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基于蛋白質(zhì)組學(xué)的蠶絲蛋白質(zhì)組分分析

2023-08-30 22:09:27周杰周雄胡銘周劉劍王秉
浙江理工大學(xué)學(xué)報 2023年5期
關(guān)鍵詞:蛋白質(zhì)組學(xué)

周杰 周雄 胡銘周 劉劍 王秉

摘 要: 絲綢是古代中國的偉大發(fā)明,中華民族的先輩們通過養(yǎng)蠶、繅絲、紡紗、織造等工藝制造出精美的絲織物,但在長期的埋藏過程中極易發(fā)生老化降解。絲綢文物在長期埋藏的過程中極易發(fā)生老化降解。為了研究文物絲綢絲綢文物在全生命周期中發(fā)生的蛋白組分變化,利用高通量蛋白質(zhì)組學(xué)方法對蠶繭、現(xiàn)代絲綢制品和文物絲綢樣品中的蛋白質(zhì)和特異多肽種類進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示:蠶繭脫膠過程中,3種絲膠蛋白僅一種有殘留,多種功能蛋白被除去;在長時間的劣化過程中,絕大部分的蛋白質(zhì)完全降解,絲素蛋白重鏈、輕鏈和糖蛋白鏈部分降解,其中輕鏈降解速率最慢;在蠶繭、現(xiàn)代絲綢和絲綢文物中發(fā)現(xiàn)15種共有多肽,其中豐度最高的兩條多肽序列有望成絲綢檢測的分子標(biāo)志物。該研究可為古代絲綢劣化過程分析提供一種新策略,為微量檢測提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:蛋白質(zhì)組學(xué);絲綢文物;蛋白質(zhì)組分;分子標(biāo)志物;高通量檢測

中圖分類號:TS141

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1673-3851 (2023) 05-0359-06

引文格式:周杰,周雄,胡銘周,等. 基于蛋白質(zhì)組學(xué)的蠶絲蛋白質(zhì)組分分析[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)),2023,49(3):359-364.

Reference Format: ZHOU? Jie,ZHOU? Xiong, HU Mingzhou, et al. Analysis of protein components in silk based on proteomics[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University,2023,49(3):359-364.

Analysis of protein components in silk based on proteomics

ZHOU Jie1, ZHOU Xiong1, HU Mingzhou1, LIU Jian2, WANG Bing1

(1.School of Materials Science & Engineering, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2.China National Silk Museum, Hangzhou 310002, China)

Abstract: Silk is a great invention of ancient China. Chinese ancestors produced exquisite silk by sericulture, reeling, spinning and weaving. But silk fabrics are highly susceptible to aging and degradation during the long-term burial processAncient silk? are prone to aging and degradation during long-term burial. In order to study the structural changes of proteins occurred in ancient silk throughout its life cycle, high-throughput proteomics was used to identify the species and abundance of proteins in silk cocoons, modern silk and silk relics. The results showed that only one of the three kinds of sericin remained during cocoon degumming and a variety of functional proteins were also removed. Vast majority of the proteins were completely degraded during the long degradation process, while the heavy, light and glycoprotein chains of silk protein were partially degraded, and the light chain degradation rate was the slowest. Fifteen shared polypeptides were identified in cocoons, modern silk and silk relics, and two peptides with the most abundance were expected to become biomarkers for silk detection. This study provides a new strategy to explore the ancient silk production and deterioration process.

Key words:proteomics; silk relic; protein components; biomarkers; high-throughput detection

0 引 言

中國是世界上最早從事養(yǎng)蠶繅絲的國家,曾被譽(yù)為“絲國”。中華民族的先輩通過成功馴養(yǎng)家蠶,開發(fā)出一套先進(jìn)的絲綢生產(chǎn)技術(shù)體系,通過絲綢之路傳播到世界各地,對世界產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[1-3。絲織品作為一種天然高分子蛋白,在經(jīng)歷繅絲、脫膠、紡紗和織造后,又受到光照、溫度、水分和微生物等因素的影響4-6,極易發(fā)生劣化降解,甚至泥化而失去實體形貌7。因此,亟須了解絲綢文物形態(tài)變化背后的蛋白質(zhì)組分變化機(jī)理。

