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差异凝胶电泳技术的发展及其在生物学领域的应用



全 文 :·技术与方法·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010 年第 6 期
差异凝胶电泳技术的发展及其在生物学领域的应用
高宇1,2 陈利珍2 梁革梅2 迟德富1
(1东北林业大学,哈尔滨 150040;2中国农业科学院植物保护研究所 植物病虫害生物学国家重点实验室,北京 100193)
摘 要: 差异凝胶电泳技术是建立在双向电泳技术基础之上、采用 3 种荧光染料同时对蛋白样品进行标记、进而进行蛋
白质表达量差异统计学分析的技术,具有更高的敏感度以及精确的定量能力。综述了差异凝胶电泳技术的基本原理、优缺
点,概括了该技术在国内外生物学领域的应用现状,并对该技术的未来发展前景进行了展望。
关键词: 蛋白质组学 差异凝胶电泳 荧光染料
Progress of Two-dimensional Difference Gel Electrophoresis
and Its Application in Biology
Gao Yu1,2 Chen Lizhen2 Liang Gemei2 Chi Defu1
(1Northeast Forestry University,Haerbin 150040;
2State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases of Insect Pests,Institute of Plant Protection,CAAS,Beijing 100193)
Abstract: Two dimensional difference gel electrophoresis(2D-DIGE)is a developed technology based on 2-DE,which could sta-
tistical analyse the differences of protein expression by labeling the protein samples with three fluorescent CyDyes at same time. This
technology has higher sensitivity and more accurate quantitative ability. The article reviews the basic principle,the advantages and dis-
advantages of 2D-DIGE,summarizes the present major applications in biological field at home and abroad,and prospects its developing
foreground in the future.
Key words: Proteomics 2D-DIGE Fluorescent CyDyes
收稿日期:2010-03-30
基金项目:转基因重大专项(2008ZX08011-002) ,国家“973”课题(2007CB109204) ,国家自然科学基金(30971921)
作者简介:高宇,在读研究生,研究方向:昆虫分子生物学;E-mail:gaoyu0418@ 126. com
通讯作者:迟德富,教授,主要从事昆虫分子生物学、昆虫化学生态、森林昆虫防治和教学工作;E-mail:chidefu@ 126. com
蛋白质组学可以对给定的组织或细胞中的蛋白
