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《自然》子刊专题：蛋白质组学中的质谱
涉及到蛋白质组学分析的研究人员都知道蛋白质组学研究的技术路线有两条，一条是以双向电泳加生物质谱的方法鉴定生物体系中各种蛋白的表达谱以及各蛋白表达程度的相对变化，另一条路线就是多维色谱与生物质谱相结合的称之为鸟枪法的技术路线。其中质谱分析技术（Mass spectrometry，MS）是蛋白质组学常用的研究手段，这是一种通过正确测定蛋白质分子的质量而进行蛋白质分子鉴定、蛋白质分子的修饰和蛋白质分子相互作用的方法，由离子源、高通量分析仪和检测仪组成的体系。
本期的《Nature Methods》专题中，以“mass spectrometry in proteomics”为题总结了近期有关蛋白质组学质谱研究在样品制备，设备更新，生物信息学分析方法等方面的进展。以下内容编译来自编辑Allison Doerr撰写的主题文章。
质谱分析技术技术一经引用到蛋白质组学研究，就快速成为了一种强大有力的工具，目前没有其它技术可以在高通量和分子信息含量方面与之媲美，这对于蛋白质组学研究来说是一个激动人心的时刻。
但是一直以来，质谱是化学家，而不是生物学家的研究工具，在与蛋白质组学研究人员的交谈中，我们了解到这种存在于质谱学家与即将应用这种技术的细胞生物学家之间的“技术鸿沟”还是相当大的，这一有关质谱技术的专题就来源于此，我们希望质谱学家与细胞生物学家能相互理解各自的需要，以便更好的发展和利用这一技术。
一些细胞生物学家曾成功的将质谱技术运用到了他们的研究中，因此对如何利用质谱，以及如何正确使用质谱都有了一定认识，以下的文章“The protein microscope: incorporating mass spectrometry into cell biology”中就有提到，其它的一些评论文章在将质谱技术与临床研究相结合方面提出了一些见解。
蛋白质组学应用正如其研究方法一样纷繁复杂，我们当然不可能提供一个这一领域的完整总结，我们的目的是提及一些目前已经建立完备，最尖端的蛋白质组学质谱分析方法，希望能帮助细胞学家不仅了解这一技术的好处，也知晓这种技术的限制性。
大脑信使可被调控
在9月16日的《自然·神经学》的网络版上，来自美国麻省理工学院皮考尔学习和记忆中心的研究人员发现，大脑主要化学信息携带者（神经递质）的微量自发释放是可以被调整的。这项发现可能首次赋予研究人员控制大脑信息传递的能力。这项研究将可能有助于更好地了解精神分裂症等神经系统疾病。
相对于主要的细胞与细胞互相作用而言，反应溅射电活性一直被认为是不合逻辑的背景噪音。这种细胞间的相互作用是以思想和记忆为基础的。这项新研究的第一作者、麻省理工学院生物学副教授J·特洛伊·米特尔顿及其同事发现，在神经元中经过一次电化学活性释放后的细微事件远比此前预想的要重要得多。作者指出，在这些分子反应中，一个小故障都可能成为导致精神分裂症和其它神经系统疾病的罪魁祸首。
神经元通过突触的化学结点相互传递信息。这一系统的关键在于复合体，即发挥神经递质释放作用的蛋白质。在突触的细胞到细胞信号传递过程中，这些微小的蛋白质在大脑化学信息携带者或神经递质的释放中扮演着重要角色。
为了更好地弄清楚复合体的工作原理，研究人员创造了首个完全不能产生复合体的基因工程突变果蝇。
突触的传递主要有两个面：前突触传递和后突触传递。当一个电神经冲动攻击前突触的表面时，它会启动闪电般迅速的事件释放出神经递质。这将激活后突触细胞。任务完成时，一种记忆的基础就形成了。
