李 穎 劉洪臣
1.1 蛋白質(zhì)組學(xué)的概念 蛋白質(zhì)組概念最早于1994年由澳大利亞的科學(xué)家Wilkins等[1]提出,蛋白質(zhì)組學(xué)主要是系統(tǒng)性研究一種基因組、一種生物或者一種細(xì)胞(組織)所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念,在同一個(gè)機(jī)體的不同組織和細(xì)胞中不相同,在同一機(jī)體的不同發(fā)育階段,不同的生理狀態(tài)下,乃至不同的外界環(huán)境下也不相同。各種復(fù)雜的生命活動(dòng),都是特定蛋白質(zhì)群體在不同時(shí)間和空間不同組合的結(jié)果。如今,蛋白質(zhì)組學(xué)已經(jīng)發(fā)展了近20年,已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于分析翻譯后水平的蛋白表達(dá)。在細(xì)胞生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中,細(xì)胞的蛋白質(zhì)組和基因組是不斷改變的。蛋白多樣性的大幅度上升可能主要?dú)w因于選擇性剪接[2,3]和蛋白的翻譯后修飾[4,5]。蛋白多樣性不能完全地被單純基因表達(dá)分析所描述,蛋白質(zhì)組學(xué)為發(fā)現(xiàn)感興趣的細(xì)胞和組織的生物標(biāo)記提供了一種有前景的工具。
1.2 蛋白質(zhì)組學(xué)的核心技術(shù)
1.2.1 雙向凝膠電泳(Two-dimensional gel electrophoresis,2-DE) 2-DE是根據(jù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)不同將蛋白質(zhì)彼此分離,然后再根據(jù)蛋白質(zhì)的分子量不同將其在垂直方向進(jìn)一步分離。這樣蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間能彼此較好地分離,然后采用計(jì)算機(jī)作基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理,對(duì)電泳圖譜進(jìn)行斑點(diǎn)檢測(cè)、背景消減和數(shù)據(jù)構(gòu)建等分析。
1.2.2 質(zhì)譜分析(Mass Spectrographic analysis,MS) 質(zhì)譜技術(shù)是將樣品分子離子化后根據(jù)離子間的質(zhì)核比和基質(zhì)的差異來(lái)分析并確定分子量的方法。應(yīng)用質(zhì)譜技術(shù)鑒定2-DE分離的蛋白質(zhì)。近年來(lái)新發(fā)展的基質(zhì)輔助激光解吸離子電離(MALDI)和電噴霧電離(Electrospray,ES)使質(zhì)譜不僅能分析小分子物質(zhì),也可研究生物大分子,如蛋白質(zhì)和肽等[6,7]。每種蛋白基于堿基序列都會(huì)有一個(gè)特異的肽質(zhì)量指紋(PMF),這樣,通過(guò)質(zhì)譜儀檢測(cè)出的肽質(zhì)量就可以從蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)中鑒定出特異的蛋白[8]。
1.2.3 質(zhì)譜成像(Imaging Mass Spectrometry)技術(shù) 質(zhì)譜成像直接利用M S對(duì)組織切片蛋白鑒定是近年來(lái)出現(xiàn)的新方法[9]。MALDI質(zhì)譜成像技術(shù)不局限于特異的一種或者幾種蛋白質(zhì)分子,它可在正常及病變的組織切片中找到每一種蛋白質(zhì)分子,并提供這些蛋白質(zhì)分子在組織中的空間分布的精確信息,而事先無(wú)需知道所檢測(cè)蛋白的信息,同時(shí)可對(duì)這些蛋白質(zhì)分子含量進(jìn)行相對(duì)定量檢測(cè)。Schwartz等[10]在神經(jīng)膠質(zhì)瘤的臨床研究中成功應(yīng)用MALDI質(zhì)譜成像技術(shù)對(duì)直接病變和正常組織中蛋白表達(dá)進(jìn)行分析,該方法有很高的敏感度和特異度,而且可用于預(yù)后判斷。
