蛋白质组学研究中的核心技术-双向凝胶电泳

人类基因组计划与美国塞莱拉遗传信息公司于2001年在美国《科学》杂志和英国《自然》杂志联合宣布，他们绘制出了准确、清晰、完整的人类基因组图谱，至此，人类基因组计划已基本完成，随着后基因组时代的到来，蛋白质组学得到了空前的发展，蛋白质组研究旨在揭示基因表达的真正执行生命活动的全部蛋白质的表达规律和生物功能。包括蛋白质组、蛋白质组学、功能蛋白质组学和结构基因组学等新的概念的提出，蛋白质组学已成为当今生物领域中极其活跃的学科。

其中双向电泳（Two Dimensional Electrophoresis ， 2DE）是蛋白质组研究的三大关键核心技术之一（另两种是质谱技术和蛋白质组信息学）。

由于双向电泳技术在蛋白质组与医学研究中所处的重要位置，它可用于蛋白质转录及转录后修饰研究，蛋白质组的比较和蛋白质间的相互作用，细胞分化凋亡研究，致病机制及耐药机制的研究，疗效监测，新药开发，癌症研究，蛋白纯度检查，小量蛋白纯化，新替代疫苗的研制等许多方面。

双向电泳由于具有高分辨率和高灵敏度已成为分析复杂蛋白混合物的基本工具。

自1975年，O ' Farrel 等建立这种技术后，已有许多改进，使得这一技术日趋完善，2DE的第一向电泳是等电聚焦电泳（Iso-Electric Focusing ，IEF），然后通过十二烷基磺酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）对蛋白质进行第二向电泳；

在IEF中，蛋白质因等电点不同而被分离，在SDS-PAGE 中，不同分子量的蛋白质相互间被分离开，再用考马斯亮兰或银染进行检测，经Pdquest等软件对结果进行比对、解析。

由于蛋白质的等电点和分子量是两个彼此不相关的重要性质，而2DE同时利用了蛋白质间的这两个性质上的差异分离蛋白质，因此2DE的分离能力非常强大，它甚至能将细胞中的5000 种蛋白分离开，2DE在分离蛋白混合样品，比较差异方面有不可替代的作用，结合质谱鉴定技术可查明大型蛋白复合物各组组分。

与其它生物技术如分子生物学、分子遗传工程、免疫学、微量蛋白质的自动氨基酸序列分析相结合，可以快速准确地发现和鉴定新的蛋白质。

1、双向电泳技术应用过程中的关键步骤

a. 样品制备（蛋白提取）

（1） 细胞培养、处理和收集；

（2） 将细胞在IEF裂解缓冲液中溶解；

（3） 将样品离心以去除不溶的细胞碎片和DNA，提取上清，-80 ℃保存。

b. 蛋白质定量和上样

（1） 固相PH梯度干胶条（Immobi-line PH Gradient ，IPG）水化、等电聚焦；

（2）IPG的平衡；

（3）SDS-PAGE；

（4） 蛋白质检测：考马斯亮兰染色或银染色。

c. 图像分析及数据处理

将染色后的凝胶放在GS-710光密度扫描仪上，扫描后的图像用PDQUEST 2D软件分析，选择部分匹配的蛋白质斑点进行比较。

2、IPG的优点

a.PH梯度稳定、聚焦准确、精度高；

b. 无阴极漂移、碱性蛋白丢失的现象；

c. 蛋白上样量大，可提高低含量成分的分辨效果；

d. 样品中的盐的干扰少，无边缘效应；

e.PH梯度、分离结果重现性好。

3、在双向电泳应用中所面临的问题

许多疏水性蛋白质（如膜蛋白）不溶于样品缓冲液，分子量过大（>200kD）极端酸性或碱性蛋白在电泳过程中易丢失，2DE不能分辨。低含量组分易被高含量组分遮蔽，降低分辨率。蛋白在提取和消化过程中的丢失、凝胶的污染、在不影响分辨率情况下的上样量等等。

