生命系統適應變化條件的能力源於它們改變分子結構的能力。這是透過多種機制實現，例如調節分子數量組成和分子種類多樣性。分子多樣性在蛋白質組水平上尤其明顯，來自同一基因的多種蛋白質形式可以反過來組合形成不同的蛋白質複合物，從而擴大細胞中功能型別。透過新的“組學”篩選技術的發展，分子和模組多樣性及其對變化條件的響應的研究直到最近十年才成為可能。
隨著基因組時代技術的進步，以及破譯細胞分子構成的精確度和解析度的提高，“一個基因、一個蛋白質、一個功能”的範例顯然不能完全解釋複雜的功能生物體的表型。在對人類基因組進行測序後，國際人類基因組測序聯盟(International human genome sequencing Consortium)報道了約20,000個編碼蛋白質的基因，這一數字明顯低於之前對基因組的估計。這一發現表明，生物體功能多樣性的程度與蛋白質編碼基因的數量沒有直接關係。這一建議在大規模篩選方法(如全基因組關聯研究和RNA干擾篩選)有限的進展中進一步得到證實 深入瞭解基因型和表型之間的直接聯絡。雖然單基因缺陷與高外顯率被發現使用這些技術,許多研究表型的遺傳基礎比預期更為複雜,往往是支撐一個基因網路變化或其他機制,涉及其他分子層面，如轉錄組、蛋白質組和互作組以及它們之間非線性的crosstalk。
與“一個基因，一個蛋白，一種功能”範例相對的，細胞複雜性來自於許多擴充套件了分子多樣性的機制由編碼蛋白質的基因組編碼的。這些機制包括使用增加編碼潛力轉錄起始位點以及5 '端帽、選擇性剪接、選擇性聚腺苷酸化和RNA編輯位點共轉錄或轉錄後水平。蛋白質的多樣性進一步增加使用選擇性轉錄以及翻譯過程中的停止密碼子。高度的多樣化是由翻譯後修飾，這包括共價分裂和共價修飾(如磷酸化）。最後，蛋白質可以相互作用相互之間形成多個不同的功能單元，可以潛在地執行各種下游功能。雖然最近的技術進步為轉錄組、蛋白質組和相互作用組的完全特徵化提供了進展它們在任何特定狀態下的關係，評估它們的功能影響和表現型都是一個挑戰仍有待充分探索。
圖1
生物系統的蛋白質組由其所有表達的蛋白分子組成，如同轉錄組一樣，同一個生物中不同細胞的蛋白質組差異很大，能夠動態適應內外刺激。
雖然蛋白質合成直接依賴於相應的mRNA轉錄本表達，但轉錄本濃度以外的因素影響蛋白質表達水平，從而影響細胞的功能。
除了可以直接影響細胞功能，包括其他一些過程增加蛋白質組的多樣性。蛋白組的第一水平的多樣化可以歸因於在翻譯過程中使用了可選擇性啟動或者終止密碼子。
圖2:蛋白質組平衡和翻譯後修飾crosstalk
細胞透過多種相互依賴機制緊密調控蛋白質的丰度和功能活性。
a.穩態是透過蛋白質合成和降解之間的精細平衡來維持的。mRNA轉錄產物的翻譯效率受到密碼子偏差的影響，透過轉錄後調控，如microRNA介導基因沉默，或能量和營養限制，包括tRNAs和免費的核糖體。蛋白質的降解受蛋白質的定位、蛋白質摺疊效率的影響（通常需要伴侶或蛋白質結合的過程），泛素介導的降解和溶酶體蛋白水解後選擇性和非選擇性自噬。 蛋白質組降解速率能夠緩衝意外mRNA轉錄本的丰度變化，如癌症細胞中基因擴增引起的變化
b.翻譯後修飾對調節蛋白活性很重要，不同蛋白質的翻譯後修飾往往不是獨立的彼此，例如，腫瘤抑制因子p53啟動細胞凋亡的活性，是由乙醯化（http://www.aimsmass.cn/yxhwd.jsp）（Ac）狀態調節的。P53的Ac狀態和活性增加，是透過乙醯轉移酶HDAC2的亞甲基化促進乙醯化合p53的失活。
