宋天園，道吉吉，夏建珍，王甜，肖蘭，崔箭，唐麗※

[1.民族醫(yī)藥教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中央民族大學(xué)），北京 100081；2.中央民族大學(xué)藥學(xué)院，北京 100081；3.中央民族大學(xué)附屬校醫(yī)院，北京 100081；4.北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院護(hù)理學(xué)院，北京 100144]

柏科植物在我國(guó)有8屬29種，是傳統(tǒng)園林綠化樹種，其中以圓柏（Juniperus chinensis L.）最為常見，廣泛分布于全國(guó)（中國(guó)生物物種名錄2022版），同時(shí)柏樹花粉也是引發(fā)季節(jié)性過敏性鼻炎和哮喘等過敏性疾病主要誘因之一[1,2]。隨著生態(tài)綠化水平的提高和圓柏等柏科植物的廣泛應(yīng)用，我國(guó)各地空氣中的柏樹花粉濃度也呈現(xiàn)較高的水平和很強(qiáng)的季節(jié)性特點(diǎn)。研究顯示，我國(guó)多個(gè)地區(qū)和城市的空氣監(jiān)測(cè)中均報(bào)告含量較高的柏樹花粉[3-6]，尤其是在春季花粉季節(jié)，有的地區(qū)大氣中漂浮的柏樹花粉濃度可高達(dá)294 g/m3[3]。同時(shí)在臨床也相應(yīng)出現(xiàn)了大量的花粉過敏患者并且呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)[7-9]，尤其在一些以圓柏或柏樹綠化樹種占比較大的小區(qū)或綠地，周邊居民或人群往往在每年的3月中下旬至4月中旬期間集中高發(fā)季節(jié)性過敏性鼻炎和/或過敏性哮喘等疾病。臨床常見的癥狀表現(xiàn)主要有持續(xù)性的噴嚏和流涕不止、鼻腔堵塞甚至影響呼吸、眼睛分泌物增多和紅腫奇癢等，嚴(yán)重過敏患者出現(xiàn)哮喘、憋悶、聽力下降及視物昏花等癥狀，還有些過敏患者會(huì)出現(xiàn)皮膚瘙癢、紅腫等皮疹皮炎癥狀。

近年來，柏樹花粉過敏性疾病的流行病學(xué)、花粉變應(yīng)原及致敏性評(píng)價(jià)、致敏機(jī)制等方面的研究越來越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在歐洲，法國(guó)和西班牙等國(guó)家的研究顯示柏樹花粉是冬春季節(jié)花粉癥的重要變應(yīng)原[10,11]。我國(guó)學(xué)者也對(duì)柏樹花粉致敏開展了一些研究工作[12-15]。柏樹花粉變應(yīng)原蛋白是其引發(fā)過敏反應(yīng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，因而獲得純度高的柏樹花粉變應(yīng)原蛋白可為其結(jié)構(gòu)及表位、生物學(xué)特性、致敏性評(píng)價(jià)和檢測(cè)方法等方面的研究提供必要的材料。本實(shí)驗(yàn)對(duì)柏樹花粉進(jìn)行蛋白提取，應(yīng)用LS-MS/MS方法對(duì)蛋白提取物進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析，鑒定其中主要致敏蛋白，為進(jìn)一步開展柏樹花粉致敏蛋白的分離與鑒定、致敏性評(píng)價(jià)及相關(guān)檢測(cè)方法的開發(fā)與建立提供思路和參考。

1 材料與儀器

1.1 材料與試劑

圓柏花粉，2022年4月柏樹花粉釋放盛期于中央民族大學(xué)校內(nèi)采集，得到的花粉低溫干燥后4℃保存。

二硫蘇糖醇（DTT）、碘乙酰胺、碳酸氫銨、胰蛋白酶（測(cè)序級(jí)）和磷酸鹽緩沖溶液（PBS，Sigma），甲醇、乙腈和甲酸為色譜級(jí)和質(zhì)譜級(jí)（Merck KGaA），鹽酸為優(yōu)級(jí)純（Merck KGaA），蒸餾水（屈臣氏），3 kD超濾管（PALL），SCX tip（Thermo）。