4、双向电泳在医学研究中的应用

a. 人类疾病的蛋白质组研究

（1）直肠癌：直肠癌的发生是一个多基因突变导致抑癌基因失活，癌基因活化的过程。Sanchez等对15 例结肠癌和13 例正常人的结肠上皮进行2DE，结果发现在分子量为13kD和PI（ 增殖指数）值为5.6 处的蛋白质仅出现在结肠癌的组织中。其中15 例患者的癌细胞中有13 例13kD/PI5.6蛋白有上调趋势（87%）。此外，发现此种蛋白不仅在中度、低度分化的结肠癌及有24年病史的溃疡性结肠炎过度表达，而且出现在7例分化程度不同的腺瘤的癌前病灶，但对照组则很少出现，这表明该蛋白的出现对检测早期直肠癌有重要的临床意义。

（2）肝癌：Peter 等在用N-甲基-N-亚硝基脲诱导的小鼠肝癌中，用2DE及氨基酸微型测序可分辨出肝癌诱导的醛糖还原酶样的蛋白质（35kD/PI7.4），此种蛋白质在肝癌、胎肝中有高表达。经免疫组化证实，肝癌诱导的醛糖还原酶样的蛋白质在成人肝脏中不表达，但在小鼠的肝癌中又重新表达，同时发现该蛋白在癌前病变及肝癌中表达强烈，而在肝脏周围的正常组织不表达，表明该蛋白可能与肝癌的发病有很大关系。

（3）膀胱癌：丹麦的一个小组利用2DE，并结合了蛋白印迹法、微型序列分析及质谱技术分析了150例膀胱癌病人的组织，发现角蛋白10 、14及银屑病相关的脂肪酸结合蛋白等可作为膀胱癌不同分化程度的标记物。

（4）肾癌：Sarto在对肾癌的研究中发现有4种蛋白质存在于正常肾组织而在肾癌细胞中缺失，其中两种分别是辅酶Q蛋白色素还原酶和线粒体泛醌氧化-还原复合物I ，这提示线粒体功能低下可能在肿瘤发生过程中起重要作用。

（5）扩张型心肌病：扩张型心肌是一种严重的可导致心衰的心脏病，其发病机理尚不明确，推测可能为多种因素所致，Knecht等采用2DE 取得了3300个心肌蛋白条带，通过氨基酸序列分析，Edman 降解法及基质辅助的激光解吸离子化质谱（MALDI-MS） 等分析了其中150条，经活检及病理证实，有12条为扩张型心肌病特有的蛋白。

（6）RA 和OA ：类风湿关节炎（RA）是一种常见的慢性炎性关节疾病，本病侵犯多个关节，主要累及手足小关节，病情迁延反复，主要的病理变化为关节滑膜的慢性炎症，细胞侵润，血管翳形成，软骨及骨组织侵蚀，导致关节结构的破坏，功能丧失。而骨性关节炎（OA）其基本病理改变为多种致病因素引起的进行性关节软骨变性，破坏及丧失，关节软骨及软骨下骨边缘骨赘形成，由此引起一系列的关节症状和体征。有研究者对滑膜细胞进行原代培养，应用流式细胞仪鉴定滑膜细胞类型，提取蛋白进行双向电泳分离，比较RA与OA成纤维样滑膜细胞（Fibroblast-Like Syno-viocytes ，FLS）蛋白酪氨酸磷酸化状态的差异，结果显示：RAFLS蛋白酪氨酸磷酸化较OAFLS明显增多，其中以相对分子质量42×10³～95×10³间蛋白酪氨酸磷酸化位点居多，对其结果进行灰度扫描，RAFLS灰度扫描值为4227672±8947 ，OAFLS为663480±7962 ，RAFLS的灰度扫描值约为OAFLS的6.5倍，两者具有非常显著性差异（T= 2.820 ， P<0.01） 。1980年Hunter 首先发现酪氨酸激酶（PTK） ，许多生长因子受体都具有PTK 活性，一半以上的癌基因产物也具有PTK 活性，他发现酪氨酸磷酸化比例虽小，但却与细胞生长、增殖关系密切，很可能是正常细胞与肿瘤细胞相互转化的关键，癌基因活化后， PTK 活性大大增加。1992年，Williams等研究发现，RA滑膜细胞中的PTK活性远远高于OA，这可能是导致RA滑膜细胞转化特性而呈持续活化状态的关键，作者推测RAFLS 可能存在原癌基因的活化或突变，或多种生长因子受体的持续激活，从而导致转化细胞的外观表现并伴有PTK活性的增高。

