プロテオミクス

プロテオミクスは、タンパク質の大規模な研究です。^{[1] [2]}タンパク質は、すべての生物にとって重要な高分子であり、筋肉組織の構造繊維の形成、食物の酵素消化、 DNAの合成と複製など、多くの機能を持っています。さらに、他の種類のタンパク質には、生物を感染から保護する抗体や、体全体に重要な信号を送る ホルモンが含まれます。

プロテオームとは、生物またはシステムによって生成または変更されるタンパク質の集合全体を指します。プロテオミクスにより、ますます多くのタンパク質を識別できます。これは、時間や細胞または生物が受けるさまざまな要件、またはストレスによって変化します。^[3]

プロテオミクスは、ヒトゲノム計画を含む様々なゲノムプロジェクトの遺伝情報から大きな恩恵を受けている学際的な分野です。^{[4]プロテオームをタンパク質の組成、構造、活性の全体的なレベルから探索し、}機能ゲノミクスの重要な要素となっています。

プロテオミクスは、一般的にタンパク質やプロテオームの大規模な実験的分析を指しますが、特にタンパク質の精製と質量分析を指すことも多いです。実際、質量分析は、数百万個の細胞からなる大規模なサンプル^[5]と単一細胞[6]の両方でプロテオームを分析するための最も強力な方法です。^[ 7 ^]

プロテオミクスとみなせるタンパク質の最初の研究は、2次元ゲルの導入と大腸菌のタンパク質のマッピングの後の1974年に始まりました。 [ ^8]

プロテオームは「タンパク質」と「ゲノム」を組み合わせた造語です。1994年にマッコーリー大学の当時博士課程の学生だったマーク・ウィルキンスによって造られました。^[9]同大学は1995年に最初のプロテオミクス研究室を設立しました。^{[10] [11]}

ゲノミクスとトランスクリプトミクスに続いて、プロテオミクスは生物システムの研究における次のステップです。生物のゲノムは多かれ少なかれ一定ですが、プロテオームは細胞ごとに、また時間ごとに異なるため、プロテオミクスはゲノミクスよりも複雑です。異なる細胞タイプでは異なる遺伝子が発現するため、細胞内で生成されるタンパク質の基本セットさえも特定する必要があります。^{[引用が必要]}

過去には、この現象はRNA分析によって評価されていましたが、タンパク質含有量との相関関係がないことが判明しました。^{[12] [13]現在では、} mRNAが必ずしもタンパク質に翻訳されるわけではないことがわかっており、 ^[14]特定の量のmRNAに対して生成されるタンパク質の量は、転写元の遺伝子と細胞の生理学的状態に依存します。プロテオミクスは、タンパク質の存在を確認し、その量を直接測定します。^[要出典]

mRNA からの翻訳が違いを生むだけでなく、多くのタンパク質は翻訳後にさまざまな化学修飾を受けます。最も一般的で広く研究されている翻訳後修飾には、リン酸化と糖化があります。これらの翻訳後修飾の多くは、タンパク質の機能にとって重要です。^{[引用が必要]}

そのような修飾の 1 つがリン酸化であり、これは細胞シグナル伝達の過程で多くの酵素や構造タンパク質に起こります。特定のアミノ酸にリン酸が付加されると (最も一般的なのはセリンとスレオニン^[15]で、セリン-スレオニンキナーゼによって媒介され、まれにチロシンキナーゼによって媒介されるチロシンです)、タンパク質はリン酸化ドメインを認識する他のタンパク質の異なるセットと結合または相互作用する標的になります。^{[出典が必要]}

タンパク質のリン酸化は最も研究されているタンパク質修飾の 1 つであるため、多くの「プロテオーム」研究は、特定の状況下で特定の細胞または組織タイプ内のリン酸化タンパク質のセットを特定することに向けられています。これにより、科学者は、その場合にアクティブになる可能性のあるシグナル伝達経路を認識できます。

ユビキチンは、 E3 ユビキチン リガーゼと呼ばれる酵素によって特定のタンパク質基質に付着する小さなタンパク質です。どのタンパク質がポリユビキチン化されるかを判断することは、タンパク質経路がどのように制御されるかを理解するのに役立ちます。したがって、これはさらに正当な「プロテオーム」研究です。同様に、研究者が各リガーゼによってどの基質がユビキチン化されるかを判断すると、特定の細胞タイプで発現するリガーゼのセットを判断することが役立ちます。^{[引用が必要]}

リン酸化とユビキチン化に加えて、タンパク質は、メチル化、アセチル化、グリコシル化、酸化、ニトロシル化などを受ける可能性があります。一部のタンパク質は、多くの場合、時間依存の組み合わせでこれらすべての修飾を受けます。これは、タンパク質の構造と機能の研究が潜在的に複雑であることを示しています。

