◎ 江寶塔·穆哈德斯,木扎帕爾·木合塔爾,丁澤人
(1.新疆維吾爾自治區(qū)乳品質(zhì)量監(jiān)測中心,新疆 烏魯木齊 830063;2.新疆畜牧科學(xué)院畜牧業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所,新疆 烏魯木齊 830011;3.新疆畜牧科學(xué)院飼料研究所,新疆 烏魯木齊 830011)
針對目前乳品市場上存在的駱駝乳品質(zhì)良莠不齊、特種乳摻假等問題,對駱駝乳及駝乳制品制訂科學(xué)、有效的質(zhì)量檢測措施,建立基于蛋白檢測的乳品質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),成為迫切需要解決的問題。本研究采用非標(biāo)記(Label-free)定量蛋白質(zhì)組學(xué)獲得駱駝和牛乳源蛋白(去除酪蛋白)表達(dá)的差異變化。Labelfree定量技術(shù)可通過液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry, LC-MS/MS)技術(shù)獲得的質(zhì)譜圖譜峰和強(qiáng)度來計(jì)算蛋白質(zhì)的數(shù)目和相對定量值,從而鑒定蛋白質(zhì)種數(shù)和相對質(zhì)量[1]。樣品上機(jī)檢測前處理過程少,更多地保留了原始樣本的信息。選擇該技術(shù)對樣本進(jìn)行檢測的主要原因包括以下5方面。①樣品的類型不受限制,可對任意樣本進(jìn)行蛋白質(zhì)定量和分析,每個樣品可單獨(dú)上機(jī)處理。②樣本不需要特殊標(biāo)記,排除了標(biāo)記過程帶入的實(shí)驗(yàn)誤差風(fēng)險(xiǎn)[2]。③對于單個樣本的蛋白總量要求相對較低,實(shí)驗(yàn)周期短,實(shí)驗(yàn)費(fèi)用低[3-4]。④色譜和質(zhì)譜具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。⑤該技術(shù)可從蛋白的數(shù)量、表達(dá)差異及功能3個方面對樣本進(jìn)行全面分析。本研究首先明確駱駝乳和牛乳蛋白質(zhì)的種數(shù)差異,揭示駱駝乳與牛乳乳源蛋白的表達(dá)差異,并分析駱駝乳差異蛋白的功能及通路,為后續(xù)建立基于乳源蛋白分析的乳品質(zhì)量檢測方法和評價體系提供有效的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考。
1.1.1 檢測樣品采集與制樣
2021年10 月在新疆柴窩堡白楊溝村某駱駝和奶牛養(yǎng)殖戶分別隨機(jī)采集駱駝乳和牛乳各500 mL,冰盒保存送至實(shí)驗(yàn)室;樣品在實(shí)驗(yàn)室中液氮儲存后,放入裝有干冰的保溫盒送至新疆銘琮科技有限公司進(jìn)行檢測。將采集的駝乳與牛乳依不同比例均勻混合制得檢測分析樣,每種檢測分析樣設(shè)3個平行樣,按順序標(biāo)記并編號,見表1。
表1 樣本信息表
1.1.2 試劑
SDT緩沖液(4% SDS,100 mmol·L-1Tris-HCl,1 mmol·L-1DTT,pH 7.6)、SDT緩 沖 液(4%SDS,100 mmol·L-1DTT,150 mmol·L-1Tris-HCl,pH 8.0)、UA緩沖液(8 mol·L-1尿素,150 mmol·L-1Tris-HCl,pH 8.0)、碘乙酰胺(100 mmol·L-1IAA)、25 mmol·L-1碳酸氫銨緩沖液、BCA蛋白檢測試劑盒(Bio-Rad,美國)、0.1%(v∶v)甲酸、5X上樣緩沖液、12.5% SDS-PAGE凝膠、考馬斯亮藍(lán)R-250和84%乙腈。
C18墨盒(Empore? SPE Cartridges C18,Sigma)、 紫外分光光度計(jì)(HACH)、電泳儀(biorad)、Q萃取 質(zhì)譜儀(Thermo Scientific)和EASY-nLC系統(tǒng)(Thermo Fisher Scientific)。
