蛋白质组学——对生物系统产生的全套蛋白质进行大规模研究——已经发展了几十年。它的发展受到分离技术、质谱和生物信息学进步的塑造。如今，蛋白质组学的应用十分广泛，从发现用于疾病诊断的蛋白质生物标志物到识别药物靶点。本文深入探讨了蛋白质组学的历史，从“蛋白质组”这一术语的提出到生物信息学和单细胞蛋白质分析的最新进展。

蛋白质组学的早期发展

蛋白质组学始于20世纪70年代二维凝胶电泳的发展。该技术能够根据等电点和质量对蛋白质进行大规模分离和分析。早期的一些蛋白质组学研究实例就利用了二维凝胶电泳，例如分离哺乳动物细胞外暴露的质膜蛋白，以及绘制小鼠组织和果蝇的蛋白质图谱。

尽管蛋白质组学研究早在20世纪70年代就已发表，但直到20世纪90年代，“蛋白质组”这一术语才首次被创造出来。当时还是博士生的Marc Wilkins于1994年在意大利锡耶纳的一次二维电泳研讨会上首次提出了这个词。次年，“蛋白质组”一词首次出现在《电泳》期刊的一篇文章中。另一篇由Wilkins合著、发表在《生物技术与遗传工程评论》上的文章进一步将该术语定义为：“……由基因组，或一个细胞或组织类型表达的全部蛋白质。”

近十年后，Neil Kelleher和Lloyd Smith提出了“蛋白质变体”一词，用以描述由单个基因产生的蛋白质产物的所有分子形式。

蛋白质组学技术的演变

蛋白质组学领域在20世纪90年代不断演进，到世纪之交，蛋白质分析已较少依赖二维凝胶电泳，而是转向质谱。质谱电离方法和分析仪的进步激发了人们对基于质谱的蛋白质分析的兴趣。

一项关键技术创新是电喷雾电离。该技术由John B. Fenn在20世纪80年代末开发，他后来因这项工作分享了2002年诺贝尔化学奖的一半。电喷雾电离是一种软电离技术，利用电能将离子从溶液转移到气相，使得能够通过质谱研究蛋白质等大分子。

质谱领域的另一项关键发展是基质辅助激光解吸/电离的引入。这种软电离技术涉及将目标分析物与吸能基质结合，以通过解吸促进电离。Franz Hillenkamp和Michael Karas在20世纪80年代开发了这项技术，将分析物嵌入色氨酸等紫外吸收基质中。后来，Koichi Tanaka分享了2002年诺贝尔化学奖的一半。他使用甘油和细碎金属粉末作为基质，使得生物大分子的质谱分析成为可能。

研究人员于1997年首次将基质辅助激光解吸/电离成像应用于生物组织样本，用于绘制人类粘膜细胞膜上的一种小蛋白图谱。

鸟枪法蛋白质组学技术诞生于分离和质谱技术的进一步进步，这一术语于1998年首次被提出。在鸟枪法蛋白质组学（也称为自下而上蛋白质组学）中，蛋白质首先被消化成复杂的肽段混合物。分级分离后，消化的肽段混合物进行质谱分析，通常采用液相色谱-串联质谱配置。利用现有数据库从产生的肽序列中识别样品中存在的蛋白质。自下而上的蛋白质组学方法至今仍用于蛋白质组谱分析、蛋白质定量、蛋白质修饰和蛋白质-蛋白质相互作用研究。近年来，还开发了采用更大肽段片段的自下而上蛋白质组学方法，用于“中向下”方法。

在2010年代初期，生成自下而上蛋白质组学数据的方法从数据依赖性采集转向数据非依赖性采集。数据依赖性采集方法选择在质谱第一个周期产生的肽段，用于第二个周期的碎裂。在数据非依赖性采集中，串联质谱第一轮观察到的所有前体离子都在第二轮中被碎裂。数据非依赖性采集工作流程受益于质谱仪器和计算算法的改进，进一步提高了数据质量和样品通量。

人类蛋白质组项目的启动

蛋白质组学自作为一个研究领域诞生以来，就与基因组学紧密相连。1990年10月，人类基因组计划启动，由一群希望绘制完整人类基因组图谱的国际研究人员领导。人类基因组计划在2003年4月达到了一个关键里程碑，完成了约92%的人类基因组测序。2022年4月1日《科学》杂志上的一组六篇论文描述了最终、完整的人类基因组序列。