細胞は、発達、細胞分化、細胞周期、発癌など、異なる時期や異なる条件下で、異なるタンパク質セットを生成することがあります。前述のように、プロテオームの複雑さがさらに増すため、ほとんどのタンパク質は、広範囲にわたる翻訳後修飾を受けることができます。

そのため、「プロテオミクス」研究は、研究テーマが限定されている場合でも、すぐに複雑になる可能性があります。特定の癌サブタイプのバイオマーカーを探している場合など、より野心的な設定では、プロテオミクス科学者は、交絡因子を最小限に抑え、実験ノイズを考慮するために、複数の癌患者から複数の血清サンプルを研究することを選択する場合があります。^[16]そのため、プロテオームの動的な複雑さを考慮するために、複雑な実験設計が必要になる場合があります。

プロテオミクスは、さまざまな理由からゲノミクスとは異なるレベルの理解をもたらします。

• 遺伝子の転写レベルは、タンパク質への翻訳レベルの大まかな推定値しか与えません。^[17]大量に生成されたmRNAは急速に分解されたり、非効率的に翻訳されたりして、少量のタンパク質しか生成されない可能性があります。
• 前述のように、多くのタンパク質は翻訳後修飾を受け、それがその活性に大きな影響を与えます。たとえば、一部のタンパク質はリン酸化されるまで活性になりません。リン酸化プロテオミクスや糖プロテオミクスなどの手法は、翻訳後修飾の研究に使用されます。
• 多くの転写産物は、選択的スプライシングまたは選択的翻訳後修飾を通じて、複数のタンパク質を生成します。
• 多くのタンパク質は他のタンパク質や RNA 分子と複合体を形成し、これらの他の分子が存在する場合にのみ機能します。
• タンパク質の分解速度はタンパク質含有量に重要な役割を果たしている。^[18]

再現性。プロテオミクス実験の再現性に影響を与える主な要因の 1 つは、質量分析計で測定できる量よりも多くのペプチドが同時に溶出することです。これにより、トリプシンペプチドがデータに依存して取得されるため、実験間で確率的な差異が生じます。初期の大規模なショットガンプロテオミクス分析では、実験室間でかなりのばらつきが見られましたが^{[19] [20]}、これは実験室間の技術的および実験的な差異が一因であると考えられますが、最近の質量分析では、特にタンパク質レベルでの再現性が向上しています。^[21]特に、ターゲットプロテオミクスでは、ショットガン法と比較して、データ密度と有効性が犠牲になりますが、再現性と反復性が向上しています。^[22]

データ品質。プロテオーム解析は自動化に非常に適しており、ソフトウェアアルゴリズムによって処理される大規模なデータセットが作成されます。フィルターパラメータは誤ったヒットの数を減らすために使用されますが、完全に排除することはできません。科学者は、プロテオミクス実験は分析化学の基準（十分なデータ品質、健全性チェック、検証）に準拠する必要があることを認識する必要があると表明しています。^{[23] [24] [25] [26]}

プロテオミクスでは、タンパク質を研究する方法が複数あります。一般的に、タンパク質は抗体（免疫測定法）、電気泳動分離、または質量分析法のいずれかを使用して検出されます。複雑な生物学的サンプルを分析する場合は、サンプル内の分析対象が多すぎて正確な検出と定量化が実行できないため、定量ドットブロット分析（QDB）で非常に特異的な抗体を使用するか、検出ステップの前に生化学的分離を使用する必要があります。

特定のタンパク質に対する抗体、またはその改変体は、生化学および細胞生物学の研究で使用されています。これらは、今日の分子生物学者が使用する最も一般的なツールの 1 つです。タンパク質検出に抗体を使用する特定の技術とプロトコルがいくつかあります。酵素結合免疫吸着測定法(ELISA) は、サンプル中のタンパク質を検出し、定量的に測定するために数十年にわたって使用されてきました。ウェスタン ブロットは、個々のタンパク質の検出と定量に使用できます。この方法では、最初のステップで複雑なタンパク質混合物をSDS-PAGE を使用して分離し、次に抗体を使用して対象のタンパク質を特定します。^{[引用が必要]}

修飾されたタンパク質は、その修飾に特異的な抗体を開発することで研究できます。たとえば、一部の抗体は、チロシンリン酸化されている特定のタンパク質のみを認識します。これらはリン酸化特異的抗体として知られています。また、他の修飾に特異的な抗体もあります。これらは、関心のある修飾を受けたタンパク質のセットを決定するために使用できます。^{[引用が必要]}

免疫測定法は、組み換えにより生成された免疫グロブリン誘導体や、高い抗原特異性を持つように選択された合成設計されたタンパク質骨格を使用して行うこともできる。このような結合剤には、単一ドメイン抗体フラグメント（ナノボディ）^[27] 、設計されたアンキリンリピートタンパク質（DARPins）^{[28] 、アプタマー[29]}などがある。