在前突触的表面，包含神经递质的小小的隔室或泡囊在起跑处整装待发，复合体则是防止神经递质过早释放的看门人。电活性的大爆炸将释放出大量神经递质，之后，一些泡状体仍将产生部分神经递质。麻省理工学院的研究解释了这些“小泡体”后面隐藏的分子机制。这些“小泡体”可以在大爆发后的数几分钟内出现。由于没有复合体作为“看门人”，“小泡体”未经检查就出现了，从而导致大规模重新布线和突触发育。
研究人员指出，真正令人激动的是复合体的活动可以是被调整的。如果可以调整这种机制，那么研究人员就能够促进突触发育，从而可能在受各种神经疾病影响的大脑区域内对既定目标进行重新布线。
此前，来自美国康奈尔大学的研究人员通过在微观尺度上分享神经递质如何在细胞间传递，发现之前被认为存在于这个过程中的电流实际上并不存在。这项研究的论文发表在7月22日的《自然·细胞生物学》杂志的网络版上。文章的作者是华裔学者龚梁伟（Liang-Wei Gong）和Manfred Lindau。
康奈尔大学应用和工程物理系的Lindau解释说，神经传递素和激素被储存在神经元中的小泡中。这些囊泡的直径通常在30-300纳米之间。当一个细胞被电信号刺激之后，钙离子会进入细胞，并且这些小囊泡会通过溶解包围在细胞周围的质膜来释放出其中的物质。
之前的实验显示，这些囊泡含有能将携带电荷的神经递质从细胞囊泡送到细胞外的离子通道，这种输送过程能够产生一种流出细胞的电流。
但是在这篇新的论文中，研究人员报告说，并没有这种离子流存在。它们的实验还进一步证实，电荷补偿是由于带有正电的钠离子从囊泡外流入囊泡内而产生的，即电扩散（electrodiffusion）作用。研究人员表示，这些囊泡中的离子通道必定具有其他功能。
科学家发现两个与强直性脊柱炎相关基因
一个国际研究小组10月21日在《自然—遗传学》（Nature Genetics）杂志网络版上发表论文指出，在对人体基因组的分析中，他们发现了两个与强直性脊柱炎相关的基因。
领导此项研究的美国弗雷德·哈钦森癌症研究中心发表公报指出，研究小组选取了数千名患有一些常见疾病的患者和数量相当的健康人群，然后对他们进行人体全基因组“扫描”对比分析。结果发现，ARTS1和IL23R两个基因与强直性脊柱炎的发病有关。
之前的研究曾发现基因HLA－B27与强直性脊柱炎有关。因此，目前科学家已知的与强直性脊柱炎发病相关的基因已有3个。研究小组在论文中指出，如果一个人携带了这三种基因的变异版本，他患这种病的可能性就很高。
强直性脊柱炎是一种可以致残的关节炎。发病后患者脊柱疼痛，病情会越来越严重，最后患者脊柱的部分甚至全部椎骨间隙消失，从而使脊柱僵硬。除脊柱外，这种病还会对其他关节以及心脏、肺、眼睛等器官造成损害。
研究小组介绍说，此前研究还发现IL23R基因与炎性肠道疾病和牛皮癣的发病有关。临床研究也发现，炎性肠道疾病患者同时患上强直性脊柱炎和牛皮癣的可能性很高。因此，这一新研究成果提供了有力的遗传学证据，解释这几种疾病易同时发病的原因。
借助新的基因分析结果，研究人员下一步打算研究这些基因致病的具体机理，从而最终改善对这几种疾病的诊断方法以及开发新型药物。
最新技术检测基因差异
来自埃默里大学（Emory University）医学院等处的研究人员发展了一种新技术，从而研究人员能更容易地发现导致疾病严重后果的细微的和被忽视的遗传变异。这种以芯片技术为基础的，称为Microarray-based Genomic Selection (MGS)的方法能帮助科学家们获得并富集特异大片段DNA区域，然后利用DNA测序方法比较个体之间遗传差异。
