L'information sur les taux d'ARNm n'est pas suffisante pour étudier et analyser la régulation de l'expression d'un gène dans la cellule. Les données sur l'expression des protéines (protéome) sont souvent plus informatives. Ce qui compte, en effet, dans une cellule, c'est le degré d'activité des protéines, qui se trouvent fréquemment modulées et régulées par des modifications post-traductionnelles.
 
Ainsi, le défi de la protéomique consiste à trouver des moyens de mesurer les protéines actives à l'échelle du protéome et de connaître avec quels composants de la cellule elles interagissent (ADN, ARN, autres protéines et molécules).
 
Alors que le génome est constant (aux mutations somatiques près) dans toutes les cellules d'un organisme, le protéome (tout comme le transcriptome) varie d'un type cellulaire à l'autre et selon la situation physiologique et de développement dans laquelle se trouve chaque cellule. Ainsi, un même individu possède en fait, non pas un protéome, mais plusieurs.
 
Une grande partie des variations de fonctionnement d'une cellule s'expliquerait au moins autant par la modulation de la quantité des protéines que par la présence ou l'absence de certaines d'entre elles. Avant l'annonce du décryptage presque complet du génome humain, on expliquait souvent les différences entre les cellules par le jeu de l'"allumage" et de l'"extinction" (on/off) de certains gènes parmi les 100000 ou 120000 estimés. Compte tenu du plus petit nombre de gènes humains désormais attendu (environ 30000), cette explication devient insuffisante : ce sont plus vraisemblablement les quantités de protéines présentes dans une cellule donnée, ainsi que les modifications post-traductionnelles qui les affectent, qui vont différencier cette cellule des autres.