质进行大规模分析,并与功能基因组学研究(转录
组学及代谢组学)相结合,系统而深刻了解蛋白如
何发挥作用及各种蛋白间的相互影响[1,2]。差异凝
胶电泳技术是采用 3 种荧光染料同时对蛋白样品进
行标记、对蛋白质表达量进行差异统计学分析的技
术,是在双向电泳技术基础上发展而来的,它具有更
高的敏感度以及精确的定量能力。
1 差异凝胶电泳技术的发展
1 1 双向电泳技术
OFarrell等于 1975年建立了双向电泳技术(two-
dimentional gel electrophoresis,2-DE) ,此技术是蛋白
质丰度研究的强有力工具,也是惟一一种可同时分
离上千种蛋白质的方法。目前双向电泳技术已达到
可承载几毫克蛋白质样品,并将其分离成上千个蛋
白点的水平。尽管此项技术已成熟应用于多种蛋白
分析的各个领域,但传统的双向电泳技术仍然存在
若干局限性。例如,蛋白样品进入 IPG 胶条的效率
不同造成胶与胶之间重复性差[3],或由于试验条件
的微小变化、不同人员操作所产生的误差等,使得很
难区分蛋白质点丰度的变化是来自试验误差还是诱
发产生的生物学变化;难以将蛋白质表达量的变化
进行定量[4];疏水性膜蛋白以及高度酸性或碱性蛋
白的溶解度差,导致其在双向电泳第一向等电聚焦中
难以溶解,会造成蛋白质的丢失[2,5];样品中高丰度蛋
白的动态范围超过了检测可能性的动态范围,会导致
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 6 期
低丰度蛋白难以检测[6]。另外,传统的双向电泳技术
在一块胶中只能分离一个蛋白样品,难以应对大规模
的蛋白组学分析等。
1 2 差异凝胶电泳技术
差异凝胶电泳技术(two-dimensional difference
gel electrophoresis,2D-DIGE)建立在双向电泳技术
的基础上,能够在同一块双向电泳胶中分离多于一
种品。Jonathan 实验室最先使用这项技术[7],后来
被 Amersham Biosciences公司进一步的优化并市场
化[8]。由于差异凝胶电泳技术可在同一块胶中进
行两个蛋白质样品差异的检测与定量,从而避免了
传统双向电泳技术胶与胶之间重复性差的缺陷。
差异凝胶电泳是以在双向电泳前先对蛋白样品
进行荧光标记为基础的。荧光染料标记的方法分为
两种:最小标记法和饱和标记法,其中最小标记法较
为常用。对于最小标记法,3 种用来标记的荧光染
料 Cy2、Cy3 和 Cy5 是来源于 N-羟基琥珀酰亚胺的
衍生物,结构相似,可与赖氨酸残基侧链的 ε-氨基
基团进行亲核取代反应形成氨基化合物[9],所带正
电荷与赖氨酸残基上被取代的电荷相匹配。3 种染
料的分子量是相匹配的,使被标记蛋白增加大约
0 5 kD。对优化的标记反应进行质谱分析,结果表
明每个蛋白质分子被一个染料分子标记。即使多个
赖氨酸残基被标记,双标记所占的百分比很低,难以
检测,故只有 1% -3%的蛋白样品被标记[9]。最小
标记法中染料与蛋白的最佳标记比例为每 50 μg 蛋
白样品采用 400 pmol 荧光染料进行标记[2]。对于
饱和标记法,用来标记的两种荧光染料具有顺丁烯
二酰亚胺反应基团,可与蛋白中半胱氨酸残基的硫
醇基形成硫醚键[9],从而达到标记的目的。饱和标
记法将对蛋白样品中所有可用的半胱氨酸残基进行
标记,故需要大量的染料,被标记蛋白样品的比例很
高。两种染料的分子量同样是相匹配的,使被标记
蛋白增加大约 0 677 kD。不论是最小标记法或是
饱和标记法,都可确保被标记的同一蛋白质在双向
电泳胶中迁移到相同的位置[10]。此种方法敏感度
高,仅需 5 μg 蛋白样品,对于比较珍贵的实验样品
(人类的器官、组织等)更具有优势[2]。