这一研究报告公布在10月14日的《Nature Methods》再现版上（将于11月印刷出版），文章的第一作者是David Okou博士，通讯作者为埃默里大学医学院人类遗传性副教授Michael Zwick博士。
大部分人类遗传学研究人员的目的都是为了发现疾病易感基因组中的变异，尽管目前已经取得了人类基因组计划的成功，以及建立了一些下一代DNA测序平台，但是仍然缺乏一种简单的，便宜的筛选特异区域的方法，这对于检测个体中细微遗传差异来说是极大的障碍。埃默里大学的研究人员提出了这一新方法MGS将为达到这一目的铺上重要的一块基石。
以芯片技术为基础的基因组筛选方法MGS利用高密度芯片上的DNA寡核苷酸（探针）直接从基因组中捕获并提取目标区域。这些探针是从参照人类基因组中挑选出来，并与靶标互补的。一旦靶标被筛选出来，重新测序芯片核其它测序技术将可以用于识别变异，埃默里大学的研究人员认为MGS技术帮助他们更方便的比较了许多个体中的遗传差异，提出健康与疾病之间的差别。
Zwick博士认为，“人类基因组计划主要集中于对一个人类基因组的测序——这一技术方法需要大型产业构架，许多人力，以及大量的资金支持”，“因此问题由此产生了，我们是否可以在一个仅仅只有一个研究人员，少量成员组成的实验室里，重新测序一部分基因组，甚至整个基因组呢？现在的回答是肯定的”。
遗传学家已经发现了许多对于健康致命的显著遗传变异的许多种类群，但是科学家们很少关注的一些基因组部分中的变异，以及更细微的差异也许也产生了不良的后果，但是利用已有的技术很难检测到。
其它分离和研究一种特异基因组区域的方法，比如PCR和BAC克隆相对而言都要耗费人力物力，对于单个实验室而言较难完成基因组中较大区域的检测，而且也相对而言比较昂贵。
而MGS不同于检测基因表达的典型的芯片技术，是一种能捕获特异基因组序列的芯片方法，在这篇文章中，MGS这种技术可以用于确定父本样品种DNA的序列。
Zwick表示，“重新测序芯片的意义就在于设计芯片在一个reference sequence每一个位点上识别碱基”，“你可以利用人类基因组reference sequence，寻找差异变化，这种新技术可以帮助一个常规规模的实验室获得许多数据，并且所需资金比一个测序中心的少的多”。
多个基因延缓衰老并抗肿瘤
生物通报道：在10月14日的《自然·遗传学》杂志的网络版上，来自美国加州大学旧金山分校的Cynthia Kenyon教授领导的研究组报道说，他们的研究发现线虫（C. elegans）体内含有多个能够同时减缓老化和抑制肿瘤生长的基因。由于之前的大量研究显示，线虫的多种基因与人类的相似，所以这些新发现可能意味着将来研究人员可能研发出可延长寿命并防止癌症发生的药物。
在发展的角度上看，人类将能量投入到繁衍上要比投入到维持或者修复身体上更为重要。但是与衰老有关的遗传因子确实存在。已经知道决定一个人如何衰老的因子的大约25％是从父母那里继承来的，而压力、环境、营养状况、生活方式和免疫力则是另外的影响因子。
衰老研究还促进了人们对癌症原因的了解，因为癌症和衰老具有相同的背景原因。癌症的发生随着年龄的增长，其发生率也相对升高。因此，弄清了衰老的原因就能够知道我们为什么会得癌症。
