福爾馬林固定石蠟包埋組織樣本的蛋白質(zhì)組制備技術研究

關鍵詞 福爾馬林固定石蠟包埋樣本；樣本制備；蛋白質(zhì)組；質(zhì)譜；液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用

基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學技術在發(fā)現(xiàn)疾病診斷生物標志物和指導疾病分類治療方面發(fā)揮了重要的作用[1-3]。離體組織樣本可能喪失生物功能和結(jié)構(gòu)，為便于長期保存和分析，常采用福爾馬林固定劑處理，將其制備成福爾馬林固定石蠟包埋（FFPE）組織樣本[4-5]。FFPE 組織樣本關聯(lián)大量的臨床信息，對疾病研究至關重要。然而，組織樣本經(jīng)過甲醛固定和封蠟處理后，給后續(xù)的蛋白質(zhì)組學樣本制備帶來了挑戰(zhàn)：組織樣本經(jīng)石蠟包裹，與外界完全隔離，經(jīng)甲醛固定后，樣本的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間或蛋白質(zhì)與核酸之間會發(fā)生交聯(lián)反應，降低蛋白質(zhì)的溶解性和酶解效率[6-7]，同時，樣本的蛋白質(zhì)產(chǎn)生位置修飾，影響蛋白質(zhì)組鑒定的準確性。

二甲苯（Xylene）常用于溶解石蠟[8]，但由于其具有揮發(fā)性和毒性，被世界衛(wèi)生組織列為致癌物質(zhì)。為降低對研究人員健康的影響， Triton X-100 被開發(fā)用于替代二甲苯脫蠟[9]。FFPE 組織樣本蛋白提取過程中常用的裂解液包括RapiGest、三氟乙醇（TFE）和12 烷基硫酸鈉（SDS）。SDS 雖為強效細胞裂解劑，但與質(zhì)譜儀器不兼容，限制了其應用[10-11]。相比之下， RapiGest 和TFE 具備有效的蛋白裂解能力，并與質(zhì)譜儀器具有較好的兼容性。Coscia 等[12]以50% TFE/300 mmol/L Tris-HCl 為裂解液，完成了卵巢癌患者FFPE 蛋白質(zhì)組樣本的制備，通過質(zhì)譜分析共鑒定出4588 種蛋白質(zhì)，體現(xiàn)了TFE 在蛋白質(zhì)組樣本制備中的有效性。RapiGest 是一種與質(zhì)譜兼容的酸不穩(wěn)定性表面活性劑，能夠增加疏水性蛋白或肽段的溶解度，提升蛋白質(zhì)酶解的效率[13-14]。Wu 等[15]建立了NanoTPOT 微量樣本制備方案，該方案在60 ℃條件下使用0.1% RapiGest 裂解細胞，從0.5 μg Hela 蛋白中鑒定出5474 種蛋白質(zhì)。目前，常使用的蛋白酶切方案包括過濾輔助樣品制備（FASP）技術[16]、原位酶切（iST）技術[17]和單體系固相增強樣品制備（SP3）技術[18-19]。FASP 酶切方案根據(jù)濾膜分子量大小截留蛋白質(zhì)，適用于各種裂解液提取的蛋白質(zhì)，但操作較繁瑣，在微量樣本中的效果可能有限。iST 和SP3 實驗方案都是在單一容器內(nèi)完成樣本制備，簡化了操作步驟，適用于微量樣本的蛋白質(zhì)組樣本制備。

