到體液中因此可以直接對血液或尿進行測試這樣就可以直接方便地獲取試驗樣品可以大量進行蛋白質分析而不需要費時費力地收集生物解剖標本。將蛋白質作為毒性預測和危險評價的生物標誌物必需建立在對大量蛋白質進行分析的基礎上,從中篩選到特異性蛋白。對環孢黴素A (cyclosporine A)介導的腎中毒進行蛋白質組表達圖譜分析發現腎鈣結合蛋白D-8的表達明顯下降認為其可以作為環孢黴素A介導的腎中毒的標誌物[ 12 ]。Bandara等[ 3 ]認為蛋白質將在肝、腎、心血管系統毒性以及癌症發生中成為重要的生物標誌物毒理蛋白質組學將成為一種新的臨床診斷前工具並可為新藥物的發現提供線索。
雖然蛋白質比DNA和mRNA作為危險性評價的生物標誌物更具優越性但蛋白質在基本組成上更為明顯多變更易發生次級修飾(糖基化和磷酸化) ,這些異質性給研究蛋白質帶來了比研究核酸更多的技術難題。儘管如此蛋白質作為新的標誌物將比以往的標誌物更為靈敏更具有預測性更適合新的外源性物質毒性預測和潛在危險性評價。
展望
毒理蛋白質組學作為一門新興的交叉學科在其研究技術和發展上都還處於一個起步階段。在研究技術上主要受蛋白質組研究技術的限制。蛋白質組研究技術在微量蛋白和細胞中特定部位(如細胞膜和細胞核)蛋白的分析還有一定的難度。對於前者可以通過一定的蛋白質富集技術高效的蛋白質染色技術和高分辨的檢測技術加以改進如在雙向電泳前通過對紅藻氨酸處理動物腦蛋白的離子交換層析發現了3種不經樣品富集處理的蛋白質[ 13 ]。此外套用微通道檢測器可以分析細胞中微量存在的與有機磷誘導的遲發性神經毒性相關的神經毒性酯酶[ 14 ]。對細胞特定部位的蛋白質可以在雙向電泳前通過分級分離製備樣品然而對膜蛋白的分析仍有相當的難度。除了通過套用較多的雙向電泳分離蛋白質以外其他技術如蛋白質親和晶片(protein affinity chip)和抗體晶片(antibody-based chip)技術在蛋白質組研究中也得到了發展和套用。
毒理蛋白質組學作為毒理基因組學的發展和延伸還處在落後於毒理基因組學的發展時期。套用DNA微點陣技術研究外源性物質對基因表達的影響已經展開並可以從中發現特異表達的基因新的基因組技術也將不斷發展來闡明毒性機制[ 15 ]。由於基因組技術的完善與成熟及其研究的相對容易性將基因組研究技術和蛋白質組研究技術結合起來將會加速毒理蛋白質組學的發展[ 16 ]。毒理蛋白質組如同毒理基因組一樣需要建立不同外源性物質的蛋白質資料庫這還有大量的工作要做[ 4 ]。
毒理蛋白質組研究不僅可以更深層次地闡明毒性發生機制而且可以作為新的生物標誌物更為合理地進行危險性評價。毒理蛋白質組學的發展不但可以推動毒理學自身的發展而且可以促進相關學科(如藥理學、病理學)以及藥物毒性的安全評價與管理的發展[17],更好地為人類健康服務。
