張 瑞, 王風(fēng)芹, 付晨青, 宋安東
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)微生物酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州 450002)
蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics)是在蛋白質(zhì)分離、純化和質(zhì)譜鑒定等技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型學(xué)科,是對(duì)基因組學(xué)研究的補(bǔ)充和延伸。蛋白質(zhì)組學(xué)從整體角度研究某一細(xì)胞、組織或生物體蛋白質(zhì)組成及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系,獲得蛋白質(zhì)水平上關(guān)于細(xì)胞代謝等過(guò)程的整體而全面地認(rèn)識(shí)[1],彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法對(duì)單個(gè)基因或蛋白質(zhì)研究的局限性。利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究微生物在發(fā)酵過(guò)程中因生長(zhǎng)環(huán)境的改變而引起的胞內(nèi)蛋白質(zhì)表達(dá)譜的差異性,尋找促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)代謝和產(chǎn)物生產(chǎn)的關(guān)鍵蛋白,并揭示其影響機(jī)理,可以為工業(yè)發(fā)酵菌種的改良和發(fā)酵工藝的優(yōu)化等提供重要的理論依據(jù)。因此,應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究微生物代謝與控制是微生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。
圖1 蛋白質(zhì)組學(xué)研究過(guò)程簡(jiǎn)圖
蛋白質(zhì)組學(xué)的迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用得益于蛋白質(zhì)樣品分離純化、質(zhì)譜分析及生物信息學(xué)分析等各項(xiàng)核心技術(shù)的支撐。各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使得蛋白質(zhì)組學(xué)研究體系更加完善,方法更加簡(jiǎn)易。蛋白質(zhì)組學(xué)研究過(guò)程主要包括樣品準(zhǔn)備與預(yù)處理、樣品分離(主要包括雙向蛋白電泳技術(shù)、雙向液相色譜、離子交換層析等)、自動(dòng)化檢測(cè)(質(zhì)譜分析)及數(shù)據(jù)分析等過(guò)程(圖1)。近年來(lái),在蛋白質(zhì)樣品分離純化(表1)及質(zhì)譜分析(表2)過(guò)程中,相應(yīng)研發(fā)出精度高、范圍廣、自動(dòng)化程度高的新型技術(shù)。
表1 蛋白質(zhì)分離純化技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)
表2 蛋白質(zhì)質(zhì)譜分析技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)
雙向電泳(2D-GE)是蛋白質(zhì)組學(xué)研究中傳統(tǒng)的蛋白分離純化技術(shù),具有分辨率高、上樣量大、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。然而,檢測(cè)范圍窄(8 kDa~200 kDa)、膜蛋白和極端酸性或堿性蛋白質(zhì)電泳容易丟失、低豐度蛋白質(zhì)(拷貝數(shù)<1000)分離不到的缺點(diǎn)限制了該技術(shù)的使用范圍[4, 8]。同位素親和標(biāo)簽(ICAT)技術(shù)可以簡(jiǎn)單且有效地對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行標(biāo)記分離,適宜于對(duì)疏水性膜蛋白、磷酸化蛋白、低拷貝蛋白質(zhì)的研究[8]。然而ICAT標(biāo)記的是半胱氨酸殘基,不是所有蛋白質(zhì)都含有半胱氨酸殘基,例如酵母菌8%蛋白質(zhì)未含有此基團(tuán),因此鑒定蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)的結(jié)果不可避免地存在誤差。雙向高效液相層析(2D-HPLC)技術(shù)與雙向電泳技術(shù)具有相似的功能,主要應(yīng)用于蛋白質(zhì)混合物的純化階段,但其分離純化效果更好。此技術(shù)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意歧視效應(yīng)的現(xiàn)象[11],即分流進(jìn)樣狀態(tài)下低沸點(diǎn)組分測(cè)定含量偏高而高沸點(diǎn)組分含量偏低。蛋白質(zhì)分離純化技術(shù)的多元化發(fā)展,有益于后續(xù)對(duì)蛋白質(zhì)鑒定,功能分析等研究。