當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者多采用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉紅外光譜(FTIR)和拉曼光譜等手段分析研究了絲綢文物的劣化程度和老化機(jī)理[8-11。Koperska等[11用FTIR研究了蠶絲樣品在150 ℃、不同空氣條件老化后絲素的降解情況;王永禮等[12模擬了不同波段可見光老化實驗,通過色差和SEM分析了各樣品劣化程度;龔德才等[13利用偏振紅外光譜和全反射紅外光譜,通過對堿性水解絲綢和古代絲織品的取向度和結(jié)晶度分析,獲得纖維聚集態(tài)變化規(guī)律,從而評價絲綢的老化程度。但以上方法都是從絲綢表面形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)等方面著手,缺乏從分子水平上研究蛋白質(zhì)組分變化的方法。近年來,隨著質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展,蛋白質(zhì)組學(xué)作為一種新興的技術(shù)手段進(jìn)入人們的視野。

蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)是一種高通量的蛋白質(zhì)檢測技術(shù),可以精確識別樣品中的蛋白質(zhì)與多肽序列[14-15。典型的蛋白質(zhì)組學(xué)檢測過程主要包括3部分:蛋白質(zhì)組的提取和酶解、質(zhì)譜檢測和蛋白數(shù)據(jù)庫對比與分析。蛋白鑒定方法目前也被引入考古和文物保護(hù)領(lǐng)域[16-18。Tokarski等[19用蛋白質(zhì)組學(xué)鑒定出文藝復(fù)興時期的繪畫中含有卵黃和卵清蛋白;Guo等[20采用蛋白質(zhì)組學(xué)對桑蠶絲的成分進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)蠶繭中含有大量蛋白酶抑制劑,從而解釋了桑蠶繭具有抗菌性的原因;Lee等[21開發(fā)了一種基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)方法,成功將家蠶、柞蠶和薩米亞產(chǎn)的蠶繭區(qū)分到物種水平;本文課題組曾利用蛋白質(zhì)組學(xué)研究了家蠶和柞蠶的蛋白質(zhì)差異,找到了區(qū)別家蠶與柞蠶的標(biāo)志蛋白,可用于區(qū)分出土文物的種屬22。

本文采用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),對蠶繭、現(xiàn)代絲綢和文物絲綢中的蛋白質(zhì)組分進(jìn)行分析,通過研究3種樣品中蛋白質(zhì)與特異多肽的異同,從蛋白組分和一級結(jié)構(gòu)水平評估絲綢老化程度,以期了解古代絲綢全生命周期中蛋白質(zhì)組分變化過程,從而為絲綢文物的搶救和微量檢測提供理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器設(shè)備

實驗樣品:文物絲綢(新疆三道海子出土,漢晉時期)由中國絲綢博物館提供;蠶繭和現(xiàn)代絲綢制品(春桑蠶,杭州,2021年)購自杭州富絲工貿(mào)有限公司。

實驗材料:無水乙醇購自杭州高晶精細(xì)化工有限公司;氯化鈣(CaCl2)、碳酸氫銨(NH4HCO3)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、二硫蘇糖醇(DTT)、吲哚乙酸(IAA)、甲酸(FA)、三羥甲基氨基甲烷鹽酸鹽(Tris-HCl)、測序級胰蛋白酶(trypsin)和乙腈(ACN)均購自美國賽默飛公司。

實驗儀器:FA2104型電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)、DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(杭州儀器制造有限公司)、FD-IA-50型真空冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司)、TF-86-30LA型超低溫冰箱(上海拓紛機(jī)械設(shè)備有限公司)、JSM 5610LV型掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司)、Waters AccQ·Tag型超高效液相色譜儀(美國沃特世)、Easy nLC 1200色譜系統(tǒng)和Q-Exactive HF-X型質(zhì)譜儀(美國賽默飛)。