（7）其它：目前许多研究者利用2DE对人体的各种组织、器官、细胞进行了研究，为疾病的诊治及了解发病机制提供了新的手段。如Bobring等联合双向电泳与Western技术鉴定分离了高纯度精子膜蛋白，发现14种膜抗原。它们极有可能与男性不孕症或输精管切除患者体内抗精子自身抗体SPAb结合，影响精子运动与顶体反应，为深入了解精子不育机理，确定SPAb的存在找到一个可行的方法。有作者在酒精对人体毒性的研究中发现，乙醇会改变血清蛋白糖基化作用，导致许多蛋白的糖基缺乏，如转铁蛋白。

b. 致病微生物的蛋白质组研究

（1）检测博氏疏螺旋体与免疫相关的蛋白质：博氏疏螺旋体是莱姆病的主要原因，约有50%的未治患者发展为神经系统及关节系统疾病，该螺旋体分为三种类型：B.burgdorferi sensu stricto；B.garinii ；B.afzelii。其诊断由于血清学检查的局限性而存在敏感性及特异性变化大的缺点，为克服这一不足，Peter等用2DE从B.garinii得到217个银染的蛋白斑点，从中用兔多克隆抗体鉴别出6个已知抗原，将不同临床表现莱姆病患者的血浆用B.garinii 2DE图杂交。用抗IgM及抗IgG作为第二抗体，在10例有游走性红斑的患者血浆中，检测出60~80个抗原，同时发现在有关节炎患者血浆中，包含有抗15种抗原的IgM抗体及抗76种不同抗原的IgG抗体。而晚期有神经系统症状的患者血浆中，则包含有抗33种抗原的IgM抗体及抗76种抗原的IgG抗体。上述三种类型患者的血浆中均包含有抗6种已知抗原的抗体，且被SDS-PAGE杂交所证实，这些抗原均为特异性诊断的标志物。

（2）弓形体抗原的检测：弓形体病是由鼠弓形体虫引起的寄生虫病，如果怀孕的妇女在妊娠期受到感染，该虫可通过胎盘引起胎儿的感染，大约50%新生儿由于母体的感染而引起先天性疾病。目前一般利用血清学及PCR，而单独采用血清学如用IgG、IgM或IgA抗体对疾病活动期敏感性不够，尤其对于妊娠或有免疫抑制的患者，因此临床上能否作到早期诊断，而使患者得到早期治疗尤为重要。Jungblut 等将鼠弓形体虫RH 株在人羊膜细胞系FL521中传达后，用2DE得到300个银染斑点，再将其与以下三种患者的血浆进行免疫杂交：

（a） 患有急性弓形体病的妊娠妇女（N=11） ；

（b） 患急性弓形体病的非妊娠（N= 6） ；

（c） 有潜在感染的患者（N=9） 。

结果有9 个斑点对各阶段的弓形体感染均反应，这9 种斑点被用来当作弓形体感染的标记，其中7种标记可用作区别疾病的不同阶段。

（3） 新抗生素作用机理的研究：在新抗生素作用机理的研究方面， 2DE技术发挥了重要作用，因现在细菌对大多数抗生素都有了抗药性，而用于临床的抗生素几乎都是原有抗生素的衍生物，而目前这种状态有所改变，在研究抑制核糖体类抗生素对细菌的作用机制时，对12种作用于翻译过程的不同阶段和核糖体内不同分子的抗生素加以考察，发现其中8种诱导冷休克反应的一系列蛋白质，另4种诱导一系列热休克反应的蛋白质，因此预计新的作用于核糖体的化合物也是诱导这两种反应，并且藉此可推测大肠杆菌对冷热的反应发生于核糖体水平上。

由此可见双向电泳技术在蛋白质组与医学研究中所处的重要位置，它在分离蛋白质谱的应用引起了蛋白质生化和功能分析方法的复兴。我们相信随着蛋白质组研究的技术体系的不断改进和发展，为人类从蛋白质水平上揭开生命活动规律的那一天终究会早日到来。