CN115290776A - 瘤牛锥虫病抗性蛋白的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物技术领域,尤其为瘤牛锥虫病抗性蛋白应用,本发明通过对普通牛和瘤牛的肝脏与脾脏组织进行iTRAQ质谱检测,分别获得了肝脏、脾脏的蛋白质差异表达谱,以普通牛为参照样本,肝脏显著差异蛋白总数为197个,其中上调蛋白127个,下调蛋白70个,脾脏显著差异蛋白质总数142个,其中上调蛋白77个,下调蛋白65个。肝脏和脾脏中分别找到了四个差异蛋白质参与锥虫病的抗性,并利用平行反应检测(PRM)验证了这四个差异蛋白,显示结果与iTRAQ结果一致,本发明公开了四个家牛锥虫病抗性相关蛋白质——E1BPE1、Q1JPJ8、P15497和Q1RMT8,不仅为家牛遗传改良及优化育种、新药研发和抗病力检测技术提供理论基础,也为人类健康提供了间接保障。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域,具体涉及瘤牛锥虫病抗性蛋白的应用。
背景技术
家牛是全世界不可或缺的经济动物之一,其被分为瘤牛(Bos indicus)和普通牛(Bos taurus)。我国的家牛地方品种统称为中国地方黄牛,其种质资源的遗传多样性十分丰富,云南瘤牛也属于我国地方黄牛品种之一,仅分布于云南省,是中国唯一的也是较为原始的瘤牛品种。与其他地方黄牛相比,云南瘤牛体型结构、外貌特征、毛色、角型及习性都存在明显差异,尤其在较强抗蜱、螨和牛皮蝇蛆等体外寄生虫,抗某些传染病及普通病等特点上具有较大的育种潜力。但研究表明,云南瘤牛对锥虫病的抗性不如普通牛,这便影响了我国牛业中优化遗传育种的进程。
牛锥虫病是由于个体(黄牛、水牛、牦牛或瘤牛)感染锥虫而发生的一种可致死性血液原虫病,属于人畜共患病,主要包括非洲锥虫病及美洲锥虫病,该病的主要病症为进行性消瘦、不定期高热、贫血、黄疸、心肌能衰竭、体表及四肢下端肿胀等。随着世界经济贸易的迅速发展及家牛养殖业的品种引进改良,牛锥虫病也渐渐潜入我国,而我国的本地黄牛品种对此病的抗性较弱,因此,牛锥虫病将是我国家牛养殖业发展工作中的一大难题。
蛋白组学是后基因组时代的一个焦点,其相关技术的不断完善使此领域得到了极大的进步,这不仅为科研提供了技术支持,也为阐明疾病机理、保障人和动物的健康提供了解决途径。化学标记法的同位素相对和绝对定量技术(Isobaric tag for relative andabsolute quantification,iTRAQ)技术与高敏感度和高准确度的串联质谱及多维液相色谱联用的技术已成为如今蛋白质定性和定量的主要研究工具。平行反应监测技术(parallel reaction monitoring,PRM)则是一种靶向质谱定量技术,是识别和定量复杂生物样品中特定肽段的有效方法,具有更高的重复性及精确度,因此现常用于特定蛋白验证。
如今牛锥虫病遍布世界,对于牛锥虫病的研究主要集中在防治、诊断、分子鉴定及分子机制研究,从蛋白水平去探索家牛(尤其是我国地方黄牛品种)对牛锥虫病的感病机理。因此,利用蛋白质组学技术探寻国内地方黄牛品种对锥虫病的抗病感病基础是我国家牛遗传育种改良、保种育种及新药物或疫苗研发工作中需要克服的困难。
Indoleamine 2,3-dioxygenase 2(Uniprot数据库登录号:E1BPE1);thimetoligopeptidase(Uniprot数据库登录号:Q1JPJ8);Apolipoprotein A-I(Uniprot数据库登录号:P15497);Interleukin-1receptor-associated kinase 4(Uniprot数据库登录号:Q1RMT8)。
发明内容
本发明提供了瘤牛锥虫病抗性蛋白的提取及应用,目的在于解决如何检测云南瘤牛对锥虫病抗性的技术问题。
