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        Neuritin相互作用蛋白的篩選與分析鑒定

        2023-11-04 11:51:30朱金輝朱井玲劉春燕董鴻昌朱禮彥魏韜藝黃瑾
        關(guān)鍵詞:生物信息學(xué)分析

        朱金輝 朱井玲 劉春燕 董鴻昌 朱禮彥 魏韜藝 黃瑾

        摘要:目的 篩選及分析鑒定與 Neuritin 相互作用的候選膜蛋白,為探討 Neuritin 發(fā)揮生物學(xué)作用的分子機制提供理論基礎(chǔ)。方法 首先利用免疫熒光明確 Neuritin 在細胞的定位情況;基于表面等離子共振傳感(Surface plasmon resonance, SPR)技術(shù),利用 Neuritin 蛋白直接捕獲與 Neuritin 相互作用的蛋白復(fù)合物,質(zhì)譜分析篩選出可能與Neuritin相互作用的靶標(biāo)蛋白;通過生物信息學(xué)對靶標(biāo)蛋白進行細胞組分、生物過程、功能以及參與的信號通路進行富集分析;為了縮小驗證范圍,進一步利用甲醛交聯(lián)法捕捉與 Neuritin 相互作用的蛋白,通過以上方法綜合分析,確定與 Neuritin 相互作用的蛋白;利用免疫熒光及免疫共沉淀方法對 Neuritin 與捕獲蛋白在 SH-SY5Y 細胞中的相互作用進行驗證。結(jié)果 基于 SPR 技術(shù)篩選到 172 條可能與 Neuritin 相互作用的蛋白,通過質(zhì)譜與生物信息學(xué)分析,確定 ANXA2 為候選與 Neuritin 相互作用的蛋白,經(jīng)過免疫熒光和免疫共沉淀驗證 Neuritin 與? ANXA2 存在相互作用。結(jié)論 篩選出與 Neuritin 相互作用的候選蛋白 ANXA2,二者在SH-SY5Y細胞上共定位且具有特異性的相互作用。

        關(guān)鍵詞:Neuritin;ANXA2;蛋白質(zhì)相互作用;生物信息學(xué)分析;質(zhì)譜技術(shù)

        中圖分類號:R34中圖分類號文獻標(biāo)志碼:A文獻標(biāo)識碼

        Screening, analysis and identification of Neuritin interacting proteins

        ZHU? Jinhui,ZHU? Jingling,LIU? Chunyan,DONG? Hongchang,ZHU? Liyan,WEI? Taoyi,HUANG Jin*

        (Department of Biochemistry, School of Medicine, Shihezi University/Key Laboratory of Xinjiang Provincial and Ethnic

        High Morbidity, Ministry of Education,Shihezi,Xinjiang 832002, China)

        Abstract:? Objective To screen, analyze and identify candidate membrane proteins interacting with Neuritin, and to provide a theoretical basis for exploring the molecular mechanism of biological effects of Neuritin.Methods Firstly, Neuritin was localized in cells by immunofluorescence. Based on Surface plasmon resonance (SPR) technology, Neuritin protein is used to directly capture protein complexes interacting with Neuritin, and target proteins that may interact with Neuritin are screened out by mass spectrometry. The cellular components, biological processes, functions and signaling pathways involved in the target proteins were enriched and analyzed by bioinformatics. In order to narrow the verification range, the protein interacting with Neuritin is further captured by formaldehyde crosslinking method, and the protein interacting with Neuritin is determined by comprehensive analysis of the above methods. The interaction between Neuritin and the capture protein in SH-SY5Y cells was verified by immunofluorescence and immunocoprecipitation.Results Based on SPR technology, 172 proteins that may interact with Neuritin were screened, and ANXA2 was identified as the candidate protein for interaction with Neuritin by mass spectrometry and bioinformatics analysis. ANXA2 was verified by immunofluorescence and immunocoprecipitation.Conclusion Based on SPR technology, 172 proteins that may interact with Neuritin were screened, and ANXA2 was identified as the candidate protein for interaction with Neuritin by mass spectrometry and bioinformatics analysis. ANXA2 was verified by immunofluorescence and immunocoprecipitation. Neuritin interacted with ANXA2.

