在電影和電視節(jié)目中，海豚經(jīng)常被描繪成通過(guò)卓越的力量和韌性拯救人類的英雄。現(xiàn)在，海豚可以在現(xiàn)實(shí)生活中拯救人類的一天 - 借助可以測(cè)量數(shù)千種蛋白質(zhì)的新興技術(shù)和一個(gè)充滿遺傳數(shù)據(jù)的改進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。“海豚和人類是非常非常相似的生物，”NIST的Ben Neely說(shuō)，他是海洋生物化學(xué)科學(xué)小組的成員，也是南卡羅來(lái)納州查爾斯頓研究機(jī)構(gòu)Hollings Marine Laboratory的一個(gè)新項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，該實(shí)驗(yàn)室包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)作為其合作機(jī)構(gòu)之一。“作為哺乳動(dòng)物，我們共享許多蛋白質(zhì)，我們的身體以許多相似的方式發(fā)揮作用，即使我們是陸地和海豚一生都在水中生活。”

Neely和他的同事剛剛完成了對(duì)寬吻海豚基因組中發(fā)現(xiàn)的所有蛋白質(zhì)的詳細(xì)，可搜索的指數(shù)?；蚪M是生物體中存在的一整套遺傳物質(zhì)。Neely的項(xiàng)目建立在多年的海洋哺乳動(dòng)物研究基礎(chǔ)之上，旨在提供更高水平的生物分析測(cè)量。這項(xiàng)工作的成果將有助于野生動(dòng)物生物學(xué)家，獸醫(yī)專業(yè)人員和生物醫(yī)學(xué)研究人員。

蛋白質(zhì)地圖可以幫助海豚和人類

盡管2008年首次編制了寬吻海豚(Tursiops truncatus)基因組的詳細(xì)地圖，但最近的技術(shù)突破使得能夠創(chuàng)建一個(gè)由海豚DNA產(chǎn)生的所有蛋白質(zhì)的新的更詳盡的地圖。

Neely在Hollings海洋實(shí)驗(yàn)室的同事的幫助下領(lǐng)導(dǎo)了生成新基因組的過(guò)程。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，最初的基因組測(cè)序和組裝由美國(guó)私人公司Dovetail Genomics完成。接下來(lái)，基因組由美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館(NCBI)的國(guó)家生物技術(shù)信息中心注釋，使用之前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在很大程度上由國(guó)家海洋和大氣管理局的國(guó)家海岸科學(xué)海洋基因組學(xué)核心中心產(chǎn)生。

“一旦你能夠識(shí)別所有的蛋白質(zhì)，并知道它們的數(shù)量是由基因組表達(dá)的，”Neely解釋說(shuō)，“你可以用這種非常詳細(xì)的方式弄清楚寬吻海豚的生物系統(tǒng)中發(fā)生了什么。”

Neely的研究是一個(gè)名為蛋白質(zhì)組學(xué)的新興領(lǐng)域的一部分。就海豚而言，蛋白質(zhì)組學(xué)工作具有廣泛的潛在應(yīng)用。

動(dòng)物園和水族館產(chǎn)業(yè)每年產(chǎn)生約160億美元的收入，可以用它來(lái)改善寬吻海豚的護(hù)理。

此外，改進(jìn)的海豚蛋白質(zhì)組學(xué)可以改善對(duì)野生海豚種群的評(píng)估，并提供大量有關(guān)環(huán)境污染物以及世界海洋食物網(wǎng)的安全和健康的數(shù)據(jù)。

比較人類和這些其他哺乳動(dòng)物的蛋白質(zhì)已經(jīng)為研究人員提供了大量有關(guān)人體如何運(yùn)作的新信息。這些發(fā)現(xiàn)最終可用于開(kāi)發(fā)新的，更精確的常見(jiàn)醫(yī)療問(wèn)題治療方法。

隨著海洋哺乳動(dòng)物的下降，它們切斷了許多器官的血液流動(dòng)，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著生物學(xué)家。相反，如果血液停止流動(dòng)到人體器官甚至幾秒鐘，結(jié)果可能是中風(fēng)，腎衰竭，甚至死亡。

研究最近發(fā)現(xiàn)，海洋哺乳動(dòng)物血液中鮮為人知的蛋白質(zhì)可能在潛水過(guò)程中發(fā)揮重要作用，保護(hù)寬吻海豚的腎臟和心臟免受血液流動(dòng)和氧氣在這些水下突襲期間反復(fù)開(kāi)始和停止的損害。