1.2 儀器

花粉采集器（中國(guó)西安必勝電子科技有限公司），高效液相色譜系統(tǒng)（北京普源精電科技有限公司RIGOL L-3000），高分辨質(zhì)譜儀（美國(guó)Thermo公司Q Exactive HF-X），真空離心濃縮儀（北京吉艾母科技有限公司CV100-DNA），渦旋振蕩器（SCILOGEX MX-S），離心機(jī)（Eppendorf，5804 R），酶標(biāo)儀（DR200B），超聲破碎儀（上海滬析實(shí)業(yè)有限公司JY96-IIN），電熱恒溫水浴鍋（北京市光明醫(yī)療儀器有限公司XMTD-7000），KQ-500E型超聲波清洗器（中國(guó)昆山市超聲儀器有限公司）。

2 方法

2.1 花粉的采集和前處理

采用自然脫落法和使用花粉采集器，將采集到的圓柏花序和用花粉采集器采集到的花粉進(jìn)行篩分去除雜質(zhì)，低溫烘干后于4℃保存。

2.2 花粉粗蛋白浸液制備

去除雜質(zhì)后收集到的干燥花粉按重量體積比1:20加入0.01 mol/L的PBS液，冰浴超聲波破碎15 min，再將所得花粉混懸液于4℃下連續(xù)攪拌24 h，然后于4℃、10 000 g下離心20 min，取上清液。將上清液用0.45m的濾器過濾，4℃保存[15,16]。

2.3 花粉蛋白提取富集

將上述得到的濾液用PALL 3 kD超濾管進(jìn)行濃縮，4℃下4 500 g離心，得到超濾后的超濾濃縮液，4℃保存。

2.4 酶解

取適量蛋白加入終濃度為5 mM DTT，37℃孵育1 h，然后恢復(fù)室溫。加入終濃度為10 mM的碘乙酰胺，室溫避光孵育45 min。用25 mM碳酸氫銨將樣本稀釋4倍并按照蛋白和胰酶比例50:1加入胰酶進(jìn)行溶液酶切，37℃孵育過夜；第2天加入甲酸調(diào)節(jié)pH小于3，終止酶切。

2.5 脫鹽與純化

使用C18脫鹽柱對(duì)樣本進(jìn)行脫鹽處理，100%乙腈活化脫鹽柱，0.1%甲酸平衡柱體，加載樣本到柱上，使用0.1%甲酸洗滌雜質(zhì)，再以70%乙腈洗脫，收集洗脫液；將洗脫液經(jīng)SCX-tip處理得到純化的樣品[17]，冷凍干燥后于20℃保存。

2.6 色譜條件

將凍干的酶解樣品用0.1%（V/V）甲酸溶液復(fù)溶至0.4g/L，取20L進(jìn)行液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析，重復(fù)3次。

RIGOL L-3000 LC，ReproSil-Pur C18-AQ色譜柱（1.9m，1.5 mm 250 mm），流動(dòng)相A水（0.1%甲酸），B乙腈（0.1%甲酸）梯度洗脫，程序?yàn)?~5 min，8% B；5~35 min，12%B；35~44 min，30%B；44~45 min，40%B；45~59 min，95%B；59~60 min，99%B。流速：0.6 mL/min；柱溫：40℃；進(jìn)樣量5L。