        Key words: Neuritin;ANXA2;protein interaction;bioinformatics analysis;mass spectrometry

        Neuritin (CPG15,NRN1,神經(jīng)突起生長素)是神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)再生中發(fā)揮重要作用的神經(jīng)營養(yǎng)因子,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程中高度表達,能促進軸突和樹突的生長[1]、神經(jīng)元遷移以及突觸的發(fā)育成熟[2-3],調(diào)節(jié)突觸環(huán)路的形成[4],并可抑制神經(jīng)元凋亡,維持神經(jīng)元的存活[5];中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育成熟后,其表達與損傷后的神經(jīng)再生和修復(fù)、學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)[6-8]。我們的研究顯示,Neuritin 重組蛋白[9]對損傷的大鼠坐骨神經(jīng)和急性脊髓損傷有明顯的修復(fù)作用[10-11]。然而,Neuritin 作用的分子機制有待深入,研究顯示 Neuritin 可能通過 Notch 信號通路[12]、FGF 信號通路[13]、PI3K信號通路和胰島素相關(guān)信號通路[14-16]等不同途徑發(fā)揮作用。近來,Nedivi等研究顯示,Neuritin通過與 AMPA 相互作用募集 PSD95 進而促進突觸的穩(wěn)定性[17]。Neuritin 作為一種孤配體,其發(fā)揮作用的受體尚不明確。尋找與其相互作用的蛋白對揭示其分子機制至關(guān)重要,對于詮釋 Neuritin 在神經(jīng)通路(信號途徑)中的角色和作用,進一步發(fā)揮 Neuritin 在神經(jīng)再生中的作用,具有重要的理論意義。

        本研究中我們利用 SPR 技術(shù)聯(lián)合質(zhì)譜技術(shù)篩選捕獲與 Neuritin 相互作用的差異蛋白,利用生物信息學(xué)對差異蛋白進行富集分析,最后通過免疫熒光及免疫共沉淀技術(shù)對候選蛋白進行驗證,鑒定與 Neuritin 相互作用的蛋白,為探討 Neuritin 發(fā)揮生物學(xué)作用的分子機制提供理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 細胞培養(yǎng)

        SH-SY5Y 細胞培養(yǎng):在高糖DMEM培養(yǎng)基(BI,06-1055-57-1ACS)中定期培養(yǎng),同時添加10%胎牛血清(BI,04-001-1A-US)、1%的三抗(BI,03-032-1B)。將細胞置于37℃、95%空氣、5% CO2的濕化環(huán)境中培養(yǎng)至70%~80%融合,2~3 d傳代1次。

        PC12 細胞培養(yǎng):在1640培養(yǎng)基(BI,06-1055-57-1ACS)中定期培養(yǎng)。同時添加5%胎牛血清(BI,04-001-1A-US)、10%馬血清(Gibco,10099-141)、1%的三抗(BI,03-032-1B),馬血清需提前56℃,30min滅活處理。將細胞置于37℃、95%空氣、5% CO2的濕化環(huán)境中培養(yǎng),2~3 d傳代1次。

        1.2 表面等離子共振傳感 (Surface plasmon resonance,SPR) 技術(shù)篩選與 Neuritin 相互作用的蛋白質(zhì)

        準(zhǔn)備 1mg 本實驗室制備的 Neuritin 凍干粉 (純度>90%),收集 2×107個狀態(tài)良好的 PC12細胞。將備好的 Neuritin 蛋白干粉和 PC12 細胞送至廣州高通生物技術(shù)有限公司,利用等離子表面共振(SPR)鑒定技術(shù)捕捉與 Neuritin 相互作用的蛋白質(zhì),并用質(zhì)譜分析篩選出可能與 Neuritin相互作用的靶標(biāo)蛋白。

        1.3 生物信息學(xué)分析篩選出的差異蛋白

        1.3.1 差異蛋白數(shù)據(jù)的獲取

        首先將與 Neuritin 相互作用蛋白的數(shù)據(jù)和對照組數(shù)據(jù)用 EXCEL 比對獲得差異蛋白數(shù)據(jù)并去除無效數(shù)據(jù)。

        1.3.2 GO分析

        將上述獲得的蛋白的 symbol 或 uniprot 登錄號數(shù)據(jù)上傳至 DAVID 數(shù)據(jù)庫進行 GO 分析。注意選擇對應(yīng)的種屬和上傳數(shù)據(jù)的類型。以P<0.05為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計分析 GO 分析的結(jié)果并作圖。

