精神分裂症的蛋白组学研究的重要性

精神分裂症的蛋白组学研究的重要性

黄小宇黎雪梅（通讯作者）

（重庆医科大学附属第一医院精神科重庆400016）

【摘要】本文综述了蛋白质组学的生物标志物发现技术已经发展了广阔的前景，因此蛋白质表达可作为精神分裂症临床诊断的病理生理学指标。使用质谱分析，根据体液中蛋白质的鉴定，例如脑脊液、血清或血液，就有可能识别出精神分裂症的生物标志物。在临床确诊前，体液中应存在理想的生物标志物，灵敏度高，特异性强，重现性好。该综述讨论了全面的蛋白质组学方法，阐明了其在精神分裂症的发现、诊断和治疗方面的适用性。尽管进行了大量的科学努力，病理与病理生理学精神分裂症知之甚少。蛋白组学通过对精神分裂症患者体液中的蛋白质的研究，可以帮助了解精神分裂症的分子机制。它们也可能表明最有可能发生病理改变的细胞的类型和位置。蛋白质组学方法的研究已经为死后脑组织、外周组织和体液中的定量和定性蛋白质模式提供了大量信息。如二维电泳，2-DDIGE，SELDI-TOF不同蛋白质组学技术、蛋白质组和基于标记（ICAT），无标记（MS（E））量化已应用于精神分裂症的研究。此外，我们还讨论了蛋白质组学方法作为一种常规诊断工具在精神分裂症临床实验室中存在的问题和挑战。

【关键词】精神分裂症；蛋白组学

【中图分类号】R749.3【文献标识码】A【文章编号】1007-8231（2018）03-0097-03

精神分裂症发病率高，且病因不清楚，因此精神分裂症在精神病学中非常重要。根据WHO推算，到2020年精神疾病负担上升至我国疾病总负担的四分之一[1]。精神分裂症存在情绪处理和理智、判断等社会认知功能受损的表现，这使得精神分裂症患者成为个体、家庭和社会的负担。

精神分裂症的诊断主要依靠症状学，临床诊断中缺乏客观的诊断指标，导致临床中容易漏诊和误诊，促使精神分裂症患者病情迁延加重并慢性化，甚至造成精神残疾。上世纪以来国内外对精神分裂症的发病机制进行了积极的探索，建立了多巴胺系统亢进学说、5-HT学说及GABA学说，但精神分裂症的发病机制仍不明晰，仍未找到具有诊断意义的客观标志物[2]。

1.蛋白组学

蛋白质组(proteome)是1994年在siena召开的二维电泳会议上由Marke.wilkins首先提出的，是指生物的器官、细胞及基因组所表达的全部蛋白质[3]。蛋白质组学的研究目标是研究生物体基因编码形成的所有蛋白质图谱以及蛋白质之间的相互作用。研究的内容主要包括：（1）基因表达产物的识别、功能鉴定、功能基因组计划；（2）生命活动的分子机制；（3）蛋白质组图谱成分的鉴定，蛋白质相关数据库的建立，新蛋白质的发现，蛋白质的结构显示[4]。

1.1常用的蛋白组学方法

1.1.1二维聚丙烯酰胺凝胶电泳(2-DE)：又称为双向凝胶电泳。在研究差异表达蛋白中使用率高。其工作原理：（1）对分离蛋白质，主要根据不同蛋白质的等电点和分子量。（2）根据电泳后蛋白质的上样量对胶进行染色，染色方法有多种，如考马斯亮兰染色、银染或荧光染色等，然后用相关软件对电泳图象进行分析[5]。通过双向凝胶电泳可对凝胶中的蛋白进行检测、采集后应用各种分析软件进行分析，通过差异分析或其它方法获得有意义的蛋白后．就可以切取这些目标蛋白通过质谱鉴定。2-DE适合于翻译修饰后的蛋白质，因此它更适合用于寻找在神经精神疾病的脑脊液和血浆生物标志物[6]。然而，2dge方法仍然有一些缺点，如肽小于10kDa蛋白质及高疏水性蛋白，其适用性是有限的。