質(zhì)譜技術(shù)的快速革新促進(jìn)了蛋白質(zhì)組學(xué)研究的深入,質(zhì)譜技術(shù)與各類(lèi)電離子化分離技術(shù)的聯(lián)用使得蛋白質(zhì)組學(xué)研究更加簡(jiǎn)易。盡管在蛋白質(zhì)分離方面存在差異,但是這種聯(lián)用體系都具有類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn),如自動(dòng)化程度高、靈敏性好、選擇性強(qiáng)、檢測(cè)速度快、檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)結(jié)果精確和重復(fù)性好等[4, 6]?;|(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)和電噴霧離子化-質(zhì)譜(ESI-TOF-MS)是目前用于多肽和蛋白質(zhì)電離、檢測(cè)、分析一體化的主要質(zhì)譜方法。MALDI-TOF-MS適用于大分子量(<6000 kDa)含堿性氨基酸殘基(精氨酸、賴氨酸、組氨酸)蛋白質(zhì),分子量過(guò)小的樣品檢測(cè)時(shí)容易受到基質(zhì)的干擾;而ESI-TOF-MS適用于含疏水性氨基酸殘基蛋白質(zhì)(如膜蛋白),但是要注意對(duì)樣品溶劑的選擇,另外樣品溶液的一些物理因素也會(huì)限制該技術(shù)的使用[6, 8]。最近,ESI-TOF-MS技術(shù)又?jǐn)U展到對(duì)用其他方法難以表征的簇合物和以氫鍵、范德華力等非共價(jià)鍵結(jié)合的超分子體系的檢測(cè)。表面增強(qiáng)激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(SELDI-TOF-MS)技術(shù)是基于MALDI-TOF-MS之上建立的與蛋白質(zhì)芯片聯(lián)用和以親和力為基礎(chǔ)的質(zhì)譜方法[8-9],因?yàn)榈鞍仔酒亩鄻踊O(shè)計(jì)賦予該技術(shù)寬廣的檢測(cè)范圍(1 kDa~300 kDa),更適用于研究超微量蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)相互作用及生物標(biāo)記鑒定等方面,廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上對(duì)血清、尿液、組織提取物的檢測(cè)。鳥(niǎo)槍法液相質(zhì)譜(Shotgun-LC-MS)技術(shù)沿用了鳥(niǎo)槍法基因測(cè)序的原理,在蛋白質(zhì)測(cè)序方面更加可靠,也是現(xiàn)行較為實(shí)用的一項(xiàng)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),對(duì)膜蛋白的分析效果非常好,但是對(duì)亞型蛋白質(zhì)反應(yīng)不敏感,導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果有誤差[12-13]。
梭狀芽孢桿菌(Clostridium)屬于厚壁菌門(mén)(Firmicutes)梭菌綱(Clostridia)梭菌目(Clostridiales)梭菌科(Clostridiaceae)[14],革蘭氏陽(yáng)性、可形成芽孢、粗桿或棒狀、一般為專(zhuān)性厭氧生長(zhǎng)。目前,梭狀芽孢桿菌屬有200多個(gè)種,常見(jiàn)的有引起肉類(lèi)食品腐敗的肉毒梭菌(C.botulinum),引起人和動(dòng)物病害的破傷風(fēng)梭菌(C.tetani)、產(chǎn)氣莢膜梭菌(C.perfringens)、艱難梭菌(C.difficile)等。能夠用于工業(yè)發(fā)酵或潛在的可作為工業(yè)發(fā)酵微生物菌種的梭狀芽孢桿菌主要有:用于丙酮丁醇發(fā)酵的丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)、拜氏梭菌(C.beijerinckii)、嗜糖雙丁酸梭菌(C.saccharoperbutylacetonicum)和嗜糖丁酸梭菌(C.saccharobutylicum);能夠發(fā)酵生產(chǎn)丁酸和1, 3-丙二醇的丁酸梭菌(C.butylicum);微生物產(chǎn)氫用到的巴氏梭菌(C.pasteurianum)等。近年來(lái),利用熱纖維梭菌(C.thermocellum)發(fā)酵木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的研究成為纖維乙醇領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的成熟與突破,對(duì)工業(yè)發(fā)酵梭狀芽孢桿菌也進(jìn)行了更加深入地研究,旨在為突破發(fā)酵瓶頸提高產(chǎn)物產(chǎn)量提供理論依據(jù)。