        1.3.3 KEGG信號通路分析

        將上述獲得的蛋白的 symbol 或 uniprot 登錄號數(shù)據(jù)上傳至 DAVID 數(shù)據(jù)庫,選擇對應(yīng)的種屬和上傳數(shù)據(jù)的類型進行 KEGG 信號通路分析。以P<0.05為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計分析 GO 分析的結(jié)果并作圖。

        1.4 甲醛交聯(lián)法縮小差異蛋白的范圍

        (1)甲醛溶液的制備:PBS 溶解多聚甲醛使其濃度為1.6%。0.22 μm濾器過濾。

        (2)交聯(lián),用1×PBS清洗處理過的細胞1~2次,加入1.6%的多聚甲醛室溫溫和震蕩孵育7min。

        (3)用1×PBS清洗處理過的細胞1~2次,洗去殘余的多聚甲醛。加入總蛋白或膜蛋白裂解液提取細胞總蛋白或膜蛋白。Western Blot 鑒定 Neuritin 特異性條帶的位置。

        1.5 考馬斯亮藍染色

        使用4%~20%濃度的 SDS-PAGE 凝膠(ACE,F(xiàn)15420Gel),160 V,45min條件下 SDS-PAGE 凝膠電泳,電泳結(jié)束后,將凝膠用考染液染色1 h,之后進行脫色處理,每隔10 min進行一次換液,直到目的條帶清晰。

        1.6 免疫熒光鑒定 Neuritin 與 ANXA2 在細胞膜上的共定位

        (1)將細胞接種在蓋玻片上并在 37℃下培養(yǎng)直到達到 50%~60%的密度。4%多聚甲醛固定細胞后山羊血清中封閉 30 min。

        (2)37℃,2 h孵育Neuritin與ANXA2的一抗。用 1×PBS沖洗3次,每次3 min。

        (3)孵育山羊抗小鼠 FITC 標(biāo)記的 IgG 或羅丹明標(biāo)記的山羊抗兔 IgG,條件為37℃,1 h。孵育完成后用步驟(4)中的方法沖洗波片。

        (4)數(shù)碼照片是用蔡司 LSM 510 Meta 激光掃描共聚焦顯微鏡或奧林巴斯 IX70 倒置顯微鏡拍攝的。最后用 Photoshop CS6 和 Illustrator CS6 對圖像進行處理。

        1.7 免疫共沉淀鑒定 Neuritin 與 ANXA2 的相互作用

        1.7.1 按照實驗需求及產(chǎn)品說明書預(yù)處理

        A/G protein 懸珠(GE Healthcare,17-6002-35)。

        1.7.2 蛋白樣品與一抗的孵育

        將提取的總蛋白或膜蛋白分為實驗組和對照組,向?qū)?yīng)的 EP 管中加入推薦稀釋比例的一抗(Neuritin 1∶500),4 ℃旋轉(zhuǎn)過夜,混合物取出后,轉(zhuǎn)移至裝有適量 Protein garose 的 EP 管中,4 ℃ 溫和旋轉(zhuǎn)孵育 4~6 h。

        1.7.3 目的蛋白的獲取

        取出裝有蛋白-抗體-A/G beads 的混合液,吸取上清變性后儲存-20 ℃?zhèn)溆谩?/p>

        向沉淀的中加入 1 mL 預(yù)冷的全細胞裂解液(no SDS) 4 ℃旋轉(zhuǎn)孵育 10 min。重復(fù)該步驟3次。4 ℃離心30 s,14 000 r·min-1,加入 1 mL 預(yù)冷的全細胞裂解液(with SDS),4 ℃溫和旋轉(zhuǎn)孵育 5 min。重復(fù)該步驟兩次,棄上清。將沉淀變性后得到混合蛋白。

        1.7.4 Western Blot

        使用4%~20%濃度的 SDS-PAGE 凝膠(ACE,F(xiàn)15420Gel),160 V 45min條件下 SDS-PAGE 凝膠電泳,然后按15 V,33 min(Tanon,VE-386CE)條件使用半干轉(zhuǎn)方法將蛋白轉(zhuǎn)移到PVDF膜(Immobilon,ISEQ00010)上,使用5%脫脂奶粉將PVDF膜封閉2h,然后使用5%脫脂奶粉按1∶1 000比例稀釋Neuritin抗體(Abcam,64186),4°過夜,第二天按1∶5 000比例稀釋山羊抗免二抗(中杉金橋),常溫孵育2h,洗膜后使用增強的化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)(BIO-RAD,1705060)可視化免疫反應(yīng)帶。