1.1.2生物质谱技术其中包括基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪和电喷雾质谱。

1.1.2.1基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪(MALDI-TOFMS)其原理主要是当用一定强度的激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜。基质在激光照射时获得能量，使得样品不在吸附于基质上，随后样品和基质之前的电荷发生转移使，使得样品产生分子电离。在电场的作用下电离的样品高速通过了飞行管道，样品到达检测器的时间不同，据此而被检测。MALDI所产生的质谱图多为单电荷离子，因而质谱图中的离子与多肽和蛋白质的质量有一一对应关系[7]。MALDI-TOFMS样品准备简单，可大规模的、微观的、自动化的处理样品，具有准确度高、分辨率高、灵敏度高、使用范围广及速度快等特点。生物大分子和合成高聚物测定方面有明显优于其他蛋白组学方法。目前来已成为检测和鉴定蛋白质、多糖、核苷酸、糖蛋白、高聚物以及多种合成聚合物的强有力工具[8]。

1.1.2.2电喷雾质谱（ESI-MS）电喷雾质谱通过高电场促使样品进入样端的毛细管柱液滴流出的带电，在N2气流中使得液滴溶剂挥发，使液滴表面积减小，促进表面电荷密度逐渐增加。液滴表面张力与产生的库仑力不断达到雷利极限后液滴爆裂为带电的子液滴，上述过程不停重复使最后的液滴呈细小的喷雾状，这时液滴表面电场十分强大，使分析物离子化并以带单电荷或多电荷的离子状态进入质量分析器[9]。ESI-MS通过液体中产生离子，所以肽段的混合物经过液相色谱分离后进行质谱分析，能够得到肽片段的精确的氨基酸序列。电喷雾质谱主要是分析时间较长，电喷雾质谱通常与多种分离技术联合使用。

1.1.3表面增强激光解吸电离飞行时间质谱技术(SELDI-TOFMS)SELDI-TOFMS是一种基于质谱技术与蛋白质芯片技术结合的研究方法。SELDI-TOFMS是由飞行质谱、蛋白质芯片和分析软件三部分组成，其基本原理是基于特殊芯片的表面加强吸附。使样品中的特定蛋白质吸附于芯片上，在剥离去非特异性结合的蛋白质后，加上能量吸收分子，利用激光脉冲辐射使被结合的蛋白质解析形成荷电离子。质荷比不同的离子在真空场中飞行的时间长短不一，据此绘成一张质谱图[10]。SELDI-TOFMS需要样品量少，检测耗时短，且实验重复性较好，具有快速、操作简便等特点，可直接检测未经处理过的血液、尿液以及各种分泌物等，从而可检测到样品中特异性蛋白质的分子量。

1.1.4同位素标记亲和标签技术(ICAT)同位素标记亲和标签技术

是利用同位素亲和标签试剂预先选择性地标记某一类蛋白质，分离纯化蛋白质后质谱鉴定。根据质谱图上不同ICAT试剂标记的一对肽段离子的强度比例，定量分析它的母体蛋白质在原来细胞中的相对丰度。ICAT技术的优点很多，比如可以对膜蛋白进行鉴定和定量；对于含有多个半胱氨酸残基的蛋白质，通过重复检索含半胱氨酸的肽段可得到肯定的鉴定和定量；ICAT技术是建立在色谱分离的基础上，所以任何可以使蛋白质溶解的试剂均可使用。但同位素标记亲和标签技术仅能和含有半胱氨酸残基的蛋白质反应，含有半胱氨酸残基的蛋白质占蛋白质总数的80%，所以剩下20%不含半胱氨酸残基的蛋白质无法使用ICAT技术[11]。

