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相思子毒素-a的纯化及鉴定



全 文 :  收稿日期:2007-01-21
  基金项目:吉林大学农学部博士科研启动基金资助项目(2006)
  作者简介:李小兵(1971-),男 ,博士。
  *通讯作者 , E-mail:Wangzhe500518@sohu.com
相思子毒素-a的纯化及鉴定
李小兵1 ,谢光洪1 ,周昌芳1 ,张志刚1 ,宋文学1 ,周晓翠1 ,张乃生1 ,王兴龙2 ,高宏伟2 ,王 哲1* (1.吉林
大学 畜牧兽医学院 ,吉林 长春 130062;2.军事医学科学院 军事兽医研究所 , 吉林 长春 130062)
摘要:采用硫酸铵分级分离法和凝胶层析法 , 从相思子种仁中分离纯化出一种毒蛋白 P1′。凝胶薄层扫描测得纯度
≥97%;SDS-PAGE 电泳测定其相对分子质量为 64 300;经 β-巯基乙醇处理 , P1′分离为 A、B 2 条链 ,相对分子质量分
别为 29 100和 35 400;经腹腔注射 ,小鼠 LD50为 2.11 μg/kg;P1′质量浓度≥3.91 mg/L时 , 可凝集兔红细胞;P1′的 B
链N 末端 8个氨基酸序列为:I-V-E-K-S-I/L-I-N , 与相思子毒素-a(abrin-a)和相思子毒素-b(abrin-b)同源性较高 , 为
75%;肽质量指纹谱(PMF)分析表明 , P1′与 abrin-a 匹配强度最高 , 为 86%, 与 abrin-b 、相思子毒素-c(abrin-c)和相思
子毒素-d(abrin-d)匹配强度均为 10%,表明毒蛋白 P1′为 abrin-a。 abrin-a经 1%甲醛减毒处理制备类毒素 , 家兔 5 次
免疫后获得了效价高 、特异性较强的抗血清。
关键词:相思子毒素-a;纯化;鉴定;抗血清
中图分类号:S859.8;Q78   文献标识码:A   文章编号:1005-4545(2008)03-0310-04
Purification and characterization of abrin-a
LI Xiao-bing1 , XIE Guang-hong1 , ZHOU Chang-fang1 , ZHANG Zhi-gang1 , SONG Wen-xue1 , ZHOU Xiao-cui1 ,
ZHANG Nai-sheng1 ,WANG Xing-long2 ,GAO Hong-wei2 ,WANG Zhe1* (1.College of Animal Science and
Veterinary Medicine , Jilin University , Changchun 130062 , China;2.The Military Veterinary Institute , Academy of
Military Medical Science of PLA , Changchun 130062 , China)
  Abstract:A toxic protein(P1′)was purified by ammonium sulfate precipitation and chromatography from the seeds of Abrus
precautorius L.The contents of P1′were 2.18 g/L , the purity was ≥97% by densitometric scan of the SDS-PAGE gel , its relative
molecular weight was 64 300 measured by SDS-PAGE , and it was splited into two polypeptide chains:chain A(35 400)and china
B(29 300)when treated with β-mercaptoethanol.Its LD50 is 2.11 μg/kg body weight by intraperitoneal injection.It agglutinates
rabbit red cell when ≥3.91 mg/ L.N-terminal amino acids of chain B of P1′are I-V-E-K-S-I/ L-I-N , which has high homology
(75%)with the corresponding sequences of B-chain of abrin-a and abrin-b.P1′was proved to be abrin-a by Mass Spectrometry
Based Peptide Fingerprint Mapping Analysis ,which has a strong matched intensity (86%)with abrin-a , and a very low matched
intensity(10%)with other isoabrins(abrin-b , abrin-c and abrin-d).Formalin toxoid for immunization was prepared by diluting the
abrin-a in 0.01 mol/ L PBS(pH8.0)containing 1% formaldehyde and specific rabbit antisera with high titer was produced suc-
cessfully after 5 times immunization.
