全 文 :书一种有效检测水稻叶鞘低丰度蛋白的方法
王莹1,2,崔为同1,2,杨明峰1,2,沈世华1,2
(1.中国科学院北京植物所,北京100093;2.中国科学院研究生院,北京100049)
摘要:蛋白质组学研究中,低丰度蛋白的富集、检测和鉴定是主要的技术难题。植物组织中核酮糖1,5二磷酸羧
化/加氧酶(rubisco)等高丰度蛋白占细胞全蛋白很大比例,严重影响双向凝胶电泳(2DE)对低丰度蛋白的检测。
为探索一种适用于叶鞘低丰度蛋白的有效检测方法,本研究采用聚乙二醇(PEG)沉淀法以减少rubisco等高丰度
蛋白,富集低丰度蛋白。以 Mg/NP40法为对照,分别使用15%和20%PEG分离水稻叶鞘可溶性全蛋白,并将对
照和各PEG分离组分进行2DE。2DE图谱经软件分析结果表明,20%PEG沉淀法适用于灌浆期叶鞘低丰度蛋
白检测。
关键词:叶鞘;低丰度蛋白;PEG;双向凝胶电泳
中图分类号:Q9463;S511.01 文献标识码:A 文章编号:10045759(2011)03019206
蛋白质组学研究已成为21世纪生命科学的重要战略前沿,《科学》杂志将其列为六大研究热点之一[1]。在后
基因组时代蛋白质组学发展迅速,对于探索基因功能日趋重要[2]。作为有力的分子生物学手段,蛋白质组学已被
用来研究水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)等作物生长发育和环境胁迫下蛋白质的表达[35]。
蛋白质组学研究中的关键步骤之一是样品的制备和分离。尽管色谱、同位素亲和标签(ICAT)和蛋白微列阵
等技术已成功应用于蛋白质组学分析[6,7],双向凝胶电泳技术(2DE)仍然是目前分析大量复杂蛋白样品的常用
工具[8]。样品的制备是影响2DE有效分辨率的关键因素,而蛋白分辨率可影响凝胶图像质量和蛋白分布[9]。
蛋白样品的电泳分离常被一种或几种含量极度丰富的蛋白干扰,这些“超高丰度蛋白”限制低丰度蛋白的分辨
率[10],而且数量庞大,可遮盖邻近蛋白点或影响其他蛋白点的电泳迁移[11,12]。例如,核酮糖1,5二磷酸羧化/加
氧酶(rubicso)是光合作用中CO2 固定的关键酶,也是植物中含量最丰富的蛋白[13]。叶片中rubisco含量非常丰
富,在电泳共迁移过程中影响或遮盖邻近蛋白点[14],进而降低2DE对低丰度蛋白的检测率。
降低样品体系复杂性,分离富集低丰度蛋白质的各种预分离技术近年来发展较快,并与现有的分离技术相结
合,大幅度提高了低丰度蛋白的检测率[9,11,1521]。但是,多数预分离技术比较昂贵或是耗时较长。PEG沉淀法是
其中一种能够简单、快速地富集低丰度蛋白质的预分离方法。Sun等[22]采用20%PEG预处理水稻蛋白样品,
rubisco大亚基为主的高丰度蛋白被分离到沉淀部分,取得很好的分离效果;Xi等[23]采用PEG分离法检测拟南
芥(犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪)中低丰度蛋白,报道rubisco大亚基可被16%PEG沉淀;Lee等[24]采用15%PEG分离
法检测了水稻幼苗叶片中响应低温胁迫的低丰度蛋白,取得了良好分离效果。
水稻、玉米(犣犲犪犿犪狔狊)和小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)等禾谷类植物被广泛研究[2528]。叶鞘常被作为研究禾谷
类作物库源转化的特殊器官[29],已有关于水稻灌浆期叶鞘蛋白质组学分析的报道[30]。叶鞘也进行一部分光合作
用,因此该器官内也含有大量光合作用相关酶类,尤其是rubisco的存在严重干扰叶鞘低丰度蛋白的检测和分
析,目前尚无提高叶鞘低丰度蛋白鉴定率的报道。本研究分别采用15%和20%PEG预分离法富集低丰度蛋白,
旨在探索一种叶鞘低丰度蛋白的鉴定方法,为单子叶植物叶鞘蛋白质组学研究提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
将水稻9311(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪ssp.indicacultivar9311)于正常水稻生长季节种植于北京中国科学院植物研究
192-197
2011年6月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第20卷 第3期