分子レベルでの疾患検出は、早期診断と治療の新たな革命を推進しています。この分野が直面している課題は、早期診断のためのタンパク質バイオマーカーが非常に微量で存在する可能性があることです。従来の免疫測定技術による検出下限は、フェムトモル範囲（10 ⁻¹³ M）の上限です。デジタル免疫測定技術により、検出感度は3桁向上し、アトモル範囲（10 ⁻¹⁶ M）に達しました。この機能は、診断と治療の新たな進歩を切り開く可能性を秘めていますが、このような技術は、効率的な日常的な使用にはあまり適していない手動手順に限定されています。^[30]

抗体によるタンパク質検出は分子生物学ではまだ非常に一般的ですが、抗体に依存しない他の方法も開発されています。これらの方法にはさまざまな利点があります。たとえば、タンパク質やペプチドの配列を決定できる場合が多く、抗体ベースよりもスループットが高く、抗体が存在しないタンパク質を識別して定量化できる場合もあります。

タンパク質分析の最も初期の方法の 1 つはエドマン分解(1967 年に導入)であり、単一のペプチドを複数の化学分解ステップにかけてその配列を解析します。これらの初期の方法は、より高いスループットを提供する技術にほとんど取って代わられました。^{[引用が必要]}

最近実装された方法では、質量分析ベースの技術が使用されています。これは、マトリックス支援レーザー脱離イオン化 (MALDI)やエレクトロスプレーイオン化 (ESI)など、1980 年代に開発された「ソフトイオン化」法の発見によって可能になった開発です。これらの方法により、分析前に追加の分離が行われることが多いトップダウンおよびボトムアップのプロテオミクスワークフローが生まれました(以下を参照)。

複雑な生物学的サンプルを分析するには、サンプルの複雑さを軽減する必要があります。これは、1 次元または2 次元の分離によってオフラインで実行できます。最近では、個々のペプチド (ボトムアップ プロテオミクス アプローチ) を逆相クロマトグラフィーを使用して分離し、その後ESI を使用して直接イオン化するオンライン メソッドが開発されています。分離と分析を直接組み合わせることが、「オンライン」分析という用語の由来です。

いくつかのハイブリッド技術では、抗体ベースの個々の分析対象物の精製を使用し、その後質量分析を行って同定と定量を行う。これらの方法の例としては 、1995年にランドール・ネルソンが開発したMSIA（質量分析免疫測定法）^[31]や、2004年にリー・アンダーソンが導入したSISCAPA（抗ペプチド抗体による安定同位体標準捕捉法）^{[32]がある。}

蛍光二次元差動ゲル電気泳動（2-D DIGE）^[33]は、2-D DIGEプロセスにおける変動を定量化し、サンプル間の定量的変化を割り当てるための統計的に有効な閾値を確立するために使用できます。^[33]

比較プロテオーム解析により、生殖を含む複雑な生物システムにおけるタンパク質の役割が明らかになる可能性がある。例えば、殺虫剤トリアゾホスを投与すると、トビイロウンカ（Nilaparvata lugens (Stål)）の雄の付属腺タンパク質（Acps）の含有量が増加し、これが交尾によって雌に移行し、雌の繁殖力（すなわち出生率）が増加する可能性がある。^[34]交尾した雌のウンカが雄のウンカから受け取る付属腺タンパク質（Acps）と生殖タンパク質の種類の変化を特定するために、研究者らは交尾したN. lugens雌の比較プロテオーム解析を実施した。^{[35]結果は、これらのタンパク質が}N. lugens成虫の雌と雄の生殖プロセスに関与していることを示した。 ^[35]

アラビドプシスペルオキシソームのプロテオーム解析^[36]は、大規模な新しいペルオキシソームタンパク質を同定するための主要な偏りのないアプローチとして確立されています。^[36]

ヒトプロテオームの特徴を明らかにするには多くのアプローチがあり、20,000から25,000の非冗長タンパク質が含まれていると推定されています。RNAスプライシングとタンパク質分解イベントにより、ユニークなタンパク質種の数は50,000から500,000に増加する可能性があり、翻訳後修飾も考慮すると、ユニークなヒトタンパク質の総数は数百万の範囲になると推定されます。^{[37] [38]}

さらに、動物腫瘍のプロテオームを解読する最初の有望な試みが最近報告されました。^{[39]この方法は、} Macrobrachium rosenbergiiのタンパ​​ク質プロファイリング における機能的方法として使用されました。 ^[40]

プロテオミクスは、過去 10 年間でさまざまなアプローチの進化により着実に勢いを増してきました。新しいものはほとんどなく、従来の方法に基づいたものもあります。質量分析法、アフィニティー プロテオミクス、マイクロ アレイは、大規模なタンパク質研究に最もよく使用される技術です。