  Key words:abrin-a;purification;characterization;antisera
* Corresponding author , E-mail:Wangzhe500518 @sohu.com
  相思子毒素(abrin)是存在于豆科植物相思子
(Abrus precatorius L.)种子中的一种毒蛋白 ,它是迄
今为此所发现的毒性最强的一种植物毒素。相思子
毒素由A 、B 2条多肽链经 1个二硫键连接而成 ,其
中A链具有 N 糖苷酶活性 , 可以专一水解核糖体
28S第 4 324位腺苷酸的 N-C 糖苷键而使核糖体失
活 ,进而影响蛋白质的合成[ 1] 。相思子毒素具有极
强的细胞毒性 ,特别是对某些恶性肿瘤细胞的毒性
更强 ,这使它成为用于杀伤肿瘤细胞的候选毒素之
一 。利用相思子毒素与抗肿瘤的特异 mAb 结合所
制备的免疫毒素(IT)在恶性肿瘤的治疗上有很好的
应用前景和临床医疗价值[ 2] 。不同产地相思子中含
有的毒蛋白种类及活性存在一定差异 ,在已报道的
4种相思子异毒素(abrin-a , abrin-b , abrin-c , abrin-d)
中 , abrin-a的小鼠急性毒性及抑制肉瘤细胞生长的
活性均显著高于其余 3种[ 2-6] 。为此 ,本研究采用我
国云南昆明产相思子为研究对象 ,以期纯化出高纯
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DOI :10.16303/j.cnki.1005-4545.2008.03.003
度及高活性的 abrin-a ,为进一步研究其抗肿瘤活性
及临床应用打下基础 。
1 材料与方法
1.1 材料 相思豆 ,云南植物研究所提供;相思子
凝集素 、蓖麻毒素与蓖麻凝集素为本室保存;
Sepharose 6B琼脂糖凝胶 ,DEAE-Sepharose FF阴离子
交换介质 ,Hiload 26/60 Superdex★R75凝胶过滤预装柱
(2.6 cm ×60 cm)为 Amersham Phamacia 公司产品;
BCA蛋白总量测定试剂盒为 Pierce 公司产品;兔红
细胞由本室分离制备;昆明种小鼠购自长春生物制
品研究所实验动物中心;成年獭兔购自本校实验动
物中心;DU-640型核酸蛋白分析仪为德国 BAKMAN
公司产品;凝胶薄层扫描仪为日本岛津 CS-9000;垂
直板电泳仪(槽)、转移电泳槽为美国 BIO-RAD公司
产品;酶联免疫检测仪为美国 BIO-RAD550型 。
1.2 制备粗毒 按照文献[ 1 ,3-6]的方法进行。相思
子去壳后 ,取种仁 100 g ,于 500 mL 5%冷醋酸溶液
中4℃浸泡过夜后 ,以10 000 r/min匀浆 ,置 4℃冰箱
1 h ,脱脂纱布滤去残渣 , 10 000 r/min 低温(4℃)离
心20 min ,上清液用(NH4)2SO4 分级沉淀 ,取 35%~
95%饱和度(NH4)2SO4 分级分离所得沉淀溶于少量
5 mmol/L PB溶液中 ,透析除盐 ,上清液即为相思子
凝集素与毒素粗提物 。
1.3 亲和层析 参考文献[ 3 ,7-8] ,将 50 mL 粗提物溶
液经针式微孔滤器(45 μm)过滤后 ,以 1 mL/min 的
速度上样 。上样完毕孵育 1 h ,继续用上述 PBS洗脱
至 D 值低于 0.05 ,然后换用含 0.1 mol/L D-半乳糖
的PBS 洗脱并收集蛋白峰 , 装入透析袋用 PEG
20 000浓缩后 ,用 100倍体积的 10 mmol/L PB 透析
24 h , 中途换液 5 次 , 透析结束后加入终浓度为
0.01%硫柳汞钠盐 , -20℃保存 。
1.4 离子交换层析 参考文献进行[ 1 ,6] ,取 DEAE-
Sepharose FF 凝胶 50 mL ,按常现方法装填离子交换