1.2 實驗方法

1.2.1 絲蛋白提取

分別稱取4 mg蠶繭、現(xiàn)代絲綢制品和文物絲綢置于200 μL 8.7 mol/L CaCl2和17.4 mol/L C2H5OH混合水溶液中,在98 ℃加熱溶解30 min;待蠶絲蛋白溶液冷卻至室溫后,裝入截留相對分子質(zhì)量為1000 kDa的透析袋中,每6 h換一次水,透析3 d,去除無機(jī)鹽。將透析后的絲蛋白溶液冷凍干燥處理得到絲蛋白粉末。

1.2.2 絲蛋白酶解

在100 μg的3種絲蛋白粉末中分別加入100 μL SDT裂解液(4% SDS,100 mmol/L DTT,100 mmol/L Tris-HCl),96 ℃水浴5 min,冷卻至室溫。采用BCA試劑盒測定蛋白含量后,加入10 μL IAA,600 r/min振蕩1 min,避光室溫孵化30 min。加入1 mL的預(yù)冷丙酮,置于-20 ℃靜置2 h,沉淀蛋白。16000 g離心10 min,去除上清液,加丙酮清洗蛋白沉淀,重復(fù)3次;加入100 μL 酶解液(2 μg胰蛋白酶溶于100 μL NH4HCO3溶液中),600 r/min振蕩 1 min,置于37 ℃孵化16 h。12000 g離心10 min,收集濾液;酶解后的肽段使用脫鹽柱脫鹽,真空干燥。

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌表征

蠶繭、現(xiàn)代絲綢和文物絲綢3種原始樣品用1 mol/L的乙醇水溶液洗滌、真空干燥,表面鍍金后,采用SEM觀測表觀形貌。將蠶繭、現(xiàn)代絲綢和文物絲綢在1 mol/L的乙醇溶液種洗滌,真空干燥后表面鍍金,采用SEM觀測3種樣品的表面形貌。

1.3.2 液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用蛋白鑒定

絲蛋白粉末樣品使用納升流速色譜系統(tǒng)進(jìn)行色譜分離,肽段分離后用質(zhì)譜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)依賴采集質(zhì)譜分析。分析時長為60 min,檢測模式:正離子、母離子掃描范圍:300~1800 m/z,一級質(zhì)譜分辨率:60000,AGC target:3×106,一級最大IT:50 ms;肽段二級質(zhì)譜分析按照下列方法采集:每次全掃描后觸發(fā)采集 20個最高強(qiáng)度母離子的二級質(zhì)譜圖譜,二級質(zhì)譜分辨率:15000,AGC target:3×106,二級最大IT:25 ms,MS2激活類型:HCD,隔離窗口:1.3 m/z,歸一化碰撞能量:28。采用納升流速色譜系統(tǒng)對絲蛋白粉末樣品進(jìn)行色譜分離。隨后,通過數(shù)據(jù)依賴采集質(zhì)譜分析肽段。分析時長為60 min,檢測模式為正離子、母離子,掃描范圍為300~1800 m/z,一級質(zhì)譜分辨率為60000,AGC目標(biāo)為3×106,一級最大IT為50 ms;肽段的二級質(zhì)譜分析按照下列方法采集:在每次全掃描后觸發(fā)采集 20個最高強(qiáng)度母離子的二級質(zhì)譜圖譜,二級質(zhì)譜分辨率為15000,AGC目標(biāo)為3×106,二級最大IT為 25 ms,MS2激活類型為HCD,隔離窗口為1.3 m/z,歸一化碰撞能量為28。

1.3.3 蛋白數(shù)據(jù)庫檢索

選取Uniprot蛋白數(shù)據(jù)庫中的所有18488條桑蠶(Bombyx mori)蛋白建立對比蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫,用于比對篩選出樣品中的蛋白質(zhì)組分。采用質(zhì)譜檢索軟件MaxQuant對液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用采集得到的質(zhì)譜圖與建立的對比蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫比對驗證,MaxQuant搜庫軟件分析參數(shù)設(shè)置如下:搜庫方式設(shè)為單獨搜庫,母離子質(zhì)量偏移小于20.00×10-6Da,子離子質(zhì)量偏差小于0.01 Da ,半胱氨酸的氨基甲酰甲基化設(shè)置為固定修飾,甲硫氨酸的氧化為動態(tài)修飾;每個鑒別的蛋白質(zhì)至少有1個特異肽段;質(zhì)譜數(shù)據(jù)檢索結(jié)果分別采用多肽假陽性概率(PSM FDR≤0.01)和蛋白假陽性概率(Protein FDR≤0.01)作為肽段與蛋白鑒定的篩選標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品形貌分析

