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      華根霉細(xì)胞總蛋白及膜蛋白雙向電泳優(yōu)化體系的建立*

      2015-05-12 03:16:56郭月王棟徐巖
      食品與發(fā)酵工業(yè) 2015年6期
      關(guān)鍵詞:雙向電泳膜蛋白膠條

      郭月,王棟 ,徐巖

      (江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室,食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心,江南大學(xué)生物工程學(xué)院釀造微生物及應(yīng)用酶學(xué)研究室,江蘇無錫,214122)

      絲狀真菌作為重要的工業(yè)微生物,在傳統(tǒng)發(fā)酵食品和現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用[1-4]。但是,由于絲狀真菌生理及其代謝的復(fù)雜性,目前對其相關(guān)代謝和調(diào)控機制的認(rèn)識尚不充分,難以進行有效的工業(yè)生產(chǎn)控制[5-6]。隨著系統(tǒng)生物學(xué)研究技術(shù)的進步,通過蛋白質(zhì)組學(xué)在分子水平研究絲狀真菌的內(nèi)在代謝和調(diào)控機制成為可能。它能直觀反映出蛋白質(zhì)表達量的變化,可獲得大量與真菌代謝調(diào)控及應(yīng)激表達相關(guān)的蛋白信息,已在絲狀真菌研究中得到了應(yīng)用[7-11],為深入研究真菌的代謝調(diào)控機制提供理論根據(jù)。雙向電泳技術(shù)(2-DE)因其高通量、高分辨率、快速、簡單等優(yōu)點成為蛋白質(zhì)組學(xué)研究的核心手段。通過優(yōu)化樣品制備和操作條件,獲得高質(zhì)量、可重復(fù)的2-DE圖譜,是進行蛋白質(zhì)組學(xué)研究的基礎(chǔ)。由于蛋白質(zhì)樣本的類型和來源、所處的狀態(tài)以及實驗?zāi)康暮鸵蟾鞑幌嗤壳安]有一個通用的制備方法[12]。此外,在研究真菌代謝及蛋白分泌的過程中,除了大量的胞內(nèi)蛋白,真菌細(xì)胞中40%的蛋白是整合在生物膜上的,具有重要的生理功能[13],整合分析膜結(jié)合蛋白質(zhì),對于微生物代謝機理研究也至關(guān)重要。并且由于膜蛋白本身疏水性強、水溶性差、豐度低等特點,使得膜蛋白質(zhì)組學(xué)的研究較為困難[14-17]。為此,許多研究者致力于膜蛋白質(zhì)提取方法、增溶劑選擇及凝膠電泳體系等方面的研究,使2-DE圖譜上能夠分離得到更豐富的膜蛋白,以用于蛋白質(zhì)組學(xué)研究。

      由于樣品的制備效果顯著影響著雙向電泳的結(jié)果[18],針對不同樣品可優(yōu)化的可重復(fù)的操作條件也需要不斷的摸索[19],建立優(yōu)化的雙向電泳體系是蛋白質(zhì)組研究的基礎(chǔ)。由于根霉屬微生物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜,細(xì)胞裂解相對其他屬菌株較困難,因此高效的裂解方法對于總蛋白及膜蛋白的提取和2-DE圖譜的獲得至關(guān)重要。目前針對真菌,細(xì)胞總蛋白樣品制備的常用方法包括機械法和化學(xué)法裂解細(xì)胞獲取蛋白,其中機械法包括液氮研磨法及高速珠磨法,化學(xué)裂解法包括在強堿或SDS存在下煮沸細(xì)胞,或者利用含有高濃度的尿素硫脲及表面活性劑配方中裂解細(xì)胞獲取蛋白[20-22]。其中對于絲狀真菌,采用機械法和化學(xué)裂解法相結(jié)合效果較好[22];對于膜蛋白,目前通用的樣品制備方法不多,一般采用膜蛋白提取試劑盒或者利用表面活性劑等進行提取。ReadyPrepTMProtein Extraction Kit膜蛋白提取試劑盒是一種基于提取全細(xì)胞蛋白,再經(jīng)過兩相分層提取膜蛋白的試劑盒,已報道用于酵母、細(xì)菌、植物及動物組織膜蛋白的提?。?3-25]。Hama[26]和 Teng[27]也提出了根霉膜蛋白的提取方法。