丙酮丁醇發(fā)酵過(guò)程分為產(chǎn)酸期和產(chǎn)溶劑期兩個(gè)階段,對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期產(chǎn)生有機(jī)酸(乙酸、丁酸等);進(jìn)入穩(wěn)定期后,有機(jī)酸被重新吸收,產(chǎn)生丙酮(Acetone)、丁醇(Butanol)和乙醇(Ethanol),又稱(chēng)總?cè)軇┗駻BE。學(xué)者們利用2D-HPLC-MS/MS和Shotgun-MS技術(shù)對(duì)丙酮丁醇發(fā)酵過(guò)程中丙酮丁醇梭菌產(chǎn)酸期和產(chǎn)溶劑期蛋白質(zhì)譜表達(dá)差異進(jìn)行了較為深入的研究,發(fā)現(xiàn)該菌在產(chǎn)酸期和產(chǎn)溶劑期差異表達(dá)蛋白質(zhì)數(shù)目在17~44種之間[15, 17-18],其中9~15種蛋白質(zhì)在產(chǎn)酸期的表達(dá)量高于產(chǎn)溶劑期,8~29種蛋白質(zhì)在產(chǎn)溶劑期的表達(dá)量高于產(chǎn)酸期。其中與溶劑產(chǎn)生相關(guān)的酶蛋白和新陳代謝活動(dòng)調(diào)節(jié)蛋白較多,包括DnaK、GroEL、Hsp18、CAC2873、CAP0164、CAP0165、CAC3298、CAC1742、乙酸乙酰脫羧酶等[15-19]。利用SDS-PAGE、LC-MS/MS技術(shù)對(duì)產(chǎn)溶劑期表達(dá)量較高的蛋白質(zhì)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),多數(shù)蛋白質(zhì)存在磷酸化現(xiàn)象,磷酸化蛋白質(zhì)可調(diào)節(jié)產(chǎn)酸期向產(chǎn)溶劑期的轉(zhuǎn)變,同時(shí)直接或間接地參與了有機(jī)溶劑的產(chǎn)生過(guò)程[20-21]。對(duì)部分差異性表達(dá)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行初步功能定位,有助于將來(lái)對(duì)特定蛋白質(zhì)功能的定向改造,為丙酮丁醇高產(chǎn)菌株的構(gòu)建提供理論支撐。
對(duì)丙酮丁醇高產(chǎn)突變菌株的蛋白組學(xué)進(jìn)行研究,可以更好地揭示微生物對(duì)丁醇耐受能力提高及產(chǎn)量提高的機(jī)理,為高產(chǎn)菌株的分子育種提供理論依據(jù)。Mao等采用MALDI-TOF-MS技術(shù)對(duì)野生型C.acetobutylicumDSM1731與其高產(chǎn)突變菌株Rh8在產(chǎn)酸期和產(chǎn)溶劑期的細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)組與細(xì)胞膜蛋白質(zhì)組差異性進(jìn)行了系統(tǒng)研究[22-23]。對(duì)比細(xì)胞質(zhì)中分離出的蛋白質(zhì)圖譜,顯示存在102個(gè)差異表達(dá)蛋白質(zhì)點(diǎn),主要涉及蛋白質(zhì)折疊、溶劑產(chǎn)生、蛋白質(zhì)合成、核酸代謝等相關(guān)蛋白質(zhì)。還發(fā)現(xiàn)突變型Rh8菌株中蛋白質(zhì)在產(chǎn)酸階段和產(chǎn)溶劑階段會(huì)出現(xiàn)上調(diào)(分子伴侶、產(chǎn)溶劑相關(guān)蛋白質(zhì))或者下調(diào)(酸代謝、蛋白質(zhì)合成相關(guān)蛋白質(zhì))的現(xiàn)象,然而在野生型菌株中這種上調(diào)或下調(diào)的現(xiàn)象僅發(fā)生在產(chǎn)溶劑階段。這表明突變型Rh8菌株已經(jīng)進(jìn)化出較高水平的代謝機(jī)制,細(xì)胞在丁醇產(chǎn)生前就開(kāi)始準(zhǔn)備自身對(duì)丁醇產(chǎn)生及其毒性的適應(yīng)能力,從而使丁醇產(chǎn)量提高[23]。細(xì)胞膜蛋白質(zhì)組譜表達(dá)差異研究共分離得到73種差異表達(dá)蛋白質(zhì)點(diǎn),質(zhì)譜分析結(jié)果表明突變型Rh8菌株比野生型菌株進(jìn)化更加高級(jí),膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、能量代謝的經(jīng)濟(jì)效率更高。
