大规模基因组测序计划的实施已改变生命科学的重心，在相当短的时期内，一些原核生物和某些低等真核生物的基因组序列已被测定. 1995年，流感嗜血杆菌基因组序列首次被破译，在此后不到两年的时间，近50个细菌的基因组序列已被完成. 然而，这仅仅是理解有机物功能的一个起点. 在基因组时代，许多DNA序列信息仅提供相关基因组的结构和功能. 然而，对基因产物（mRNA和蛋白质）的理解是理解细胞生物学的一个不可缺少的部分. DNA序列信息不能预测：1）基因表达产物是否或何时被翻译；2）基因产物的相应含量；3）翻译后修饰的程度；4）基因剔除或过表达的影响；5）遗留的小基因或<300 bp的ORFs的出现；6）多基因现象的表型. 此外，mRNA水平的测量并不能完全揭示细胞调节；且蛋白质的样品较mRNA 稳定；蛋白质和mRNA之间的相关系数仅为0.4～0.5，还存在转录后加工、翻译调节以及翻译后加工等. 故而，“基因组时代”的迅猛发展同时激起了人们对“后基因组时代”中蛋白质组研究的需求.
1 蛋白质组的含义
蛋白质组（Proteome）的概念最先由Marc Wilkins提出，指由一个基因组（genOME），或一个细胞、组织表达的所有蛋白质（PROTein）. 蛋白质组的概念与基因组的概念有许多差别，它随着组织、甚至环境状态的不同而改变. 在转录时，一个基因可以多种mRNA形式剪接，并且，同一蛋白可能以许多形式进行翻译后的修饰. 故一个蛋白质组不是一个基因组的直接产物，蛋白质组中蛋白质的数目有时可以超过基因组的数目.
蛋白质组学（Proteomics）处于早期“发育”状态，这个领域的专家否认它是单纯的方法学，就像基因组学一样，不是一个封闭的、概念化的稳定的知识体系，而是一个领域. 蛋白质组学集中于动态描述基因调节，对基因表达的蛋白质水平进行定量的测定，鉴定疾病、药物对生命过程的影响，以及解释基因表达调控的机制. 作为一门科学，蛋白质组研究并非从零开始，它是已有20年历史的蛋白质（多肽）谱和基因产物图谱技术的一种延伸. 多肽图谱依靠双向电泳（Two-dimensional gel electrophoresis, 2-DE）和进一步的图象分析；而基因产物图谱依靠多种分离后的分析，如质谱技术、氨基酸组分分析等.
2 蛋白质组研究的核心 用于分离的双向电泳（2-DE）
蛋白质组研究的发展以双向电泳技术作为核心. 双向电泳由O’Farrell’s于1975年首次建立并成功地分离约1 000个E.coli蛋白，并表明蛋白质谱不是稳定的，而是随环境而变化. 双向电泳原理简明，第一向进行等电聚焦，蛋白质沿pH梯度分离，至各自的等电点；随后，再沿垂直的方向进行分子量的分离. 目前，随着技术的飞速发展，已能分离出10 000个斑点（spot）. 当双向电泳斑点的全面分析成为现实的时候，蛋白质组的分析变得可行.