      華根霉(Rhizopus chinesis)CCTCC M201021,是從我國傳統(tǒng)釀造食品白酒大曲中分離得到的絲狀真菌,在傳統(tǒng)釀造過程中具有重要的作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)該菌生產(chǎn)的膜結(jié)合脂肪酶具有較強的有機相酯合成活性[28],可用于脂肪酶的工業(yè)生產(chǎn)。但是,由于根霉微生物的復(fù)雜性,其生理及發(fā)酵代謝機制尚不清楚,難以在傳統(tǒng)釀造及現(xiàn)代發(fā)酵過程中進行有效控制。因此,從分子水平入手,解析此類微生物的生理及發(fā)酵代謝機制,是一項極具意義與挑戰(zhàn)的研究。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)為此類研究提供了有效的手段[7-11]。本研究通過比較華根霉細(xì)胞總蛋白(全細(xì)胞蛋白)及膜蛋白的不同提取方法用于雙向電泳研究,旨在建立優(yōu)化的雙向電泳條件,獲得重復(fù)性好、分辨率高、無明顯條紋、具有更多蛋白信息的華根霉全細(xì)胞蛋白及膜蛋白二維圖譜,為華根霉及相關(guān)微生物的蛋白質(zhì)組學(xué)研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

      1 材料和方法

      1.1 材料

      1.1.1 菌種與培養(yǎng)基

      菌種:華根霉(Rhizopuschinensis)CCTCCM201021,保存于中國典型培養(yǎng)物保藏中心。

      孢子斜面培養(yǎng)基:馬鈴薯-葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基。

      發(fā)酵培養(yǎng)基:蛋白胨40 g/L,一水合麥芽糖10 g/L,橄欖油34 g/L,K2HPO4·3H2O 2 g/L,MgSO4·7H2O 0.5 g/L,自然 pH。

      1.1.2 試劑

      IPG膠條(pH 3~10線性/pH 3~10非線性,24 cm)、兩性電解質(zhì) Bio-Lyte(pH 3~10)、礦物油、ReadyPrepTMProtein Extraction Kit為 Bio-Rad公司產(chǎn)品。二硫蘇糖醇(DTT)、溴酚藍、N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)、硫脲、碳酸氫銨(NH4HCO3)購自Sigma公司。蛋白測定試劑盒、低熔點瓊脂糖、尿素、蛋白酶抑制劑、甲叉雙丙烯酰胺/丙烯酰胺溶液、過硫酸銨(APS)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、3-(3-膽固醇氨丙基)二甲氨基)-1-丙磺酸(CHAPS)、碘乙酰胺(IAA)、考馬斯亮藍G-250為上海生工產(chǎn)品。其他試劑均為分析純試劑,購自國藥集團試劑公司。

      裂解液[29]:7 mol/L 尿素、2 mol/L 硫脲、40 g/L CHAPS、10 mg/mL DTT。

      1.1.3 主要儀器

      EttanTMIPGphor 3等電聚焦儀、EttanTMDALT Six垂直電泳系統(tǒng)、Image Scanner掃描儀,均為美國GE公司產(chǎn)品;立式冷凍離心機(3K15),為德國Sigma公司;Mini-BeadBeater 16,美國Biospec公司。

      1.2 實驗方法

      1.2.1 菌種培養(yǎng)與制備

      孢子培養(yǎng):接種孢子斜面培養(yǎng)基,40℃下培養(yǎng)72 h。

      孢子懸浮液的制備:用無菌生理鹽水將生長于馬鈴薯-葡萄糖瓊脂斜面的成熟華根霉孢子洗下,經(jīng)兩層擦鏡紙過濾后制成孢子懸浮液,使用血球計數(shù)板計數(shù),置于4℃待用。

      菌體發(fā)酵培養(yǎng):孢子懸浮液接種量5×107個/L,接種到20 mL培養(yǎng)基中,30℃,200 r/min,培養(yǎng)66 h。

      菌體制備:收集發(fā)酵成熟的菌體,超純水洗3次。稱取濕菌體質(zhì)量,將濕菌體與玻璃珠以1∶3質(zhì)量比混合后液氮研磨至粉末狀備用。

      1.2.2 細(xì)胞總蛋白提取

      采用機械法和化學(xué)裂解法相結(jié)合的方法,利用不同的提取液進行全細(xì)胞蛋白提取。

      裂解液提取細(xì)胞總蛋白[29]:根據(jù)文獻略有改動,將超聲破碎改為了機械振蕩破碎,具體操作如下:裂解液1 mL,加入10 μL蛋白酶抑制劑(Protein Cocktail for fungi)和兩性電解質(zhì)Bio-Lyte?;旌暇鶆蚝蠹尤胍旱心サ牟Aе榕c菌體的混合物0.8 g,渦旋混勻后置于mini beads beater破碎儀破碎10 min(30 s破碎,30 s冰浴)。破碎后的固液混合物于4℃放置2 h,放置期間每0.5 h拿出渦旋2 min。12 000 r/min 4℃ 離心30 min,上清即為細(xì)胞總蛋白溶液。