2.7 質(zhì)譜條件

Q Exactive HF-X高分辨質(zhì)譜儀，Nanospray FlexTM（NSI）離子源；離子傳輸管溫度275℃，鞘氣（N2）流速40 L/min，輔助氣（N2）流速10 L/min；離子噴霧電壓2.4 kV，透鏡電壓50 V；正離子掃描模式。應(yīng)用Full MS/dd-MS2模式，質(zhì)譜全掃描范圍為m/z 350~1 500，一級(jí)質(zhì)譜全掃描分辨率設(shè)為120 000（200 m/z），C-trap最大注入時(shí)間為80 ms，AGC target為3 106；選取全掃描中離子強(qiáng)度TOPN=40的母離子使用高能碰撞裂解（HCD）方法碎裂，二級(jí)子離子全掃描分辨率設(shè)為15000（200m/z），AGC為5 104，最大注入時(shí)間為45ms，二級(jí)最低閾值104；Peptidematch打開；頂點(diǎn)激發(fā)，2~8s，肽段碎裂碰撞能量NEC/step設(shè)為27，生成質(zhì)譜檢測(cè)原始數(shù)據(jù)（.raw）。儀器每7 d采用Pierce LTQ Velos ESI正離子校正溶液（美國(guó)Thermo公司）進(jìn)行質(zhì)量數(shù)校正。

2.8 數(shù)據(jù)采集分析與驗(yàn)證

植物花粉蛋白的序列數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站（Uniprot蛋白數(shù)據(jù)庫，Universal Protein，https://www.uniprot.org/），并下載為Fasta文件。將采集的肽質(zhì)量圖譜（PMF）和二級(jí)質(zhì)譜（MS/MS）數(shù)據(jù)信息通過導(dǎo)入Proteome Discover 2.4軟件（美國(guó)Thermo公司）進(jìn)行搜索和計(jì)算匹配，檢索引擎為Sequest HT，參數(shù)設(shè)置為：最大漏切位點(diǎn)數(shù)2，肽段范圍5~120，母離子容差10-5，碎片離子容差0.02 Da，y和b離子權(quán)重均為1，鑒定得到肽段的置信度＞95%；Sequest HT評(píng)分值采用其搜索算法對(duì)蛋白匹配度打分，分值越高可信度越高。在SDAP蛋白數(shù)據(jù)庫（Structural Database of Allergenic Proteins，https://fermi.utmb.edu/SDAP/sdap_src.html） 中檢索匹配相關(guān)蛋白質(zhì)，并提取匹配的蛋白質(zhì)和肽段相關(guān)信息。驗(yàn)證方法采用平行反應(yīng)監(jiān)測(cè)（PRM）模式，靶向篩查肽段覆蓋率和Sequest HT評(píng)分排名靠前的蛋白質(zhì)，完成確證鑒定。

3 結(jié)果與討論

3.1 主要過敏原蛋白及肽段的鑒定

圓柏花粉蛋白提取物經(jīng)胰蛋白酶進(jìn)行溶液酶切處理后，其產(chǎn)物經(jīng)LC-MS/MS分析，總離子流色譜圖見圖1，其中譜峰峰型良好，譜圖重現(xiàn)性好，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定。以Sequest HT為搜索引擎，在SDAP蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中，以PMF結(jié)合MS/MS模式搜庫，可匹配到37種花粉蛋白，見表1。

圖1 圓柏花粉蛋白酶酶解產(chǎn)物總離子流色譜圖Fig.1 Total ion flow chromatography of protease hydrolysates from J.chinensis pollen

表1 圓柏花粉蛋白酶解產(chǎn)物中的蛋白質(zhì)鑒定Table 1 Protein identification for protease hydrolysates from J.chinensis pollen

經(jīng)HPLC-MS/MS分析得到的肽段序列數(shù)據(jù)在SDAP蛋白數(shù)據(jù)庫中檢索匹配和比對(duì)，得到蛋白質(zhì)鑒定信息（表2），包括蛋白質(zhì)的序列號(hào)、理論分子量、等電點(diǎn)以及蛋白質(zhì)名稱和來源物種名稱。鑒定的37個(gè)蛋白質(zhì)理論分子量范圍為13.1~105 kD，其來源包括圓柏Juniperus chinensis L.、刺柏Juniperus formosana Hayata、側(cè)柏Platycladus orientalis（L.）Franco和日本柳杉Cryptomeria japonica D.Don等。