1.3.1 蛋白質(zhì)提取與消化
(1)蛋白質(zhì)裂解與提取。將乳樣品加入SDT緩沖 液(4% SDS,100 mmol·L-1Tris-HCl,1 mmol·L-1DTT,pH7.6)進(jìn)行蛋白質(zhì)的裂解和提取。使用BCA蛋白檢測試劑盒測定蛋白量[5]。
(2)蛋白質(zhì)消化。胰蛋白酶的蛋白質(zhì)消化按照MANN等[6]描述的過濾輔助樣品制備(Filter-Aided Sample Preparation,F(xiàn)ASP)程序進(jìn)行,具體步驟為每個樣品取200 μg提取的蛋白質(zhì)置于30 μL的SDT緩沖 液 中(4%SDS,100 mmol·L-1DTT,150 mmol·L-1Tris-HCl,pH 8.0)。接著加入U(xiǎn)A緩沖液(8 mol·L-1尿素,150 mmol·L-1Tris-HCl,pH 8.0)重復(fù)超濾 (Microcon units,10 kD),再加入100 μL碘乙酰胺 (100 mmol·L-1IAA)阻斷還原的半胱氨酸殘基,置于黑暗處孵育30 min。孵育后使用100 μL UA緩沖液洗滌過濾器3次,100 μL 25mmol·L-1碳酸氫銨緩沖液洗滌2次。最后將4 μg胰蛋白酶置于40 μL 25 mmol·L-1碳酸氫銨緩沖液,37 ℃過夜消化,收集得到的多肽作為濾液。每個樣品獲得的多肽在C18墨盒上脫鹽,真空離心濃縮,再加入40 μL 0.1%(v∶v)甲酸進(jìn)行重組。使用280 nm的紫外光譜估計(jì)肽含量。
1.3.2 SDS-PAGE
每個樣品取20 μg蛋白分別與5X上樣緩沖液混合,煮沸5 min。蛋白質(zhì)在12.5% SDS-PAGE凝膠(恒定電流14 mA,90 min)上分離。考馬斯亮藍(lán)R-250染色可見蛋白條帶。
1.3.3 液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)(LC-MS/MS)分析
LC-MS/MS分析在Q萃取質(zhì)譜儀上進(jìn)行,并耦合到液相系統(tǒng)EASY-nLC上120 min。將緩沖液A(0.1%甲酸)與多肽樣品裝載到與C18反向分析柱連接的反相捕集柱上,以緩沖液B(84%乙腈和0.1%甲酸)為線性梯度洗脫進(jìn)行分離,流速為300 NL·min-1,采用IntelliFlow技術(shù)控制。質(zhì)譜儀在正離子模式下工作以收集數(shù)據(jù),儀器將選擇豐度最高的母離子進(jìn)行二級質(zhì)譜繪制,從調(diào)查掃描(300~1800m/z)中動態(tài)選擇最豐富的前驅(qū)體離子進(jìn)行HCD片段化。自動增益控制(AGC)目標(biāo)設(shè)置為3e6,最大注入時間設(shè)置為 10 ms。動態(tài)排除持續(xù)時間為40.0 s。在m/z200下的分辨率為70000,在m/z200下HCD光譜的分辨率設(shè)置為17500,隔離寬度為2m/z。歸一化碰撞能量為30 eV, 欠填充比定義為在最大填充時間內(nèi)可能達(dá)到的目標(biāo)值的最小百分比。該儀器運(yùn)行時啟用了肽識別模式。
1.3.4 蛋白質(zhì)的鑒定和定量
使用MaxQuant 1.5.3.17軟件對每個樣本的MS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行組合和檢索。
對照組與實(shí)驗(yàn)組在IEMG貢獻(xiàn)率上具有高度的一致性。貢獻(xiàn)率比較高的下肢骨骼肌為股外側(cè)肌、脛骨前肌、股內(nèi)側(cè)肌和股直肌。股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、股直肌都屬于股四頭肌,可以使小腿伸,近固定時可以使大腿屈,遠(yuǎn)固定時使大腿在膝關(guān)節(jié)處伸。太極拳練習(xí)中的弓步、虛步動作中的主要主動發(fā)力肌肉為股四頭肌,具有維持平衡或控制動作的作用,弓步和虛步中,也都需要脛骨前肌的收縮使踝關(guān)節(jié)跖屈。以上肌肉均屬于大腿和小腿的前群肌肉,因此,可以認(rèn)為在太極拳運(yùn)動中下肢骨骼肌的前群肌肉起主導(dǎo)作用,后群肌肉主要起協(xié)同、平衡和固定關(guān)節(jié)的作用。這表明,太極拳練習(xí)缺乏對股二頭肌、腓腸肌等大腿和小腿后群肌力的練習(xí)。
