iTRAQ技術在阿爾茨海默病早期診斷中的應用

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iTRAQ技術在阿爾茨海默病早期診斷中的應用

曾九江田立兵白帥魏楚蓉毛慕華羅友根

(井岡山大學神經(jīng)退行性疾病與衰老研究中心，江西吉安343000)

〔關鍵詞〕阿爾茨海默?。籭TRAQ；蛋白組學；早期診斷

第一作者：曾九江(1991-)，男，主要從事神經(jīng)損傷修復研究。

迄今為止，阿爾茨海默病(AD)的病因和發(fā)病機制尚不明確，目前尚無有效治療措施，所以AD的早期診斷顯得尤為重要。結合多維液相色譜和串聯(lián)質譜分析，相對和絕對定量的等量異位標簽技術(iTRAQ)現(xiàn)已成為蛋白組學定量研究的主要工具之一。它能夠精確篩選和鑒定病理狀態(tài)下差異表達蛋白并分析其功能，從而明確疾病的病因和發(fā)病機制并對疾病做出早期診斷。本文就iTRAQ技術在AD早期診斷中的應用作一概述。

1iTRAQ技術原理

iTRAQ試劑為能與氨基酸N端及賴氨酸側鏈連接的胺標記同種元素，由4種分子量均為145 D的等量異位標簽分子組成。 標簽分子分別由質量為 114、115、116、117 Da的報道基團、質量為31、30、29、28 D的質量平衡臂和一個相同的多肽反應基團組成〔1〕。報告部分 有4種(114～117)，因此iTRAQ可同時標記4組樣品，現(xiàn)在該試劑已經(jīng)發(fā)展到可以同時標記8種不同蛋白質樣品,分析能力明顯提高。平衡部分可保證iTRAQ標記的同一肽段的質荷比相同。肽反應部分能與肽N端及賴氨酸側鏈發(fā)生共價連接，可標記所有酶解肽段。

iTRAQ標記和分析過程：將4種蛋白質樣品分別進行還原和烷基化，經(jīng)胰蛋白酶水解后，分別用4種不同的iTRAQ試劑進行標記，將所有樣品混合，然后經(jīng)非在線或在線的液相分離，并用串聯(lián)質譜方法對在第一級質譜檢測到的前體離子進行碰撞誘導解離，產(chǎn)物離子通過第二級質譜進行分析。第二級質譜可同時檢測到質量相差1 D的114、115、116和117 D 4種報道離子和被標記多肽肽鍵斷裂產(chǎn)生的離子串。前者代表不同樣品中相同多肽的豐度，而后者可通過對蛋白質序列數(shù)據(jù)庫的搜索確定蛋白質前體的身份。在其上4 種報告基團通過平衡基團與反應基團相連，幾乎可以標記所有蛋白質〔2,3〕。在質譜圖中，任何一種iTRAQ試劑標記的不同樣本中的同一蛋白質表現(xiàn)為相同的質荷比，而且信號離子表現(xiàn)為不同質荷比(114～117)的峰，并根據(jù)波峰的高度及面積，獲取蛋白質的定量信息。

2iTRAQ技術在AD早期診斷中的應用

2.1定量分析神經(jīng)細絲神經(jīng)細絲(NF)是神經(jīng)細胞骨架之一，由三種多肽亞基組成：NF-L(73 kD)、NF-M(145 kD)、 NF-H(200 kD)。神經(jīng)骨架蛋白的異常磷酸化是AD的一個早期的病理生理特征。iTRAQ分析報道，與正常腦相比，AD腦中NF-M Ser-783位點的磷酸化水平顯著升高。另外，用磷酸化的Ser-680 和Ser-685來標示人類NF-M的肽殘基，與正常腦相比，iTRAQ試劑標記在AD腦上的相對強度達到高峰值，表明AD腦中NF-M的Ser-685位點磷酸化水平也升高〔4〕。采用iTRAQ技術對AD腦NF-H磷酸肽進行鑒定和定量分析，結果發(fā)現(xiàn)AD腦中NF-H有10個KSP位點存在高水平的磷酸化(磷酸化水平為對照組的2.31～8.01倍)，并通過iTRAQ分析認為細胞周期素依賴蛋白激酶5(Cdk5)是AD腦中NF-H高度磷酸化的主要激酶〔4〕?？傊琲TRAQ分析顯示AD腦中的神經(jīng)纖絲NF-M 和 NF-H比正常腦磷酸化水平更高，這是首次運用定量技術來鑒定多部位高度磷酸化的蛋白。這種對NF-M 和 NF-H磷酸化部位進行iTRAQ定量分析對AD早期診斷具有重要意義。