层析柱(1.6 cm ×20 cm),并经 10倍柱床体积的 10
mmol/L PBS(pH 8.0)充分平衡后 ,将亲和层析 D-半
乳糖洗脱物以 15 mL/min的速度上样 ,上样完毕后
换用含 0 ~ 500 mmol/L NaCl 的 PBS(10 mmol/L ,
pH8.0)作连续梯度洗脱 ,分别收集蛋白峰 P1和 P2 ,
PEG 浓缩后用10 mmol/L PB(pH 8.0)透析24 h ,中途
换液6次 ,离心取上清液 ,加入终浓度为 0.01%硫柳
汞钠盐 , -20℃保存 。
1.5 凝胶过滤 参考预装柱说明进行 。Hiload 26/
60 Superdex 75(Prep grade)预装柱经 5倍柱床体积的
PB(10 mmol/L ,pH8.0)充分平衡后 ,取 10 mL 经 10
mmol/L 上述缓冲液透析平衡处理过的第 1个蛋白
峰P1 ,以 0.5mL/min速度上样后 ,继续以上述 PB洗
脱并收集蛋白峰 , PEG 浓缩后用 10 mmol/L PB
(pH8.0)透析 24 h ,加入终浓度为 0.01%硫柳汞钠
盐 , -20℃保存。
1.6 SDS-PAGE电泳分析 采用 Laemmli不连续缓
冲液系统 SDS-PAGE电泳体系 ,积层胶 5%,分离胶
12%,分别将未经 β-巯基乙醇处理的纯化样品与经
过 β-巯基乙醇室温处理2 h后的纯化样品进行 SDS-
PAGE电泳分析。同时在样品两侧分离低相对分子
质量蛋白质标准。相对分子质量的测定按 Fairbanks
等[ 9]所述方法进行 ,以相对分子质量的对数值为纵
坐标 ,迁移率为横坐标作直线回归图 ,以回归方程计
算出纯化样品及其亚基的相对分子质量。采用凝胶
薄层扫描法分析样品纯度。
1.7 蛋白浓度测定 参照 BCA蛋白总量测定试剂
盒说明书 ,使用标准试管法检测 。结果以 SPSS 软件
分析 ,以吸光度值为横坐标 ,蛋白质浓度为纵坐标绘
制标准曲线 ,作曲线回归图 ,以回归方程计算样品浓
度 。
1.8 LD50测定 昆明种小鼠 100只 ,雌雄各半 ,体
质量19 ~ 22 g ,随机分为10个剂量组 ,每组10只 ,雌
雄各半 ,纯化样品用生理盐水稀释 ,腹腔给药后连续
观察 1周 ,经改良寇氏法计算出纯化样品对小鼠腹
腔注射的 LD50 。
1.9 血凝活性测定 按照文献[ 10]方法制备红细胞
悬液 ,在 96孔“V”型血凝板上同时测定纯化样品和
相思子凝集素血凝活性 ,每个样品均作2排 ,结果取
平均值。纯化样品和相思子凝集素用磷酸缓冲液-
生理盐水进行倍比稀释 ,各取 25μL加入血凝板 ,再
加入 2%兔红细胞悬浮液 25μL ,振荡混匀后室温放
置 1.5 ~ 2 h ,肉眼观察血凝情况。
1.10 N末端序列测定 纯化样品经 β-巯基乙醇
预处理 2 h后 ,用SDS-PAGE电泳分离样品A 链和B
链 ,用CAPS电印迹缓冲系统转膜至 PVDF 膜上 ,参
考蛋白质相对分子质量标准 ,剪下目的蛋白带 ,由上
海基康生物技术有限公司采用 Edman 降解法对蛋
白 N末端测序。
1.11 肽质量指纹谱鉴定 纯化样品经 β-巯基乙
醇预处理2 h后 ,用SDS-PAGE电泳分离样品A链和
B链 ,电泳结束后 ,参考蛋白质相对分子质量标准 ,
切下相对分子质量约为 29 000的蛋白带 ,由上海基
康生物技术有限公司作肽质量指纹谱鉴定 。
1.12 抗血清的制备和检测 按照文献[ 11]方法 ,采
用 1%甲醛减毒处理的相思子毒素类毒素免疫家
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兔 ,制备相思子毒素抗血清 。抗体滴度采用双向免
疫扩散试验和间接 ELISA法测定。
1.13 相思子毒素抗血清特异性分析 选择相思子
凝集素 、蓖麻毒素和蓖麻凝集素3种类似物 ,采用双
向免疫扩散试验分析相思子毒素抗血清的特异性 。