        2 結(jié)果

        2.1 Neuritin 蛋白在 SH-SY5Y 細胞中的定位及表達

        篩選與 Neuritin 相互作用的蛋白,首先要明確 Neuritin 蛋白在細胞上的定位。我們利用免疫熒光技術(shù)檢測Neuritin在細胞上的定位情況。結(jié)果顯示 Neuritin 蛋白(紅色)主要分布在 SH-SY5Y 細胞膜的周邊和突起(圖1A),并且與脂筏標(biāo)記物 Caveolin1(綠)和 Flotillin1 (綠) 在 SH-SY5Y 細胞膜上共定位(黃)。同時,利用 Western-blot 技術(shù)檢測 Neuritin 蛋白及脂筏標(biāo)志物在 SH-SY5Y 細胞中的表達情況,結(jié)果顯示:Neuritin、Caveolin1 和 Flotillin1 蛋白均表達(圖1B)。以上結(jié)果證實 Neuritin 蛋白定位在SH-SY5Y細胞膜上。

        2.2 SPR 技術(shù)篩選與 Neuritin 相互作用的蛋白

        SPR 技術(shù)篩選與 Neuritin 相互作用的蛋白結(jié)果如下,見表1。

        我們利用SPR技術(shù)篩選與Neuritin相互作用的蛋白,首先將 Neuritin 蛋白固定于芯片的金屬膜表面,實時監(jiān)控芯片表面折射率的變化,來反應(yīng) Neuritin 蛋白與 PC12 細胞裂解液中靶標(biāo)蛋白結(jié)合過程,然后將 Neuritin 捕捉到的蛋白酶解成肽段混合物,利用 LC-MS/MS 分析鑒定,獲得 172 條可能與 Neuritin 相互作用的靶標(biāo)蛋白,內(nèi)容詳見表1。

        2.3 生物信息學(xué)進行富集分析

        為縮小驗證靶標(biāo)蛋白質(zhì)的范圍,我們采用生物信息學(xué)對以上172條蛋白質(zhì)進行富集分析,細胞組分富集分析結(jié)果顯示:位于細胞膜上的蛋白共 59條。生物過程富集分析結(jié)果顯示:該部分數(shù)據(jù)富集的生物過程包括:GTP 結(jié)合分子、mRNA剪切體的正向調(diào)控等。

        功能富集分析結(jié)果顯示:該部分數(shù)據(jù)富集的分子功能包括:突觸可塑性、細胞遷移、微管蛋白結(jié)合等(圖2A)。KEGG 信號通路富集分析結(jié)果顯示,此部分數(shù)據(jù)與內(nèi)吞作用、上皮細胞的細菌侵入途徑、肌動蛋白細胞骨架調(diào)節(jié)、蛋白多糖與癌癥等多種信號通路相關(guān)(圖2B)。

        2.4 甲醛交聯(lián)法捕捉與 Neuritin 相互作用的蛋白

        為了進一步縮小驗證范圍,本研究采用甲醛交聯(lián)的方法對 Neuritin 及其互作蛋白之間的相互作用進行固定,膜蛋白WB結(jié)果顯示,原本位于15 kd 的全長Neuritin蛋白條帶消失,但在 35 kd 左右出現(xiàn)較濃的條帶(圖3A),且實驗組比對照組條帶加深(圖3B),提示 Neuritin 及其相互作用的蛋白結(jié)合在一起使Neuritin條帶的分子量比預(yù)期增大,因此本研究將考染膠同樣位置的條帶切下做蛋白質(zhì)質(zhì)譜檢測(圖3B),對質(zhì)譜原始數(shù)據(jù)采用 Pfind 指定Neuritin進行搜庫,找到了Neuritin特異性序列(圖3C),Blast結(jié)果顯示,該肽段只能代表Neuritin。其余質(zhì)譜結(jié)果見表2,其中ANXA2的肽段豐度最高,且在SPR結(jié)果中也出現(xiàn)了該蛋白,提示Neuritin與ANXA2可能存在特異性相互作用,值得進一步實驗驗證。