本发明提供如下技术方案:瘤牛锥虫病抗性蛋白的提取及应用,包括瘤牛中的蛋白质、锥虫病抗性的标志物、锥虫病治疗药物的靶点,所述瘤牛中的蛋白质包括E1BPE1、Q1JPJ8、P15497、Q1RMT8。
云南瘤牛中的蛋白质E1BPE1、Q1JPJ8、P15497和Q1RMT8在其对锥虫病抗性的标志物方面中的应用。
云南瘤牛中的蛋白质E1BPE1、Q1JPJ8、P15497和Q1RMT8在其对锥虫病治疗药物的靶点方面中的应用。
云南瘤牛中与锥虫病抗性相关的蛋白质E1BPE1、Q1JPJ8、P15497和Q1RMT8的实验方法步骤如下:
于屠宰场采集瘤牛与普通牛的肝脏和脾脏组织各三组,并提取样本蛋白质,再对蛋白样品进行烷基化处理,接续使用胰蛋白酶对处理后的样品进行酶解。将样品混合后进行iTRAQ标记,脾脏与肝脏组织分成2个8标组,其中113、114和115分别标记瘤牛的脾脏和肝脏,116、117和118分别标记普通牛的脾脏和肝脏。
经上述处理后的多肽样品用UPLC上样缓冲液复溶,再用反相C18柱进行高pH液相分离。根据峰型和时间共收取30个分馏,合并成15个分馏,接着进行液相串联质谱分析,最后得到包含不同高度和宽度波峰的蛋白实际图谱。
对上述得出的蛋白图谱进行蛋白质鉴定及差异蛋白筛选,再对肝脏和脾脏组织的差异蛋白质进行GO功能注释分析和KEGG通路分析。
最后对上述结果进行PRM验证,将PRM所得结果与iTRAQ结果进行比较分析,从而达到对iTRAQ结果进行验证的目的。
实验证明:通过上述方法,除找到一些与免疫相关的蛋白质外,主要证实了E1BPE1、Q1JPJ8、P15497及Q1RMT8四个与锥虫病相关的蛋白质。其中,Q1JPJ8、P15497和Q1RMT84三种蛋白质在瘤牛中均为下调蛋白,有研究表明普通牛对锥虫病的抗性强于瘤牛,说明三种蛋白的低表达影响瘤牛对锥虫病的抗性;E1BPE1蛋白质在瘤牛中为上调蛋白,推测其的高表达影响瘤牛对锥虫病的抗性。本发明对检测瘤牛对锥虫病的抗性及相关治疗药物研发具有重要应用价值。
附图说明
图1为肝脏与脾脏组织GO注释结果,左图为肝脏蛋白质GO注释结果,右图为脾脏蛋白质GO注释结果;
图2为肝脏组织差异蛋白质GO富集条目(P<0.01);
图3位脾脏组织差异蛋白质GO富集条目(P<0.01);
图4.为肝脏组织差异蛋白质的KEGG通路图。图中有红色或绿色边框的基因产物属于本次实验检测到的差异蛋白,红色代表瘤牛下调蛋白,绿色代表瘤牛上调蛋白;其中,a图为色氨酸代谢通路,b图为缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解,c图为精氨酸及脯氨酸代谢,d图为丙氨酸代谢;
图5为脾脏组织差异蛋白质的KEGG通路图。图中有红色或绿色边框的基因产物属于本次实验检测到的差异蛋白,红色代表瘤牛下调蛋白,绿色代表瘤牛上调蛋白;其中,a图为胞外基质受体作用,b图为糖胺聚糖降解,c图为溶酶体,d图为酪氨酸代谢;
具体实施方式
以下的实施例是为了能够更好地理解本发明,是叙述性的,不能以此限定本发明的保护范围。下述实施例表述中如无特殊说明均为常规操作方法或常规生化试剂。
本发明遵照《昆明市牛羊屠宰管理办法》,原材料为云南省昆明市西山区西福路牲畜屠宰场所采集的瘤牛与普通牛的肝脏和脾脏组织,均属于常规市售产品。