      ReadyPrepTMProtein Extraction Kit提取細(xì)胞總蛋白:按照說明書操作,操作終止于兩相分層前。具體操作如下:稱取0.5 g液氮研磨后菌體與玻璃珠的混合物,加入0.5 mL的 Buffer M1,渦旋混勻后置于mini beads beater破碎10 min(30 s破碎,30 s冰浴)。加入0.5 mL的Buffer M2,冰水浴,每隔60 s渦旋混勻60 s,重復(fù)5次,再冰水浴1 h,得到的固液混合物12 000 r/min 4℃ 離心30 min,上清液即為細(xì)胞總蛋白溶液。

      1.2.3 膜蛋白提取

      ReadyPrepTMProtein Extraction Kit提取膜蛋白:由于該試劑盒可進一步提取膜蛋白,將1.2.1中試劑盒提取細(xì)胞總蛋白溶液置于37℃保溫30 min,每隔10 min漩渦振蕩30 s;室溫下,12 000 r/min離心5 min。下層即為提取的膜蛋白。

      曲拉通X-100提取華根霉(Rhizopus chinensis)膜蛋白[26-27]:將發(fā)酵培養(yǎng) 66 h的華根霉菌體,研缽研磨并稱重,丙酮與菌體以10∶1(體積質(zhì)量比)的比例混合,置于磁力攪拌器上攪拌20 min洗去油脂,抽濾獲得菌體干粉;以10∶1的體積質(zhì)量比加入濃度為20 mmol/L的磷酸緩沖液(pH 6.2),于4℃下磁力攪拌20 min,4 ℃ 10 000 r/min離心30 min,棄上清液,重復(fù)以上操作3次;加入與上述磷酸緩沖液等體積的0.1% 的 Triton X-100,4℃下磁力攪拌器攪拌20 min,4℃ 10 000 r/min離心30 min,棄上清液,重復(fù)上述操作1次;加入上述等體積的1.5% 的Triton X-100,4℃磁力攪拌4 h,4℃ 10 000 r/min離心30 min,上清液即為膜蛋白溶液。

      1.2.4 電泳樣品預(yù)處理

      TCA/丙酮沉淀蛋白:獲得的蛋白溶液轉(zhuǎn)移到50 mL離心管中,加入10倍體積的10%TCA/丙酮溶液,-20℃沉淀過夜,4℃ 12 000 r/min離心30 min,棄上清液;用等體積的丙酮懸浮洗滌沉淀,-20℃放置1 h,4℃12 000 r/min離心30 min,棄上清液,重復(fù)3次。得到沉淀的蛋白質(zhì),揮發(fā)掉丙酮后,即得到蛋白樣品。

      蛋白定量:將蛋白沉淀溶于上樣水化液(7 mol/L尿素、2 mol/L 硫脲、40 g/L CHAPS、2 g/L 的 Bio-Lyte、65 mmol/L DTT、0.02 g/L 溴酚藍)中,4 ℃放置3 h,每0.5 h漩渦振蕩5 min(30 s冰浴,30 s振蕩),4℃12 000 r/min離心30 min,使用非干擾型蛋白濃度測定試劑盒測定蛋白濃度。

      1.2.5 雙向電泳

      操作過程按照美國GE公司的《雙向電泳操作手冊》進行,采用24 cm、pH 3~10的膠條(線性/非線性),上樣體積 450 μL,細(xì)胞總蛋白上樣量 1 080 μg,膜蛋白上樣量600 μg,20℃被動水化12 h。轉(zhuǎn)向等電聚焦,采用電壓逐步優(yōu)化方案優(yōu)化等電聚焦程序,等電聚焦結(jié)束后立即進行膠條平衡,然后以恒功率進行二向SDS-PAGE,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%丙烯酰胺凝膠,當(dāng)溴酚藍跑到凝膠底部時停止電泳,采用改良的考馬斯亮藍G-250染色法進行染色。GE公司的凝膠電泳圖像分析系統(tǒng)Image Master Lab Scan掃描脫色后的凝膠,利用Bio-Rad公司的PDQuest 8.0.1軟件分析處理圖像。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 華根霉細(xì)胞總蛋白2-DE圖譜的建立