表2 蛋白質(zhì)鑒定結(jié)果Table 2 Protein identification results

3.2 與柏科花粉變應(yīng)原一致的肽段

到目前，Uniprot蛋白數(shù)據(jù)庫（Universal Protein）中收錄的柏科花粉變應(yīng)原蛋白有10種，分子量約在40 kD左右，均具有較強(qiáng)的變應(yīng)原性和致敏作用，依據(jù)其活性可分為兩組。其中1組發(fā)現(xiàn)了7種，均具有果膠裂解酶活性，包括Cha o 1、Cry j 1、Cup a1、Cup s 1、Jun a 1、Jun s 1和Jun v 1；2組發(fā)現(xiàn)了3種，一般具有聚半乳糖醛酸酶活性，包括Cha o 2、Cry j 2和Jun a 2[18,19]。本實(shí)驗(yàn)篩選出了3種蛋白（Q93X51、A0A808QQB8和A0A7R6H3R2）可滿足相關(guān)鑒定確證需求，即序列之間具有較高的相似性，可提取出具備典型特征的肽段，且具有較高的響應(yīng)，3種蛋白的特征肽段圖譜見圖2。本實(shí)驗(yàn)對(duì)圓柏花粉蛋白酶解產(chǎn)物的蛋白組學(xué)分析鑒定結(jié)果表明，圓柏花粉中含有分別與柏科花粉1組和2組變應(yīng)原一致的肽段，序列一致的肽段、分子量及其一致性情況見表3。

表3 與柏科花粉1組和2組變應(yīng)原一致的肽段Table 3 Peptide segments consistent with allergens of Cupressaceae pollen

圖2 3種蛋白（Q93X51、A0A808QQB8、A0A7R6H3R2）的特征肽段圖譜Fig.2 Characteristic peptide chromatography of three proteins Q93X51,A0A808QQB8 and A0A7R6H3R2

3.3 討論

除了表3中的序列相似肽段之外，本實(shí)驗(yàn)對(duì)圓柏花粉蛋白酶解后的質(zhì)譜分析也得到了其他肽段，這些肽段的序列與其他科屬植物蛋白的序列存在一定的相似性，其來源有可能是圓柏花粉變應(yīng)原蛋白經(jīng)酶解后生成的一些肽段，也屬于柏科花粉變應(yīng)原蛋白序列，也有可能來源于非變應(yīng)原蛋白的酶解肽段，在分子量上接近。已有的變應(yīng)原分析研究文獻(xiàn)表明[19,20]，如果肽段序列之間的相似性超過30%，則提示其很有可能同源，當(dāng)一個(gè)肽段的氨基酸序列與某個(gè)特定的變應(yīng)原序列一致性大于50%時(shí)，則表明二者可能共享變應(yīng)原表位或者具有交叉反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)的蛋白組分析表明這些肽段與其他科屬植物的蛋白序列存在較高的相似性，也從一定程度解釋了花粉變應(yīng)原之間以及花粉與其他植物性變應(yīng)原之間存在著廣泛的交叉過敏反應(yīng)。

4 結(jié)論

本研究建立的HPLC-MS/MS分析檢測(cè)方法通過PMF+MS/MS搜索結(jié)合計(jì)算匹配，以及PRM模式的確證分析，鑒定了圓柏花粉中的3個(gè)過敏原蛋白，確證了圓柏花粉中含有1組和2組變應(yīng)原蛋白。該方法可用于對(duì)溶液酶切法獲得的圓柏花粉蛋白肽段進(jìn)行分析鑒定，為高效精準(zhǔn)檢測(cè)鑒定花粉過敏原蛋白及其致敏性評(píng)價(jià)提供有效技術(shù)支持。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為花粉變應(yīng)原的分析檢測(cè)提供參考，為開發(fā)高效的花粉變應(yīng)原檢測(cè)技術(shù)、變應(yīng)原預(yù)測(cè)及其潛在致敏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考和依據(jù)。