1.3.5 生物信息學(xué)分析
磷酸化多肽的聚類分析使用Cluster 3.0和Java Treeview軟件進(jìn)行層次聚類分析。基序分析采用MeMe分析。亞細(xì)胞定位采用CELLO分類系統(tǒng)[7]。域注釋使用InterProScan軟件搜索蛋白質(zhì)序列,以從InterPro成員數(shù)據(jù)庫Pfam中識別蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域簽名[8]。GO注釋利用NCBI BLAST+客戶端軟件(NCBIBLAST-2.2.28+-win32.exe)和InterProScan軟件對所選差異表達(dá)蛋白的蛋白序列進(jìn)行局部搜索,尋找同源序列,然后利用Blast2GO軟件繪制基因本體(GO)術(shù)語并進(jìn)行序列注釋[9]。GO注釋結(jié)果由R語言繪制。KEGG注釋按照注釋步驟,將研究的蛋白質(zhì)通過京都基因和基因組百科全書(KEGG)在線數(shù)據(jù)庫(http://geneontology.org/)檢索其KEGG orthology標(biāo)識,并隨后映射到KEGG中的通路[10]。富集分析Fisher精確檢驗(yàn)。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用分析通過基因符號或STRING軟件從完整分子相互作用數(shù)據(jù)庫中檢索,結(jié)果以XGMML格式下載并導(dǎo)入Cytoscape軟件進(jìn)行可視化。
單個樣本的蛋白質(zhì)鑒定數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表2。本研究實(shí)驗(yàn)組共計(jì)鑒定出800個蛋白質(zhì)。通過使用韋恩圖分析組間樣本之間蛋白質(zhì)的重疊情況,發(fā)現(xiàn)共有264個蛋白質(zhì)發(fā)生重疊,實(shí)驗(yàn)組間具有多個差異蛋白質(zhì)(圖1)。
圖1 組間蛋白質(zhì)鑒定結(jié)果Venn圖
表2 蛋白質(zhì)鑒定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
以FC>2倍且P<0.05為標(biāo)準(zhǔn),篩選顯著性差異蛋白質(zhì);以蛋白質(zhì)存在于同一組樣本中2個或以上平行樣本,但不存在于另一組樣本為標(biāo)準(zhǔn),篩選有/無差異蛋白質(zhì)。由表3和圖2可知,C10與M10相比,顯著性差異蛋白表現(xiàn)上調(diào)的有89個,其中接近一半的蛋白質(zhì)(43/89,48.31%)差異倍數(shù)>10倍;表現(xiàn)下調(diào)的有19個,其中26.32%(5/19)的蛋白質(zhì)差異倍數(shù)>10倍。C9、C8和C7與M10相比,顯著性差異表現(xiàn)上調(diào)或下調(diào)的蛋白質(zhì)種數(shù)均與C10與M10相比的結(jié)果相似。對5個分組之間比較差異表達(dá)蛋白,結(jié)果顯示,共計(jì)136個蛋白質(zhì)可以區(qū)分不同實(shí)驗(yàn)組,包括α-乳清蛋白(Alpha-lactalbumin)、乳清酸性蛋白(Whey acidic protein)和載脂蛋白C-II(Apolipoprotein C-II)等。