為了探索FFPE 蛋白質(zhì)組樣本的最佳制備條件，本研究選擇2 種脫蠟液（Triton X-100 和Xylene）、2 種裂解液（TFE 和RapiGest）以及3 種酶切方案（iST、SP3 和FASP）作為技術基礎，通過正交實驗設計了12 種樣本制備方案，分別為TTF（Triton-TFE-FASP）、TTI（Triton-TFE-iST）、TTS（Triton-TFE-SP3）、TRF（Triton-RapiGest-FASP）、TRI（Triton-RapiGest-iST）、TRS（Triton-RapiGest-SP3）、XTF（Xylene-TFEFASP）、XTI（Xylene-TFE-iST）、XTS（Xylene-TFE-SP3）、XRF（Xylene-RapiGest-FASP）、XRI（Xylene-RapiGest-iST）和XRS（Xylene-RapiGest-SP3）。從蛋白質(zhì)和肽段的鑒定深度、鑒定穩(wěn)定性和蛋白豐度的定量水平等方面對各方案進行了系統(tǒng)性評估。結(jié)果顯示， TTI 技術方案在所有測試條件中表現(xiàn)最好，具有突出的鑒定重復性和穩(wěn)定性，同時在蛋白質(zhì)鑒定數(shù)量上也表現(xiàn)最佳。本研究為FFPE 組織樣本的蛋白質(zhì)組學分析提供了技術參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Easy-nLC 1200 納升級液相色譜儀、Orbitrap Fusion Lumos Tribrid 質(zhì)譜儀、NanoDrop OneC 微量紫外分光光度計和ThermoMixer C 金屬?。绹鳷hermo Scientific 公司）；Vacufuge Plus 真空離心濃縮儀（德國Eppendorf 公司）；JY92-IIN 超聲波細胞粉碎機（寧波新芝生物科技公司）；電熱恒溫培養(yǎng)箱（上海一恒科技有限公司）。

Triton X-100非離子表面活性劑（≥99%）、TFE（≥90%）、氯乙酰胺（CAA，≥98%）和氨水（≥99%）（美國Sigma Aldrich 公司）；二甲苯（≥99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；RepiGest 表面活性劑（≥98%，美國Waters 公司）；Tris-HCl（≥99%， pH 8.0）、三（2-羧乙基）膦（TCEP，≥97%）、三氟乙酸（TFA，≥99%）、甲酸（FA，gt;99%）、乙醇和乙腈（質(zhì)譜純）（美國Thermo Scientific 公司）；測序級胰蛋白酶（Trypsin，質(zhì)譜純，北京酶知源生物科技有限公司）；SDB-RPS 固相萃取盤（色譜純，美國3M 公司）。

1.2 樣本信息

本研究使用的FFPE 組織切片樣本均來自中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院，并已得到該醫(yī)院倫理委員會的批準（審批編號：NCC2020C-209）。參與此項研究的個體已簽署知情同意書，確保研究的倫理合規(guī)性。

所采用的樣本均來自同一患者的肝細胞癌FFPE 組織切片，切片大小約為5 mm×5 mm，厚度為5 μm。

1.3 FFPE 組織樣本的脫蠟與解交聯(lián)

Triton X-100 脫蠟流程[9] （1）將FFPE 組織切片在60 ℃恒溫箱中處理10 min；（2）將切片轉(zhuǎn)移至1% Triton X-100 中（60 ℃），浸泡15 min，重復1 次；（3）用去離子水洗滌切片，每次浸泡5 min，重復2 次。

二甲苯脫蠟流程[8] （1）FFPE 切片在60 ℃恒溫箱中處理10 min；（2）將切片轉(zhuǎn)移至二甲苯中，室溫浸泡10 min，重復1 次；（3）依次使用100%、95%、85%和75%乙醇溶液浸泡切片，其中前兩個濃度各重復2 次，每次浸泡時間為5 min；（4）將切片轉(zhuǎn)移至去離子水中浸泡5 min，重復2 次。

蛋白質(zhì)提取和解交聯(lián)流程[12] （1）向樣品中加入50% TFE/300 mmol/L Tris-HCl 或0.1% RapiGest，進行水浴超聲處理1 h；（2）樣品置于90 ℃金屬浴中加熱90 min；（3）再次進行水浴超聲處理1 h。