1.3 蛋白質(zhì)組學(xué)中的新技術(shù)
1.3.1 DIGE技術(shù)(Differencegelelectrophoresis,D1GE) 差異凝膠電泳,是在雙向凝膠電泳的基礎(chǔ)上又形成了一項(xiàng)新技術(shù),即將樣品在雙向電泳之前分別用不同熒光(如Cy2,Cy3,Cy5)標(biāo)記,然后將標(biāo)記后的3種樣品混合,同時(shí)在一塊膠上進(jìn)行電泳,所得到的2D膠圖像可使用3種不同的激發(fā)/發(fā)射過(guò)濾器得到不同顏色熒光信號(hào),根據(jù)這些信號(hào)的比例來(lái)判斷樣品之間蛋白質(zhì)的差異。在2D-DIGE技術(shù)中,每個(gè)蛋白點(diǎn)都有它自己的內(nèi)標(biāo),軟件會(huì)根據(jù)每個(gè)蛋白點(diǎn)的內(nèi)標(biāo)對(duì)其表達(dá)量進(jìn)行校準(zhǔn),保證所檢測(cè)到的蛋白豐度變化都真實(shí)。
1.3.2 iTRAQ技術(shù)(Isobaric Tags for Relative and Absolute Quantitation,iTRAQ) 相對(duì)和絕對(duì)定量同位素標(biāo)記技術(shù),是美國(guó)應(yīng)用生物系統(tǒng)公司在2004年推出的一項(xiàng)新的體外同位素標(biāo)記技術(shù)。iTRAQ技術(shù)使用8種不同的同位素試劑來(lái)同時(shí)標(biāo)記和比較8種不同的蛋白質(zhì)樣品。這些試劑由3個(gè)不同的化學(xué)標(biāo)簽組成,標(biāo)簽分子分別由報(bào)道基團(tuán)(reporter group)、平衡基團(tuán)(balance group)和反應(yīng)基團(tuán)(reactive group)組成。使用該技術(shù)不僅可尋找差異表達(dá)蛋白,并分析其蛋白功能,同時(shí)可以對(duì)1個(gè)基因組表達(dá)的全部蛋白質(zhì)或1個(gè)復(fù)雜的混合體系中的所有蛋白質(zhì)進(jìn)行精確定量和鑒定。該技術(shù)具有較好的定量效果、較高的重復(fù)性。由于其能夠同時(shí)對(duì)多達(dá)8種樣品進(jìn)行標(biāo)記分析,故在生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
1.3.3 ICAT(Isotope-coded affinity tag) 同位素代碼標(biāo)記技術(shù),應(yīng)用一種含與蛋白質(zhì)反應(yīng)基團(tuán)、乙烯甘油結(jié)合區(qū)和生物素標(biāo)記的試劑,可專(zhuān)與蛋白質(zhì)或肽段的L2半胱氨酸的巰基反應(yīng),所帶的同位素標(biāo)記為含8個(gè)氫原子的(d0)輕試劑和8個(gè)氘原子的(d8)重試劑,將一個(gè)蛋白質(zhì)樣品用輕試劑標(biāo)記,另一個(gè)樣品用重試劑標(biāo)記,然后將兩個(gè)樣品混合,經(jīng)胰蛋白酶或Lys-C水解蛋白得到肽片段。混合的樣品用抗生物素蛋白親和層析法分離。這些肽段進(jìn)行進(jìn)一步質(zhì)譜分析。它的好處在于可以將混合樣品(來(lái)自正常和病變細(xì)胞或組織等)直接測(cè)試;還可快速定性和定量鑒定低豐度蛋白質(zhì)、尤其是膜蛋白等疏水性蛋白等。