请参阅图1-图5,本发明提供以下技术方案:瘤牛锥虫病抗性蛋白的提取及应用,包括瘤牛中的蛋白质、锥虫病抗性的标志物、锥虫病治疗药物的靶点,所述瘤牛中的蛋白质包括E1BPE1、Q1JPJ8、P15497、Q1RMT8,所述瘤牛中的蛋白质E1BPE1在其对锥虫病抗性的标志物方面中的应用,所述瘤牛中的蛋白质Q1JPJ8在其对锥虫病抗性的标志物方面中的应用,所述瘤牛中的蛋白质P15497在其对锥虫病抗性的标志物方面中的应用,所述瘤牛中的蛋白质Q1RMT8在其对锥虫病抗性的标志物方面中的应用,所述瘤牛中的蛋白质E1BPE1在其对锥虫病治疗药物的靶点方面中的应用,所述瘤牛中的蛋白质Q1JPJ8在其对锥虫病治疗药物的靶点方面中的应用,所述瘤牛中的蛋白质P15497在其对锥虫病治疗药物的靶点方面中的应用,所述瘤牛中的蛋白质Q1RMT8在其对锥虫病治疗药物的靶点方面中的。
具体相关制备如下:
1.材料和方法
1.1实验对象
采集瘤牛与普通牛的肝脏和脾脏组织各三组,并置于-80℃保存。
1.2蛋白质提取及烷基化处理
取适量样品,按1:15的比例加入蛋白裂解液(8M尿素1%SDS)及适量的蛋白酶抑制剂,并利用高通量组织研磨仪将样品震荡破碎,置于冰上裂解30min。在4℃,14000g条件下离心25min后取上清,进行BCA定量和SDS-PAGE电泳。蛋白样品经质检后,取100μg,并用裂解液补充体积至100μl,加入终浓度10mM TCEP,在37℃下反应60min,再加入终浓度40mM碘乙酰胺(Iodoacetamide)室温下避光反应40min。每管各加入预冷的丙酮(丙酮:样品体积比=6:1),-20℃沉淀4h后,10000g离心20min,取沉淀。
1.3iTRAQ标记
先用100μl 100mM TEAB充分溶解样品,并按质量比1:50(酶:蛋白)加入Trypsin在37℃酶解过夜,胰蛋白酶消化后,使用真空泵将肽段抽干,加入0.4M TEAB复溶肽段。待iTRAQ试剂(AB Sciex货号4390812)恢复至室温后离心,在每管iTRAQ试剂中加入150μl异丙醇,涡旋离心,每100μg的多肽加入一管处理好的iTRAQ试剂,混匀后室温孵育2h。脾脏与肝脏组织分成2个8标组,其中113、114和115分别标记瘤牛的脾脏和肝脏,116、117和118分别标记普通牛的脾脏和肝脏。最后加入50μl去离子水终止反应,室温放置30min后,将每一组中等量的标记样品混合至一新管中,用真空浓缩仪抽干。
1.4高pH RPLC一维分析
经上述处理后的多肽样品用UPLC上样缓冲液复溶,再用反相C18柱进行高pH液相分离。柱子信息:ACQUITY UPLC BEH C18 Column 1.7μm,2.1mm X150mm(Waters公司,USA);色谱仪器:Waters ACQUITY UPLC;
A相:2%乙腈(氨水调至pH10);B相:80%乙腈(氨水调至pH10);紫外检测波长:214nm;流速:200μl/min。
梯度:
表1.UPLC梯度
接续根据峰型和时间共收取30个分馏,合并成15个分馏,真空离心浓缩(rotationvacuum concentration,Christ RVC 2-25,Christ,Germany)后用质谱上样缓冲液进行溶解,开始二维分析。
1.5液相串联质谱分析
数据采集软件:Thermo Xcalibur 4.0(Thermo,USA);反相柱信息:C18 Column(75μm x 25cm,Thermo,USA);色谱仪器:EASY-nLC 1200;质谱仪器:Q-Exactive(Thermo,USA);色谱分离时间:90min;A相:2%ACN with 0.1%formic acid;B相:80%ACN with 0.1%formic acid;流速:300nL/min;MS扫描范围(m/z)350-1300,采集模式为DDA模式;Top20(选择母离子中信号最强的20个进行二级碎裂);一级质谱分辨率70000,碎裂方式为HCD;二级分辨率17500,动态排除时间18s。
梯度:
表2.EASY-nLC液相梯度
1.6蛋白质鉴定及差异蛋白筛选