1.4 蛋白質(zhì)酶切和肽段脫鹽

FASP 酶切方案 （1）將樣品轉(zhuǎn)入截留分子量為30 kDa 的超濾離心管中，加入TCEP（5 mmol/L）和CAA（25 mmol/L）混合液至終體積為200 μL，置于37 ℃金屬浴中孵育1 h；（2）以16000 r/min 離心15 min，棄去濾過液，并更換套管；（3）加入1 μg Trypsin，在37 ℃金屬浴中酶切16 h，轉(zhuǎn)速為1500 r/min；（4）離心，收集酶切液。

iST 酶切方案 （1）將蛋白樣品轉(zhuǎn)移至EP 管中，加入TCEP（5 mmol/L）和CAA（25 mmol/L）至終體積為200 μL，在37 ℃金屬浴中孵育1 h；（2）將液體樣品置于真空干燥機中，干燥至約20 μL；（3）加入1 μg Trypsin，在37 ℃金屬浴中酶切16 h，轉(zhuǎn)速為1500 r/min；（4）離心，收集上清液。

SP3 酶切方案 （1）在蛋白樣品中加入TCEP（5 mmol/L）和CAA（25 mmol/L）至終體積為200 μL，在37 ℃金屬浴中孵育1 h；（2）加入經(jīng)去離子水清洗過的磁珠，再加入純乙醇，使乙醇含量超過50%，在24 ℃金屬浴中孵育5 min，轉(zhuǎn)速為1000 r/min；（3）17000 r/min 離心5 min，再置于磁力架上吸附磁珠，去除上清液；（4）加入200 μL 乙醇-水（80∶20， V/V）洗滌2 次；（5）加入1 μg Trypsin，在37 ℃金屬浴中孵育16 h，轉(zhuǎn)速為1500 r/min；（6）離心，然后再用磁力架吸附磁珠，收集上清液。在收集的各樣品酶切液中加入TFA 至終濃度為1%，待脫鹽。

SDB-RPS-Tip 脫鹽 （1）將2 層SDB-RPS 膜轉(zhuǎn)移至100 μL 移液頭中，并用0.2% TFA 洗滌1 次；（2）將酶切液加至SDB-RPS-Tip 柱中，離心（4000 r/min， 1 min）去除廢液；（3）采用0.2% TFA 洗滌3 次；（4）采用5%氨水的ACN-ddH₂O（80∶20，V/V）洗脫肽段。收集的肽段在真空離心濃縮儀中熱干，于–80 ℃保存，供LC-MS/MS 分析。

1.5 LC-MS/MS分析

使用EASY-nLC 1200系統(tǒng)與Orbitrap Fusion Lumos Tribrid 質(zhì)譜儀進行分析。肽段在自制的C18 柱（內(nèi)徑為100 μm，柱長為30 cm）上分離。流動相A 為0.1% FA，流動相B 為80% ACN/0.1% FA。肽段以600 nL/min 的流速在135 min 內(nèi)洗脫。梯度洗脫程序如下：0～13 min， 3%～10% B；13～99 min， 10%～22% B；99～120 min， 22%～30% B；120～123 min， 35%～90% B；123～135 min， 90% B。MS1 和MS2 均使用Orbitrap 質(zhì)量分析器分析。MS1 掃描范圍為m/z 350～1550，分辨率為120000。全掃描的自動增益控制（AGC）目標設定為4×10⁵，最大離子注入時間（MIT）為60 ms。選擇用于MS/MS 的前體離子的離子隔離寬度為m/z 1.6，在30%的標準化碰撞能量下進行碎裂。MS2 分辨率設定為15000， AGC 為5×10⁴， MIT 為30 ms。前體離子的動態(tài)排除時間為18s。

1.6 數(shù)據(jù)分析

質(zhì)譜原始數(shù)據(jù)使用MaxQuant 軟件（版本號：2.0.3）[20]進行分析，在Uniprot 下載用于人類蛋白質(zhì)組檢索數(shù)據(jù)庫。MaxQuant 設置參數(shù)如下：蛋白水解酶為Trypsin，最大漏切位點為2；母離子質(zhì)量偏差為20 ppm （10^–6），子離子質(zhì)量偏差為4.5 ppm；Carbamidomethyl （C）被選為固定修飾，可變修飾選擇甲硫氨酸氧化和N-乙?；?；錯誤發(fā)現(xiàn)率（FDR）lt;1%，其它設置參數(shù)選擇默認值?；虮倔w（GO）富集分析使用R 語言的ClusterProfiler 軟件包[21]完成，顯著信號通路的選擇標準為plt;0.05。數(shù)據(jù)分析與可視化使用Perseus、Excel 和GraphPad Prism 等工具軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗方案設計