2 结果
2.1 相思子毒素的纯化 粗提物经 Sepharose 6B
亲和层析和 DEAE-Sepharose FF 离子交换层析 2 步
纯化后 ,得到2个主要的蛋白峰P1和P2(图 1),第 1
个蛋白峰 P1进一步经Superdex G75凝胶过滤后 ,回
收得到1个蛋白峰P1′(图 2)。
图1 纯化产物SDS-PAGE 电泳分析 1~ 4.分别为未经
β-二巯基乙醇处理的粗提物、Sepharose 6B 亲和层
析产物 、DEAE-Sepharose FF 离子交换产物 P1、
DEAE-Sepharose FF离子交换产物 P2;5.小相对分
子质量蛋白 Marker;6~ 9.分别为经 β-二巯基乙醇
室温处理 2 h 后的粗提物 、Sepharose 6B 亲和层析
产物 、DEAE-Sepharose FF 离子交换产物 P1 、DEAE-
Sepharose FF 离子交换产物 P2
图 2 P1 的 Superdex G75 凝胶过滤产物 P1′SDS-PAGE
电泳分析结果 1.未经 β-二巯基乙醇处理的毒
素样品;2.蛋白 Marker;3 , 4.均为 β-二巯基乙醇
处理的 P1′
2.2 P1′的相对分子质量 根据各样品迁移率 ,以
回归方程计算出纯化样品P1′及其A链 、B链的相对
分子质量分别为:64 300 、29 100和 35 700。
2.3 纯化样品 P1′的质量浓度及纯度 经 BCA总
蛋白试剂盒标准试管法测定 ,P1′蛋白的质量浓度为
2.18 g/L。薄层扫描分析(图 3)表明 ,未经 β-二巯基
乙醇处理的非还原P1′仅1个峰 ,纯度为 98.16%(图
3A),经 β-二巯基乙醇还原处理的 P1′出现 A 、B 2条
链 ,A 链及 B 链总和为 97.95%(其中 A 链占
60.07%,B链占 37.88%)。
2.4 P1′蛋白 LD50测定 采用改良寇氏法分析 ,P1′
对小鼠腹腔注射的 LD50为 2.11 μg/kg , 95%可信区
间为1.79 ~ 2.48μg/kg 。
2.5 P1′蛋白血凝活性测定 P1′质量浓度≥3.91
mg/L 时 ,兔血红细胞即可发生凝集 ,相思子凝集素
凝集兔红细胞的最低质量浓度为 0.5 mg/L。
图 3 P1′蛋白的凝胶薄层扫描图 A.未经 β-二巯基乙醇处理的 P1′SDS-PAGE 电泳分离结果;B.β-二巯基乙醇处理
后 P1′SDS-PAGE电泳分离结果
2.6 P1′蛋白 N末端序列测定 P1′的 A链 N末端
封闭 ,B链 N末端 8个氨基酸残基序列为:I-V-E-K-
S-I/L-I-N。与 PubMed检索到的 4种相思子异毒素
(abrin-a、abrin-b 、abrin-c和 abrin-d)和相思子凝集素
B链 N 末端相应序列同源性依次为:75%, 75%,
62.5%,62.5%和50.0%。
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2.7 肽指纹图谱鉴定结果 样品经与 Medline 数据
库中 abrin-a、abrin-b 、abrin-c 、abrin-d 4种相思子异毒
素前体蛋白和相思子凝集素匹配强度依次为:86%,
10%,10%,10%和 45%。
2.8 抗血清效价及特异性鉴定结果 琼脂糖双向
免疫扩散试验(图 4)检测抗血清效价为 1∶16 ~ 1∶32
倍 ,相思子毒素孔与中央孔(抗血清)之间出现明显
的沉淀线 。在相思子凝集素孔与中央孔间也出现稍
浅的沉淀线 ,蓖麻毒素孔和蓖麻凝集素孔与中央孔
之间无沉淀线出现。间接 ELISA 试验表明 ,经 4 次
免疫后 ,兔抗血清效价达(1.0 ~ 1.6)×105 。
图 4 琼脂免疫扩散试验 中央孔为抗血清 ,四周分别
为相思子毒素(abrin)、相思子凝集素(abrus
AGG)、蓖麻毒素(ricin)和蓖麻凝集素(ricin AGG)
