大熊貓與亞洲黑熊的紅細(xì)胞膜蛋白質(zhì)譜檢測(cè)

鄧林華 趙俸涌 李 勤 黃 山魏 明 張亞輝 王承東 李德生* 朱自嚴(yán)*

(1.中國大熊貓保護(hù)研究中心，大熊貓國家公園珍稀動(dòng)物保護(hù)生物學(xué)國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，都江堰，611830；2.上海市血液中心，上海，200051)

血液作為機(jī)體氣體及物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的重要結(jié)締組織，其生理生化的改變與生命體活動(dòng)息息相關(guān)，紅細(xì)胞作為氣體運(yùn)輸?shù)奈ㄒ惠d體，直接決定著生命體的氣體代謝。熊科(Ursidae)動(dòng)物分布較廣，部分種具有冬眠的生活特性，導(dǎo)致紅細(xì)胞(red blood cell，RBC)生理生化亦發(fā)生改變以適應(yīng)生命體活動(dòng)，如冬眠中的棕熊(Ursusarctos)，紅細(xì)胞抗氧化物質(zhì)積累以抵抗其低代謝情況下有害物質(zhì)的積聚，從而保護(hù)紅細(xì)胞的生存[1]。

成熟的哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞無核，其僅可通過無氧酵解途徑供能，而糖酵解依賴的豐富酶系一般通過與骨架蛋白互作而定位于紅細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)[2-3]，其氣體代謝功能行使所依賴的多種通道蛋白一般以多次穿膜的跨膜蛋白形式存在[4-5]，故紅細(xì)胞氣體代謝功能主要是以膜蛋白為基礎(chǔ)，這一點(diǎn)在其他哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞膜研究中已被充分證實(shí)，同時(shí)在一些生活習(xí)性特化的哺乳動(dòng)物中，膜蛋白數(shù)量也發(fā)生變化以適應(yīng)生命活動(dòng)需要，如駱駝科(Camelidae)動(dòng)物紅細(xì)胞為橢球型，帶3蛋白大量表達(dá)以適應(yīng)其血液滲透壓的變化[6]。

紅細(xì)胞膜蛋白研究早期以蛋白電泳為主，隨著蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)發(fā)展，目前較為全面地對(duì)紅細(xì)胞膜蛋白開展的研究一般采用質(zhì)譜技術(shù)。質(zhì)譜技術(shù)按照對(duì)待測(cè)樣品添加電荷的不同而分為若干技術(shù)，但這些技術(shù)的共通之處是對(duì)蛋白質(zhì)酶解后的多肽片段進(jìn)行電荷標(biāo)記，通過質(zhì)量/電荷的數(shù)值(質(zhì)荷比M/Z)對(duì)該多肽片段進(jìn)行分離，分離后的帶電多肽片段通過電場(chǎng)磁場(chǎng)的篩選，最后通過檢測(cè)器檢測(cè)。由于蛋白質(zhì)被酶解后形成的肽指紋圖譜是唯一的，故當(dāng)檢出多肽片段通過打分超過閾值后，就可以認(rèn)定該蛋白的存在。正由于以上原因?qū)е沦|(zhì)譜技術(shù)可同時(shí)處理較大量樣本信息，故對(duì)于未知蛋白樣品的分析十分有用[7-9]。本研究基于探索大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)紅細(xì)胞膜蛋白組學(xué)，通過液相色譜串聯(lián)二級(jí)質(zhì)譜(LC-MS/MS)技術(shù)，對(duì)大熊貓及亞洲黑熊(Ursusthibetanus)紅細(xì)胞進(jìn)行了檢測(cè)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 血液樣本來源及抗凝方法

本實(shí)驗(yàn)使用的大熊貓及亞洲黑熊血液來自于中國大熊貓保護(hù)研究中心，血液樣本為4—10月采集(本實(shí)驗(yàn)中涉及大熊貓樣本為成年健康雄性，采樣年齡10歲；亞洲黑熊為成年健康雄性，年齡8歲)，血液采用EDTA·2K抗凝，采集血樣4℃運(yùn)輸，12 h內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。人類及C57BL6小鼠紅細(xì)胞樣本為檢驗(yàn)合格后的實(shí)驗(yàn)廢樣。

1.1.2 主要試劑及儀器

主要試劑：1 moL/LTris-HCl母液(上海生工生物B548142)，20×PBS母液(上海生工生物B548117)，Hoechst33342染料(B-2261，Sigma)。

主要儀器：離心機(jī)(Beckman-optima)，蛋白電泳儀(BIO-RAD)，分選流式細(xì)胞儀(Aria sorp，BD)質(zhì)譜儀TripleTOF5600系統(tǒng)結(jié)合納升噴霧Ⅲ離子源(AB SCIEX)。