蛋白質(zhì)組學(xué)也已經(jīng)應(yīng)用于骨疾病的研究,尋找骨生物標(biāo)記和細(xì)胞信號(hào)[11]。在骨疾病的領(lǐng)域,傳統(tǒng)的2-DE和質(zhì)譜分析是一種標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)比較正常和疾病間蛋白表達(dá)情況,通過(guò)這種方法已經(jīng)獲得軟骨降解、骨腫瘤、骨關(guān)節(jié)炎和股骨頭壞死與正常組織間的特異的蛋白表達(dá)譜[12-19]。通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)研究,表1總結(jié)了應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)骨疾病中發(fā)現(xiàn)的蛋白標(biāo)記。這些研究的主要目的就是為了發(fā)現(xiàn)疾病的特異性蛋白標(biāo)記,利于機(jī)制研究。然而,這種分析會(huì)產(chǎn)出大量的生物學(xué)信息很難去辨別。蛋白質(zhì)組學(xué)方法應(yīng)用于活體實(shí)驗(yàn)試圖揭示細(xì)胞性活動(dòng)和細(xì)胞培養(yǎng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[20],但這樣的發(fā)現(xiàn)對(duì)于體外是否具有同樣的意義還是未知的。
自從認(rèn)識(shí)到,由于骨形成障礙以及成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性的不平衡會(huì)導(dǎo)致骨疾病[21],最近的蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要集中在這些細(xì)胞的分化和它們的功能研究上。成骨細(xì)胞來(lái)源于多向分化潛能的骨髓基質(zhì)細(xì)胞(BMSC),可以合成骨基質(zhì),而破骨細(xì)胞來(lái)源于單核細(xì)胞,可以吸收骨[22]。成骨細(xì)胞在很多代謝性疾病中都受到一定的影響,吳璇等[23]研究證實(shí)糖尿病大鼠頜骨成骨細(xì)胞的堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OCN)以及成骨相關(guān)基因Runx2表達(dá)異常。到目前為止,有許多研究對(duì)骨髓基質(zhì)細(xì)胞的自我更新和分化,以及成骨性方面進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)研究。骨髓基質(zhì)細(xì)胞,也指可塑粘附細(xì)胞和集落形成成纖維細(xì)胞,具有多向分化潛能和自我更新能力[24,25]。新的分子和細(xì)胞技術(shù)用于骨髓基質(zhì)細(xì)胞的定量和生物標(biāo)記,包括 STRO-1、CD29、CD44、 CD90、CD105、CD166 和 MHC-1[26]。然而,這些生物標(biāo)記并不特異性得表達(dá)在干細(xì)胞上,控制骨髓基質(zhì)細(xì)胞自我更新的分子機(jī)制也尚不清楚。通過(guò)雙向電泳進(jìn)行蛋白分離,而后進(jìn)行質(zhì)譜分析獲得在分化階段骨髓基質(zhì)干細(xì)胞克隆的蛋白質(zhì)組信息。這些信息的研究表明,低擴(kuò)增分化傳代培養(yǎng)BMSC,其差異蛋白主要分以下幾種功能類(lèi):代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞粘附、細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞骨架、細(xì)胞間作用、細(xì)胞周期、蛋白降解和鐵代謝。尤其,高擴(kuò)增(少分化)與低擴(kuò)增的BMSC相比,鈣調(diào)蛋白、T-complex protein 1 α-亞基和原肌球蛋白上調(diào),而鈣調(diào)合素蛋白和minralocorticoid receptor下調(diào)[27,29]。認(rèn)為這些蛋白與細(xì)胞周期和增殖有關(guān)[28],對(duì)于骨代謝是也有一定作用[30]。另外一些研究,利用雙向電泳和質(zhì)譜分析研究MSC向成骨細(xì)胞分化,得出了標(biāo)準(zhǔn)的成骨細(xì)胞分化的蛋白信息。一些特異性的差異蛋白,比如chloride intracellular channel 1,認(rèn)為它對(duì)成骨細(xì)胞分化起到了重要的作用[31,32]。