3 讨论
Sepharose 6B与 Sepharose 4B同为传统的偶联琼
脂糖介质 ,具有疏松的网状结构 ,亲水性强 ,理化性
质稳定 ,非特异性吸附极低 ,回收率高等优点 ,常被
用作凝胶过滤介质 ,也是良好的亲和层析载体 。相
比之下 ,前者含糖浓度相对较高 、结构相对致密 ,具
有更大的吸附容量和分离范围 。针对相思子毒素及
相思子凝集素对半乳糖及半乳糖类似物有特殊的亲
和力的特点 ,采用 Sephares 6B 琼脂糖凝胶吸附 , 0.1
mol/L 半乳糖洗脱 ,可以快速将相思子毒素和凝集
素从相思子粗提物中分离出来[ 3 , 5] 。
未经酸化处理的 Sepharose 6B主要结合毒性最
强的 abrin-a和毒性较弱的相思子凝集素 ,比酸化处
理后的 Sepharose 4B少吸附 1种毒性相对较弱异毒
素 ,但这更有利于对 abrin-a 的分离纯化[ 6] 。本研究
采用的 DEAE-sepharose FF ,化学性质稳定 ,强度远高
于DE52 、A50 等传统离子交换介质 ,可以实现更高
流速(约为传统离子交换介质的20倍),加上其高载
量的特点 ,能实现大量样品中毒素和凝集素快速初
步分离 ,结合分辨率和选择性较高的 Superdex 75预
装柱 ,纯度达到 97%以上。
理化性质分析结果表明 ,我们分离的相思子毒
素类似于 abrin-a[ 1 , 3 ,6] 、Abrin-Ⅲ[ 4] 和 abrin-c[ 5] ,其共
同特点是能为Sepharose 4B或6B结合 ,毒性高 ,血凝
活性强。急性毒性试验表明 ,小鼠 LD50为 2.11 μg/
kg ,与李丽琴等[ 6]纯化得到的 P2相似 ,均高于早期
Lin等[ 3]报道的结果。究其原因 ,除相思子产地不同
之外 ,可能还与 abrin-a 纯度有关 。构成该相思子毒
素(相对分子质量为 64 300)的 2个亚基中 ,其中质
量较轻的 1 个亚基(A 链)的相对分子质量约为
29 000 ,与李丽琴等[ 6] 、Lin等[ 3]报道 P2及 abrin-a相
似 。B链N末端序列分析结果进一步表明 ,该相思
子毒素与 abrin-a 和 abrin-b 同源性最高(75%)。A
链肽质量指纹谱(Peptide Mass Fingerprinting , PMF)分
析表明 ,A链与数据库中 abrin-a A 链匹配强度最高
(86%),与相思子凝集素匹配次之(45%),而与其余
3种相思子异毒素(abrin-b 、abrin-c 和 abrin-d)的匹
配强度最小 ,仅为 10%。结合小鼠急性毒性 、血凝
活性 、相对分子质量等其他性质以及 N末端序列和
肽指纹图谱分析结果 ,表明本试验成功制备得到了
高纯度的 abrin-a 。
相思子毒素为大分子高毒性蛋白 ,虽有很好的
免疫原性 ,但直接用于免疫时因其注射剂量受到限
制 ,免疫效果较差 。本研究采用含有 1%甲醛的磷
酸盐缓冲液对毒素减毒处理制备其类毒素 ,很好地
保持了其免疫原性 ,免疫家兔均产生了高效价的抗
血清 。琼扩实验结果表明 ,相思子毒素抗血清与蓖
麻毒素和蓖麻凝集素均呈现阴性反应 ,但与相思子
凝集素出现较强的阳性反应 ,存在明显的交叉反应 ,
再次映证了相思子毒素与相思子凝集素之间存在较
高的同源性 ,同时也提示进一步制备高特异性的相
思子毒素单克隆抗体十分有必要 。
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性乳腺肿瘤组织中 VEGF 基因的表达量远远高于未
转移的乳腺组织 ,它暗示了 VEGF 在犬乳腺肿瘤形
成和发生发展过程中起着非常重要的作用 。因此 ,
建议将其作为预测犬乳腺癌转移 、复发的指标之一 。
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