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~(18)O标记技术改良和分析工具开发及在鼻咽癌转移相关膜蛋白组研究中的应用

李茂玉  
【摘要】:蛋白质组学已经成为当前生命科学研究的重要内容,已广泛应用于生命科学各个领域。由于基因在转录、翻译后产生蛋白质的过程中,存在着转录水平、翻译水平的调控,同时还存在着蛋白质的翻译后修饰,因而蛋白质组研究要比基因组研究复杂得多,蛋白质组学对技术的依赖性和要求也远超过基因组学。因此,发展高通量、高灵敏度、高准确性的方法和技术一直是蛋白质组学研究面临的挑战。 随着蛋白质研究技术和方法的进步,蛋白质组学研究呈现出新的特点:即由原来以蛋白质表达谱研究为中心逐步向蛋白质精确定量和功能研究转变。目前以稳定同位素标记技术为代表的定量蛋白质组学技术己逐渐成为了蛋白质组研究的新技术之一。但定量蛋白质组学技术还处于发展阶段,其研究技术和相关分析工具有待改进和完善。 ~(18)O标记技术是较早应用于定量蛋白质组学研究的技术之一。该技术以酶解反应动力学原理为基础,通过酶催化反应进行蛋白质的~(18)O标记。~(18)O标记技术具有操作简单、条件温和、没有副产物等独特优势。但~(18)O技术也存在如下不足:(1)在酶存在的情况下标记容易丢失,从而影响定量分析的准确性;(2)获得的数据分析相对复杂;(3)定量分析工具不足。 膜蛋白在细胞与细胞识别、信号转导、物质转运等方面发挥重要功能。膜蛋白异常表达常导致细胞信号转导、细胞粘附和运动等方面的改变,并与肿瘤侵袭和转移密切相关。因此,膜蛋白质组研究已成为肿瘤蛋白质组研究的重要内容。 基于上述考虑,我们首先对~(18)O标记方法进行了优化和改进。~(18)O标记中标记丢失是该方法的主要的弱点。针对这一点,我们采用固相胰酶作为标记酶,标记反应结束后,通过Ziptip对固相胰酶进行过滤去除,分析过滤后的样本在不同pH条件下标记的稳定性。结果显示,与热处理法比较,Ziptip过滤法能显著提高~(18)O标记的稳定性。在连续三天的检测中未发现明显的标记丢失现象。进一步分析了Ziptip过滤法对定量分析结果的的影响,结果显示在连续三天的检测中肽段的定量差异均小于5%。对过滤样品进行等电聚焦(IEF)分离后也显示~(18)O标记无明显丢失,进一步的分析也显示肽段标记效率与肽段分子量和理论等电点无明显相关性。另外,Ziptip过滤法所处理样品均为10-20μl,因此,我们优化和改进的~(18)O标记方法能够用于微量蛋白样本的定量分析,这对临床稀缺样本,如激光捕获显微切割(LCM)纯化的组织样本的分析具有重要意义。 我们针对目前~(18)0蛋白定量分析工具不足的现状开发了OxyQuantToolkit工具。该工具采用java语言开发,具有跨平台的优势。分析工具的功能涵盖了~(18)0标记技术中数据处理的多个环节,通过该工具可自动完成~(18)0标记定量分析中的大量计算任务,分析工具可输出定量分析结果。同时分析工具还具有数据整理,转存方面的功能,这对有效管理数据也有积极作用。另外,该工具还包含了质谱数据的可视化编程包,可进行质谱通用格式文件mzxml的可视化查看。OxyQuantToolkit分析工具的开发为基于~(18)0标记定量蛋白质组学技术的推广与应用奠定了基础。 在标记方法改进和分析工具开发的基础上,我们利用改进的~(18)0标记技术对高转移鼻咽癌细胞5-8F与不转移鼻咽癌细胞6-10B的膜蛋白组进行了定量分析。结果共鉴定了503种蛋白质,其中44%为膜蛋白,89.7%的蛋白质定量结果在0.5-2之间(均值为1.13)。对重复鉴定的395个蛋白的定量分析结果进行统计学分析,结果显示其标准差均值为0.06,具有较高的重复性。结果表明,改进的18O标记技术具有重要的应用价值。另外,参照文献标准(差异变化两倍以上、在三次重复实验中均被鉴定的蛋白质),我们对5-8F与6-10B细胞的膜蛋白组进行了比较,获得了31个差异表达的膜蛋白,其中在5-8F中表达下调的6个,表达上调的25个。生物信息分析显示,其中一些差异蛋白如ITGB1、EphA2与细胞粘附、肿瘤侵袭和转移密切相关。这些差异蛋白质的发现为研究鼻咽癌转移机制以及鼻咽癌转移的防治提供了靶标。进一步比较5-8F与6-10B细胞的膜磷酸化蛋白组的差异,发现EphA2促转移的关键位点$897磷酸化水平在两株细胞存在差异,且EGFR能够磷酸化该位点,这提示EGFR可能通过活化EphA2促进鼻咽癌转移。 本研究建立了基于Ziptip过滤去除固相胰酶的改良18O标记方法。该方法具有标记稳定、定量分析准确结果以及适合微量样本分析的特点;开发了与平台无关的基于~(18)0标记技术的定量蛋白质组分析工具OxyQuantToolkit,为~(18)0标记技术的推广和应用打下了基础,并开发了基于java的质谱数据可视化编程包,实现了mzxml文件的可视化浏览;采用改良的~(18)0标记定量蛋白质组学技术比较不同转移潜能NPC细胞株的膜蛋白质组的差异,鉴定了31个与NPC转移相关的膜蛋白质,为NPC转移机制研究及其防治提供了靶标;应用定量磷酸化蛋白技术鉴定到EphA2促肿瘤关键位点S897的差异表达,证实EGFR活化能诱导EphA2促肿瘤转移的关键位点S897磷酸化,为揭示EGFR促鼻咽癌转移机制的研究提供了重要线索。


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