样品制备（sample prepareation）和溶解同样事关2-DE的成效，目标是尽可能扩大其溶解度和解聚，以提高分辨率. 用化学法和机械裂解法破碎以尽可能溶解和解聚蛋白，两者联合有协同作用. 对IEF（isoelectric focusing）样品的预处理涉及溶解、变性和还原来完全破坏蛋白间的相互作用，并除去如核酸等非蛋白物质. 理想的状态是人们应一步完成蛋白的完全处理. 近来，在“变性剂鸡尾酒”中，含14～16个碳的磺基甘氨酸三甲内盐（ASB14～16）的裂解液效果最好. 而离液剂2 mol/L硫脲和表面活性剂4%CHAPS的混合液促使疏水蛋白从IPG（immobilized pH gradients）胶上的转换. 三丁基膦（Tributyl phosphine，TBP ）取代β-巯基乙醇或DTT完全溶解链间或链内的二硫键，增强了蛋白的溶解度，并导致转至第二向的增加. 两者通过不同的方法来增加蛋白的溶解度，作为互补试剂会更有效. 在保持样品的完整性的前提下，可利用超离和核酸内切酶去除核酸（DNA）. 除此之外，机械力被用来对蛋白分子解聚，如超声破碎等. 另外，添加PMSF等蛋白酶抑制剂，可保持蛋白完整性. 由于商品化的IPG胶条是干燥脱水的，可在其水化的过程中加样，覆盖整个IPG胶，避免在样品杯中的沉淀所致的样品丢失. 此外，低丰度蛋白（low abundance protein）在细胞内可能具有重要的调节功能，代表蛋白质组研究的“冰山之尖”，故分离低丰度蛋白是一种挑战. 亚细胞分级和蛋白质预分级、提高加样量（已达到1～15 mg级的标准）应用敏感性检测，可以提高其敏感性. 如一种多肽免疫2-DE印迹（MI-2DE）是利用几种单克隆抗体技术来分析和检测.提高组蛋白和核糖体蛋白等碱性蛋白（basic proteins）的分离是另一难点. 由于碱性pH范围内凝胶基质的不稳定及逆向电渗流（EOF）的产生，对PI（等电点）超过10的碱性蛋白，通过产生0～10%的山梨醇梯度和16%的异丙醇可减少之. 亦可用双甲基丙烯酰胺来增加基质的稳定性.
2-DE面临的挑战是高分辨率和重复性. 高分辨率确保蛋白最大程度的分离，高重复性允许进行凝胶间配比（match）. 对2-DE而言，有3种方法分离蛋白：
1）ISO-DALT（isoelectric focus）以O’Farrell’s技术为基础. 第一向应用载体两性电解质（carrier ampholyte, CA），在管胶内建立pH梯度. 随着聚焦时间的延长，pH梯度不稳，易产生阴极漂移.
2） NEPHGE（non-equilibrium pH gradient electrophoresis）用于分离碱性蛋白（pH>7.0）. 如果聚焦达到平衡状态，碱性蛋白会离开凝胶基质而丢失. 因此，在等电区域的迁移须在平衡状态之前完成，但很难控制.
3）IPG-DALT发展于80年代早期. 由于固相pH梯度（Immobilized pH gradient, IPG）的出现解决了pH梯度不稳的问题. IPG通过immobiline共价偶联于丙烯酰胺产生固定的pH梯度，克服了IEF的缺点，从而达到高度的重复性. 目前可以精确制作线性、渐进性和S型曲线，范围或宽或窄的pH梯度. 新的酸性pH 3～5或碱性pH 6～11的IPG凝胶梯度联合商品化的pH 4～7的梯度可对蛋白质形成蛋白质组重叠群（proteomic contigs）从而有效分离.
分离后的斑点检测（spot detection）亦很重要. 所采用的检测策略和分离后所采用的方法的相互作用是很重要的. 此外，还需考虑反应的线性、饱和阈/动态范围、敏感性、对细胞蛋白群的全体定量分析的适应性、可行性. 目前，没有一种蛋白染色覆盖广泛的浓度和PI及分离后分析技术. 银染已成为一种检测2-DE的流行方法，可检测少到2～5ng的蛋白，因此较考马斯亮蓝R-250敏感. 多数糖蛋白不能被考马斯亮蓝染色，一些有机染料不适于PVDF膜. 放射性标记不依赖其代谢的活性，并仅适于对合成的蛋白质检测. 另有一种改良的2-DE（差异凝胶电泳），即应用两种不同的染料荧光标记两个样品，使在同一凝胶上电泳后的凝胶图象为两个，避免了几种2-DE的比较，可在纳克级进行检测.
较早期相比，2-DE有两个主要的进步：首先，极高的重复性使有机体的参考图谱，可通过Internet获得，来比较不同组织类型、不同状态的基因表达；其次，高加样量使得2-DE成为一项真正的制备型技术.
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