現在、タンパク質プロファイリングには質量分析法に基づく 2 つの方法が使用されています。より確立され、広く普及している方法は、高解像度の 2 次元電気泳動を使用して、異なるサンプルからタンパク質を並行して分離し、その後、質量分析法で識別する発現の異なるタンパク質を選択して染色します。2-DE は進歩し、成熟していますが、限界もあります。最大の懸念は、サンプル内のすべてのタンパク質を分離できないことです。タンパク質の発現レベルは大きく異なり、特性も異なります。細孔サイズとタンパク質の電荷、サイズ、形状の組み合わせによって移動速度が大きく決まり、他の複雑な問題につながります。^[41]

2 番目の定量的アプローチでは、安定同位体タグを使用して、2 つの異なる複合混合物からタンパク質を差別的に標識します。 ^{[42] [43]}ここでは、複合混合物内のタンパク質を最初に同位体で標識し、次に消化して標識ペプチドを生成します。次に、標識された混合物を結合し、ペプチドを多次元液体クロマトグラフィーで分離し、タンデム質量分析法で分析します。同位体コード化アフィニティ タグ (ICAT) 試薬は、広く使用されている同位体タグです。この方法では、タンパク質のシステイン残基が ICAT 試薬に共有結合するため、システイン以外の残基が省略され、混合物の複雑さが軽減されます。

安定同位体タグを使用した定量的プロテオミクスは、現代の開発においてますます有用なツールとなっています。まず、特定のタンパク質機能を調べる目的で、特定の部位またはタンパク質にタグを導入するために化学反応が使用されています。リン酸化ペプチドの分離は、同位体標識と選択的化学反応を使用して、複雑な混合物からタンパク質の画分を捕捉することで達成されています。次に、ICAT技術は、大きなRNAポリメラーゼII開始前複合体などの部分的に精製または精製された高分子複合体と、酵母転写因子と複合体を形成したタンパク質を区別するために使用されました。最後に、ICAT標識は最近、クロマチン分離と組み合わせて、クロマチン関連タンパク質を識別および定量化しました。最後に、ICAT試薬は、細胞小器官および特定の細胞画分のプロテオミクスプロファイリングに役立ちます。^[41]

もう 1 つの定量的アプローチは、パシフィック ノースウェスト国立研究所のRichard D. Smith 氏と同僚が開発した、正確な質量と時間 (AMT) タグ アプローチです。このアプローチでは、タンデム質量分析の必要性を回避し、正確に決定された分離時間情報とペプチドおよびタンパク質の識別のための非常に正確な質量測定を利用することで、スループットと感度が向上します。

アフィニティープロテオミクスでは、抗体やその他のアフィニティー試薬（オリゴヌクレオチドベースのアプタマーなど）をタンパク質特異的検出プローブとして使用します。^[44]現在、この方法では、典型的には血漿、血清、脳脊髄液（CSF）などの生体液から数千のタンパク質を調べることができます。この技術の主な差別化要因は、数百または数千のサンプルを妥当な時間枠（数日または数週間）で分析できることです。質量分析ベースの方法では、プロテオミクス分析でこのレベルのサンプルスループットまで拡張できません。

プロテオミクスと医学における質量分析計の使用のバランスをとるのが、タンパク質マイクロアレイの使用です。タンパク質マイクロアレイの目的は、生物学的サンプルを調べるために何千ものタンパク質検出機能を印刷することです。抗体アレイは、さまざまな抗体をアレイ化して、人間の血液サンプルからそれぞれの抗原を検出する例です。もう 1 つのアプローチは、タンパク質-DNA、タンパク質-タンパク質、タンパク質-リガンドの相互作用などの特性を研究するために、複数のタンパク質タイプをアレイ化することです。理想的には、機能的なプロテオミクスアレイには、特定の生物のタンパク質の完全な補完が含まれます。このようなアレイの最初のバージョンは、酵母から精製された 5000 個のタンパク質をガラスの顕微鏡スライドに堆積したもので構成されていました。最初のチップは成功しましたが、タンパク質アレイの実装には大きな課題がありました。タンパク質は、本質的に DNA よりも扱いがはるかに困難です。タンパク質はダイナミック レンジが広く、DNA よりも安定性が低く、ガラス スライド上で構造を維持するのが困難ですが、ほとんどのアッセイには不可欠です。世界的なICAT技術は、タンパク質チップ技術に比べて顕著な利点を持っています。^[41]