2.精神分裂症的蛋白组学研究

过去在精神分裂症的药物发现方面已经做了很多努力。然而，仍然需要新的生物标记物及其有效的精神分裂症治疗靶点。集成生物学的方法如蛋白质组学、转录组学和代谢组学为个性化治疗提供新的治疗靶点和生物标志物。MALDI-TOF肽质量指纹图谱分析首发精神分裂症患者新的血清标志物治疗前与治疗后利培酮均较治疗前明显升高，同时，用利培酮治疗精神分裂症患者的珠蛋白表达下调[12]。母体蛋白限制性大鼠模型的使用液相色谱质谱法研究中发现额叶皮质激素信号通路和谷氨酸神经传递的变化[13]。最近，用液相色谱质谱法和固定金属离子亲和膜联合方法鉴定了精神分裂症患者和健康对照组的血清中的35种精神分裂症蛋白的表达[14]。定量蛋白质组学研究已经被广泛应用于研究精神分裂症的发病机制中[15]。对大鼠大脑皮层蛋白Stathmin蛋白处理后进行蛋白质组分析，发现三磷酸腺苷合酶、丙酮酸脱氢酶、β-肌动蛋白、α-烯醇化酶同时参与了精神分裂症的病理[16]。液质联用(LCMS)与质子核磁共振共振为基础的代谢组学分析方法证明在使用抗精神病性药物药物的精神分裂症患者中发现新的蛋白质和神经动力学代谢产物的变化[17]。

3.蛋白组学的强项及弱点、对于未来的展望

精神分裂症的生物标志物发现具有挑战性的问题是，很难取得脑组织及脑组织相关的样品。生物标志物发现的关键步骤是蛋白质或者肽的分离和鉴定，以及蛋白质组数据的独立确认和验证。生物标志物发现的其他关键步骤是蛋白质与肽的分离和鉴定，以及蛋白质组数据的独立确认和验证[18]。虽然蛋白质组学技术在过去的一个世纪里取得了很大进展，但是，现在蛋白质差异表达蛋白的验证仍然是生物标志物发现中的瓶颈。基于MS的方法在临床神经科学中非常有用；然而，在标准操作规程中，关于蛋白质组学数据重现性的实验装置和质量控制计划尚未建立[19]。

精神分裂症的研究中最大的挑战是如何减少药物治疗和诊断的生物试验进展之间的差距。精神分裂症的生物标志物的检测方法是基于多重免疫如酶联免疫吸附测定和多功能面板，面临主要的挑战就是如何利用特异性抗体或蛋白质组学方法鉴定新蛋白。同时更具挑战性的是，如果鉴定的蛋白进行翻译后修饰，如磷酸化和糖基化或其他表观遗传修饰等，那么这个蛋白的鉴定会更加困难。虽然精神分裂症目前尚无法根治，但已经有对症治疗和一些新的药物的出现，阻止疾病的发病和进展[20]。

蛋白质在生命活动中起着重要的作用，其作为生命活动载体，研究工作中通过对蛋白质多样的功能结构，或者蛋白质之间的相互作用进，可以在将在分子层面上揭示疾病的本质，可促进精神分裂症病因的了解。蛋白质组学目前的发展如火如荼，蛋白组学的发展速度、程度及范围受人瞩目，在各方面研究中显示了无穷的生命力。目前蛋白组学是最活跃、应用最广泛的领域之一，在医学研究中也成为利用率高的生物技术领域之一。蛋白组学研究生物体中所以蛋白质表达，所以包含了整个巨大的蛋白质网络，该网络反映并受控于基因组编码的信息。在精神分裂症病理机制的研究中，对临床获得的血液、尿液、脑脊液标本及尸检组织标本等通过蛋白组学技术，能够认识大量的蛋白表达谱，能够揭示精神分裂症的病理生理相关蛋白的表达情况，表明精神分裂症患者存在蛋白质表达的异常[21]。因此，在发掘精神分裂症早期诊断的标志物、药物作用靶点也和开发出早期治疗性干预措施中具有重大意义，因此蛋白组学研是在研究精神分裂症发病机制的重要工具。

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