1.2 方法

1.2.1 血液分離

大熊貓抗凝血樣經(jīng)自然沉降后，使用移液器移去白膜層后，吸棄血漿，將剩余壓積紅細(xì)胞1∶50稀釋于1×PBS中。

1.2.2 紅細(xì)胞分選

將Hoechst33342染料配置成5 000 μg/mL母液，按照1 μL/1 mL比例加入上步制備紅懸液中，冰浴孵育30 min。流式分選儀提前30 min預(yù)熱，通過SSC與FSC參數(shù)，設(shè)門去除細(xì)胞碎片，血小板及黏連細(xì)胞；然后通過Hoechst33342染料熒光設(shè)門，去除有核細(xì)胞；最后將單個(gè)完整紅細(xì)胞分選至無菌15 mL離心管中。取500 μL分選后細(xì)胞懸液，離心后，去除400 μL上清，輕柔重懸細(xì)胞后，制片，置于顯微鏡下觀察。

1.2.3 細(xì)胞膜蛋白制備

將分選后的紅細(xì)胞3 500 rpm，離心5 min，小心移除上清，加入40倍體積的低滲液(0.01 mol/L Tris-HCl，pH 7.4)，充分混勻，冰浴30 min，4℃，40 000 rpm，離心20 min，沉淀用低滲溶液洗3次。將大熊貓紅細(xì)胞血影中加入200 μL RIPA裂解液，震蕩混勻，冰上放置30 min，5 000 rpm，離心5 min，上清即為可溶性膜蛋白溶液。

1.2.4 膜蛋白質(zhì)譜檢測(cè)

將蛋白樣品測(cè)定濃度后，進(jìn)行SDS-PAGE電泳，并將凝膠進(jìn)行切膠回收、蛋白質(zhì)再溶解、蛋白質(zhì)樣本純化、脫鹽及加基質(zhì)后，進(jìn)行LC-MS/MS檢測(cè)。色譜分離采用2 μL/min的流速上樣。質(zhì)譜噴霧電壓為2.5 kV，氣簾氣壓為30 PSI，霧化氣壓為5 PSI，加熱器溫度為150℃，質(zhì)譜掃描方式為信息依賴的采集工作模式。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Mascot 2.3軟件(Matrix Science)對(duì)質(zhì)譜結(jié)果原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消化酶選擇胰蛋白酶，允許最大漏切位點(diǎn)為2；固定修飾為：Carbamidomethyl(C)；可變修飾為：Acetyl(Protein N-term)、Deamidated(NQ)、Dioxidation(W)、Oxidation(M)、Phospho(ST)和Phospho(Y)；MS容差為±15 ppm，MSMS容差為±0.15 Da，Protein score C.I.%大于95%為鑒定成功。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 大熊貓、亞洲黑熊流式分選純化

大熊貓紅細(xì)胞懸液樣本染色后，根據(jù)血細(xì)胞特性，使用SSC和FSC參數(shù)差異去除掉細(xì)胞碎片，血小板及黏連細(xì)胞，使用Hoechst染料去除掉有核細(xì)胞，獲得高純度大熊貓紅細(xì)胞，并對(duì)分選后細(xì)胞懸液濃縮后制片觀察進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下(圖1)。

2.2 大熊貓、亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白電泳檢測(cè)

大熊貓與亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白SDS-PAGE分析，從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，條帶上大熊貓、亞洲黑熊與人類分布差不多，小鼠明顯少于三者。

2.3 大熊貓、亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白質(zhì)譜檢測(cè)

通過Blast2GO軟件對(duì)大熊貓及亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白進(jìn)行質(zhì)譜原始結(jié)果注釋，共注釋大熊貓可溶性紅細(xì)胞膜蛋白388種，在亞洲黑熊中共注釋出315種紅細(xì)胞膜蛋白。大熊貓與亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白在細(xì)胞上的定位主要在于膜部分、胞外區(qū)、胞內(nèi)區(qū)及蛋白復(fù)合體，大熊貓紅細(xì)胞膜蛋白和亞洲黑熊膜蛋白在細(xì)胞上的定位位置基本相同。大熊貓和亞洲黑熊膜蛋白發(fā)揮催化功能的蛋白從種類上分析差不多，主要有水解酶、轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶和裂解酶；數(shù)量上，大熊貓紅細(xì)胞所含各類酶組分較亞洲黑熊豐富。結(jié)果見表1，對(duì)這些酶類進(jìn)行檢索后發(fā)現(xiàn)，大熊貓較亞洲黑熊在糖酵解及物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白及酶系有諸多特有蛋白或酶類亞類，結(jié)果見表2。

表1 大熊貓、亞洲黑熊膜蛋白質(zhì)譜檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Mass spectrometry results of RBC membrane proteins from giant panda and Asian black bear