Vol.20,No.3
收稿日期:20100411;改回日期:20100621
基金项目:国家高技术研究发展计划项目(No.2007AA10Z109)资助。
作者简介:王莹(1985),女,山东菏泽人,在读硕士。Email:wangying8558@hotmail.com
通讯作者。Email:shshen@ibcas.ac.cn
所实验温室内,常规水肥管理。自然光照下,生长70d左右,待水稻生长至灌浆期,剪取水稻剑叶的叶鞘作为实
验材料,液氮速冻后储藏于-80℃冰箱里。
1.2 蛋白质提取
1.2.1 Mg/NP40法 蛋白质提取方法参照Kim等[31]的方法,略作修改。将0.5g材料在液氮中研磨成精细
的粉末,然后加入3mL预冷的 Mg/NP40提取液[0.5mol/LTrisHCl(pH8.3),2%(v/v)乙基苯基聚乙二醇
(NP40),20mmol/L氯化镁,1mmol/L苯甲基磺酰氟(PMSF),2%(v/v)β巯基乙醇],在冰上充分研磨。4℃
下12791r/min离心匀浆液10min,弃沉淀。上清液中加入4倍体积丙酮,-20℃沉淀30min。相同条件下再
次离心后,弃上清。沉淀用丙酮清洗,4℃下12791r/min离心10min,清洗3次。将沉淀真空干燥即得到可溶
性全蛋白干粉(NF)。
1.2.2 Mg/NP40法(PEG预分离) PEG沉淀方法参照Kim等[31]和Yang等[32]的方法,并作修改。将0.5g
材料在液氮中研磨成精细的粉末,然后加入3mL预冷的 Mg/NP40提取液,在冰上研磨充分。4℃下12791
r/min离心10min,弃沉淀。上清中加入50%(w/v)PEG4000至终浓度为15%或20%(w/v)。混匀,冰上沉淀
30min。4℃下12791r/min离心10min。离心后上清加入4倍体积丙酮,置于-20℃沉淀30min。4℃下
12791r/min离心10min,取沉淀用丙酮清洗4次后真空干燥得到15%或20%PEG预分离上清组分(AF1或
BF1)。离心后沉淀用丙酮清洗4次,真空干燥得到15%或20%PEG预分离沉淀组分(AF2或BF2)。
1.3 双向凝胶电泳
双向凝胶电泳方法参照Yang等[32]的方法,略作修改。将蛋白干粉溶于裂解液:7mol/L尿素,2mol/L硫
脲,4% (w/v)3[3(胆酰氨丙基)二甲氨基]丙磺酸内盐,2% (v/v)两性电解质(pH3.5~10),5%(v/v)β巯基
乙醇,1% (w/v)二硫苏糖醇。NF、AF1、AF2、BF1和BF2蛋白上样量均为600μg。第一向等电聚焦(IEF)在长
13cm、直径3mm的玻璃管内进行。注射器灌胶[2%(v/v)NP40,3.6%(w/v)丙烯酰胺,8mol/L尿素,2.5%
(v/v)两性电解质(pH3.5~10),2.5%(v/v)两性电解质(pH5~8)]。胶条聚合完全后,加入溶有蛋白样品的裂
解液,其上覆盖30μL的50%裂解液。最后加入上槽电极缓冲液(20mmol/L氢氧化钠)及下槽电极缓冲液
(6.67mmol/L磷酸),等点聚焦200,400和800V分别进行0.5,15和1h。聚焦完毕后,从凝胶管中取出胶条,
放入平衡缓冲液[62.5mmol/LTrisHCL(pH6.8),2.5% (w/v)十二烷基磺酸钠,10%(v/v)甘油,5% (v/v)β
巯基乙醇]中。振荡平衡2次,每次15min。然后转移胶条至分离胶浓度为15%,浓缩胶浓度为5%的聚丙烯酰
胺凝胶(SDS-PAGE)上端进行第二向垂直电泳。双向电泳后,使用0.1%的考马斯亮蓝R250(CBBR250)染
色。
1.4 蛋白质凝胶扫描及图像分析
脱色后的凝胶用UMAX扫描仪扫描。使用ImageMaster凝胶分析软件对凝胶进行分析。
1.5 统计分析
所得数据经SPSS14.0软件统计分析。
2 结果与分析
2.1 2DE图谱
为测试PEG分离法是否适用于灌浆期水稻叶鞘低丰度蛋白的鉴定,分别将可溶性全蛋白(NF)、15%PEG
预分离的上清蛋白(AF1)、15%PEG预分离的沉淀蛋白(AF2)、20%PEG预分离的上清蛋白(BF1)和20%PEG
预分离的沉淀蛋白(BF2)进行2DE(图1)。
经ImageMaster2DPlatinum软件分析,并计算各提取方法所检测到的总蛋白种类(表1)。15%和20%