        2.5 Neuritin 與 ANXA2 相互作用鑒定

        為了驗證 Neuritin 與 ANXA2 是否存在天然的相互作用,本研究采用免疫共沉淀對二者在SH-SY5Y細胞中的相互作用進行驗證。首先免疫熒光共定位結(jié)果顯示,在 SH-SY5Y 細胞中二者均有表達且存在共定位,且定位發(fā)生在胞膜上(圖4A)。免疫共沉淀結(jié)果顯示,采用Neuritin抗體,以細胞內(nèi)原性Neuritin蛋白為誘餌蛋白進行免疫共沉淀時,ANXA2出現(xiàn)特異性條帶 (圖4B)。提示Neuritin與ANXA2存在天然的相互作用。

        3 討論

        Neuritin通過促進神經(jīng)突生長和突觸成熟在神經(jīng)發(fā)育和再生中起著關(guān)鍵作用[18],但介導(dǎo)其發(fā)揮作用的受體至今還未有文獻報道。本研究旨在利用多種方法尋找并鑒定與 Neuritin 相互作用的蛋白質(zhì)。

        首先我們明確了 Neuritin 在 SH-SY5Y 細胞膜上的定位與表達,且與脂筏共定位。據(jù)此推斷,Neuritin 可能也依賴于細胞膜受體發(fā)揮其促進突起生長,保持神經(jīng)元存活的功能。本研究在細胞分子水平,采用了 SPR、甲醛交聯(lián)法以及生物信息學(xué)等多種技術(shù)手段,對 Neuritin 相互作用的蛋白進行了篩選與鑒定。

        PC12細胞作為我們課題組前期建立的功能評價平臺,是觀察Neuritin蛋白對促進細胞突起生長作用的良好模型。本研究以His-Neuritin 重組蛋白作為誘餌蛋白,用 PC12 細胞裂解液作為獵物蛋白進行垂釣,蛋白質(zhì)質(zhì)譜共鑒定出有效蛋白 172 個。之后通過 GO 分析對該數(shù)據(jù)的細胞組分進行篩選,共篩選出細胞膜蛋白共 59 個,這些蛋白均有可能成為 Neuritin 在細胞膜上發(fā)揮作用的受體蛋白。之后,為了更加準(zhǔn)確的對 Neuritin 調(diào)控或者被調(diào)控的機制進行預(yù)測,本研究對這些蛋白的生物過程、分子功能以及信號通路進行富集分析。結(jié)果顯示有多種生物進程和信號通路可能與 Neuritin 存在直接或間接相關(guān)性,該結(jié)果提示 Neuritin 在生物體內(nèi)有復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),參與多種生物過程。

        為了進一步縮小 Neuritin 作用靶點的驗證范圍,本研究采用了甲醛交聯(lián)法對 SH-SY5Y 細胞中的蛋白質(zhì)相互作用進行固定[18],WB 鑒定 Neuritin 特異性條帶的位置。結(jié)合灰度掃描和蛋白質(zhì)質(zhì)譜的結(jié)果,本研究發(fā)現(xiàn) Neuritin 與某靶標(biāo)蛋白結(jié)合而使其電泳后在35kD處。在對這個條帶的鑒定中鑒定出了十幾種蛋白質(zhì),其中包括了肽段豐度最高且與 SPR 膜蛋白篩選結(jié)果重合的蛋白質(zhì) ANXA2。

        ANXA2 是一種鈣依賴性蛋白,在調(diào)節(jié)細胞功能上扮演多個角色,包括血管生成、增殖、凋亡、細胞遷移、入侵和粘附、突起生長等[19],這些功能與 Neuritin 的功能比較相似。我們通過免疫熒光及免疫共沉淀鑒定了 Neuritin 與 ANXA2 的共定位及相互作用,提示 ANXA2 與 Neuritin 之間存在相互作用,但免疫沉淀中 ANXA2 與 Neuritin 的條帶都比較淺,可能由于抗體親和力較差,或二者的親和力較弱,還需更多的實驗進一步驗證二者的結(jié)合關(guān)系。本研究為尋找 Neuritin 的受體蛋白以及探討 Neuritin 發(fā)揮生物學(xué)作用的分子機制提供了線索與理論基礎(chǔ)。

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        (責(zé)任編輯:編輯唐慧)

        收稿日期:中文收稿日期2023-02-16

        基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(32060164)

        作者簡介:朱金輝(1998—),男,碩士研究生,專業(yè)方向為蛋白質(zhì)功能與疾病。

        *通信作者:黃瑾(1963—),女,教授,從事蛋白質(zhì)功能與疾病方面的研究,e-mail:huangjin623@163.com。

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