采用凝聚層次聚類算法對實(shí)驗(yàn)組的差異表達(dá)蛋白質(zhì)進(jìn)行分組歸類,結(jié)果表明本研究的實(shí)驗(yàn)分組合理有效,擇取的差異表達(dá)蛋白具有代表性。由圖3可知,C10與C9的差異表達(dá)蛋白質(zhì)區(qū)分不明顯,但C8、C7較為直觀地顯示約1/3的差異表達(dá)蛋白表現(xiàn)下調(diào)。C10與M10相比,牛乳中表現(xiàn)上調(diào)的差異表達(dá)蛋白質(zhì)在駱駝乳中的表達(dá)量較低。表明駱駝乳與牛乳的差異表達(dá)蛋白類別可有效區(qū)分駱駝乳品質(zhì),此發(fā)現(xiàn)可為建立駱駝乳源檢測技術(shù)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
由圖4可知,對比5個分組的差異表達(dá)蛋白亞細(xì)胞定位,其中有59個蛋白質(zhì)定位于細(xì)胞質(zhì)(Cytoplasmic),42個蛋白質(zhì)定位于細(xì)胞外(Extracellular),40個蛋白質(zhì)定位于細(xì)胞核(Nuclear),13個蛋白質(zhì)定位于細(xì)胞膜(Plasma Membrane),9個蛋白質(zhì)定位于線粒體(Mitochondrial),3個蛋白質(zhì)定位于溶酶體(Lysosomal),2個蛋白質(zhì)定位于過氧化物酶體(Peroxisomal),2個蛋白質(zhì)定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER),另外2個定位于其他細(xì)胞器。了解差異表達(dá)蛋白定位的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu),可為后續(xù)建立基于乳源蛋白的駱駝乳及駝乳制品質(zhì)量檢測提供檢測位點(diǎn)區(qū)域的選擇,以便制造或研究出方便、快捷、高效的檢測試劑。
圖4 5個實(shí)驗(yàn)組差異表達(dá)蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位餅圖
由圖5可知,位于Ras家族(Ras family)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)種數(shù)最多,含有9個,其次是Hsp70蛋白(Hsp70 protein)結(jié)構(gòu)域、β-酮酰基合成酶,N-端 結(jié) 構(gòu) 域(Beta-ketoacyl synthase,N-terminal domain)、α-2-巨球蛋白家族(Alpha-2-macroglobulin family)結(jié)構(gòu)域和14-3-3蛋白(14-3-3 protein)結(jié)構(gòu)域等。由圖6可知,酮?;?合成酶C-末端延伸(Ketoacyl-synthetase C-terminal extension)、聚酮合酶脫水酶(Polyketide synthase dehydratase)、kringle domain(KR domain)、β-酮酰基合成酶,C-端結(jié)構(gòu)域(Beta-ketoacyl synthase,C-terminal domain)、酰基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域(Acyl transferase domain)、β-酮酰基合成酶,N-端結(jié)構(gòu)域(Beta-ketoacyl synthase,N-terminal domain)這5個結(jié)構(gòu)域的蛋白富集度顯著性較高。
圖5 5個實(shí)驗(yàn)組差異表達(dá)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域分析圖
圖6 5個實(shí)驗(yàn)組結(jié)構(gòu)域富集分析圖
Domain Name(Top 20)為結(jié)構(gòu)域名稱(蛋白質(zhì)數(shù)目排名前20);The number of Proteins為蛋白質(zhì)數(shù) 目;Domain Analysis為結(jié)構(gòu)域分析。
