蛋白質(zhì)組學(xué)與精準醫(yī)療

陳樞青

隨著生物醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)的進步和人們對健康期望的提高，人類開始步入精準醫(yī)療時代。

何為精準治療

精準醫(yī)療是在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)上，隨著對核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子進行深入研究，開始在基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的水平上把握疾病的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，從而建立起來的個體化精準診斷、精準治療和精準預(yù)防的技術(shù)體系。精準醫(yī)療類似于個體化醫(yī)療，又不同于個體化醫(yī)療。個體化醫(yī)療只強調(diào)不同個體需要不同治療方案，但其治療靶標和有效物質(zhì)等都可以是模糊綜合的，如中醫(yī)的藥方雖然是因人而異的，是個體化的，但這不是精準醫(yī)療。而精準醫(yī)療是建立在對個體基因組信息和病變細胞體細胞突變信息以及相應(yīng)的蛋白質(zhì)組信息基礎(chǔ)上的，強調(diào)個體、疾病、靶標和藥物有效成分的精準性。它是在分子水平上全面把握控制疾病的發(fā)生、發(fā)展與轉(zhuǎn)歸的一系列精準預(yù)防、精準診斷和精準治療的技術(shù)體系；是建立在對人、病、藥物深度認識基礎(chǔ)上采取的高水平醫(yī)療技術(shù)。這就比個體化醫(yī)療更重視“病”的深度特征和“藥”的高度精準性。人類期待精準醫(yī)療能夠推動難治性疾病，如腫瘤、糖尿病和心血管疾病等的治療水平，進一步提高人類生活質(zhì)量，延長人類預(yù)期壽命。有專家預(yù)測精準醫(yī)療有可能讓人類健康生活到120歲。

精準醫(yī)療研究是一個巨大的工程，不僅需要強大的生物化學(xué)與分子生物學(xué)技術(shù)，而且還需要強大的計算技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)。設(shè)想一下：平均每個成人擁有幾十萬億個細胞，每個細胞平均擁有幾百到幾萬種蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)分子個數(shù)成千上萬。每一個細胞都有“喜怒哀樂”，每一個分子都有生老病死，都會“談情說愛”。因此，從微觀上看，我們的體內(nèi)存在著細胞“社會”和分子“社會”。每一個細胞都是一個分子王國，各種各樣的分子在這個王國里扮演著各自的角色。DNA就像王國的圖書館，它編碼了所有的蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)是王國的功能執(zhí)行者，就像具有不同職業(yè)的“臣民”，“工人”、“農(nóng)民”、“教師”、“醫(yī)生”、“律師”等等，根據(jù)需要都有一定的數(shù)量要求。如一個細胞最基本的需要是物質(zhì)代謝和能量代謝，葡萄糖分子進入細胞被代謝成二氧化碳和水，同時釋放細胞所需要的能量。這個過程需要一系列蛋白質(zhì)分子催化反應(yīng)，如葡萄糖激酶等，這些蛋白質(zhì)就像細胞內(nèi)的農(nóng)民，他們的職業(yè)是生產(chǎn)細胞需要的能量。另一些蛋白質(zhì)催化合成核酸和蛋白質(zhì)的反應(yīng)，他們像工人，在消耗能量的同時，為細胞生存生長（分裂）制造必要的配件，如DNA 聚合酶等。所有蛋白質(zhì)分子都是由基因編碼的，是在信使RNA指導(dǎo)下合成的。只是，它們剛合成出來時只是一條多肽鏈，這條多肽鏈還需要進一步折疊成熟而形成高級結(jié)構(gòu)才能表現(xiàn)功能。這個過程中需要一種蛋白質(zhì)幫助其折疊成熟，這類蛋白質(zhì)分子就像教師，如熱休克蛋白。類似于律師的蛋白質(zhì)如轉(zhuǎn)錄因子，則調(diào)控著基因的表達。為保持王國有秩序地運轉(zhuǎn)，其實還需要一個“國王”，幾十個“大臣”，以及大量行使各種職能的“公務(wù)員”。而這類蛋白質(zhì)分子是最難被研究和監(jiān)測的，因為我們目前的監(jiān)測技術(shù)還不夠靈敏。

何為蛋白質(zhì)組學(xué)