这项新研究的领导者Cynthia Kenyon教授（女）曾于1993年发现，改变一个单独的daf-2基因能够使线虫的寿命延长一倍。 “长寿基因”daf-2 是一种影响类胰岛素生长因子的基因变种，之前的研究显示它可使实验动物的存活期大幅延长，而另一种致癌的变异基因会使实验动物体内生长肿瘤，并过早死去。 她还曾用基因技术培育出了一种秀丽隐杆线虫，上述两个基因在其体内都起作用。结果这种线虫的寿命比普通线虫的寿命长，且与只拥有该“长寿基因”而缺乏致癌基因的线虫相同。这表明“长寿基因”抵消了致癌基因的作用，使线虫获得对癌症的免疫力。这可能是因为daf-2“长寿基因”能够刺激细胞凋亡。
daf-2基因编码的胰岛素受体和一个能促进生长的类胰岛素蛋白会影响daf-16基因生成转录因子以决定其它几百种基因开启的时间和地点。这项新新研究的目的就在于找出由daf-16调控的特定基因，而这些基因还会影响癌症和寿命。
该研究小组应用多种技术，包括RNA干涉等，从734种基因中鉴别出了29种能够影响肿瘤细胞生长的基因。其中，促进者和抑制者大约各一半。另外，这些基因中大约有一半也能够影响体内并无肿瘤动物的寿命。
Kenyon指出，这一发现让人非常激动。之前很多研究人员都认为，任何能够延缓老化的机制必将刺激肿瘤的生长，但是最新研究却发现了很多能够同时延缓老化和抑制肿瘤生长的基因。她推测，或许将来更深入的研究能够帮助人们保持年轻并远离癌症。
《自然—化学生物学》
土臭素合成的小秘密
土臭素(Geosmin)是一种具有土腥味的挥发性物质，许多微生物在代谢过程中都能产生出这种物质。以前的研究认为，一种参与土臭素生产的蛋白质在工作过程中一半活跃一半无活性，但一篇发表在11月号《自然—化学生物学》期刊上的最新研究指出，这种蛋白质的两个部分都参与了土臭素的生产。
尽管科学家们早在1965年就知道了土臭素的化学结构，但这种物质究竟是如何合成的却一直是一个谜。因为土臭素在水、酒和食物中都会产生出一种令人不舒服的霉味，所以，弄清楚它的生物合成过程将有助于预防食物和饮料的霉味。
通过改变负责生产土臭素的酶的特定氨基酸，并用化学方法确定出这些“变异酶”所生成的产物，David E. Cane和同事发现了土臭素生物合成过程中的一些重要细节。他们认为，这种蛋白质酶的一半催化了中间化学产物的形成，而另一半则将这种中间产物变成土臭素。
《自然—免疫学》
免疫平衡既精致又动态
当免疫细胞在人体充满微生物的肠道中巡逻时，它们既能“容忍”无害的微生物，又能攻击和清除有潜在危险的病原体。在线发表在9月号《自然—免疫学》期刊上的一篇论文深化了我们对这一精致又动态的过程的认识。
以前的研究认为，一种名为T细胞的免疫细胞实施了对无害或共生的肠道微生物的免疫容忍。Bali Pulendran和同事发现，虽然两种名为巨噬细胞和树突状细胞的特定肠道“附属”细胞在肠黏膜上互为邻居，但它们发挥的却是截然相反的免疫功能。巨噬细胞促进调控T细胞的产生，而树突状细胞却诱导潜在的致病性非调控T细胞的生产，这种非调控性T细胞能释放促炎介质。
全面认识这种肠道附属细胞群之间动态合作的分子调控机制，还需要进一步的研究。
《自然—方法学》
扩增技术 一石多鸟
聚合酶链反应又称PCR技术，是20世纪80年代中期发展出来的体外核酸扩增技术，其原理类似于DNA的体内复制，只是在试管中给DNA的体外合成提供一种合适的条件，能在一个试管内将一种目标基因或某一DNA片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍，使肉眼能直接观察和判断。PCR技术被认为是生物医学领域中的一项革命性创举和里程碑。
研究人员在9月在线出版的《自然—方法学》期刊上报告，他们发展出一种策略能够在一次反应中扩增多个目标DNA。