一般情況下,差異表達(dá)蛋白的種數(shù)在某一功能類別越多,表明該功能越重要。以GO功能在Ontologies的樹形分支結(jié)構(gòu)中所處的2級層次注釋結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),生物過程(Biological Process,BP)中細(xì)胞轉(zhuǎn)化(Cellular process)、生物調(diào)節(jié)(Biological regulation)、刺激反應(yīng)(Response to stimulus)、代謝過程(Metabolic process)和生物過程的調(diào)控(Regulation of biological process)等18個類別的蛋白質(zhì)種數(shù)相對較多(均>2);分子功能(Molecular Function,MF)中結(jié)合功能(Binding)、催化活性(Catalytic activity)和分子功能調(diào)節(jié)(Molecular function regulator)等5個類別的蛋白質(zhì)種數(shù)相對較多(均≥2);細(xì)胞組分(Cellular Componen,CC)中細(xì)胞外區(qū)域(Extracellular region)、細(xì)胞(Cell)、細(xì)胞區(qū)域(Cell part)、細(xì)胞器(Organelle)和細(xì)胞外區(qū)域組分(Extracellular region part)等14個類別的蛋白質(zhì)種數(shù)均居多(均>2)(圖7)。說明駱駝乳中差異表達(dá)蛋白質(zhì)與生物體機(jī)體能量代謝調(diào)節(jié)與組織修復(fù)過程緊密相關(guān)。
圖7 5個實(shí)驗(yàn)組差異表達(dá)蛋白質(zhì)的GO注釋統(tǒng)計(jì)圖(Level 2)
篩選出Top 20顯著富集的GO條目,由圖8可知,BP中顯著富集的GO條目為細(xì)胞器定位的建立(Establishment of organelle localization);MF中 顯著富集的GO條目為氧化還原酶活性(Oxidoreductase activity);CC中顯著富集的GO條目為黏附連接(Adherens junction)。這些具有高顯著水平富集度的GO功能類別下的蛋白質(zhì)在進(jìn)一步研究駱駝乳差異表達(dá)蛋白質(zhì)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或機(jī)制研究中具有重要意義。
圖8 5個實(shí)驗(yàn)組GO功能富集Top 20柱狀圖
由圖9可知,5個實(shí)驗(yàn)組間參與細(xì)胞內(nèi)吞作用(Endocytosis)的差異表達(dá)蛋白質(zhì)最多,屬于運(yùn)輸和分解代謝(Transport and catabolism)途徑,此可能與駝乳相比于牛乳更能改善機(jī)體脂肪、糖代謝能力相關(guān);PI3K-Akt信號通路(PI3K-Akt signaling pathwa)和肌動蛋白細(xì)胞骨架的調(diào)控(Regulation of actin cytoskeleton),分別屬于信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(Signal transduction)和細(xì)胞蛋白(Cell motility)途徑,此可能與駝乳相比于牛乳具備更好的細(xì)胞修復(fù),促進(jìn)已損害胰島β細(xì)胞功能恢復(fù)能力相關(guān);進(jìn)一步分析差異表達(dá)蛋白質(zhì)在代謝通路中的富集特征,實(shí)驗(yàn)組間顯著富集在AMPK信號通路(AMPK signaling pathway)(圖10),以其進(jìn)行可視化展示,可見多個駱駝乳專屬差異表達(dá)蛋白(圖11,無背景色邊框),包括PP2A、HMGR、HSL等。明確差異表達(dá)蛋白的信號通路及其所在信號通路中的位置,可為建立駱駝乳及駝乳制品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)篩選出個性化、可靠的蛋白檢測提供詳盡的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),同時可為后續(xù)進(jìn)一步研究功能性乳制品提供依據(jù)。