利用软件Proteome Discoverer进行查库,Uniprot数据库(网址:http://www.uniprot.org/proteomes/up000009136)进行搜索,再使用R语言中t.test函数计算样本间差异显著性p值,并筛选表达变化明显的差异蛋白(差异倍数小于0.83表示蛋白质表达下调,大于1.2表示蛋白质表达下调)。
1.7生物信息学分析
利用GO数据库(网址:http://www.geneontology.org),从生物过程(BiologicalProcess,BP)、细胞组分(Cellular Component,CC)、分子功能(Molecular Function,MF)三方面分别对肝脏和脾脏组织的差异蛋白质进行GO注释统计。以普通牛为对照组,利用Goatools软件(网址:http://github.com/tanghaibao/goatools)分别对脾脏和肝脏的差异蛋白进行GO功能显著性富集分析,再通过Fisher方法进行精确检验。为控制计算的假阳性概率,我们通过Bonferroni方法对p值进行校正(校正后的p值≤0.05,表示此GO功能存在显著性富集),根据本研究需求,选择p<0.01的显著富集条目进行分析统计。
针对肝脏和脾脏组织各自的差异蛋白,以普通牛为对照,利用KEGG数据库(http://www.genome.jp/kegg)进一步对蛋白质生物学功能进行通路注释,为探究与本研究差异蛋白相关的KEGG Pathway。再使用KOBAS(http://kobas.cbi.pku.edu.cn/home.do)进行KEGG Pathway富集分析,使用Fisher方法进行精确检验计算,为控制计算的假阳性概率,使用BH(FDR)方法进行多重检验(校正后的p值≤0.05,表示此通路为在差异表达蛋白中显著富集的KEGG通路),最后将富集通路进行可视化统计。
1.8PRM验证
蛋白质预处理同上述iTRAQ操作,使用EASY-nLC1000超高效液相系统进行分离,具体信息如下:
A相:0.1%甲酸和2%乙腈的水溶液
B相:0.1%甲酸和90%乙腈的水溶液
流速:300mL/min
梯度:
表3.梯度
肽段经过超高效液相系统分离后注入NSI离子源中进行电离,再进入Q ExactiveTM Plus质谱进行分析,具体信息如下:
质谱仪器:Q-Exactive(Thermo,USA);离子源电压:2.0KV;二级碎片使用Orbitrap进行检测分析;MS扫描范围(m/z):350-1300,采集模式:DIA;一级质谱分辨率:70000,碎裂方式:HCD(能量设置27);二级质谱分辨率:17500;一级质谱AGC:3E6,Maxumum IT:50ms;二级质谱:IE5,Maxumum IT:150ms,Isolation window:1.6m/z。
数据处理肽段参数:蛋白酶是Trypsin[KR/P],最大漏切位点数为0,肽段长度为7-25个氨基酸残基,半胱氨酸烷基化设置成固定修饰。Transition参数:母离子电荷为2,3,子离子电荷为1,离子类型为b,y,碎裂离子选择从第三个开始到最后一个,离子匹配的质量误差容忍度设置为0.02Da。将PRM所得结果与iTRAQ结果进行比较分析,从而达到对iTRAQ结果进行验证的目的。
2.结果
2.1质谱结果与差异蛋白质分析
基于iTRAQ定量标记与液相串联质谱技术,本研究结果得到肝脏456341个光谱,对应于38382个唯一肽,脾脏445841个光谱,对应于42515个唯一肽,经搜库共鉴定到的蛋白信息如表4所示。
依据差异比值FC>1.2表示上调或FC<0.83表示下调及显著性p值<0.05为差异蛋白筛选差异蛋白质。结果得出,肝脏组织中存在的显著差异蛋白共有197个,其中普通牛和瘤牛的上调蛋白分别有70个和127个;脾脏组织中存在的显著差异蛋白共142个,其中普通牛和瘤牛的上调蛋白分别有65个和77个。