由于荧光染料的敏感性及线性,差异凝胶电泳
技术与其他标准的染色技术相比具有更加精确的定
量能力。另外,差异凝胶电泳技术不需进行电泳后
的固定或脱色过程,可减少蛋白尤其是低分子量蛋
白的损失[11]。更重要的是,可在同一块胶中比较两
个不同的蛋白样品,胶与胶之间变化的影响完全消
除,使得蛋白点荧光强度的差异是来源于生物学变
化而非试验误差,可信度大大增加[10]。
差异凝胶电泳技术的主要操作流程与双向电泳
技术相似,将两个蛋白样品分别用 Cy3 和 Cy5 荧光
染料进行标记,再将两个样品取等量混合后用 Cy2
染料进行标记作为内标,最后将 3 个已标记样品混
合后进行第一向等电聚焦,胶条的平衡以及第二向
SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳等操作。
Alban等[10]首次提出差异凝胶电泳中内标的概
念与优势。内标的制备是将来自不同生物样品的蛋
白等量混合,并用荧光标记物进行标记,在最小标记
法中通常用 Cy2 来标记内标,其作用是可校正胶与
胶之间的变化。来自于所有样品的每个蛋白点都将
在内标中显示出来,每个蛋白点的定量分析不是通
过 Cy3 和 Cy5 标记的两个蛋白样品的直接比较,而
是通过被标记的样品与内标进行比较得到标准的丰
度,从而比较样品间蛋白质丰度的变化[12]。这样就
保证了胶与胶之间蛋白点的精确定量,得到更具统
计学意义的试验数据。
2 差异凝胶电泳的信息分析
2 1 凝胶成像
电泳结束后,将胶置于荧光扫描仪中进行图像
扫描。目前大多数采用的是 Amersham Biosciences
公司的台风 9400 或 9410 系列的荧光扫描仪。采用
波长为 488 nm,532 nm 及 633 nm 的激光分别对
Cy2、Cy3、和 Cy5 三种荧光染料进行扫描。为达到
最佳结果,将荧光过滤器与激光结合,可以使荧光通
道之间的交叉干扰降到最小。将电泳后的胶与低荧
光玻璃板一同进行扫描,可确保扫描期间胶的完整
性,并将污染的可能性降到最低[10]。
2 2 图像分析
图像分析都是蛋白质组学研究中的薄弱环节,
即使利用专业的成像设备以及完善的软件,分析图
像的过程中仍需要耗费大量时间进行手动编辑。目
前有若干个软件可对荧光胶进行分析。包括 PDQuest,
Progenesis,ProteomWeaver 和 Image Master[3]。Amer-
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2010 年第 6 期 高宇等:差异凝胶电泳技术的发展及其在生物学领域的应用
sham Biosciences公司推出的 DeCyder软件是专门为
差异凝胶电泳胶分析而设计,是一种全自动图像分
析软件,可进行蛋白点的检测以及对蛋白表达量差
异的精确定量。DeCyder 软件平台主要由 4 个模块
组成:胶内差异分析(DIA) ,生物学差异分析
(BVA) ,批处理器(batch processor)以及 XML 工
具箱[13]。
DIA模块是针对一块胶所产生的图像进行全自
动的背景去除,蛋白点的检测与定量,胶内归一化以
及假点的去除等操作[14]。蛋白点的检测采用全新
的共检测算法,可对同一块胶中的 3 个图像进行共
找点,将蛋白点检测过程中不同图像间所产生的差
异降到最小。然后根据 Cy3 和 Cy5 标记的蛋白样品
与 Cy2 标记的内标样品的体积比对各个蛋白点的丰
度进行定量[10]。
同一块胶中共找点及定量工作完成之后,数据
将被传送到 BVA 模块中进行胶与胶之间的生物学
差异分析。利用内标的优势,BVA 模块可对来自不
同胶的多重图像进行匹配和比较,提供不同组中不
