日本血吸蟲蛋白質(zhì)組學研究進展*

劉春艷,王敬祥,林瑞慶*,朱興全

(1.華南農(nóng)業(yè)大學,廣東廣州 510642;2.榮成出入境檢驗檢疫局,山東榮成 264300)

日本血吸蟲蛋白質(zhì)組學研究進展*

劉春艷1,王敬祥2,林瑞慶1*,朱興全1

(1.華南農(nóng)業(yè)大學,廣東廣州 510642;2.榮成出入境檢驗檢疫局,山東榮成 264300)

隨著日本血吸蟲(Schistosoma japonicum)基因組學的發(fā)展,應用雙向電泳、質(zhì)譜分析及生物信息學分析開展的蛋白質(zhì)組學研究正成為日本血吸蟲研究的前沿領域。生物體中的基因是相對穩(wěn)定,但是蛋白質(zhì)的活動隨著生命活動的進行表現(xiàn)出動態(tài)的變化,并具有對外界環(huán)境發(fā)生反應的能力。對日本血吸蟲進行蛋白質(zhì)組學方面的研究,能直接地反映其生理功能的過程。這些研究為研制開發(fā)抗日本血吸蟲病疫苗、新型治療藥物提供了新的途徑。論文從日本血吸蟲童蟲部分差異表達蛋白、成蟲蛋白質(zhì)的性別差異性、藥物相關蛋白組學、免疫蛋白組學等方面,對日本血吸蟲蛋白質(zhì)組學研究做了概述。

日本血吸蟲;差異表達蛋白;蛋白質(zhì)組學

血吸蟲病分布廣泛,危害嚴重,為人畜共患的重大疾病之一。該病在非洲、亞洲和南美洲有2億多人感染,在70多個國家呈地方性流行[1],我國為日本血吸蟲病的主要流行區(qū)之一。隨著血吸蟲基因組計劃的順利開展,血吸蟲蛋白質(zhì)組學研究已成為研究熱點之一。血吸蟲生活史復雜,并且每個生活周期的基因表達不一樣,僅知道基因組遺傳密碼仍不能確切了解一個生物體是如何工作的。我們需要從整體水平上分析蛋白質(zhì)及其功能,也就是要對生命體進行蛋白質(zhì)組學方面的研究[2-3]。目前用于蛋白質(zhì)組學研究的技術體系主要是以雙向電泳為主的蛋白質(zhì)分離技術和以質(zhì)譜分析為主的蛋白質(zhì)分析技術[4]。

血吸蟲不同發(fā)育階段蟲體引起宿主的病變和臨床癥狀不同,針對血吸蟲不同發(fā)育階段的蟲體蛋白質(zhì)組,應用蛋白質(zhì)組學雙向電泳技術、質(zhì)譜分析技術、生物信息學等方法研究分析,找出在生長發(fā)育中起關鍵作用的酶或其他蛋白,并進一步研究其生物學功能。近年來,利用蛋白質(zhì)組學的方法研究分析日本血吸蟲童蟲部分差異表達蛋白、成蟲蛋白質(zhì)的性別差異性、藥物相關蛋白組學和免疫蛋白組學等方面。這些研究為研制開發(fā)抗血吸蟲病疫苗、新型治療藥物和新診斷方法提供了新的途徑。

1 童蟲差異表達蛋白研究概況

血吸蟲童蟲是血吸蟲在終末宿主體內(nèi)發(fā)育的早期階段,日本血吸蟲童蟲期差異表達蛋白與血吸蟲初期的生長發(fā)育息息相關,早期童蟲可能是宿主保護性免疫的攻擊靶,故對血吸蟲童蟲期分子進行篩選,可能是發(fā)現(xiàn)候選疫苗分子的一個新的切入點。