受人类基因组计划的启发，人类蛋白质组组织于2001年2月成立。该组织的使命是动员蛋白质组学研发，吸引年轻科学家进入这一令人兴奋的新领域，并刺激和协调科学倡议。

继人类基因组计划成功后，人类蛋白质组组织于2010年启动了人类蛋白质组项目。该项目的目标是绘制人体基于蛋白质的分子结构图谱，作为阐明生物和分子功能的资源。2025年关于人类蛋白质组项目进展的报告指出，目前约93.6%的人类蛋白质组已被高置信度地正式检测到。由人类蛋白质组组织倡议支持的蛋白质组学数据库，如neXtProt，是研究人员研究人类组织和细胞中蛋白质定位和表达的重要生物信息学工具。

蛋白质组学历史的关键日期：

• 1970年代：二维凝胶电泳发展

• 1994年：“蛋白质组”术语首次提出

• 1995年：“蛋白质组”首次在期刊中出现

• 1997年：首次基质辅助激光解吸/电离成像应用于生物组织

• 1998年：“鸟枪法蛋白质组学”术语首次提出

• 2001年：人类蛋白质组组织成立

• 2002年：电喷雾电离和基质辅助激光解吸/电离获得诺贝尔奖

• 2010年：人类蛋白质组项目启动

• 2018年：单细胞蛋白质组学通过质谱（SCoPE-MS）实现

• 2025年：人类蛋白质组项目报告约93.6%的蛋白质组已被检测

生物信息学进展与蛋白质组学的未来

展望未来，人工智能已成为一种强大的工具，可以帮助克服现代蛋白质组学工作流程中存在的常见挑战。一些已在蛋白质组学中得到应用的AI驱动技术包括：

• 数据非依赖性采集神经网络：利用深度神经网络处理数据非依赖性采集工作流程生成的大量数据，简化肽段鉴定和定量

• AlphaFold：谷歌DeepMind开发的AI程序，旨在根据蛋白质数据银行的训练数据预测蛋白质结构

• 深度蛋白质组标志物：一种深度学习工具，将蛋白质组学数据与药物反应和CRISPR-Cas9基因必要性筛选整合，以识别与癌症脆弱性相关的蛋白质生物标志物

虽然AI对蛋白质组学前景广阔，但由于缺乏注释良好、高质量且标准化的数据集，进展受到限制。统一的标准化工作和数据共享的协作框架仍然需要，并可能推动未来的进步。

高通量蛋白质组学和单细胞分析：由质谱灵敏度、样品制备、数据查询和分析改进推动的高通量蛋白质组学技术的最新发展，也在不断突破可分析蛋白质数量和速度的界限。

单细胞分析是现代蛋白质组学中发展最快的领域之一，极大地受益于高通量方法的引入。2018年，美国东北大学的研究人员揭示了“通过质谱进行的单细胞蛋白质组学”，扩展了基于质谱的单细胞分析的可能性。在SCoPE-MS中，质量标签被添加到来自分离细胞和载体蛋白的肽段上。这些标签在质谱分析时碎裂，释放出能够定量肽段的报告离子，揭示肽段源自哪个细胞。

全球实验室正在使用SCoPE-MS等方法，通过基于质谱的单细胞蛋白质组学实现新的深度和覆盖水平。然而，基于质谱的单细胞蛋白质组学的通量仍然低于单细胞RNA测序方法。

蛋白质组学中另一个日益受关注的领域是非质谱基础的单分子蛋白质测序，能够测量单个肽段拷贝。这些方法有潜力分析痕量水平的蛋白质，补充现有的基于质谱的单细胞蛋白质组学方法。

总结

蛋白质组学的历史讲述了一个创新、整合和扩张的故事。从20世纪70年代的早期蛋白质分离技术到2020年代的高通量、多分支学科，蛋白质组学在过去十年中迅速扩张。根据PubMed数据库，发表的蛋白质组学文章数量从2000年的463篇增加到2022年的15,433篇。蛋白质组学的演变一直并将继续由质谱技术的创新、与生物信息学的整合以及向专业子领域的扩张所驱动。

常见问题

蛋白质组学的历史是什么？
蛋白质组学的历史可以追溯到20世纪70年代早期的蛋白质分析工作流程，这些工作流程利用二维凝胶电泳根据等电点和质量分离和分析蛋白质。

谁引入了“蛋白质组”这个术语？
“蛋白质组”一词由Marc Wilkins于1994年在意大利锡耶纳的一次二维电泳研讨会上首次提出，用以描述生物体表达的全套蛋白质。该术语于次年首次出现在期刊文章中。

质谱的历史是什么？
质谱的起源可以追溯到J.J. Thompson的工作，他通常被称为“质谱之父”。他开发了第一台质谱仪，当时被称为“抛物线摄谱仪”，于1912年建造，用于分析电离气体和分离同位素。

人类蛋白质组项目是什么时候启动的？
人类蛋白质组项目于2010年启动，紧随人类基因组计划的成功之后。其目标是生成人体基于蛋白质的分子结构的完整图谱。