PCR技术的实施需要获得位于目标DNA序列两端的两个引物。因为这些引物序列位对特定的目标区域而言是唯一的，所以，从理论上讲，多种不同目标的引物能够同时用于相同的PCR反应中，这种反应又称多元反应。但在实际运作中，多引物会导致意想不到的底物和引物二聚体的形成，这些由外界因素或作用所产生的矫作物严重影响了扩增的效率。
为将这些矫作物的影响降到最小程度，Anthony Brookes和同事研制了一种固相扩增法，即通过将每种引物固定在一种固体表面而将它们彼此分开。他们的实验表明，这种名为MegaPlex-PCR的技术能随机选择性地扩增75个基因组区域，扩增质量也很好。
《自然—纳米技术》
生物探测的新力量
9月在线出版的《自然—纳米技术》上，研究人员报告了一种新型的扫描探测显微镜，这种显微镜能够探测到表面电荷的变化。新技术提供一种快速又敏感的方法，检测敏感的生物靶标如DNA和蛋白质。
开尔文力显微镜又称表面电位显微镜，它以开尔文爵士的名字命名，开尔文研究了两种不同物质紧密结合时电荷所发生的变化。尽管开尔文力显微镜所建立的方法已被用于微阵列中生物分子的检测，但现在，Angela Belcher和Asher Sinensky将其应用到纳米尺度结合力的探测。考虑到所检测对象比以前更小，新发明增加了这项技术的速度和灵敏度。
他们将带负电的单链DNA装配成图形放在黄金表面上，然后测量它们的表面电位反应。当作为补充的“目标”DNA链被捕捉到表面时，在给定区域内的电荷密度增加了1倍，因此很容易用开尔文力显微镜测出其电荷。利用这种方法，Sinensky和Belcher选择性测出取自炭疽热和疟疾基因的DNA序列。
《自然—医学》
液滴检测禽流感
也许在不久的将来，禽流感的检测将非常容易。在9月在线出版的《自然—医学》期刊上，Juergen Pipper和同事描述了一种廉价、快速又有效的液滴检测方法，这种方法能够在30分钟的时间内从一份鼻咽喉抹检样品中直接检测出禽流感病毒H5N1。新方法还可应用于SARS、艾滋病和乙肝等疾病病毒的检测。
在流感流行的威胁中，快速的围堵政策依赖于对第一例病例的快速诊断和鉴别。但在公共卫生资源受限的国家，能否使用常规检测方法是一个问题。因此，低成本、方便使用的分析方法更有优势。
新系统利用了这样一种液滴，这种液滴含有可自动分离、纯化和浓缩病毒RNA的颗粒。新方法的灵敏度与其他方法相当，但速度要快100倍，价格也更便宜。此外，这种方法还可应用于其他感染性病毒的检测，也可利用血液、尿液或唾液等体液进行检测。
《自然—免疫学》
青春之泉
研究人员鉴别出为新生免疫细胞提供基本生存因子的细胞，新成果于9月在线发表在《自然—免疫学》期刊上。
一种名为T淋巴细胞的血细胞是在胸腺中出生的，它们能反击侵入身体的病毒和其他感染性病菌。在离开胸腺后，这些细胞在身体中巡游以寻找潜在的外来侵略者。然而，这些T细胞的生存却依赖于周期性对淋巴结的造访，它们在这里被名为白细胞介素7的化学信号所“充电”。
多年来，科学家们早已知道白细胞介素7为新生的T细胞提供了生存信号，但他们一直不清楚白细胞介素7究竟是怎样产生的。
Sanjiv Luther和同事在淋巴结和脾脏中鉴别出一种特定的“纤维网状细胞”，发现它们是白细胞介素7的来源。这些细胞所产生的化学信号能引导T细胞走向它们，并提供阻止T细胞死亡的白细胞介素7，从而让T细胞能够在身体中巡回，检查入侵的敌人。
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