趙曉宇等[5]應用蛋白質(zhì)組學技術對日本血吸蟲童蟲(16日齡)蟲體可溶性蛋白進行了分離,應用image-aster軟件對其雙向電泳圖譜分析。結果表明,2 000個±69個蛋白斑點,其中500個±86個蛋白斑點為血吸蟲雌蟲和雄蟲的蛋白所共有,童蟲特異呈現(xiàn)的蛋白斑點有26個±1個。對其中20個童蟲特異呈現(xiàn)的蛋白斑點進行質(zhì)譜和生物信息學分析,結果發(fā)現(xiàn)烯醇酶和二磷酸果糖醛縮酶等16種童蟲特異呈現(xiàn)的蛋白。對這些蛋白進行生物學功能預測的結果表明:這些差異表達蛋白主要參與蛋白信號轉(zhuǎn)導、生物合成、能量代謝和細胞構成等。孫安國等[6]對8日齡和19日齡童蟲分別抽提可溶性及疏水性蛋白,建立24 cm,pH 3～11的高重復性銀染及考染雙向電泳圖譜,分別分析檢測到可溶性蛋白斑點1 465±41,1 230±30個;疏水性蛋白斑點986±22,114±535個。在圖譜分析的基礎上用電噴霧線性離子阱質(zhì)譜或基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜對表達穩(wěn)定的差異可溶性蛋白進行鑒定,成功獲得了8日齡童蟲29個、19日齡童蟲16個蛋白斑點的肽指紋圖譜及肽序列檢測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫檢索結果表明,這些蛋白主要與細胞運動,蛋白折迭、修飾、合成,核酸合成,信號轉(zhuǎn)導、肌肉發(fā)育、電子傳遞等功能相關。

研究這些童蟲差異表達蛋白有助于血吸蟲病新型疫苗、藥物的研制和早期診斷抗原的篩選,對進一步揭示血吸蟲的生長發(fā)育和生殖機理也奠定了基礎。

2 成蟲蛋白質(zhì)組性別差異性研究概況

日本血吸蟲雌雄異體但終生合抱,雌蟲只有合抱于雄蟲的抱雌溝中,其卵黃細胞才有產(chǎn)生蛋白質(zhì)顆粒及增強梅氏腺細胞合成的能力[7]。所以,研究成蟲蛋白質(zhì)組的性別差異將為有效控制成熟雌蟲產(chǎn)卵提供依據(jù)。朱建國等[8]利用雙向電泳技術對日本血吸蟲中國大陸株雌雄蟲體蛋白質(zhì)進行電泳分析,結果在43 ku,pI 5.60～5.90處發(fā)現(xiàn)雄蟲有一條長度和寬度均超過雌蟲并由多個斑點連在一起組成的條帶,并有3個較雌蟲大的斑點;雌蟲則有7個特異性斑點,且有一處較雄蟲深的著色區(qū)?？梢?日本血吸蟲成蟲蛋白質(zhì)表達有性別差異性,可通過比較雌蟲和雄蟲的蛋白質(zhì)提取物,檢測出性別差異蛋白。雌性和雄性差異表達蛋白與成長發(fā)育、性成熟、信號傳導和激素受體有關[9]。

吳忠道等[10]分析日本血吸蟲雌雄成蟲可溶性蛋白組分,發(fā)現(xiàn)日本血吸蟲雌雄成蟲可溶性蛋白組分存在較大差異。Dai G等[11]對日本血吸蟲單性感染雄蟲和雙性感染雄蟲蛋白質(zhì)表達譜進行分析,成功鑒定出9個日本血吸蟲雌雄合抱差異表達蛋白,其中在日本血吸蟲雄蟲合抱前表達上調(diào)的蛋白質(zhì)有6個;在合抱后表達明顯上調(diào)的有3個。其中脂肪酸結合蛋白能誘導小鼠產(chǎn)生免疫保護作用[12]。