這些蛋白質(zhì)之一被稱為vanin-1。人類生產(chǎn)的是vanin-1，但含量要少得多。研究人員希望收集有關(guān)提高vanin-1水平是否可以為腎臟提供保護(hù)的更多信息。

南卡羅來(lái)納醫(yī)科大學(xué)的Mike Janech說(shuō)：“關(guān)于基因和它們產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的知識(shí)存在這種差距。我們錯(cuò)過(guò)了這些動(dòng)物如何做他們所做的事情的巨大難題。” 他的研究小組一直在研究vanin-1，并且已經(jīng)確定了由NIST創(chuàng)建的海豚基因組的許多其他潛在的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

“基因傳遞生命信息，”Janech說(shuō)。“但蛋白質(zhì)執(zhí)行功能。”

從宏到微觀

Vanin-1只是關(guān)于這種哺乳動(dòng)物表親的基因組信息如何證明有用的一個(gè)例子。可能有數(shù)百種其他類似的應(yīng)用，包括一些與高血壓和糖尿病的治療有關(guān)的應(yīng)用。

這代表了仿生學(xué)的另一種途徑，它通過(guò)檢查和模仿自然的模式和策略來(lái)尋求解決人類問(wèn)題的方法。在過(guò)去，仿生學(xué)只關(guān)注動(dòng)物身體部位的結(jié)構(gòu)方面，如手臂和腿或鼻子和嗅聞等功能模式。但隨著對(duì)DNA的研究的進(jìn)化，我們也能夠檢測(cè)另一個(gè)哺乳動(dòng)物體內(nèi)最微小水平的事情。

“我們現(xiàn)在正在進(jìn)入所謂的后模型生物時(shí)代，”尼利說(shuō)。科學(xué)家們正在尋找模型過(guò)程中這些生物的基因和蛋白質(zhì)的完整分子景觀，而不僅僅是尋找模型，模仿或?qū)W習(xí)的結(jié)構(gòu)。“利用豐富的基因組資源，現(xiàn)在可以研究具有相似分子機(jī)制的非模式生物，以解決困難的生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題。”

數(shù)據(jù)，新技術(shù)和高質(zhì)量組織樣本

為了收集所需的蛋白質(zhì)信息，Neely和他的團(tuán)隊(duì)使用了國(guó)家海洋哺乳動(dòng)物組織銀行(NMMTB)提供的標(biāo)本，這是NIST海洋環(huán)境標(biāo)本庫(kù)最長(zhǎng)的項(xiàng)目。NMMTB中大約4,000個(gè)海洋哺乳動(dòng)物標(biāo)本中的一半被收集作為海洋哺乳動(dòng)物健康和擱淺反應(yīng)計(jì)劃的一部分。已知為Neely的研究提供的標(biāo)本非常接近Hollings海洋實(shí)驗(yàn)室。

新的，最先進(jìn)的基因組立即開(kāi)始提供新的生物化學(xué)見(jiàn)解。NIST正在進(jìn)行研究，以使用超高分辨率三重混合質(zhì)譜儀驗(yàn)證更新的蛋白質(zhì)圖譜，該質(zhì)譜儀是用于鑒定和定量蛋白質(zhì)的最強(qiáng)大工具。

其他哺乳動(dòng)物蛋白似乎也很有希望

Neely表示，該結(jié)果證明了重新繪制基因組的效用，以及與高分辨率質(zhì)譜儀相結(jié)合的新基因組測(cè)序技術(shù)所提供的改進(jìn)的生物分析能力。該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)也將在公共領(lǐng)域提供，以便其他人可以輕松訪問(wèn)和使用各種應(yīng)用程序和研究。

這是查爾斯頓小組開(kāi)展的許多此類項(xiàng)目中的第一個(gè)，其中新的分析技術(shù)可應(yīng)用于海洋動(dòng)物。研究其他潛水海洋哺乳動(dòng)物可以提高我們對(duì)潛水分子機(jī)制的理解。此外，海獅蛋白質(zhì)可能有很多東西可以告訴我們轉(zhuǎn)移性癌癥，這尤其激起了Neely和他的同事。

作為一名研究化學(xué)家，Neely說(shuō)他現(xiàn)在并沒(méi)有花太多時(shí)間觀察海洋哺乳動(dòng)物作為他工作時(shí)間的一部分。然而，當(dāng)他沿著卡羅萊納州的海岸線沖浪時(shí)，他確實(shí)遇到過(guò)海豚。

“令人驚訝的是，我們認(rèn)為我們正處于海洋哺乳動(dòng)物的前沿研究可以直接推進(jìn)人類生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)的地步，”他說(shuō)。