圖1為蠶繭、現(xiàn)代絲綢制品和文物絲綢的SEM圖。從圖1可以看出:在蠶繭樣品缺陷處可以看出蠶繭樣品缺陷處的蠶絲分為兩層;現(xiàn)代絲綢整根絲纖維表面光滑,且有豎紋,在表面有微量異物,可能為絲膠殘留表面的微量異物可能為絲膠殘留;文物絲綢由于環(huán)境復(fù)雜,表面黏著大量雜質(zhì),在乙醇溶液洗滌過后依舊附著在絲綢表面,絲綢裸露部分粗糙度增加,但幾乎沒有表面缺陷,整體外觀保持完整,可能是干燥的墓葬環(huán)境保證了纖維的完整性。

2.2 總蛋白質(zhì)鑒定

為分析微觀層面蛋白質(zhì)組的變化,使用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)鑒定出3種樣品的蛋白質(zhì)組分。為了排除干擾蛋白和誤檢蛋白,剔除假陽性多肽和常見蛋白污染源,篩選出所有得分大于0的檢出蛋白質(zhì),獲得總蛋白質(zhì)鑒定結(jié)果。在蠶繭樣品中總共檢測出406種多肽和75種蛋白,現(xiàn)代絲綢中鑒定出有98種多肽和59種蛋白,而文物絲綢中只有30種多肽和18種蛋白。蠶繭中的蛋白種類遠(yuǎn)大于現(xiàn)代絲綢,表明多種蛋白質(zhì)在繅絲、脫膠、紡紗和織造過程中被除去。文物絲綢中蛋白的種類遠(yuǎn)低于現(xiàn)代絲綢,檢出多肽也僅有現(xiàn)代絲綢的30%,掃描結(jié)果中蠶絲表觀形貌雖沒有大的缺陷,但蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果表明劣化作用使得文物絲綢中蛋白質(zhì)大量降解。

2.3 3種樣品中特異多肽的鑒定

圖2是蠶繭、現(xiàn)代絲綢和文物絲綢中識別蛋白的特異多肽數(shù)量圖。在桑蠶蛋白數(shù)據(jù)庫的18488種蛋白質(zhì)中,每一種蛋白質(zhì)都有至少一段多肽序列是完全區(qū)別于其他序列(部分蛋白過于相似無法區(qū)分,但功能上也完全一致,故合并處理),該肽段被稱為特異多肽。檢測出的每一蛋白中自然包含著屬于它們的特征多肽。圖2表明,從蠶繭到文物絲綢,蛋白種類和蛋白對應(yīng)特異多肽數(shù)量大大減少,含有7條特異多肽的蛋白只在蠶繭中出現(xiàn),而文物絲綢中的蛋白質(zhì)最高只含有4條特異多肽。只有當(dāng)某一段多肽含量極低時才無法被檢測,而同一蛋白質(zhì)中特異蛋白的減少只能歸因為破壞降解。特異多肽的減少說明了蠶繭到絲綢文物絲綢的過程會損傷蛋白質(zhì),而劣化過程會更進(jìn)一步破壞蛋白質(zhì)鏈。