      本研究首先針對細(xì)胞總蛋白,利用兩種細(xì)胞總蛋白提取方法,ReadyPrepTMProtein Extraction Kit與普通的裂解液提取法進行了華根霉細(xì)胞總蛋白的提取,用于2-DE分析。對兩種提取方法提取細(xì)胞總蛋白的雙向電泳效果作了比較,兩種方法提取的細(xì)胞總蛋白2-DE圖譜如圖1所示。

      由圖1可見,采用試劑盒提取的細(xì)胞總蛋白2-DE圖譜分辨率較高,較清晰,橫縱條紋較少,無拖尾現(xiàn)象。對獲得的二維圖譜用PDQuest 8.0.1軟件進行分析,結(jié)果如圖2所示。試劑盒提取的細(xì)胞總蛋白在2-DE圖譜上的蛋白點數(shù)可以覆蓋裂解液提取得到蛋白點的86.1%,表明試劑盒可以提取大部分裂解液提取的細(xì)胞總蛋白點。此外,試劑盒提取的細(xì)胞總蛋白點比裂解液提取得到的蛋白點多了95個,說明試劑盒提取華根霉細(xì)胞總蛋白的效果較好,獲得的2-DE圖譜更加理想,可以得到更多的蛋白種類信息。

      圖1 不同提取方法華根霉細(xì)胞總蛋白2-DE圖譜Fig.1 2-DE maps of Rhizopus chinesis total protein extracted by different extraction methods

      圖2 兩種提取方法得到的2-DE圖譜蛋白點差異Fig.2 Difference of protein points on 2-DE maps by different extraction methods

      預(yù)制膠條pH值范圍也是影響雙向電泳2-DE圖譜結(jié)果的重要因素之一。寬pH值范圍的IPG膠條,對于蛋白的覆蓋率大,但是分辨度相對較低,而窄pH值范圍的IPG膠條,雖然可以提高分辨率及靈敏度,但是會有部分蛋白丟失[30]。由圖1可以發(fā)現(xiàn),華根霉細(xì)胞總蛋白點主要集中在pH 4~7之間,在堿性端也有一些蛋白點。為了使蛋白點能夠在較少損失的前提下,實現(xiàn)更有效的分離,獲得分辨度高的理想2-DE圖譜,本研究針對試劑盒提取的華根霉細(xì)胞總蛋白,進一步比較了pH 3~10線性與非線性IPG膠條的分離效果,其2-DE圖譜如圖3所示。可以看出,pH 3~10非線性IPG膠條的使用更加有利于蛋白的分離,蛋白點分布均勻,圖譜分辨率高(圖3(b))。

      圖3 細(xì)胞總蛋白2-DE圖譜pH梯度優(yōu)化Fig.3 Optimization of pH gradient on 2-DE maps of total protein

      為驗證2-DE圖譜的重復(fù)性,采用上述建立的優(yōu)化方法,利用試劑盒提取總蛋白,選用pH 3~10非線性IPG膠條,進行了3次生物學(xué)重復(fù),獲得的3次重復(fù)結(jié)果如圖4。從結(jié)果來看,細(xì)胞總蛋白樣品的3次重復(fù)實驗獲得的2-DE圖譜蛋白分離效果均較好,分辨率較高。利用PDQuest 8.0.1軟件分析,細(xì)胞總蛋白重復(fù)樣品間的蛋白斑點匹配度可以達到87%,表明利用優(yōu)化后的實驗條件可以最終獲得分辨率高、重復(fù)性好的華根霉總蛋白2-DE圖譜,可用于其蛋白質(zhì)組學(xué)研究。

      圖4 華根霉總蛋白2-DE重復(fù)性驗證Fig.4 Repeatability of 2-DE maps on the total proteins extracted from Rhizopus chinesis

      2.2 華根霉膜蛋白2-DE圖譜的建立

      為了獲得更豐富的膜蛋白信息,針對華根霉膜蛋白,分別利用 ReadyPrepTMProtein Extraction Kit和Triton X-100兩種方法提取膜蛋白。但是該試劑盒未能實現(xiàn)華根霉膜蛋白的提取,由于該試劑盒主要適用于酵母、細(xì)菌及動植物組織,對于絲狀真菌華根霉可能并不適合,也可能由于本實驗菌株華根霉菌體細(xì)胞內(nèi)油脂含量比較高,試劑盒提取液無法在特定條件下分離膜蛋白。而采用Triton X-100提取得到了較好的膜蛋白樣品,可用于雙向電泳分析。

