蛋白质组学与精准医疗

陈枢青

随着生物医学科学技术的进步和人们对健康期望的提高，人类开始步入精准医疗时代。

何为精准治疗

精准医疗是在现代医学的基础上，随着对核酸、蛋白质等生物大分子进行深入研究，开始在基因组学和蛋白质组学的水平上把握疾病的发生、发展规律，从而建立起来的个体化精准诊断、精准治疗和精准预防的技术体系。精准医疗类似于个体化医疗，又不同于个体化医疗。个体化医疗只强调不同个体需要不同治疗方案，但其治疗靶标和有效物质等都可以是模糊综合的，如中医的药方虽然是因人而异的，是个体化的，但这不是精准医疗。而精准医疗是建立在对个体基因组信息和病变细胞体细胞突变信息以及相应的蛋白质组信息基础上的，强调个体、疾病、靶标和药物有效成分的精准性。它是在分子水平上全面把握控制疾病的发生、发展与转归的一系列精准预防、精准诊断和精准治疗的技术体系；是建立在对人、病、药物深度认识基础上采取的高水平医疗技术。这就比个体化医疗更重视“病”的深度特征和“药”的高度精准性。人类期待精准医疗能够推动难治性疾病，如肿瘤、糖尿病和心血管疾病等的治疗水平，进一步提高人类生活质量，延长人类预期寿命。有专家预测精准医疗有可能让人类健康生活到120岁。

精准医疗研究是一个巨大的工程，不仅需要强大的生物化学与分子生物学技术，而且还需要强大的计算技术和大数据处理技术。设想一下：平均每个成人拥有几十万亿个细胞，每个细胞平均拥有几百到几万种蛋白质，蛋白质分子个数成千上万。每一个细胞都有“喜怒哀乐”，每一个分子都有生老病死，都会“谈情说爱”。因此，从微观上看，我们的体内存在着细胞“社会”和分子“社会”。每一个细胞都是一个分子王国，各种各样的分子在这个王国里扮演着各自的角色。DNA就像王国的图书馆，它编码了所有的蛋白质分子。蛋白质是王国的功能执行者，就像具有不同职业的“臣民”，“工人”、“农民”、“教师”、“医生”、“律师”等等，根据需要都有一定的数量要求。如一个细胞最基本的需要是物质代谢和能量代谢，葡萄糖分子进入细胞被代谢成二氧化碳和水，同时释放细胞所需要的能量。这个过程需要一系列蛋白质分子催化反应，如葡萄糖激酶等，这些蛋白质就像细胞内的农民，他们的职业是生产细胞需要的能量。另一些蛋白质催化合成核酸和蛋白质的反应，他们像工人，在消耗能量的同时，为细胞生存生长（分裂）制造必要的配件，如DNA 聚合酶等。所有蛋白质分子都是由基因编码的，是在信使RNA指导下合成的。只是，它们刚合成出来时只是一条多肽链，这条多肽链还需要进一步折叠成熟而形成高级结构才能表现功能。这个过程中需要一种蛋白质帮助其折叠成熟，这类蛋白质分子就像教师，如热休克蛋白。类似于律师的蛋白质如转录因子，则调控着基因的表达。为保持王国有秩序地运转，其实还需要一个“国王”，几十个“大臣”，以及大量行使各种职能的“公务员”。而这类蛋白质分子是最难被研究和监测的，因为我们目前的监测技术还不够灵敏。

何为蛋白质组学

那什么是蛋白质组学呢？蛋白质组学就是能够分析一个样本里面的所有蛋白质成分的技术，这个样本可以是器官的一部分，如心肌、肝脏等，也可以是一群细胞，如肿瘤细胞等，也可以是单个细胞。只要分析技术足够灵敏，我们不仅能够像宏观经济学一样分析各行各业的就业状况，甚至能够监测到“大臣”和“国王”是否在认真工作！人体有2.6万个基因，按照一个基因可以表达2-10种蛋白质计算，人体约有20-30万种蛋白质。这些蛋白质分布在几百条信号通路的各个节点上，有条不紊地工作，实现正常的生理过程。人体的疾病本质上是蛋白质的疾病，是由蛋白质的结构、活性，蛋白质的数量、比例，蛋白质的运动等发生错误造成的。少数蛋白质的变化可以用常规的生化分析方法测定，如体检中可通过白蛋白、球蛋白检测肝脏功能，而碱性磷酸酶与肝癌、甲状腺功能亢进有关，肌酸激酶与急性心肌梗塞、病毒性心肌炎、脑炎等有关。因为人体是一个成千上万种蛋白质相互作用的、复杂的网络，许多疾病是逐渐发展的，特别是一些疑难症、退行性疾病有复杂的病因、病理，常常不能用一个指标或几个指标说明。需要测定几十种、几百种、几千种蛋白质的数量、修饰和相互作用，直至发现病灶细胞出现的异常状况，才能准确地诊断疾病，并找到精准的治疗方法，这就需要蛋白质组分析。

如何精准治疗

精准医疗的一个重要前提是要有高灵敏的蛋白质组学分析技术。蛋白质组学分析技术主要有双向电泳和双向高效液相色谱，以及质谱分析技术。双向电泳是利用蛋白质分子带有不同电荷的特性，通过其在电场中泳动的快慢来分离蛋白，可以达到纳克级的分析灵敏度。通常第一向是等电聚焦，第二向是SDS-PAGE。双向电泳可以让分离后的蛋白质点分布在平板凝胶上，通过机械手切割凝胶，用质谱分析来鉴定蛋白质。双向高效液相色谱的第一向通常为离子交换色谱，第二向为反相色谱。由于高效液相色谱技术的高度精密化，比起双向电泳技术分离来得更高效、重复更好。质谱分析是先将蛋白酶解成多肽片段，再使多肽电离，然后测定其核质比，并通过数据库确定其氨基酸序列，通过氨基酸序列推算蛋白质种类。应用质谱可以进行蛋白质的定量和定性分析，也可以进行蛋白质的变异、修饰分析。

那么，蛋白质组学分析如何可以帮助精准治疗呢？以肿瘤为例，所有的肿瘤都是体细胞突变造成的，而且不同个体体细胞突变的位点很少会一样。基因突变决定了相应的蛋白质也会发生突变，蛋白质突变会产生新生抗原。我们针对新生抗原的抗体就能够区分正常细胞和肿瘤细胞，因此，可以用于制备抗体偶联药物，也可以制备特异性CAR-T细胞进行治疗，这种疗法可以治疗肿瘤而不伤及正常细胞，为肿瘤的精准治疗带来很大希望。

综上所述，传统医学是人们长期生活过程中无数经验的积累，是类似哲学的一类感悟。现代医学是建立在解剖学和生理学基础上的科学，是大量科学研究的结晶。精准医疗是建立在基因组学、蛋白质组学等学科上的技术，是利用大数据手段分析病因、病理，并针对性地设计解决方案。精准医疗将把人类的医疗事业推进到一个全新的高度。