同蛋白点的丰度变化的统计学数据。另外,BVA 模
块可对不同复杂程度的试验设计进行分析,不管是
简单的对照组与试验组的比较,还是复杂的多因素
比较试验(如剂量与时间关系)等[15]。
批处理器模块中也可进行 DIA 和 BVA 模块中
的操作,在没有用户介入的情况下可对多至 500 块
胶的多重图像进行全自动的点的检测,定量,匹配以
及比较等工作[10]。使用 DeCyder 差异分析软件时
将会产生大量数据,在不同模块(DIA 和 BVA)中产
生的数据将以一种称为 XML的通用文件格式保存。
DeCyder软件中的 XML工具箱中包含一系列工具,
可将差异分析过程中产生的用户自定义数据提取出
来,并将这些数据转换成文本文件,HTML文件或其
他数据格式以促进自动报告的生成[10]。
3 差异凝胶电泳技术的应用
差异凝胶电泳技术虽然市场化时间不长,但因
其更高的敏感度及更精确的定量,而在医学、植物、
细菌、昆虫等生物学领域的研究中应用。尤其是在
与人类疾病相关的各种病变细胞与正常细胞蛋白质
的比较方面的应用,为人类对致病潜在候选蛋白的
鉴定、对临床样品的检测及深入研发抗病变药物等
的研究提供了理论依据。
3 1 医学
García-Ramírez等[16]将差异凝胶电泳技术及质
谱技术相结合,对患有糖尿病视网膜病变的患者以
及患有先天性黄斑裂孔的非糖尿病患者的玻璃状液
总蛋白进行研究。结果表明,患有糖尿病视网膜病
变的患者其玻璃状液中有 11 种蛋白表达量发生了
变化,其中 8 种蛋白表达量上调,3 种蛋白表达量下
降。从这 11 种蛋白中选取 5 种,进行 Western 杂交
试验,结果显示这 5 种蛋白表达量变化与差异凝胶
电泳技术分析结果一致,进一步证实了差异凝胶电
泳技术的精确定量能力,并对糖尿病视网膜病变致
病机理中潜在的新候选蛋白的鉴定工作提供了有力
帮助。
Zhou等[4]用激光捕获显微切割技术获得同一
食道肿块样品中的食道癌细胞及正常的上皮细胞,
利用差异凝胶电泳技术对两种细胞进行分离,通过
DeCyder软件对蛋白点进行检测以及丰度变化分
析,共获得表达量差异达 3 倍以上的蛋白点 165 个,
其中表达量上调为 58 个,表达量下调为 107 个。利
用质谱技术与 Western杂交对表达量有差异的蛋白
点进行鉴定与验证,确定 3 个蛋白点是食道鳞状细
胞癌的特异蛋白标志物。到目前为止,这是首次对
来自于人类同一肿瘤组织样品的癌细胞与正常细胞
的蛋白质表达差异的检测,也验证了差异凝胶电泳
技术的高度精确性、重复性,以及宽动力学范围对临
床组织样品的大规模蛋白质组分析非常有利。
Minagawa 等[17]通过差异凝胶电泳技术对来自
于同一肝癌患者的癌细胞组织与相邻的正常组织总
蛋白进行了分离与比较,并对同一样品采用基因表
达序列分析技术得到其 mRNA表达谱。经过 DeCy-
der软件分析,共得到 230 个表达量变化在 1 8 倍以
上的蛋白点,并通过质谱技术鉴定得到 188 个蛋白
质。将此分析结果与 mRNA 表达谱进行比较,共找
到 164 个蛋白质的 mRNA表达信息,并发现 40 个蛋
白质的 mRNA 表达发生了变化,其中 24 个蛋白质
的表达量变化趋势与 mRNA相同,说明 60%蛋白质
的表达可解释为是受转录控制的;30%的蛋白质表
达量变化趋势与 mRNA 相反,另外还发现若干个蛋
白质发生了不同的翻译后修饰。此研究将蛋白质组
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 6 期
与转录组相结合进行分析,发挥了差异凝胶电泳技
术可对发生翻译后修饰的蛋白质进行检测与比较的
优势,为了解细胞功能的分子基础提供有力帮助。