發(fā)酵液中丁醇的累積對(duì)產(chǎn)溶劑梭菌細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的毒害作用,嚴(yán)重阻礙了細(xì)胞內(nèi)丁醇的繼續(xù)產(chǎn)生。對(duì)丙酮丁醇梭菌在丁醇脅迫環(huán)境中生長(zhǎng)時(shí)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組對(duì)比研究顯示,丁醇的存在能夠抑制與產(chǎn)生溶劑相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá),最終導(dǎo)致丁醇產(chǎn)量的下降[24]。但是,利用MALDI-TOF-MS/MS技術(shù)對(duì)拜氏梭菌C.beijerinckiiNCIMB 8052蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),添加Ca2+能夠引起拜氏梭菌胞內(nèi)蛋白質(zhì)組表達(dá)發(fā)生明顯的改變,特別添加Ca2+后可以提高熱激蛋白GrpE、DnaK等與產(chǎn)溶劑相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)量,Ca2+以其自身的緩沖作用和對(duì)丙酮丁醇發(fā)酵過(guò)程中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)、丁醇耐受力和溶劑化階段的積極影響有效地提高了ABE的產(chǎn)量[25]。
熱纖維梭菌(C.thermocellum)可有效降解木質(zhì)纖維素類(lèi)物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為乙醇,是纖維乙醇發(fā)酵產(chǎn)業(yè)中重要的一類(lèi)潛在工業(yè)菌種。纖維小體(cellulosome)是一種多亞基的纖維素酶復(fù)合體,通過(guò)錨定-粘附機(jī)制附著于細(xì)胞壁上。纖維小體中的大多數(shù)蛋白質(zhì)是由cip-cel操縱子區(qū)基因編碼,承擔(dān)細(xì)胞對(duì)纖維素的降解[26],對(duì)熱纖維梭菌蛋白質(zhì)組學(xué)研究,主要集中在纖維小體蛋白質(zhì)的差異性分析。使用nano-LC-ESI-MS技術(shù)對(duì)比研究熱纖維梭菌在纖維素和纖維二糖基質(zhì)中纖維小體蛋白質(zhì)組差異,共發(fā)現(xiàn)了41個(gè)纖維小體蛋白質(zhì),包括36個(gè)I型含錨定結(jié)構(gòu)蛋白(dockerin-containing protein),其中有3個(gè)已知錨定成份和16個(gè)未知的新亞基。在纖維素基質(zhì)中生長(zhǎng)的纖維小體蛋白質(zhì)組中蛋白OlpB、外切葡聚糖酶CelS和CelK,及水解酶第九家族的外切葡聚糖酶CelJ含量高于生長(zhǎng)在纖維二糖基質(zhì)中的蛋白含量;相反地,水解酶第八家族的外切葡聚糖酶CelA,第五家族的外切葡聚糖酶CelB、CelG、CelE,半纖維素酶XynA、XynC、XynZ和XghA含量卻低于纖維二糖基質(zhì)中的蛋白含量[27]。采用LC-MS/MS技術(shù)對(duì)比研究熱纖維梭菌在不同基質(zhì)中(稀酸預(yù)處理過(guò)的柳樹(shù)枝、纖維二糖、非晶體纖維素、晶體纖維素、晶體纖維素中添加果膠或木聚糖)生長(zhǎng)的纖維小體蛋白質(zhì)發(fā)現(xiàn),水解酶第九家族在微晶纖維素基質(zhì)和稀酸預(yù)處理的柳枝基質(zhì)中含量增高,水解酶第五家族在晶體纖維素或非晶體纖維素中含量明顯增高[28]。另外,利用2D LC-MS/MS技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)熱纖維梭菌存在2個(gè)纖維素酶家族Cel48S和Cel48Y,細(xì)胞在晶體纖維素基質(zhì)中生長(zhǎng),即使其中一個(gè)纖維素酶家族沒(méi)有表達(dá),晶體纖維素的降解也能繼續(xù)進(jìn)行[29]??偠灾?,纖維小體組分的差異表達(dá)受到特殊底物的調(diào)控,以此來(lái)適應(yīng)細(xì)胞對(duì)不同環(huán)境生長(zhǎng)的需求。熱纖維梭菌纖維小體組分變化的研究,有助于對(duì)纖維小體酶蛋白組分的設(shè)計(jì)和新菌種的改造,以適應(yīng)一些較特殊的底物作為碳源進(jìn)行乙醇發(fā)酵,促進(jìn)乙醇工業(yè)化生產(chǎn)的進(jìn)程。