2.4 大熊貓、亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白功能分類分析

在用生物功能對(duì)大熊貓及亞洲黑熊膜蛋白進(jìn)行區(qū)分后，對(duì)比可知，大熊貓與亞洲黑熊膜蛋白上都發(fā)揮了比較相似的作用，如結(jié)合、酶催化、生物識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)運(yùn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者蛋白分類相似，大熊貓比亞洲黑熊紅細(xì)胞膜上存在約20種與代謝相關(guān)蛋白類。

3 討論

質(zhì)譜技術(shù)在人類紅細(xì)胞膜蛋白的研究中已有很廣泛的應(yīng)用。2006年，Pasini等[10]對(duì)紅細(xì)胞膜蛋白通過LTQ-FT質(zhì)譜技術(shù)鑒定出252種可溶性膜蛋白，并對(duì)這些蛋白在細(xì)胞膜上存在的位置、生物學(xué)功能進(jìn)行了分類討論。在隨后的研究中，研究人員通過對(duì)儲(chǔ)存3 d、21 d、42 d后的紅細(xì)胞膜蛋白通過LC-MS/MS進(jìn)行蛋白質(zhì)組研究，發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞膜表面發(fā)揮酶功能的蛋白及信號(hào)轉(zhuǎn)到相關(guān)的蛋白含量下降，認(rèn)為這可能是儲(chǔ)存后的紅細(xì)胞生存能力減弱的原因[11]。一些研究人員通過質(zhì)譜技術(shù)從蛋白質(zhì)組學(xué)上分析了人與小鼠的差別[12]，在紅細(xì)胞膜蛋白功能方面的研究中通過敲除小鼠對(duì)半胱氨酸的氧化過程進(jìn)行了分析[13]，還通過紅細(xì)胞胞漿蛋白的質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)了先天再生障礙性貧血患者獨(dú)特的炎性反應(yīng)[14]。

由于大熊貓紅細(xì)胞膜蛋白承載著紅細(xì)胞所行使的生理功能，而目前尚無針對(duì)細(xì)胞膜蛋白的研究。在對(duì)大熊貓紅細(xì)胞膜蛋白的研究中，通過SDS-PAGE條帶分析可以發(fā)現(xiàn)，大熊貓與亞洲黑熊蛋白條帶數(shù)目相近，說明所含蛋白種類相似度較高(圖2)，這也提示大熊貓紅細(xì)胞膜表面蛋白和亞洲黑熊紅細(xì)胞膜表面蛋白種類可能相差不大。在進(jìn)一步通過質(zhì)譜研究中，我們發(fā)現(xiàn)大熊貓與亞洲黑熊的紅細(xì)胞具有功能類似的膜蛋白組成，在這些生物功能中的代謝部分大熊貓較亞洲黑熊多20種(表2，圖3)，這提示可能大熊貓隨著生活習(xí)性特化，導(dǎo)致其體內(nèi)生命活動(dòng)過程發(fā)生了改變，最終導(dǎo)致其紅細(xì)胞膜蛋白功能的改變以適應(yīng)上述變化。本研究中未發(fā)現(xiàn)亞洲黑熊較大熊貓具有特有的膜蛋白，其可能的原因是，目前亞洲黑熊尚無參比序列及相關(guān)蛋白數(shù)據(jù)庫，故質(zhì)譜結(jié)果僅可根據(jù)大熊貓數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，可能導(dǎo)致少部分蛋白注釋存在偏差。

表2 大熊貓、亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白差異蛋白涉及生物學(xué)過程Tab.2 Distinct membrane proteins involved in different pathway in giant panda

續(xù)表2

在質(zhì)譜檢測(cè)中我們還發(fā)現(xiàn)蛋白注釋結(jié)果中有很多屬于內(nèi)膜系統(tǒng)的蛋白質(zhì)。由于成熟的哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞只有細(xì)胞膜而不含有其他的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)膜系統(tǒng)。所以理論上講，由紅細(xì)胞制備的細(xì)胞膜蛋白不會(huì)有內(nèi)膜系統(tǒng)的干擾，故在大熊貓紅細(xì)胞膜上所鑒定到的其他內(nèi)膜系統(tǒng)上的蛋白來源只有一種可能，就是當(dāng)紅細(xì)胞脫核后，這些蛋白重新定位到紅細(xì)胞膜上，繼而可能發(fā)揮新的生理功能。這一過程發(fā)生的機(jī)理、膜蛋白定位的變化及與其定位到紅細(xì)胞膜后的特定生理功能還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

通過膜蛋白電泳及質(zhì)譜檢測(cè)對(duì)大熊貓及亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)大熊貓與亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白組成符合哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞膜組成規(guī)律。通過膜蛋白質(zhì)譜檢測(cè)共檢測(cè)標(biāo)定大熊貓紅細(xì)胞膜蛋白388種，亞洲黑熊紅細(xì)胞膜蛋白315種。