表4.肝脏、脾脏组织的蛋白质鉴定结果
2.2蛋白质GO功能注释
2.2.1肝脏、脾脏组织蛋白质的GO功能注释
利用GO数据库对全谱蛋白质数据进行功能注释分析。结果表明,在肝脏中共有4436个蛋白质被注释,脾脏中共有5329个蛋白质被注释,两种组织均涉及GO注释3大类63小类,它们的生物过程(Biological Process,BP)、细胞组分(Cellular Component,CC)及分子功能(Molecular Functioin,MF)所占比例及其相应的小类如图1所示。
2.2.2肝脏、脾脏组织差异蛋白质的GO功能注释
以普通牛的肝脏为参照样本,对肝脏组织的差异表达蛋白质进行GO功能注释分析,结果发现免疫系统条目中包括11个上调蛋白和4个下调蛋白(如表5),其中有4个为未知蛋白质。GO富集条目(P≤0.05)有214条,其中包括分子功能、细胞组分及生物过程,显著富集(P<0.01)的有30条(如图2),生物过程有22条,分子功能有7条,细胞组成有1条,具体涉及内容如图所示。
以普通牛的脾脏为参照样本,对脾脏组织的差异表达蛋白质进行GO功能注释分析,结果发现免疫系统条目中包括8个上调蛋白质和10个下调蛋白质(如表6),其中有9个为未知蛋白质。GO富集条目(P≤0.05)有215条,其中包括分子功能、细胞组分及生物过程,显著富集(P<0.01)的有54条(如图3),生物过程有26条,分子功能有12条,细胞组成16条,具体涉及内容如图所示。
表5.肝脏中GO注释的免疫差异蛋白
注:LNL/PNL为瘤牛肝脏/普通牛肝脏
表6.脾脏中GO注释的免疫差异蛋白
注:LNS/PNS为瘤牛脾脏/普通牛脾脏
2.3蛋白质KEGG通路分析
首先,在肝脏组织差异蛋白质的KEGG通路分析中一共注释了125条通路,其中有15条显著富集(P≤0.05)通路全为代谢类的通路(如表7)。免疫相关的差异蛋白质参与的富集通路有A4FUZI参与的丙酮酸代谢及Q08DQ4参与的阿米巴病、变形虫病。从KEGG富集结果来看,普通牛和瘤牛肝脏组织的差异主要在功能性氨基酸上,从图4a、b、c、d中也可以看出本次研究的差异蛋白质大多参与到这些通路中,除了色氨酸通路之外,参与到通路中的差异蛋白质大多数为瘤牛的下调蛋白质,可能这些差异蛋白表达量低对于牛在某些抗病上有积极作用,这说明两种类型牛之间不仅存在外形上的差异,在蛋白水平上也存在一定的差异。
表7.普通牛与瘤牛肝脏组织显著表达差异蛋白的KEGG分析
通过脾脏差异蛋白质的KEGG通路分析,一共注释了112条通路,其中有9条显著富集(P≤0.05)通路(如表8)。免疫相关的差异蛋白参与的富集通路有Q1RMT8参与的南美锥虫病(美国锥虫病)、弓形体病,弓浆虫病、利什曼病、结核病、(牛、猪的)囊虫病、甲型H1N1流感等信号通路;P15497参与的非洲锥虫病、胆固醇代谢等通路。从KEGG富集分析的图5a、b、c、d来看,富集在P<0.05通路的差异蛋白在促进细胞迁移、调节细胞生长、分化,信号交换,维持正常生命活动中普通牛脾脏组织中大多表达上调,在疾病防御、免疫调控、加快新陈代谢、抵抗有害物质方面中瘤牛脾脏组织中大多表达上调。说明在普通牛中与生长相关的差异蛋白大多呈现上调趋势,在瘤牛中与免疫相关的蛋白质呈现上调趋势,两种类型牛脾脏组织间的分子差异对于它们的抗病性差异具有一定影响。同时从图中可看出除了细胞外基质受体作用通路之外,其他通路主要参与的差异蛋白质是瘤牛的上调蛋白,由此可推测在脾脏组织中与免疫相关的蛋白质上调对于机体的抗病性功能可能有正调控作用。
表8.普通牛与瘤牛肝脏组织显著表达差异蛋白的KEGG分析
2.4参与锥虫病通路的差异蛋白质分析