程國峰等[13]研究表明,雌雄成蟲分別獨特呈現(xiàn)23±2個和41±4個可溶性蛋白斑點、26±3個和11±1個疏水性蛋白斑點、4和5個膜蛋白斑點。鑒定了28個合抱后雌雄成蟲特異呈現(xiàn)的蛋白。結果提示:參與細胞間信息傳遞的信號分子、參與基因轉(zhuǎn)錄和蛋白翻譯的調(diào)控分子和參與代謝的酶類、發(fā)育調(diào)節(jié)因子等在合抱后雌雄蟲呈現(xiàn)出差異表達。

3 藥物相關蛋白組學研究概況

由于對抗血吸蟲作用的靶點不明確,藥物殺蟲的分子機制不清楚等原因,抗日本血吸蟲新藥進展較慢。目前利用蛋白質(zhì)組學,建立藥物處理前后蛋白質(zhì)組圖譜,比較差異表達的蛋白質(zhì),尋找藥物作用的靶分子,為進一步闡明潛在藥物作用機制和新藥物開發(fā)提供了依據(jù)。張玲等[14]通過蛋白質(zhì)組學的方法鑒定吡喹酮處理前后日本血吸蟲成蟲蛋白質(zhì)組,發(fā)現(xiàn)處理前后蛋白質(zhì)組具有差異。吡喹酮處理后促進或抑制了血吸蟲某些特定基因的表達,明顯差異表達的蛋白主要是與細胞骨架、細胞應激、細胞間信號轉(zhuǎn)導有關,其中大部分是位于體表的蛋白質(zhì)[15]。Liu F等[16]鑒別出373個膜蛋白,其中 9種可能有潛在的藥物靶位。體壁不但是成蟲攝取營養(yǎng)的重要部位,也是逃避宿主免疫識別的屏障,膜蛋白是藥物化療的候選靶蛋白。

4 免疫蛋白組學研究概況

日本血吸蟲病在中國等國家流行較嚴重,疫苗防控應是其理想方法,應該具有較好的應用前景[17]。特別是隨著基因組學研究的進展和蛋白質(zhì)組學技術及生物信息學技術的不斷成熟,利用蛋白質(zhì)組學尋找疫苗的新靶點,成為研究抗血吸蟲病疫苗的重要途徑。通過對其五個生活史不同時期的研究,得到大量各個時期的特異性蛋白質(zhì),為篩選潛在的靶位點提供了必要的資料[18]。

李林等[19]利用蛋白質(zhì)組學技術,分離、鑒定出日本血吸蟲天然分子質(zhì)量31 ku～32 ku抗原組分,發(fā)現(xiàn)其中3個蛋白點與這些天然分子中起保護性的有效分子密切相關。Abdel-Hafeez E H等[20]用蛋白質(zhì)組學的方法對日本血吸蟲IgG抗體進行疫苗候選抗原的鑒別,共獲得了8個候選基因,結果表明重組蛋白AAW27472.1和AXX25883.1具有較強烈的作用效果,并且利用二維液相色譜法能夠從粗提物中獲得免疫原性蛋白,為疫苗的研制和臨床診斷提供了依據(jù)。研究表明,在血吸蟲沉積物引起的肉芽腫中發(fā)現(xiàn)了宿主中性粒細胞彈性蛋白酶,也就是說,宿主的先天性免疫分子能夠進入肉芽腫結構中以抵抗血吸蟲的感染;另外,蛋白酶因子和過氧化物歧化酶被血吸蟲用來抵抗或消弱宿主的免疫。對日本血吸蟲各時期的膜蛋白的研究,推測其某些結構能夠捕獲宿主蛋白,具有免疫逃逸功能[21]。

血吸蟲在其不同的發(fā)育階段能夠分泌特異的分泌物,這些分泌物能直接作用于宿主,介導感染過程。通過對這些分泌物的研究不但能夠進一步揭示寄生蟲的致病機理,還能提供候選疫苗的靶位。Dvorák J等[22]對日本血吸蟲進行蛋白質(zhì)組學分析,鑒定了361個蛋白質(zhì),其中15種為蛋白酶,并且日本血吸蟲的組織蛋白酶B2能夠消化宿主的表皮和結締組織。