これは、がんなどの複雑な病気の診断、研究、治療のための有望な新しいマイクロアレイ アプリケーションです。このテクノロジは、レーザー キャプチャ マイクロダイセクション (LCM)とマイクロアレイ テクノロジを統合して、逆相タンパク質マイクロアレイを生成します。このタイプのマイクロアレイでは、タンパク質のコレクション全体が固定化され、個々の患者の病気のさまざまな段階を捕捉することを目的としています。LCM と併用すると、逆相アレイは、人間の組織の小さな領域内のさまざまな細胞集団間のプロテオームの変動状態を監視できます。これは、正常細胞とがん細胞の両方を含む組織の断面内の細胞シグナル伝達分子の状態をプロファイリングするのに役立ちます。このアプローチは、正常な前立腺上皮と浸潤性前立腺がん組織の主要な要因の状態を監視するのに役立ちます。次に、LCM でこれらの組織を解剖し、タンパク質溶解物をニトロセルロース スライド上に配置して、特定の抗体でプローブします。この方法はあらゆる種類の分子イベントを追跡でき、同じ患者の病変組織と健常組織を比較して治療戦略や診断の開発を可能にします。逆相マイクロアレイをLCMと組み合わせて使用​​することで、隣接する細胞集団のプロテオミクススナップショットを取得する機能は、腫瘍の研究以外にも多くの用途があります。このアプローチは、すべての組織の正常な生理学と病理学に関する洞察を提供することができ、発達過程と異常を特徴付けるのに非常に貴重です。^[41]

バイオオルソゴナル化学の最近の進歩により、タンパク質分析への応用が明らかになりました。有機分子を使用してタンパク質との反応を観察する手法の拡張により、タンパク質にタグを付ける広範な方法が明らかになりました。非天然アミノ酸とさまざまな官能基は、プロテオミクスにおける新しい成長技術を表しています。

細胞や組織で代謝できる特定の生体分子がタンパク質やグリカンに挿入されます。分子には親和性タグが付いており、タンパク質を修飾して検出できるようにします。アジドホモアラニン (AHA) は、Met-t-RNA 合成酵素と組み合わさってこの親和性タグを利用し、タンパク質に組み込みます。これにより、AHA は摂動に応じて新たに合成されたタンパク質の正体を判定し、細胞から分泌されたタンパク質を識別するのに役立ちます。^[45]

ケトンとアルデヒドの縮合物を用いた最近の研究^{[46]では、これらがin vitroまたは}細胞表面標識に最適であることが示されています。しかし、ケトンとアルデヒドをバイオオルソゴナルレポーターとして使用すると、標識には効果的であるものの、濃度を高くする必要があることを示す遅い速度論が明らかになりました。

特定のタンパク質は、アジド基との反応性を介して検出することができます。非タンパク質性アミノ酸は、シュタウディンガー連結反応でホスフィンと反応するアジド基を持つことができます。この反応は、すでに生きた細胞や動物内の他の生体分子を標識するために使用されています。^[47]

バイオオルソガナル分野は拡大しており、プロテオミクスにおけるさらなる応用を推進しています。制限と利点に注目する価値があります。迅速な反応はバイオ結合を生み出し、少量の反応物で高濃度を作り出すことができます。対照的に、アルデヒドやケトンの縮合などの遅い速度論的反応は効果的ですが、高濃度を必要とするため、コスト効率が悪くなります。

ヒトの遺伝子とタンパク質の研究から生まれた大きな進歩の 1 つは、病気の治療に使える可能性のある新薬の発見です。これはゲノムとプロテオームの情報を利用して病気に関連するタンパク質を特定し、コンピューター ソフトウェアでそのタンパク質を新薬のターゲットとして利用します。たとえば、あるタンパク質が病気に関係している場合、その 3D 構造から、タンパク質の作用を妨げる薬を設計するための情報が得られます。酵素の活性部位に適合するが酵素によって放出されない分子は、酵素を不活性化します。これが、病気に関係するタンパク質を不活性化する新薬を見つけることを目的とした、新しい創薬ツールの基礎です。個人間の遺伝的差異が発見されるにつれて、研究者はこれらの技術を使用して、個人にとってより効果的なパーソナライズされた薬を開発できると期待しています。^[48]

プロテオミクスは、植物と昆虫の複雑な相互作用を明らかにするためにも使用され、植物の草食動物に対する防御反応に関与する候補遺伝子を特定するのに役立つ。^{[49] [50] [51]}

プロテオミクスの分野であるケモプロテオミクスは、薬物のタンパク質標的を検出するための数多くのツールと技術を提供します。^[52]

相互作用プロテオミクスは、バイナリ相互作用の規模からプロテオームまたはネットワーク全体にわたるタンパク質相互作用の分析です。ほとんどのタンパク質はタンパク質間相互作用を介して機能し、相互作用プロテオミクスの目標の 1 つは、バイナリタンパク質相互作用、タンパク質複合体、およびインタラクトームを特定することです。