圖9 5個實(shí)驗(yàn)組差異表達(dá)蛋白質(zhì)的KEGG通路注釋及歸屬柱狀圖
圖10 5個實(shí)驗(yàn)組KEGG通路富集氣泡圖
圖11 5個實(shí)驗(yàn)組差異表達(dá)蛋白的AMPK信號通路圖
根據(jù)差異表達(dá)蛋白的聚集程度,將其分為5個簇,每個簇中的蛋白質(zhì)具有相同/相似的功能(圖12)。A0A5N4EFP0蛋白的連接度最高,其所在KEGG通路為甲狀腺激素合成通路(Thyroid hormone synthesis),屬于血清白蛋白,該蛋白發(fā)生變化可能會使系統(tǒng)受到干擾,是維持系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定的關(guān)鍵,從系統(tǒng)生理學(xué)上看,駝乳與牛乳相比,差異蛋白A0A5N4EFP0緊密連接的甲狀腺激素合成通路對機(jī)體腦、骨骼、神經(jīng)發(fā)育,神經(jīng)系統(tǒng)雙向調(diào)節(jié),糖、脂肪代謝,組織細(xì)胞蛋白合成以及心血循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定等緊密相關(guān),此為駝乳新功能探索提供了參考?;プ骶W(wǎng)絡(luò)分析還發(fā)現(xiàn)具有其他的蛋白質(zhì)在生物學(xué)調(diào)控中發(fā)揮重要作用,為駱駝乳及駝乳制品質(zhì)量檢測方法的建立提供了更為清晰的蛋白選擇方向。
圖12 5個實(shí)驗(yàn)組間差異表達(dá)蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)歸類圖
通過Label-free定量蛋白質(zhì)組生物信息學(xué)分析對實(shí)驗(yàn)組的蛋白質(zhì)種數(shù)、差異蛋白表達(dá)及其功能進(jìn)行全面分析,對不同配比駱駝乳和牛乳間蛋白質(zhì)的差異有初步的了解。①100%駱駝乳的蛋白質(zhì)種數(shù)是100%牛奶蛋白質(zhì)種數(shù)的近3倍,加入了10%、20%、30%牛奶的駱駝乳蛋白質(zhì)種數(shù)略微減少,從蛋白質(zhì)種數(shù)檢測上無法有效區(qū)分駱駝乳品質(zhì)。②5個實(shí)驗(yàn)組間的差異表達(dá)蛋白共有136個,包括α-乳清蛋白、乳清酸性蛋白和載脂蛋白C-II等,這些蛋白質(zhì)的檢測均可有效地區(qū)分不同品質(zhì)駱駝乳及駝乳制品。③差異表達(dá)蛋白功能分析顯示,駱駝乳差異表達(dá)蛋白的功能類別豐富,附含在多個信號通路上,這些通路與抗糖尿病、促進(jìn)傷口愈合、增強(qiáng)肌肉力量、抗菌抗炎、促進(jìn)骨骼生長、內(nèi)分泌激素調(diào)節(jié)、神經(jīng)營養(yǎng)以及代謝調(diào)節(jié)等有關(guān)。
本研究為駱駝乳及駝乳制品的質(zhì)量檢測提供了方向,后續(xù)可利用已獲得的差異蛋白及其表達(dá)量差異和功能差異信息建立檢測技術(shù),挖掘出可廣泛應(yīng)用于駱駝乳及駝乳制品加工過程中質(zhì)量檢測、貨品出廠檢測及市場監(jiān)督檢測且高效、快速、便捷、節(jié)約成本的檢測試劑或試紙。此外,可利用差異蛋白功能信息更深入研究其對機(jī)體健康功能的影響,駱駝乳的差異蛋白功能涉及生物體的生長、代謝、免疫和疾病等多個方面,駱駝乳中的差異蛋白對不同人群的體質(zhì)、健康功能狀態(tài)的影響值得探討?;隈勅榕H椴町惖鞍籽芯康南嚓P(guān)功能性的駱駝乳制品和涉及機(jī)體代謝、神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的醫(yī)用藥品均有待進(jìn)一步的探索。