本研究設計了一套正交實驗方案，系統(tǒng)地評價了不同前處理方案對FFPE 組織樣本蛋白質(zhì)組定性與定量分析結(jié)果的影響（圖1）。此方案包括2 種脫蠟方案（Triton X-100，標記為T；二甲苯，標記為X），2種裂解液（TFE，同樣標記為T；RapiGest，標記為R），以及3種酶切方案（FASP，標記為F；iST，標記為I；SP3，標記為S）。以上元素組合形成12種不同的處理組合，分別為TTF、TTI、TTS、TRF、TRI、TRS、XTF、XTI、XTS、XRF、XRI 和XRS。每種組合方式進行3次重復實驗，以確保實驗結(jié)果可靠。

2.2 12種制備方案的蛋白質(zhì)組對比分析結(jié)果

12種制備方案的平均蛋白質(zhì)鑒定數(shù)量范圍在1906～3194 之間，其中TTI 方案的平均蛋白質(zhì)鑒定數(shù)量最多，達到3194 種蛋白質(zhì)，比鑒定數(shù)最少的XRF 方案提升了1.68 倍（圖2）。在3 種酶切方案中， iST 酶切方案（–I）鑒定的蛋白質(zhì)數(shù)量和肽段數(shù)量均明顯優(yōu)于SP3（–S）和FASP（–F）酶切方案，其中， FASP 酶切方案鑒定的蛋白質(zhì)數(shù)量最少。觀察到TTI-TTS-TTF、TRI-TRS-TTF、XTI-XTS-XTF 和XRI-XRS-XTF 這4 種比較組合中趨勢一致， –I 組的蛋白質(zhì)鑒定數(shù)量和肽段鑒定數(shù)量都優(yōu)于–S 組和–F 組， –F 組最低（圖2A）。同時，觀察到使用TFE（T）作為裂解液的效果明顯優(yōu)于RapiGest（R），例如，在TTI 與TRI、TTS 與TRS 等的對比中，選用TFE（-T-）的組合普遍優(yōu)于RapiGest（-R-）。此外，無論選擇Triton X-100 還是二甲苯作為脫蠟液，對FFPE 組織樣本的蛋白質(zhì)組分析結(jié)果影響較小，如TTI 與XTI、TTS 與XTS 等的比較顯示，蛋白質(zhì)和肽段鑒定數(shù)量之間的差異較小。

2.3 12 種制備方案的蛋白鑒定情況對比分析結(jié)果

通過韋恩圖對比分析，對12 種制備方案的蛋白鑒定情況進行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，使用Triton X-100 （T–）和二甲苯（X–）作為脫蠟液的差異較小，在各組配對方案中，如TTI-XTI 和TTS-XTS 等，不同脫蠟液特異性鑒定的蛋白質(zhì)數(shù)量占比通常低于7%，表明2 種脫蠟方法之間的差異不顯著（圖3A）。相比之下， 2種不同的裂解液TFE（-T-）和RapiGest（-R-）之間的差異較為明顯。在配對組，如TTI-TRI 和TTS-TRS 中，特異性鑒定蛋白質(zhì)的占比大部分超過13%，其中， RapiGest（-R-）組的特異性鑒定蛋白質(zhì)占比在9.10%～14.40%之間，而TFE（-T-）組在18.38%～30.22%之間（圖3B）。上述結(jié)果表明， TFE 裂解液（-T-）在蛋白質(zhì)組鑒定中具有明顯優(yōu)勢。同時，在保持裂解液和脫蠟方式不變的情況下， iST（–I）酶切方案的特異性鑒定的蛋白質(zhì)數(shù)量顯著高于SP3（–S）和FASP（–F）酶切方案（圖3C）。綜上， TFE 和iST 酶切技術可顯著提升FFPE 組織樣本的蛋白質(zhì)組鑒定效果，而脫蠟方式對蛋白質(zhì)組鑒定的影響較小。