PEG沉淀法预分离上清分别检测到642和806个蛋白点,而沉淀分别检测到882和695个蛋白点。TCA/丙酮
法检测到733个蛋白点,除去上清与沉淀中重叠的蛋白点,15%和20%PEG沉淀法检测到的蛋白点分别为1042
和1023个。15%和20%PEG沉淀法所得的蛋白点大概相同,均显著(犘<0.05)高于TCA/丙酮法检测到的蛋
白点数。
391第20卷第3期 草业学报2011年
图1 犘犈犌预分离各组分与对照凝胶电泳图谱
犉犻犵.1 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳2犇犈犵犲犾犲犾犲犮狋狉狅狆犺狅狉犲狊犻狊狆狉狅狋犲犻狀狆犪狋狋犲狉狀狊狅犳犕犵/犖犘40犿犲狋犺狅犱
狑犻狋犺犘犈犌犳狉犪犮狋犻狅狀犪狋犻狅狀(犃犉1,犃犉2,犅犉1,犅犉2)犪狀犱狀狅犘犈犌犳狉犪犮狋犻狅狀犪狋犻狅狀(犖犉)
表1 不同分离方法的2犇犈图谱上蛋白点数
犜犪犫犾犲1 犖狌犿犫犲狉狅犳狊狆狅狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犿犲狋犺狅犱狊
方法 Methods 上清Supernatant 沉淀Precipitation 重叠Overlapping 总量Total
TCA/丙酮 TCA/Acetone - - - 733±23
15%PEG预分离15%PEGfractionation 642±54 882±27 482 1042±27
20%PEG预分离20%PEGfractionation 806±13 695±49 478 1023±41
2.2 rubisco大亚基
NF的2DE图谱上rubisco大亚基蛋白点影响或遮盖其周围的蛋白点(图2)。经PEG沉淀后AF1和BF1
图谱上的rubisco大亚基显著减小(犘<0.05)。采用ImageMaster2D软件分析,以计算rubisco大亚基相对蛋白
点体积在经PEG沉淀后的变化(图3)。未经PEG预分离的全蛋白图谱上,rubisco大亚基占全部蛋白的16.9%。
经15%PEG沉淀后,rubisco大亚基下降55.9%,20%PEG沉淀后下降92.7%。可见,20%PEG沉淀rubisco的
效果较好。
2.3 低丰度蛋白
与未经PEG分离提取的蛋白2DE图谱相比较,PEG预分离后上清蛋白2DE图谱上检测到的蛋白点的数
目增多。如图4所示,仅在2DE图谱的B和C两个小区域上,PEG预分离法的采用使得可检测蛋白点的数目显
著增多。
参照Krishnan和Natarajan[33]的方法,将PEG预分离上清蛋白2DE胶上表达上调3倍以上,且在可溶性全
蛋白图谱上很微弱或检测不到的蛋白点,认为是PEG预分离法检测到的低丰度蛋白点。使用ImageMaster2D
491 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.3
图2 犘犈犌预分离法沉淀狉狌犫犻狊犮狅大亚基效果
犉犻犵.2 犘犈犌犳狉犪犮狋犻狅狀犪狋犻狅狀犱犲犮狉犲犪狊犲犱狉狌犫犻狊犮狅犾犪狉犵犲狊狌犫狌狀犻狋犻狀2犇犈犪狀犪犾狔狊犻狊
A为图1中被标记方框AindicatedtheboxmarkedinFig.1
软件,将AF1和BF1的2DE图谱分别与NF进行比
图3 不同分离方法2犇犈图谱狉狌犫犻狊犮狅大亚基相对丰度百分比
犉犻犵.3 犚犲犾犪狋犻狏犲狊狆狅狋狏狅犾狌犿犲狅犳狉狌犫犻狊犮狅犾犪狉犵犲
狊狌犫狌狀犻狋狌狊犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋犿犲狋犺狅犱狊
较分析。结果显示,AF1的2DE胶上可检测到低丰
度蛋白点共有62个,而BF1可检测到119个。显然,
20%PEG沉淀法可检测到灌浆期水稻叶鞘中更多种
类的低丰度蛋白。
3 讨论
在现今的蛋白质组学研究中,低丰度蛋白备受关
注。细胞或组织中受体分子、信号分子等参与基因表
达调控的蛋白均是低丰度蛋白,而在细胞中拷贝数众
多的高丰度蛋白,如rubisco等一般不参与基因调
控[8]。结合双向凝胶电泳的预分离技术已成为蛋白质
组学中分析低丰度蛋白的有力工具。
图4 犘犈犌分离法增加2犇犈图谱上可检测低丰度蛋白点数目
犉犻犵.4 15%犪狀犱20%犘犈犌犳狉犪犮狋犻狅狀犪狋犻狅狀犻狀犮狉犲犪狊犲犱犱犲狋犲犮狋犪犫犾犲狆狉狅狋犲犻狀狊犻狀2犇犈犪狀犪犾狔狊犻狊
B和C在图1中分别用方框标出BandCindicatedtheboxmarkedinFig.1