タンパク質間相互作用を調べる方法はいくつかあります。最も伝統的な方法は酵母ツーハイブリッド分析ですが、強力な新しい方法として、親和性精製の後にタグ付きタンパク質ベイトを使用したタンパク質質量分析法があります。その他の方法としては、表面プラズモン共鳴（SPR）^{[53] [54]}タンパク質マイクロアレイ、二重偏光干渉法、マイクロスケール熱泳動、速度論的排除アッセイ、ファージディスプレイやin silico計算法などの実験方法があります。

タンパク質間相互作用に関する知識は、細胞シグナル伝達カスケードや遺伝子制御ネットワーク（GRN、タンパク質-DNA相互作用に関する知識も有益）などの生物学的ネットワークやシステム生物学において特に有用である。タンパク質相互作用のプロテオーム全体の解析と、これらの相互作用パターンをより大きな生物学的ネットワークに統合することは、システムレベルの生物学を理解する上で極めて重要である。^{[55] [56]}

発現プロテオミクスには、より大規模なタンパク質発現の分析が含まれます。これは、特定のサンプルの主なタンパク質と、関連するサンプル（病気の組織と健康な組織など）で異なる発現を示すタンパク質を特定するのに役立ちます。タンパク質が病気のサンプルでのみ見つかった場合、それは有用な薬物ターゲットまたは診断マーカーになる可能性があります。同じまたは類似の発現プロファイルを持つタンパク質は、機能的に関連している可能性もあります。発現プロテオミクスで使用される技術には、2D-PAGEや質量分析などがあります。^[57]

国立衛生研究所はバイオマーカーを「正常な生物学的プロセス、病原性プロセス、または治療介入に対する薬理学的反応の指標として客観的に測定および評価される特性」と定義しています。^{[58] [59]}

プロテオーム、各タンパク質の構造と機能、タンパク質間相互作用の複雑さを理解することは、将来最も効果的な診断技術と疾患治療法を開発する上で非常に重要です。例えば、プロテオミクスは候補バイオマーカー（診断に価値のある体液中のタンパク質）の特定、免疫反応の標的となる細菌抗原の特定、感染症や腫瘍性疾患の可能性のある免疫組織化学マーカーの特定に非常に役立ちます。^[60]

プロテオミクスの興味深い用途は、特定のタンパク質バイオマーカーを使用して病気を診断することです。特定の病気の間に生成されるタンパク質を検査できる技術がいくつかあり、病気を迅速に診断するのに役立ちます。技術には、ウエスタンブロット、免疫組織化学染色、酵素結合免疫吸着測定法（ELISA）、質量分析法などがあります。^{[39] [61]} プロテオミクスのサブフィールドであるセクレトミクスは、プロテオミクスアプローチを使用して分泌タンパク質と分泌経路を研究し、最近、病気のバイオマーカーを発見するための重要なツールとして浮上しています。^[62]

プロテオゲノミクスでは、質量分析などのプロテオーム技術が遺伝子注釈の改善に使用されています。ゲノムとプロテオームの並行解析により、翻訳後修飾やタンパク質分解イベントの発見が容易になり、^[63]特に複数の種を比較する場合（比較プロテオゲノミクス）に役立ちます。^[64]

構造プロテオミクスには、大規模なタンパク質構造の分析が含まれます。タンパク質構造を比較し、新しく発見された遺伝子の機能を特定するのに役立ちます。構造分析は、薬物がタンパク質に結合する場所を理解するのにも役立ち、タンパク質が互いに相互作用する場所も示します。この理解は、X線結晶構造解析やNMR分光法などのさまざまな技術を使用して達成されます。^[57]

プロテオミクス データの多くは、質量分析やマイクロアレイなどの高スループット技術を利用して収集されます。手作業でデータを分析し比較を行うには、数週間から数か月かかることがよくあります。このため、生物学者や化学者はコンピューター科学者や数学者と協力して、タンパク質データを計算的に分析するためのプログラムやパイプラインを作成しています。バイオインフォマティクス技術を使用すると、研究者はより高速な分析とデータ保存が可能になります。現在のプログラムとデータベースのリストを見つけるには、 ExPASyバイオインフォマティクス リソース ポータルが最適です。バイオインフォマティクス ベースのプロテオミクスの用途には、医療、病気の診断、バイオマーカーの識別などがあります。

質量分析とマイクロアレイはペプチド断片化情報を生成しますが、元のサンプルに存在する特定のタンパク質の識別は行いません。特定のタンパク質の識別がないため、過去の研究者はペプチド断片自体を解読せざるを得ませんでした。しかし、現在ではタンパク質の識別に利用できるプログラムがあります。これらのプログラムは、質量分析とマイクロアレイから出力されたペプチド配列を受け取り、一致するタンパク質または類似のタンパク質に関する情報を返します。これは、UniProt ^[65]やPROSITE ^[66]などの既知のデータベースからのタンパク質とのアラインメントを実行するプログラムによって実装されたアルゴリズムを通じて行われ、サンプルに含まれるタンパク質をある程度の確実性で予測します。