此外,用nano-LC-ESI-MS/MS技術(shù)對(duì)比熱纖維梭菌C.thermocellum27405在纖維二糖或纖維素兩種不同基質(zhì)中生長(zhǎng)的細(xì)胞胞內(nèi)蛋白和細(xì)胞膜蛋白質(zhì)組研究發(fā)現(xiàn),纖維素基質(zhì)中生長(zhǎng)的細(xì)胞能夠提高其體內(nèi)磷酸化羧激酶的含量,同時(shí)降低丙酮酸激酶和草酰乙酸脫羧酶的含量,其胞內(nèi)ATP、NADPH的含量以及細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)氨作用都明顯上調(diào),在此基礎(chǔ)上可以提高乙醇的產(chǎn)量[30]。發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)物乙醇濃度累積>1%(w/v)時(shí)會(huì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和終產(chǎn)物產(chǎn)生抑制作用,用MADLI-TOF-MS技術(shù)對(duì)比分析野生型和乙醇適應(yīng)型菌株細(xì)胞膜蛋白質(zhì)組顯示,乙醇適應(yīng)型菌株的細(xì)胞膜蛋白質(zhì)組中超過(guò)70%的差異蛋白質(zhì)含量出現(xiàn)下調(diào)現(xiàn)象,這些膜蛋白主要參與膜轉(zhuǎn)運(yùn)和新陳代謝作用;1/3參與信號(hào)傳導(dǎo)和趨向性相關(guān)的蛋白質(zhì)含量出現(xiàn)上調(diào)[31]。這一結(jié)果表明細(xì)胞膜蛋白質(zhì)組分對(duì)乙醇脅迫環(huán)境能夠做出及時(shí)調(diào)整。
梭菌屬中還存在可以進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)1, 3-丙二醇的菌種,對(duì)此類(lèi)工業(yè)發(fā)酵用菌種蛋白質(zhì)組學(xué)研究也受到相應(yīng)的關(guān)注。哥倫比亞學(xué)者González等[32]分離獲得一株可以產(chǎn)1, 3-丙二醇的Clostridiumsp. IBUN 158B,并利用MALDI-TOF-MS技術(shù)研究了該菌在發(fā)酵過(guò)程中延遲末期(12 h)和指數(shù)生長(zhǎng)末期(23 h)胞內(nèi)蛋白質(zhì)表達(dá)的差異性。質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)細(xì)胞延遲期末期所表達(dá)的蛋白質(zhì)主要涉及ATP和NADH合成、細(xì)胞生長(zhǎng)、利用培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物以及基本代謝中間物生成所需的酶(磷酸甘油激酶、6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶、脫氧核糖磷酸醛縮酶、轉(zhuǎn)酮醇酶等),這些酶在梭菌屬新種里未曾報(bào)道過(guò)。而從指數(shù)生長(zhǎng)期末期分離的蛋白質(zhì)進(jìn)行質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)存在4種與1, 3-丙二醇代謝相關(guān)的關(guān)鍵酶(還原途徑中的1, 3-丙二醇脫氫酶,氧化途徑中的3-羥基丁酰輔酶A、NADPH-依賴型丁醇脫氫酶、磷酸丁酰轉(zhuǎn)移酶等)。這些酶的發(fā)現(xiàn)有助于構(gòu)建1, 3-丙二醇高產(chǎn)并且遺傳性狀穩(wěn)定的突變菌株,提高1, 3-丙二醇的產(chǎn)量。
隨著蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)的不斷成熟,蛋白質(zhì)組學(xué)在研究細(xì)菌代謝機(jī)制、產(chǎn)物生成機(jī)理等方面都得到了廣泛地應(yīng)用,特別是對(duì)工業(yè)發(fā)酵菌種蛋白質(zhì)組的研究正進(jìn)入快速發(fā)展階段。下一步對(duì)工業(yè)發(fā)酵菌種的研究方向之一是研究菌種發(fā)酵過(guò)程中,對(duì)環(huán)境改變而采取應(yīng)激反應(yīng)的時(shí)候關(guān)鍵蛋白酶的表達(dá)變化。例如在厭氧環(huán)境和微氧環(huán)境中,梭菌屬細(xì)菌蛋白質(zhì)表達(dá)差異,研究起到關(guān)鍵性作用的蛋白酶,期望實(shí)現(xiàn)厭氧菌在微氧環(huán)境中發(fā)酵降低發(fā)酵成本。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)不斷深入發(fā)展,蛋白質(zhì)組學(xué)研究在提示諸如生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝調(diào)控等生命活動(dòng)的規(guī)律上將會(huì)有所突破,對(duì)改造工業(yè)發(fā)酵菌種、降低發(fā)酵成本、縮短發(fā)酵周期、提高發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量將提供重要的理論參考。
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