那什么是蛋白質(zhì)組學(xué)呢？蛋白質(zhì)組學(xué)就是能夠分析一個樣本里面的所有蛋白質(zhì)成分的技術(shù)，這個樣本可以是器官的一部分，如心肌、肝臟等，也可以是一群細胞，如腫瘤細胞等，也可以是單個細胞。只要分析技術(shù)足夠靈敏，我們不僅能夠像宏觀經(jīng)濟學(xué)一樣分析各行各業(yè)的就業(yè)狀況，甚至能夠監(jiān)測到“大臣”和“國王”是否在認真工作！人體有2.6萬個基因，按照一個基因可以表達2-10種蛋白質(zhì)計算，人體約有20-30萬種蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)分布在幾百條信號通路的各個節(jié)點上，有條不紊地工作，實現(xiàn)正常的生理過程。人體的疾病本質(zhì)上是蛋白質(zhì)的疾病，是由蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、活性，蛋白質(zhì)的數(shù)量、比例，蛋白質(zhì)的運動等發(fā)生錯誤造成的。少數(shù)蛋白質(zhì)的變化可以用常規(guī)的生化分析方法測定，如體檢中可通過白蛋白、球蛋白檢測肝臟功能，而堿性磷酸酶與肝癌、甲狀腺功能亢進有關(guān)，肌酸激酶與急性心肌梗塞、病毒性心肌炎、腦炎等有關(guān)。因為人體是一個成千上萬種蛋白質(zhì)相互作用的、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，許多疾病是逐漸發(fā)展的，特別是一些疑難癥、退行性疾病有復(fù)雜的病因、病理，常常不能用一個指標或幾個指標說明。需要測定幾十種、幾百種、幾千種蛋白質(zhì)的數(shù)量、修飾和相互作用，直至發(fā)現(xiàn)病灶細胞出現(xiàn)的異常狀況，才能準確地診斷疾病，并找到精準的治療方法，這就需要蛋白質(zhì)組分析。

如何精準治療

精準醫(yī)療的一個重要前提是要有高靈敏的蛋白質(zhì)組學(xué)分析技術(shù)。蛋白質(zhì)組學(xué)分析技術(shù)主要有雙向電泳和雙向高效液相色譜，以及質(zhì)譜分析技術(shù)。雙向電泳是利用蛋白質(zhì)分子帶有不同電荷的特性，通過其在電場中泳動的快慢來分離蛋白，可以達到納克級的分析靈敏度。通常第一向是等電聚焦，第二向是SDS-PAGE。雙向電泳可以讓分離后的蛋白質(zhì)點分布在平板凝膠上，通過機械手切割凝膠，用質(zhì)譜分析來鑒定蛋白質(zhì)。雙向高效液相色譜的第一向通常為離子交換色譜，第二向為反相色譜。由于高效液相色譜技術(shù)的高度精密化，比起雙向電泳技術(shù)分離來得更高效、重復(fù)更好。質(zhì)譜分析是先將蛋白酶解成多肽片段，再使多肽電離，然后測定其核質(zhì)比，并通過數(shù)據(jù)庫確定其氨基酸序列，通過氨基酸序列推算蛋白質(zhì)種類。應(yīng)用質(zhì)譜可以進行蛋白質(zhì)的定量和定性分析，也可以進行蛋白質(zhì)的變異、修飾分析。

那么，蛋白質(zhì)組學(xué)分析如何可以幫助精準治療呢？以腫瘤為例，所有的腫瘤都是體細胞突變造成的，而且不同個體體細胞突變的位點很少會一樣?；蛲蛔儧Q定了相應(yīng)的蛋白質(zhì)也會發(fā)生突變，蛋白質(zhì)突變會產(chǎn)生新生抗原。我們針對新生抗原的抗體就能夠區(qū)分正常細胞和腫瘤細胞，因此，可以用于制備抗體偶聯(lián)藥物，也可以制備特異性CAR-T細胞進行治療，這種療法可以治療腫瘤而不傷及正常細胞，為腫瘤的精準治療帶來很大希望。

綜上所述，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)是人們長期生活過程中無數(shù)經(jīng)驗的積累，是類似哲學(xué)的一類感悟。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)是建立在解剖學(xué)和生理學(xué)基礎(chǔ)上的科學(xué)，是大量科學(xué)研究的結(jié)晶。精準醫(yī)療是建立在基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等學(xué)科上的技術(shù)，是利用大數(shù)據(jù)手段分析病因、病理，并針對性地設(shè)計解決方案。精準醫(yī)療將把人類的醫(yī)療事業(yè)推進到一個全新的高度。