      同樣比較了pH 3~10線性與非線性IPG膠條對于Triton X-100提取的膜蛋白雙向電泳的分離效果,結(jié)果如圖5。選用pH 3~10線性的IPG膠條時,蛋白點主要集中在pH 4~7區(qū)域范圍內(nèi),影響了蛋白點的分離及膠圖的美觀。選用pH 3~10非線性的IPG膠條,蛋白點分布更加均勻,有利于蛋白的分離,獲得的圖譜更加清晰,分辨率較好。用PDQuest 8.0.1軟件分析,檢測到蛋白點增加了43.6%。因此,對于膜蛋白也采用非線性的IPG膠條進行分離。

      為驗證華根霉膜蛋白2-DE圖譜的重復(fù)性,利用Triton X-100提取膜蛋白,選用pH 3~10非線性IPG膠條的優(yōu)化方法,同樣進行了3次生物學(xué)重復(fù),獲得的3次重復(fù)結(jié)果如圖6。從結(jié)果來看,膜蛋白樣品的3次重復(fù)實驗獲得的2-DE圖譜蛋白分離效果也均較好,分辨率較高。利用PDQuest 8.0.1軟件分析,膜蛋白重復(fù)樣品間的蛋白斑點匹配度高達94%,表明利用優(yōu)化后的實驗條件可以最終獲得分辨率高、重復(fù)性好的華根霉膜蛋白2-DE圖譜,可用于其蛋白質(zhì)組學(xué)研究。

      圖5 膜蛋白2-DE圖譜pH梯度優(yōu)化Fig.5 Optimization of pH gradient on 2-DE maps of membrane protein

      2.3 華根霉細(xì)胞總蛋白與膜蛋白2-DE的相關(guān)性分析

      由于試劑盒的方法提取的細(xì)胞總蛋白可能含有膜蛋白,本研究將試劑盒提取的細(xì)胞總蛋白樣品與膜蛋白樣品的2-DE圖譜進行了比較分析。利用PDQuest 8.0.1軟件比較分析結(jié)果顯示,細(xì)胞總蛋白2-DE圖譜上共有蛋白點741個,膜蛋白2-DE圖譜上共有蛋白點274個,蛋白點匹配情況如圖7,說明用試劑盒提取細(xì)胞總蛋白樣品可以提取分離一定量的膜蛋白,但是相較于單獨提取的膜蛋白樣品,仍有約45.3%的膜蛋白無法體現(xiàn)在細(xì)胞總蛋白2-DE圖譜上。結(jié)果表明,試劑盒提取細(xì)胞總蛋白樣品除了大量的胞內(nèi)蛋白外,也包含部分膜蛋白;可以用于一般的差異蛋白質(zhì)組學(xué)研究;而本研究膜蛋白提取方法可以獲得較為豐富的華根霉膜蛋白,更適合于膜蛋白質(zhì)組學(xué)研究。

      圖6 華根霉膜蛋白2-DE重復(fù)性驗證Fig.6 Repeatability of 2-DE maps on the membrane proteins extracted from Rhizopus chinesis

      圖7 細(xì)胞總蛋白與膜蛋白2-DE圖譜蛋白點匹配Fig.7 Protein points matching on 2-DE maps of total proteins and membrane proteins

      3 結(jié)論

      本研究針對絲狀真菌華根霉細(xì)胞總蛋白和膜蛋白,分別比較了不同蛋白樣品的提取方法,并通過IPG膠條的pH梯度優(yōu)化,獲得了可用于蛋白質(zhì)組學(xué)研究的較理想的2-DE圖譜。分別采用ReadyPrepTMProtein Extraction Kit試劑盒提取細(xì)胞總蛋白,選用pH 3~10非線性IPG膠條;Triton X-100提取膜蛋白,選用pH 3~10非線性IPG膠條,可獲得有效分離、較清晰、分辨度高的華根霉細(xì)胞總蛋白和膜蛋白2-DE圖譜。3次生物學(xué)重復(fù)實驗,細(xì)胞總蛋白重復(fù)樣品間和膜蛋白重復(fù)樣品間的蛋白斑點匹配度分別達到87%和94%,表明該方法重復(fù)性好。蛋白點匹配分析表明,利用ReadyPrepTMProtein Extraction Kit提取的細(xì)胞總蛋白用于雙向電泳可以分離得到一定量的膜蛋白,總蛋白點數(shù)優(yōu)于普通裂解液提取的細(xì)胞總蛋白,可以用于一次實驗同時獲得豐富胞內(nèi)蛋白及部分膜蛋白信息的蛋白質(zhì)組學(xué)研究,且經(jīng)濟省時。而膜蛋白提取方法可以獲得較為豐富的華根霉膜蛋白,若想獲得更加全面的膜蛋白信息,這種方法更為適合。本研究為基于蛋白質(zhì)組學(xué)研究華根霉及相關(guān)微生物生理代謝機制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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