2.4 蛋白質(zhì)定性結(jié)果的重復性和穩(wěn)定性評估

對12種制備方案的重復性和穩(wěn)定性進行了評估。采用各制備方案中3 次重復實驗均能鑒定到的蛋白質(zhì)的占比作為評估制備方案重復性的關鍵指標。在12 種方案中， 10 種方案的蛋白質(zhì)鑒定重復占比超過70%，表現(xiàn)出較高的重復性（圖4A）。然而， XRF 和TRF 方案的重復性較低，分別只有65.71%和65.68%。在所有方案中， TTI 和XTI 方案表現(xiàn)最佳， 3 次重復實驗的鑒定百分比分別為77.02%和75.49%（圖4A）。以鑒定蛋白質(zhì)的變異系數(shù)（CV）衡量各制備方案的穩(wěn)定性，除TRF 和XRF 方案外，其它方案的CVlt;5%的蛋白質(zhì)占比均超過85%，顯示出較高的穩(wěn)定性（圖4B）。特別是TTI 方案，其CVlt;5%的蛋白質(zhì)占比高達89.41%，顯示出極高的穩(wěn)定性（圖4B）。以上結(jié)果表明，絕大部分制備方案不僅具備良好的重復性，還展現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性，其中， TTI 方案的表現(xiàn)最優(yōu)。

2.5 蛋白質(zhì)定量檢測結(jié)果的穩(wěn)定性評估

按照蛋白質(zhì)定量豐度對12 種制備方案進行降序排列。TTI 和XTI 方案鑒定的蛋白質(zhì)豐度明顯優(yōu)于其它方案，尤其在低豐度蛋白質(zhì)鑒定方面表現(xiàn)尤為突出（圖5A）。將蛋白質(zhì)豐度劃分為4個區(qū)間：lt;10⁷，10⁷～10⁸， 10⁸～10⁹和≥10⁹。與其它方案相比， TTI 和XTI 在lt;10⁷ 區(qū)間的蛋白質(zhì)較少，在10⁷～10⁹ 區(qū)間的蛋白質(zhì)數(shù)量顯著增多，表明這2種方案可以提高對低豐度蛋白質(zhì)的鑒定水平，有助于增加蛋白質(zhì)鑒定數(shù)量和提高定量準確性（圖5B）。

為進一步評估各種制備方案的蛋白質(zhì)定量分析的效果，選取各制備方案中定量值最低的100 種蛋白質(zhì)。通過交叉比對，挑選在各組實驗中均為最低豐度范圍的IMPA1（P29218）和CBPQ（Q9Y646）2 種蛋白質(zhì)作為評價基準。TTI 和XTI 方案鑒定的2 種蛋白質(zhì)的豐度水平明顯高于其它處理組（圖5C 和5D）。以上結(jié)果表明， TTI 和XTI 方案對低豐度蛋白質(zhì)的鑒定性能優(yōu)異，這也可能是這2 種方案在蛋白質(zhì)鑒定數(shù)量和穩(wěn)定性方面顯著提升的主要原因。