生体分子構造はタンパク質の 3D 構成を形成します。タンパク質の構造を理解することは、タンパク質の相互作用と機能の特定に役立ちます。かつては、タンパク質の 3D 構造は、X 線結晶構造解析とNMR 分光法でしか決定できませんでした。2017 年現在、クライオ電子顕微鏡法は、結晶化 (X 線結晶構造解析) とコンフォメーションの曖昧さ (NMR) の難しさを解決する主要な技術です。解像度は 2015 年時点で 2.2 Å でした。現在、バイオインフォマティクスを通じて、場合によってはタンパク質の構造を予測およびモデル化できるコンピューター プログラムがあります。これらのプログラムは、アミノ酸の化学的特性と既知のタンパク質の構造特性を使用して、サンプル タンパク質の 3D モデルを予測します。これにより、科学者はタンパク質の相互作用をより大規模にモデル化することもできます。さらに、生物医学エンジニアは、比較と予測を行うためにタンパク質構造の柔軟性を考慮に入れる方法を開発しています。^[67]

タンパク質分析に利用できるプログラムのほとんどは、翻訳後修飾を受けたタンパク質用に書かれていません。^[68]一部のプログラムは、タンパク質の識別を助けるために翻訳後修飾を受け入れますが、その後のタンパク質分析ではその修飾を無視します。これらの修飾はタンパク質の構造に影響を及ぼす可能性があるため、考慮に入れることが重要です。次に、翻訳後修飾の計算分析は科学界の注目を集めています。現在の翻訳後修飾プログラムは予測のみです。^[69]化学者、生物学者、コンピューター科学者は協力して、タンパク質の構造と機能への影響が実験的に特定された翻訳後修飾の分析を可能にする新しいパイプラインを作成し、導入しています。

バイオインフォマティクスと計算手法の使用の一例は、タンパク質バイオマーカーの研究です。計算予測モデル^[70]は、妊娠中に広範かつ多様な胎児母体タンパク質輸送が発生し、母体全血で非侵襲的に容易に検出できることを示しました。この計算アプローチは、母体タンパク質の豊富さが胎児タンパク質の検出を妨げるという、母体血液の胎児プロテオーム解析に対する大きな制限を回避しました。計算モデルは、以前に母体全血で特定された胎児遺伝子転写産物を使用して、新生児という用語の包括的なプロテオームネットワークを作成できます。このような研究は、妊婦の血液で検出された胎児タンパク質が、発達中の胎児の多様な組織や器官に由来することを示しています。プロテオームネットワークには、発達の代理となる多くのバイオマーカーが含まれており、正常および異常な胎児発達を監視する方法としてこの技術の潜在的な臨床応用を示しています。

バイオマーカー発見のための情報理論的枠組みも導入され、生体液と組織の情報を統合している。^[71]この新しいアプローチは、特定の生体液と組織間の機能的相乗効果を活用し、組織と生体液を個別に検討した場合には不可能であった臨床的に重要な発見の可能性を秘めている。組織-生体液を情報チャネルとして概念化することにより、重要な生体液プロキシを特定し、臨床診断のガイド付き開発に使用することができる。候補バイオマーカーは、組織-生体液チャネル間の情報伝達基準に基づいて予測される。重要な生体液-組織関係は、バイオマーカーの臨床検証の優先順位付けに使用することができる。^[71]

新たな概念が数多く登場し、プロテオミクスの現在の特徴を改善する可能性があります。タンパク質の絶対定量化と翻訳後修飾のモニタリングは、健康な細胞と病気の細胞におけるタンパク質機能の理解に影響を与える 2 つのタスクです。さらに、プロテオームアッセイのスループットと感度は、それぞれ 1 日あたりに分析されるサンプル数とプロテオームカバレッジの深さとして測定されることが多く、最先端の機器と方法論の開発を推進してきました。 ^[72]多くの細胞イベントでは、タンパク質濃度は変化しません。むしろ、その機能は翻訳後修飾 (PTM) によって調整されます。PTM をモニタリングする方法は、プロテオミクスではまだ開発が進んでいない分野です。分析のために特定のタンパク質サブセットを選択すると、タンパク質の複雑さが大幅に軽減されるため、血液が出発材料である診断目的に有利になります。プロテオミクスのもう 1 つの重要な側面は、プロテオミクスの方法は環境のコンテキストでタンパク質を研究することに焦点を当てるべきであるということです。タンパク質-タンパク質、タンパク質-DNAなどの相互作用を固定するために生細胞に導入される化学架橋剤の使用が増えており、この問題は部分的に改善される可能性があります。課題は、関連する相互作用を保存する適切な方法を特定することです。タンパク質研究のもう1つの目標は、生きた細胞内のタンパク質やその他の分子をリアルタイムで画像化するより洗練された方法を開発することです。^[41]