赵群等[18]利用差异凝胶电泳技术寻找 CA125
阴性卵巢上皮癌血清标志物,通过 DeCyder 软件对
表达量有显著性差异的蛋白点进行分析,得到有显
著差异的蛋白质点 41 个,并采用基质辅助激光解吸
离子化飞行时间串联质谱技术鉴定了其中 28 个蛋
白质点。最终确定结合珠蛋白和转铁蛋白可作为卵
巢上皮癌的血清标志物。由此证明,差异凝胶电泳
技术是研究不同生理或病理条件下蛋白质表达水平
变化的强有力工具。李群等[19]应用差异凝胶电泳
技术比较了人高转移性与低转移性前列腺癌细胞株
间差异表达的蛋白质,并采用基质辅助激光解吸电
离飞行时间质谱对 11 个蛋白质点进行鉴定,得到 9
个只在低转移性前列腺癌细胞株中表达的蛋白质以
及 2 个只在高转移性前列腺癌细胞株中表达的蛋白
质,并探讨其在前列腺癌发生、转移中的可能作用。
此研究对探索潜在的早期诊断和逆转前列腺癌转移
的标志物具有重要的意义。为深入进行抗肿瘤药物
的研发提供了理论依据。
锂是一种常规的情绪镇定剂,但长期服用可导
致许多肾脏相关的副作用,如水通道蛋白 2(AQP2)
丰度的显著下降,肾功能及结构的改变等。Nielsen
等[20]采用差异凝胶电泳技术对经过锂处理一周及
两周时间与未被处理的小鼠髓质内层集合管蛋白组
成进行了研究。通过质谱技术分别对经过一周与两
周时间处理的样品中 6 个与 74 个表达量有显著差
异的蛋白点进行了鉴定。结果显示被鉴定的蛋白质
具有各种功能,包括信号转导,基因表达调控,细胞
骨架构建,细胞的重组、凋亡与增殖。综合分析对小
鼠髓质内层集合管中受锂处理影响的蛋白质,获得
了许多个可能在 AQP2 调控中起一定作用的蛋白
质,这为进一步的研究工作提供了基础。
3 2 植物、细菌
植物在其生长周期中会遇到一系列生物和非生
物胁迫。环境因素如强光、干旱、高温或低温,以及
盐浓度都会影响植物的生长发育,导致作物减产。
在这些不利因素的影响下,植物本身已形成一系列
的防御机制。Amme 等[21]对低温胁迫下的拟南芥
蛋白质组进行了研究,作者将正常生长的拟南芥置
于低温环境下(6℃或 10℃)生长一周,然后利用差
异凝胶电泳技术与质谱技术相结合分离和鉴定了拟
南芥中与低温胁迫相关的蛋白。通过 DeCyder 软件
对处理组与对照组蛋白点进行统计学分析,得知在
6℃条件下,共有 22 个蛋白点表达量表现出 2 倍以
上的变化,其中 18 个蛋白表达量增加,4 个蛋白表
达量下降;在 10℃条件下,低温胁迫对于蛋白点丰
度的影响有所减弱,但仍有 16 个蛋白表达量增加,2
个蛋白表达量下降。以上结果表明,引入内标的差
异凝胶电泳技术可对低温胁迫下与细胞应答相关的
一系列蛋白进行检测,并可监测逐渐变化的胁迫条
件对与胁迫相关的蛋白质丰度的影响情况,帮助人
们从蛋白质水平分析和理解植物防御应答的细胞
机理。
黄华宏等[22]用差异凝胶电泳技术对野生型杉
木及矮化突变型杉木新梢顶端的叶片总蛋白进行了
分析比较。结果表明在矮化突变型杉木的叶片组织
中有 14 个蛋白质点表达水平显著增加,15 个蛋白
质表达水平显著下降,所得的 29 个差异蛋白质可能
与杉木矮化突变的发生有关。Yan 等[14]利用差异
凝胶电泳技术将经过苯甲酸处理与未经处理的大肠
杆菌蛋白质组进行了比较,并结合基质辅助激光解
吸电离飞行时间质谱和四极飞行时间质谱对 179 个
表达量发生变化的蛋白点进行鉴定。鉴定结果包括
酶,压力相关蛋白和基质结合蛋白,其中有许多为膜
蛋白和蛋白质异形体,表明大肠杆菌样品溶解充分,
并且存在潜在的翻译后修饰过程。作者从基因的相
互作用方面对若干个蛋白表达量的变化进行解释,
将蛋白质组学研究与基因表达差异联系起来,是第
一次对经过苯甲酸处理与未经处理的大肠杆菌进行