2.2定量分析Aβ前體蛋白APPβ淀粉樣蛋白(Aβ)是淀粉樣蛋白前體(APP)經(jīng)蛋白水解酶水解后的產(chǎn)物，是AD腦內主要病理標志性蛋白之一。有研究報道，3×Tg AD鼠存在Aβ沉積，并采用iTRAQ方法定量分析了16月齡的3×Tg AD鼠腦內蛋白的差異表達，發(fā)現(xiàn)APP突變基因高度表達〔5〕。也有研究認為，APP突變的轉基因模式動物在Aβ形成前，已經(jīng)有許多蛋白的表達發(fā)生變化，大部分蛋白在學習和記憶中有重要的作用，表明APP基因突變使其它許多蛋白表達發(fā)生變化，最終導致老年斑的形成，認知功能下降〔6〕。這些數(shù)據(jù)為AD的早期診斷提供強有力的證據(jù)。

2.3定量分析N-糖蛋白N-糖蛋白的糖基化與AD密切相關。iTRAQ技術結合18O穩(wěn)定同位素鑒定N-糖基化位點，定量糖基化肽類和非糖基化的肽類，并且在目標糖蛋白中獲得N-糖基化位點比率。再用H216O和H218O分別標記經(jīng)過肽-N-聚糖酶F催化的N-糖基化位點，結果肽裂解碎片使標記的肽和相應的蛋白得以鑒定，并通過測量標記的肽碎片產(chǎn)生的報告離子的強度來使肽相對定量化從而判斷各種蛋白的來源。數(shù)據(jù)顯示，AD腦中報告離子的強度比正常的強，說明異常糖基化水平的上調與AD緊密聯(lián)系〔7〕。這些數(shù)據(jù)說明，iTRAQ可以通過定量分析蛋白質的糖基化水平，在AD的早期診斷中發(fā)揮其作用。

2.4定量分析線粒體膜蛋白能量代謝是機體維持正常生理功能所必須的，倘若代謝失衡，將導致疾病發(fā)生。腦是一高耗能組織，對血流量和氧的需求較高。毫無疑問，AD的發(fā)病與能量代謝息息相關。采用iTRAQ技術結合質譜法定量分析3×Tg AD鼠，結果發(fā)現(xiàn)24種蛋白表達出現(xiàn)明顯失調，其中三分之一屬于與氧化磷酸化系統(tǒng)復合體I和IV密切相關的線粒體蛋白〔8〕。另外有數(shù)據(jù)證明，AD腦內存在著氧化磷酸化系統(tǒng)復合酶Ⅰ和Ⅳ的下調，而線粒體膜蛋白的異常表達引起線粒體能量代謝障礙，從而使神經(jīng)元變性和壞死，誘發(fā)AD〔9〕。

2.5定量分析其他AD相關蛋白采用B104神經(jīng)母細胞瘤細胞系建立一種體外神經(jīng)元缺血缺氧模型，利用以iTRAQ為基礎的鳥槍法蛋白定量技術分析AD相關蛋白(如ω-谷胱甘肽S-轉移酶、14-3-3δ/ζ等)的表達水平，從而對AD做出早期診斷。研究發(fā)現(xiàn)，ω-谷胱甘肽S-轉移酶這一與AD有關的多功能酶表達水平出現(xiàn)下調，并在抗氧化應激中發(fā)揮重要保護作用〔10〕。14-3-3δ/ζ特異蛋白是一種高豐度的銜接蛋白，被稱為AD遺傳網(wǎng)絡的中心樞紐〔11〕。這些研究成果均表明iTRAQ技術在AD的早期診斷中將大有作為。

3展望

iTRAQ 是近年來開發(fā)的一種新的蛋白定量技術，它為AD的深入研究提供了一個強有力的平臺，也在一定程度上為AD的早期診斷打下了堅實的基礎。iTRAQ技術雖然優(yōu)于其他同位素標記的蛋白定量研究技術，但尚存在一些棘手的問題，如iTRAQ 標記操作時需要胰蛋白酶消化，這就導致結果可能受到樣品處理誤差或消化程度不同的影響；iTRAQ試劑易受污染；iTRAQ試劑標記蛋白量有限制以及價格昂貴等〔12～14〕。隨著質譜技術、軟件分析系統(tǒng)的發(fā)展，iTRAQ技術有望成為日后定量蛋白質組學研究的核心技術。

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〔2015-03-11修回〕

(編輯李相軍)

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通訊作者：羅友根(1970-)，男，博士，副教授，主要從事阿爾茨海默病病因、機制及防治研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(No.31360238)；江西省自然科學基金資助項目(No.20132BAB205020，20142BAB205030)；井岡山大學2014年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目(No.2014029)

〔中圖分類號〕Q421

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2015)22-6616-02；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.22.145