定量的プロテオミクスの進歩により、細胞システムのより詳細な分析が可能になることは明らかです。^{[55] [56]}もう一つの研究フロンティアは、単一細胞の分析です。^{[73] [74]}および単一細胞間のタンパク質共変動^[75]は、タンパク質複合体の形成、免疫機能、^[76]だけでなく、細胞周期や薬剤耐性のための癌細胞のプライミングなどの生物学的プロセスを反映しています。 ^[77]生物システムは、さまざまな摂動（細胞周期、細胞分化、発癌、環境（生物物理学的）など）の影響を受けます。これらの摂動に対する転写および翻訳応答は、刺激への応答に関与するプロテオームの機能的変化をもたらします。したがって、タンパク質存在量のプロテオーム全体の変化を記述および定量化することは、システム全体のレベルで生物学的現象をより全体的に理解する上で重要です。このように、プロテオミクスは、生物学的表現型をより包括的に定義しようとする統合解析において、ゲノミクス、トランスクリプトミクス、エピゲノミクス、メタボロミクス、およびその他のオミクス手法を補完するものと見なすことができます。 一例として、Cancer Proteome Atlasは、The Cancer Genome Atlasの対応するトランスクリプトミクスおよびゲノムデータを使用して、4,000を超える腫瘍サンプル中の約200のタンパク質の定量的なタンパク質発現データを提供します。^[78]特にディープショットガン質量分析法を使用した、他の細胞タイプ、組織タイプ、種の同様のデータセットは、がん生物学、発生および幹細胞生物学、医学、進化生物学などの分野の研究にとって非常に重要なリソースになります。

ヒト血漿プロテオームの特性を明らかにすることは、プロテオミクスの分野で大きな目標となっているが、ヒト組織全体の中で最も困難なプロテオームでもある。^[79]ヒト血漿プロテオームには、常在性止血タンパク質に加えて、免疫グロブリン、サイトカイン、タンパク質ホルモン、感染を示す分泌タンパク質が含まれている。また、体内のさまざまな組織を通る血液循環による組織漏出タンパク質も含まれている。このように、血液にはすべての組織の生理学的状態に関する情報が含まれており、そのアクセスしやすさと相まって、血液プロテオームは医療目的に非常に貴重なものとなっている。血漿のプロテオームの特性を明らかにすることは困難な課題であると考えられている。

血漿プロテオームの深さは、最も豊富なタンパク質（アルブミン）と最も少ないタンパク質（一部のサイトカイン）の間のダイナミックレンジが 10 ^{10以上あり、プロテオミクスの主な課題の 1 つであると考えられています。 [80]}時間的および空間的なダイナミクスにより、ヒト血漿プロテオームの研究はさらに複雑になります。一部のタンパク質のターンオーバーは他のタンパク質よりもかなり速く、動脈のタンパク質含有量は静脈のタンパク質含有量と大幅に異なる場合があります。これらすべての違いにより、プロテオームをカタログ化するという最も単純なプロテオーム作業でさえ、手の届かないものに思えます。この問題に取り組むには、優先順位を確立する必要があります。診断ツールを生成するために、プロテオーム全体から最も意味のあるタンパク質のサブセットを捕捉することが、そのような優先事項の 1 つです。第二に、がんはタンパク質のグリコシル化の強化に関連しているため、この部分のタンパク質に焦点を当てた方法も有用です。繰り返しますが、マルチパラメータ分析は病理学的状態を最もよく明らかにします。これらの技術が向上するにつれて、疾患プロファイルはそれぞれの遺伝子発現の変化と継続的に関連付けられるはずです。^[41]上記の問題により、血漿プロテオミクスは依然として困難な課題でした。しかし、技術の進歩と継続的な開発により、血漿プロテオームプロファイリングと呼ばれる技術によって最近示されたように、血漿プロテオミクスは復活したようです。^[81]このような技術により、研究者はマウスの炎症プロセス、血漿プロテオームの遺伝性、および体重減少などの一般的なライフスタイルの変化が血漿プロテオームに与える影響を調べることができました。^{[82] [83] [84]}

プロテオミクスおよび関連分野に特化したジャーナルは数多くあります。タンパク質を扱うジャーナルは通常、構造と機能に重点を置いていますが、プロテオミクスジャーナルはプロテオーム全体または少なくともタンパク質の大規模なセットの分析に重点を置いていることに注意してください。関連するプロテオミクス ジャーナルのいくつかを以下に (発行元とともに) 示します。

• 分子細胞プロテオミクス( ASBMB )
• プロテオーム研究ジャーナル( ACS )
• プロテオミクスジャーナル(エルゼビア)
• プロテオミクス( Wiley )

• 欧州バイオインフォマティクス研究所
• オランダプロテオミクスセンター(NPC)

• Curlieのプロテオミクス