大规模的蛋白质组学研究,并指出即使是细菌水平
的代谢调控机制也要比预期复杂的多。
3 3 昆虫
Vierstraete等[23]采用革兰氏阴性细菌滕黄微球
菌及酵母菌对果蝇三龄幼虫进行感染,并利用差异
凝胶电泳技术对已感染与未感染的三龄幼虫血淋巴
蛋白质进行分离,结果显示,经滕黄微球菌和酵母菌
感染后的果蝇血淋巴中分别有 20 个和 19 个蛋白点
表达量上调。通过质谱技术对表达量有差异的蛋白
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2010 年第 6 期 高宇等:差异凝胶电泳技术的发展及其在生物学领域的应用
质鉴定,发现有多个点鉴定为同一蛋白质,表明存在
翻译后修饰过程。并获得一个未知蛋白可作为新免
疫蛋白的候选者进行进一步研究。
谷蠹是一种分布广泛的鞘翅目害虫,一般采用
熏蒸剂磷化氢对其进行控制。近年来许多国家就谷
蠹对磷化氢产生抗性这一现象进行了报道。前人曾
报道采用双向电泳技术对敏感及产生抗性的谷蠹进
行研究,并提出可将精氨酸激酶作为抗性快速监测
的标志物。Campbell[24]利用差异凝胶电泳技术对
谷蠹的敏感及抗性品系再次研究,结果显示在检测
到的数百个蛋白点中只有 2 个蛋白点表现出显著差
异,蛋白鉴定结果中也包括精氨酸激酶,但其表达量
变化并不显著,由此作者对前人的设想提出了质疑,
并提出敏感与抗性品系的重要差异位点可能位于线
粒体上。
目前,本实验室正在利用差异凝胶电泳技术对
具有 Bt抗性的棉铃虫品系与敏感品系中肠蛋白质
组进行研究,并结合 Western 杂交技术寻找与抗性
相关的蛋白质。目前共发现 30 个蛋白质表达量发
生变化,其中 23 个蛋白质表达量上调,7 个蛋白质
表达量下调,数据还在进一步分析整理中。
4 展望
差异凝胶电泳技术虽克服了双向电泳技术的若
干缺陷,但传统双向电泳技术中一些悬而未决的问
题仍然存在其中。例如,双向电泳胶中能够呈现出
来的点大多是丰度较高的蛋白质,而低丰度、疏水
性、极端酸性或碱性的蛋白质却难以检测出来[25]。
另外,多个蛋白点在胶中迁移到同一位置也是一个
不可避免的难题。由于无法确定多个蛋白点的混合
物中哪个蛋白质的表达量发生变化,可能会忽略一
些重要的数据信息。为了改善这个问题,可将蛋白
样品先进行预分级处理,例如将样品分成细胞质、质
膜、线粒体、溶酶体以及内质网 /高尔基体,可简化蛋
白样品的组成成分并提高单个蛋白质的溶解性。预
分级处理的另一个优势是提高了蛋白样品的上样
量,有利于低丰度蛋白质的检测。对于极端酸性或
碱性的蛋白质可采用窄范围的 IPG胶条对蛋白质进
行分离,此举也有利于低丰度蛋白质的分离[2]。此
外,差异凝胶电泳技术中最小标记法对于赖氨酸残
基含量较高的蛋白质可进行高效率的标记,但却不
适用于赖氨酸含量极低或不含赖氨酸的蛋白质。因
此,在传统双向电泳中表现出高丰度但赖氨酸残基
含量极低的蛋白质在差异凝胶电泳中则会表现中或
低丰度。饱和标记法也是如此,对于不含半胱氨酸
残基或其含量极低的蛋白质将不利于标记反应[4]。
差异凝胶电泳技术是蛋白质组学中差异分析的
新方法,具有敏感度高,重复性好,宽动力学范围等
优势,不仅可对简单如试验组与对照组的试验设计
进行分析,也适用于多条件因素的复杂试验设计,并
可提供蛋白质的翻译后加工修饰的相关信息。随着
蛋白质组定量分析技术的发展及自动化过程的提
高,如能成功解决以上弊端,并能将差异凝胶电泳技
术与其他功能基因组学(如转录组学、代谢组学)以
及其它技术(如同位素亲和标签技术、高效液相色
谱技术等)相结合,其应用的范围和前景将越来越
广泛。
参 考 文 献
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