表1 應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)在骨疾病中發(fā)現(xiàn)的蛋白標(biāo)記。
Spreafico做的2D-PAGE的研究,主要比較了初期培養(yǎng)的人成骨細(xì)胞在不同分化階段分離,從前成骨細(xì)胞(E1細(xì)胞)到分化了的成骨細(xì)胞(E1P1細(xì)胞)蛋白質(zhì)組的差異[33]。結(jié)果顯示,顯現(xiàn)出2400個(gè)差異點(diǎn),這些點(diǎn)中,有3個(gè)僅在E1膠中有,32個(gè)點(diǎn)只在E1P1膠中發(fā)現(xiàn)。在E1P1細(xì)胞蛋白質(zhì)組中總共17個(gè)蛋白上調(diào)。大多數(shù)上調(diào)的蛋白并沒(méi)有被報(bào)道認(rèn)為是成骨細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)者。這些蛋白可以唄分為4個(gè)功能組:細(xì)胞結(jié)構(gòu)活力,蛋白降解,能量產(chǎn)生和抗氧化保護(hù)。在E1P1細(xì)胞中觀察到Cathepsin D顯著上調(diào),這可能與他在TGF-β以及胰島素樣生長(zhǎng)因子-II(IGF)的細(xì)胞外加工作用有關(guān)系,這兩個(gè)蛋白被認(rèn)為是促進(jìn)成骨有絲分裂的重要因子。E1P1細(xì)胞中另外上調(diào)的的蛋白是UCH-L1,硫氨基水解酶(thiol-hydrolase),屬于泛肽依賴(lài)蛋白水解系統(tǒng),對(duì)于真核生物正常生長(zhǎng)以及分化很重要。這項(xiàng)研究是第一個(gè)報(bào)道UCH-L1在成骨細(xì)胞分化過(guò)程中上調(diào)的。然而,這個(gè)在之前已有研究認(rèn)為它參與了神經(jīng)元細(xì)胞的分化。之前還有報(bào)道過(guò)其他一些酶是成骨細(xì)胞分化的重要因子,比如α-enolase,ATP合成酶,谷胱苷肽-S-轉(zhuǎn)移酶,在E1P1細(xì)胞中同樣上調(diào)。另外,Spreafico深入研究比較了SaOS-2細(xì)胞系和E1P1成骨細(xì)胞,試圖鑒定與骨肉瘤腫瘤發(fā)生及進(jìn)展相關(guān)的標(biāo)記,這些有可能應(yīng)用與腫瘤診斷和轉(zhuǎn)移可能性的評(píng)估。另外,一種堿性磷酸酶的過(guò)表達(dá),肌酸激酶亞型B,150kDa的氧調(diào)控蛋白,視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤相關(guān)蛋白4認(rèn)為潛在腫瘤標(biāo)記物。關(guān)于分化的成骨細(xì)胞,SaOS-2和E1前成骨細(xì)胞的Hsp27、Cathepin D、過(guò)氧化物歧化酶、谷胱苷肽脫氫酶、降鈣素和烯酰輔酶A水解樣蛋白都表現(xiàn)出明顯下調(diào)。這些發(fā)現(xiàn)顯示他們可作為成骨細(xì)胞分化標(biāo)志的潛能。
最近,研究人員發(fā)現(xiàn),一些激素,生長(zhǎng)因子和酶可以調(diào)控成骨細(xì)胞的生長(zhǎng),成熟和活性[33],提示這些循環(huán)因素可能通過(guò)特定的信號(hào)通路來(lái)影響成骨分化。MSC給予特定的激素或生長(zhǎng)因子后,對(duì)其蛋白提取物進(jìn)行雙向電泳和質(zhì)譜分析,為了獲得可能在特定信號(hào)通路起重要作用的差異蛋白[34-36]。用加入EGF和PDGF培養(yǎng)人骨髓基質(zhì)細(xì)胞,該培養(yǎng)基中還包含了特殊形式的精氨酸,比如常規(guī)的12C6,14N4,或是同位素變異的12C6,14N4或是13C6,15N4,代謝性標(biāo)記了整個(gè)蛋白組,用同位素標(biāo)記定量的質(zhì)譜分析軟件,使這些標(biāo)記了的蛋白在進(jìn)行質(zhì)譜分析時(shí)可以被區(qū)分出來(lái)。定量蛋白質(zhì)組學(xué)研究可以直接比較整個(gè)受EGF和PDGF調(diào)控的成骨分化的信號(hào)網(wǎng)絡(luò),也能發(fā)現(xiàn)兩因素在PI3K通路中的重要的差異[37]。