許多蛋白質作為生化多分子元件功能的一部分；這些組裝體形成了大量的分子相互作用，例如蛋白質-DNA，蛋白質-RNA，蛋白質-脂質或蛋白質代謝物的相互作用。細胞中大量的分子相互作用是被稱為互作組。
圖3
a|蛋白質複合物的動態組裝和拆卸是調節功能多樣性的關鍵機制，通常是特定蛋白形式特有的。當一個細胞暴露在一個變化的條件之下，如缺氧，氧化應激，DNA損傷，營養變化或者其他訊號分子的刺激，這通常能導致特殊蛋白質修飾酶的啟用。酶的轉譯後的靶點蛋白特定修飾通常與特定條件的蛋白質複合物的形成或分解有關，透過調節合成代謝和分解代謝之間的適應性轉換來影響細胞的功能格局。
b|蛋白形式的相互作用體的特殊重排，其功能是透過與14-3-3蛋白磷酸化依賴結合而實現。低氧條件下細胞AMP與ATP比值的增加和AMP活化蛋白激酶導致14-3-3蛋白相互作用體的磷酸化依賴重排。AMPK磷酸化RAPTOR，mTORC1蛋白的重要結合夥伴，隨後與14-3-3結合，結合之後引起RAPTOR從mTORC1的釋放，這會造成mTORC1被抑制和促進合成代謝轉變為分解代謝。14-3-3蛋白還與mTORC1下游其他AMPK靶點相互作用，包括ULK1和ATG9A，在飢餓條件下促進自噬維持細胞代謝。
基於上述情況，真核細胞可以產生大量的mRNA異構體。透過NGS可以全面定量這些轉錄本，然而下面專注於蛋白水平，對最新的蛋白組手段和互作組手段進行了比較。
大多數蛋白質組學研究是基於質譜方法，主要是2種，自上而下和自下而上的蛋白質組學。在自下而上的蛋白質組學中，完整的蛋白質是用色譜法進行分析的，2個完整的蛋白質進入質譜碎片化然後分析，產生獨特的碎片化產物透過軟體進行分析。然後自上而下的蛋白質組工作流程更為頻繁的應用，蛋白質最初是被消化成肽段，然後用液相色譜分離，隨後電離後透過串聯質譜進行分析，分析器記錄下來肽和離子光譜片段。這種自下而上的方法因為在胰酶消化過程中會丟失肽段，因此這是其方法學本身的侷限性。
圖4
以互補分析和質譜分析為基礎的互作組，在過去的幾十年裡，有幾個不同的穩定/瞬時的蛋白質複合物分析方法逐漸發展起來，儘管這些方法中，例如熒光共振能量轉移和雙分子熒光互補都是基於一個小的蛋白質組的方法，雖然是一種較為小規模的蛋白複合物。目前來看，有5項主要技術使用進行高通量篩選蛋白互作組：酵母雙雜篩選（Y2H）；AP-MS；APEX；CroFrac-MS和交聯蛋白質譜。
a|傳統地，PPIs是透過酵母雙雜在培養基的基礎上進行研究的策略，隨著以質譜為基礎的蛋白質組學的發展，親和純化與質譜耦合是目前最先進的大規模互動組對映方法。捕捉更多的瞬態互動蛋白，空間接近性標記策略BioID和APEX可用於近距離識別蛋白質時空接近性。交聯質譜提供檢測蛋白複合物及其結構排列的機會，蛋白質協同分餾與質譜聯用技術已成為一種有發展前景的新方法用於從單個分離實驗進行檢測蛋白複合物。
b|用於協同分餾結合質譜的細胞，在自然條件下，進行裂解，以保持蛋白質複合物完整。蛋白複合物根據其理化性質被分離和分餾，例如透過SEC色譜或離子交換色譜（IEX）。所有的組分都是分別採用自上而下的分析方式，蛋白複合物可以從色譜中洗脫的組分中被區分出來，圖中實線表示處理步驟順序，虛線表示分離過程。
雖然蛋白質複合物的資訊能夠提供對其功能的評估，但是仍然缺乏直接探究功能性的方法。隨著組學手段的進一步改進以及收斂和整合，在不久的將來，如自上向下或自下向上的蛋白質方法可以推斷出大部分蛋白複合體的形式。
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