结合以上生物信息学分析,发现在肝脏中最显著的蛋白质为代谢相关蛋白,符合肝脏器官主要具有代谢功能的特性,分析这些蛋白中的功能,发现这些代谢类的蛋白上调或者下调均会引起机体的异常,推测代谢的异常对于机体的健康有一定的影响。分析GO富集条目和KEGG通路,从非洲锥虫病、美洲锥虫病等重找到参与原虫疾病的差异蛋白质,这些蛋白质大多以酶的形式参与到免疫过程中(如表9)。
表9.参与原虫疾病通路的差异蛋白
2.5PRM验证
采用平行反应检测(parallel reaction monitoring,PRM)方法对iTRAQ技术鉴定到的12个差异表达蛋白进行鉴定,即肝脏中8个差异蛋白和脾脏中4个差异蛋白。经比较,PRM验证结果与iTRAQ结果基本一致,证明本次实验结果具有可靠性(如表10)。
表10.PRM验证结果
3.讨论
根据蛋白质谱实验分析及PRM验证,除找到一些与免疫相关的蛋白质外,主要证实了E1BPE1、Q1JPJ8、P15497及Q1RMT8四个与锥虫病相关的蛋白质。其中,Q1JPJ8、P15497和Q1RMT84三种蛋白质在瘤牛中均为下调蛋白,有研究表明普通牛对锥虫病的抗性强于瘤牛,说明三种蛋白的低表达影响瘤牛对锥虫病的抗性;E1BPE1蛋白质在瘤牛中为上调蛋白,推测其的高表达影响瘤牛对锥虫病的抗性。因此,以上四个蛋白可以作为瘤牛类型中锥虫病的生物标志物。
虽为说明目的,我们公开了本发明的实施例,但在此领域的技术人员可以理解为在不脱离本发明及所附权利要求的改变都有可能。因此,本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。
参考文献
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-Hadush Birhanu,Stijn Rogé,Thomas Simon,Rudy Baelmans,TadesseGebrehiwot,Bruno Maria Goddeeris,Philippe Büscher,Surra Sero K-SeT.,一种新的免疫层析法用于家畜伊氏锥虫感染的血清学诊断(a new immunochromatographic testfor serodiagnosis of Trypanosoma evansi infection in domestic animals),J.Veterinary Parasitology.153:157(2015)
Claims (9)
1.瘤牛锥虫病抗性蛋白,其特征在于:瘤牛锥虫病抗性蛋白为瘤牛中的蛋白质,包括E1BPE1、Q1JPJ8、P15497、Q1RMT8。
2.根据权利要求1所述的瘤牛锥虫病抗性蛋白,其特征在于:所述E1BPE1在其对锥虫病抗性的标志物方面中的应用。
3.根据权利要求1所述的瘤牛锥虫病抗性蛋白,其特征在于:所述瘤牛中的蛋白质Q1JPJ8在其对锥虫病抗性的标志物方面中的应用。
4.根据权利要求1所述的瘤牛锥虫病抗性蛋白,其特征在于:所述瘤牛中的蛋白质P15497在其对锥虫病抗性的标志物方面中的应用。
5.根据权利要求1所述的瘤牛锥虫病抗性蛋白,其特征在于:所述瘤牛中的蛋白质Q1RMT8在其对锥虫病抗性的标志物方面中的应用。
6.根据权利要求1所述的瘤牛锥虫病抗性蛋白,其特征在于:所述瘤牛中的蛋白质E1BPE1在其对锥虫病治疗药物的靶点方面中的应用。
7.根据权利要求1所述的瘤牛锥虫病抗性蛋白,其特征在于:所述瘤牛中的蛋白质Q1JPJ8在其对锥虫病治疗药物的靶点方面中的应用。
8.根据权利要求1所述的瘤牛锥虫病抗性蛋白,其特征在于:所述瘤牛中的蛋白质P15497在其对锥虫病治疗药物的靶点方面中的应用。
9.根据权利要求1所述的瘤牛锥虫病抗性蛋白,其特征在于:所述瘤牛中的蛋白质Q1RMT8在其对锥虫病治疗药物的靶点方面中的应用。
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