2.6 TTI方案在FFPE蛋白質(zhì)組研究中的性能優(yōu)勢

上述分析結(jié)果證明， TTI 方案是FFPE 蛋白質(zhì)組研究的首選?；诟渭毎┑腇FPE 組織樣本，本研究重點考察了TTI 方案在蛋白質(zhì)組研究中的性能優(yōu)勢。比較了TTI 與TTS 和TTF方案的差異，發(fā)現(xiàn)TTI方案特異性鑒定出了565 種蛋白質(zhì)，其中， 290種蛋白質(zhì)在3 次重復實驗中均被鑒定（圖6A）。GO 富集分析結(jié)果顯示，這290 種蛋白質(zhì)主要位于囊泡錨定復合體、溶酶體膜和液泡膜等細胞結(jié)構(gòu)（圖6B，電子版文后支持信息表S1），并參與翻譯調(diào)控、肝細胞增殖、上皮細胞增殖和肝臟形態(tài)發(fā)生等生物學過程。此外，在肝細胞增殖、上皮細胞增殖以及肝臟形態(tài)發(fā)生等過程的蛋白質(zhì)鑒定方面， TTI 方案較TTS 和TTF 方案能識別更多相關蛋白質(zhì)。

通過對TTI 和TRI 的韋恩圖分析，研究了TFE（-T-）和RapiGest（-R-）2 種裂解液的效果。TTI 方案特異性鑒定出796 種蛋白質(zhì)，其中397 種在3 次重復實驗中均被鑒定（圖6C）。GO 富集分析表明，這397 種蛋白質(zhì)主要定位于小亞基過程體、前核糖體和囊泡錨定復合體等細胞結(jié)構(gòu)，涉及rRNA 加工、核酸運輸和肝臟形態(tài)發(fā)生等多個生物過程（圖6D，電子版文后支持信息表S2）。以上結(jié)果進一步證明了TFE 裂解液在提高FFPE 組織樣本蛋白質(zhì)鑒定性能方面具有顯著優(yōu)勢，為疾病臨床研究提供了重要線索。

通過韋恩圖分析發(fā)現(xiàn)， TTI 制備方案與TRI、TTS 和TTF 制備方案之間在蛋白質(zhì)特異性鑒定方面具有高度相關性， 205種蛋白質(zhì)在比較中顯示出重疊，占TTI-TTS-TTF 特異性鑒定總蛋白質(zhì)數(shù)目的70.69%。表明TTI 技術鑒定的特異性蛋白質(zhì)具有高度獨特性（圖6E）。

綜上所述，無論是基于iST酶切方案，還是基于TFE裂解液的TTI 技術，都顯著提升了FFPE 蛋白質(zhì)組的分析性能，特異性鑒定出超過200種蛋白質(zhì)，這為肝細胞癌的發(fā)展機制提供了一個更加系統(tǒng)和全面的蛋白質(zhì)組圖譜，對于臨床FFPE組織樣本的蛋白質(zhì)組研究具有重要的價值。

3 結(jié)論

本研究通過正交實驗方法設計了12種樣本制備方案，涉及脫蠟液、裂解液和酶切方案，以選擇最適合FFPE 蛋白質(zhì)組分析的實驗方法。結(jié)果表明， Triton X-100和二甲苯作為脫蠟液對蛋白質(zhì)組分析的影響較小，可使用Triton X-100替代二甲苯進行脫蠟。在裂解液方面， TFE 相較于RapiGest 展現(xiàn)出更高的蛋白質(zhì)和肽段鑒定效率，并在特異性蛋白質(zhì)鑒定方面表現(xiàn)更優(yōu)。在酶切方案的比較中， iST方案在蛋白質(zhì)和肽段的鑒定數(shù)目及特異性蛋白質(zhì)鑒定方面顯著優(yōu)于SP3 和FASP 方案。

綜合評估結(jié)果，推薦Triton X-100、TFE 和iST酶切方案的組合方案（TTI），此組合方案在蛋白質(zhì)和肽段鑒定數(shù)量、重復性、穩(wěn)定性和低豐度蛋白質(zhì)鑒定等多個方面表現(xiàn)出卓越性能。TTI 方案通過特定蛋白質(zhì)鑒定和信號通路富集分析，成功鑒定出200多種具有方法特異性的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在細胞生長、基因轉(zhuǎn)錄和腫瘤發(fā)展中發(fā)揮了關鍵作用，證明TTI 技術能夠提供更全面的蛋白質(zhì)組學信息，可為臨床研究的深入進行提供技術支持。

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