Yang L L等[23]利用蛋白質(zhì)組學技術分離、鑒定日本血吸蟲正常尾蚴及紫外線致弱尾蚴蟲體間差異表達蛋白,分析得出20個差異表達蛋白,其中有些蛋白點與胞質(zhì)環(huán)流、吞噬作用及細胞分裂、運動相關;有些是能量的生成、轉(zhuǎn)化及糖酵解過程中不可或缺的酶;還有些來源于與翻譯后修飾、分子伴侶、蛋白代謝等密切相關的熱休克蛋白家族;另有參與蛋白加工、細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)、抗原遞呈等重要進程的一些蛋白如鈣網(wǎng)蛋白等。這些結果為進一步闡明致弱尾蚴誘導宿主產(chǎn)生高免疫保護力的分子機制提供了實驗基礎。陳雷等[24]模擬輻照致弱血吸蟲尾蚴或童蟲疫苗模型,以童蟲期體被蛋白分子作為待篩選的目標序列,利用在線服務器分別對有關序列進行跨膜區(qū)與信號肽的預測分析,采用結合基序掃描與計分矩陣等算法,以及基于多種分子動力學算法的配體受體相互對接的分子建模方法等進行Th細胞表位預測,初步鑒定獲得了1個候選體被蛋白Th細胞表位,為合理高效地研發(fā)抗血吸蟲疫苗開辟了一條新的途徑。

5 結語

基因只有通過翻譯才能表達成為蛋白質(zhì)以實現(xiàn)其功能。蛋白質(zhì)在合成時又具有相對獨立的修飾、轉(zhuǎn)運,而且具有對外界環(huán)境發(fā)生反應的能力。也就是說,從蛋白質(zhì)水平上進行研究,能更深入揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)。蛋白質(zhì)組學技術不斷改進,新方法不斷出現(xiàn),蛋白質(zhì)雙向凝膠電泳技術與新近發(fā)展起來的肽指紋圖譜分析相結合,在疾病診斷、模式生物蛋白質(zhì)組學研究等領域得到了廣泛應用。提高了樣品蛋白質(zhì)組分的分離效果,增加了結果判定的可靠性[25]。隨著蛋白質(zhì)組學技術的不斷改進,新方法的不斷出現(xiàn),提高了樣品蛋白質(zhì)組分的分離效果,增加了結果判定的可靠性。隨著蛋白質(zhì)組學技術的深入發(fā)展,日本血吸蟲蛋白質(zhì)組學的研究成果,將為研制開發(fā)新型疫苗、藥物和診斷制劑提供重要的理論基礎。

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Advances in Proteomics ofSchistosoma japonicum

LIU Chun-yan1,WANG Jing-xiang2,LIN Rui-qing1,ZHU Xing-quan1

(1.South China Agricultural University,Guangzhou,Guangdong,510642,China;2.Rongcheng Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Rongcheng,Shandong,264300,China)

With the development on genomics ofSchistosma japonicum,the proteomics techniques such as two-dimensional electrophoresis,mass spectrometry and bioinformatic analysis have been applied to the studies ofS.japonicum.The genome of an organism is comparatively constant,but the proteins express variously with different life stages and different environmental conditions.Studies on proteomics ofS.japonicumcontribute to uncover the mechanism of interaction between parasite and host,and find drug targets and vaccine candidates.T he present article briefly reviewed the advances in the proteomics studies ofS.japonicum,including differentially expressed proteins in schistosomulum,male and female,drug related proteomics research and immunoproteomics.

Schistosoma japonicum;differentially expressed protein;proteomics

S852.735

A

1007-5038(2010)01-0092-04

2009-07-29

國家“973”計劃項目(2007CB513104)

劉春艷(1983-),女,廣東廣州人,碩士研究生,主要從事寄生蟲病學研究。*通訊作者