Olkku研究發(fā)現(xiàn)地塞米松對(duì)人成骨細(xì)胞系(比如 MG-63,G-292,SaOD-2和 U2-OS)、一定條件下永生的人前成骨細(xì)胞(HOB-03-C5)以及人成熟成骨細(xì)胞(HOB-03-CE6)蛋白表達(dá)的影響[38]。研究表面在給予地塞米松治療后,主要上調(diào)了MG-63、G-292、HOB-03-C5和HOB-03-CE6細(xì)胞中的谷氨酰胺合成酶,最先在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平觀察到地塞米松誘導(dǎo)該酶的上調(diào)。當(dāng)時(shí)關(guān)于谷氨酰胺合成酶在骨細(xì)胞中的作用還很鮮為人知的時(shí)候,Olkku認(rèn)為在誘導(dǎo)谷氨酰胺合成酶和糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的凋亡間沒(méi)有直接的聯(lián)系。
Salasznyk用蛋白質(zhì)組學(xué)比較了人成骨細(xì)胞和人骨髓基質(zhì)細(xì)胞之間的蛋白表達(dá)差異[39],這個(gè)研究集中于鑒定潛在的成骨標(biāo)記,結(jié)果顯示有737個(gè)不同的蛋白點(diǎn)??偣灿?57個(gè)(34%)的點(diǎn)在兩種細(xì)胞中都表達(dá),剩下的480個(gè)點(diǎn)中有312(65%)證明僅在成骨細(xì)胞中表達(dá)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明在成熟的成骨細(xì)胞和那些未分化的骨髓基質(zhì)細(xì)胞的蛋白質(zhì)組有著顯著差異。
有研究為了鑒定伴侶蛋白表達(dá)形式,比較了包括成骨細(xì)胞起源的骨肉瘤細(xì)胞(SaOS-2)在內(nèi)的10種腫瘤細(xì)胞系[40]。在凝膠內(nèi)消化后應(yīng)用MALDI-MS鑒定蛋白,得到鑒定伴侶蛋白的列表,這些伴侶蛋白在不同細(xì)胞系中有不同的表達(dá)形式。有意思的是,有一個(gè)和腫瘤排斥抗原相似的蛋白僅在SaOS-2細(xì)胞中表達(dá),而應(yīng)力誘導(dǎo)的磷蛋白1在所有腫瘤細(xì)胞系內(nèi)表達(dá),唯獨(dú)除了SaOS-2細(xì)胞。脂皮質(zhì)蛋白I,一種細(xì)胞分化和凋亡的啟動(dòng)子,其在SaOS-2中表達(dá)的下降與腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)特性是相一致的。脂皮質(zhì)蛋白II在很多腫瘤細(xì)胞中上調(diào),它的低表達(dá)可能是骨肉瘤細(xì)胞外基質(zhì)顯著性減少的特性表現(xiàn)。該研究表明,用人的原始細(xì)胞取代永生化的細(xì)胞系,提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)將獲得的成骨推向臨床調(diào)查。
綜上所述,蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在骨相關(guān)疾病以及成骨分化中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,研究技術(shù)不斷進(jìn)步并取得了一些成績(jī),但是該技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用目前還處于比較膚淺的階段,主要用于蛋白質(zhì)組表達(dá)模式分析,真正涉及功能蛋白質(zhì)組的研究還很少,與實(shí)際應(yīng)用的差距則更遠(yuǎn)。我們相信,隨著方法的不斷改進(jìn)與研究的不斷深入,蛋白質(zhì)組學(xué)在骨相關(guān)疾病研究領(lǐng)域?qū)⒂惺謴V闊的應(yīng)用前景,為骨相關(guān)疾病的臨床診斷及診治提供更可靠有效的幫助。
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