以rubisco为主的高丰度蛋白的存在严重影响叶片低丰度蛋白的检测和分析,文献报道PEG分离法主要是
分离沉淀rubisco大亚基[2224]。本研究采用简便PEG预分离方法去除水稻叶鞘中的rubisco,探索适用于水稻叶
鞘低丰度蛋白的检测方法。前人报道证明PEG可有效分离沉淀rubisco,而不同样品蛋白的预分离所需PEG浓
度不同。本研究分别采用15%和20%PEG,以测定适用于叶鞘低丰度蛋白检测的PEG浓度。
591第20卷第3期 草业学报2011年
与未经PEG预分离的方法相比较,15%PEG沉淀可使rubisco大亚基相对蛋白点体积下降55.9%,而20%
PEG沉淀法可降低92.7%。采用20%PEG预分离水稻叶鞘蛋白,可有效去除rubisco大亚基。PEG预分离的
目的是富集低丰度蛋白,15%PEG沉淀法可检测到62个低丰度蛋白,而20%PEG可检测到119个。证明20%
PEG对于灌浆期水稻叶鞘高丰度蛋白的减少和低丰度蛋白的富集效果显著。与传统的未经PEG预分离的
TCA/丙酮法相比,采用15%和20%PEG分别预分离后经2DE检测到的全蛋白种类均显著升高(犘<0.05),而
2种浓度PEG沉淀方法所检测到全蛋白种类差异并不显著。由此看来,20%PEG预分离方法不仅适于低丰度蛋
白的鉴定,也适用于全蛋白表达的鉴定。
4 结论
PEG沉淀法是富集低丰度蛋白的方法之一。本研究采用水稻叶鞘为材料,分析了不同浓度PEG对rubisco
的分离效果。研究发现,20%PEG分离法非常适合于鉴定水稻叶鞘中的低丰度蛋白,这些工作可为进一步研究
水稻叶鞘差异蛋白质组学提供参考。
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犃狀犪狆狆狉狅犪犮犺狋狅犱犲狋犲犮狋狋犺犲犾狅狑犪犫狌狀犱犪狀狋狆狉狅狋犲犻狀狊犻狀狉犻犮犲犾犲犪犳狊犺犲犪狋犺
WANGYing1,2,CUIWeitong1,2,YANGMingfeng1,2,SHENShihua1,2
(1.InstituteofBotany,theChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China;
2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Enrichmentoflowabundantproteinsandtheirdetectionstilremaingreatchalengesinproteomics
research.Theexistenceofhighabundantproteins,e.g.ribulose1,5bisphosphatecarboxylase/oxygenase
(rubisco)inplants,leadstothisdilemma.Thehighabundantproteinsengagealargeproportionofthewhole
celproteinsandthusmakethelowabundantproteinspoorlydetectableby2DE.Inthisreport,weusedapro
tocolforthepreparationofwholecelproteinsthroughpolyethyleneglycol(PEG)precipitation,todevelopan
approachofidentifyinglowabundantproteinsinriceleafsheathes.Inacomparisonofthe2DEanalysesof
proteinsamplespreparedusingtheMg/NP40methodwithoutPEGfractionation,withthe15%and20%PEG
fractionationprotocol,arelativelyhighreproducibilitywasachievedusingthe20%PEGfractionationprotocol
intermsofproteinspeciesandlowabundantproteins.
犓犲狔狑狅狉犱狊:riceleafsheath;lowabundantproteins;PEG;2DE
791第20卷第3期 草业学报2011年