2.4 3種樣品的差異蛋白分析

根據(jù)蛋白質(zhì)的功能,可以將樣品中的蛋白分成六大類,分別是絲膠蛋白、絲素蛋白、酶、蛋白酶抑制劑、結(jié)構(gòu)域蛋白和其他蛋白;其中絲素蛋白和絲膠蛋白是蠶繭最主要的組要成分,而蛋白酶抑制劑被認(rèn)為是天然蠶繭抗菌性的主要來源[20。表1為蠶繭、現(xiàn)代絲綢和文物絲綢3種樣品的蛋白組分。由表1可知:對比蠶 繭和現(xiàn)代絲綢樣品可以看出,兩者差異最大為絲膠蛋白,在蠶繭中存在3種絲膠蛋白Sericin 1(A8CEQ1)、Sericin 1B(P07856)、Sericin 3(Q17240),在現(xiàn)代絲綢中僅發(fā)現(xiàn)1種Sericin 1,且含量極低,說明在絲綢的生產(chǎn)過程中,脫膠工藝是導(dǎo)致蠶絲蛋白變化最大的因素。酶、蛋白酶抑制劑和其他蛋白種類減少也說明部分功能性蛋白存在絲膠表層,隨著絲膠的除去而被帶走,與Silva等[23提到的絲膠具有抗菌性相互印證。對比現(xiàn)代絲綢與文物絲綢可以發(fā)現(xiàn),文物絲綢中絲膠蛋白和蛋白酶抑制劑已完全降解,結(jié)構(gòu)域蛋白、酶和其他蛋白的種類都大幅度減少,大量蛋白質(zhì)完全降解。蛋白酶抑制劑的消失也表明了絲綢的抗菌能力也會隨著功能蛋白的降解而消失。不同于SEM中展現(xiàn)出的表觀形貌沒有大的缺陷,絲綢文物在蛋白質(zhì)組分層面降解嚴(yán)重。

2.5 3種樣品中的共有蛋白和多肽

在鑒定出的所有蛋白中,有5種蛋白質(zhì)在3個樣品中都被檢測到,分別為絲素蛋白重鏈(P05790)、絲素蛋白輕鏈(Q7JYG3)、糖蛋白鏈(P04148)和兩個無特征蛋白(H9IZK4、H9IVS7)。其中絲素蛋白重鏈、輕鏈和P25鏈?zhǔn)巧PQ繭中的標(biāo)志蛋白,僅存在桑蠶繭中,這也說明了文物絲綢為桑蠶繭織造而成。3種蛋白在蠶繭中以6∶6∶1的物質(zhì)的量比存在[22,為絲綢的主要蛋白質(zhì),占絲綢蛋白的70%以上。表2為上述5種蛋白的詳細(xì)信息。由表2可以看出,5種蛋白的特異多肽數(shù)量和蛋白相對強(qiáng)度都在下降,說明均發(fā)生了不同程度地降解,部分區(qū)域已經(jīng)完全消失。以上結(jié)果進(jìn)一步說明加工工藝不是無損的,文物絲綢降解比表觀形貌表現(xiàn)出的要更為嚴(yán)重。

為了進(jìn)一步分析這5種共有蛋白的相對降解速率,本文對P05790、Q7JYG3、P04148、H9IZK4和H9IVS7蛋白進(jìn)行了相對豐度變化分析。當(dāng)一種蛋白的降解速率快于其他蛋白,它的相對豐度占比將會升高[24。從圖3的5種蛋白相對豐度圖中可以看到,兩個無特征蛋白含量極低;對于剩下的3種蛋白,蠶繭和現(xiàn)代絲綢中其相對豐度基本保持一致,表明脫膠過程對這3種蛋白的影響近乎同步;而對比文物絲綢和現(xiàn)代絲綢可以發(fā)現(xiàn),文物絲綢中絲素蛋白輕鏈相對豐度相較于輕鏈和P25鏈顯著上升,這說明輕鏈降解速率最慢,其很有可能存在絲綢文物的全生命周期中,故有望成為判斷文物絲綢降解程度的關(guān)鍵蛋白。

重復(fù)特異多肽韋恩圖可以分析3種樣品的共有特異多肽,找到文物絲綢全生命周期最有可能遺留下來的多肽。結(jié)果如圖4所示。從圖4中3個樣品的韋恩圖可以看出:3個樣品的共同檢出多肽有15條,其中5條歸屬于絲素蛋白重鏈,7條歸屬于絲素蛋白輕鏈,剩下3條分別歸屬于其他3個共有蛋白;15條多肽中存在兩條值得關(guān)注的序列,在任一樣品中豐度排名前三,分別是屬于重鏈的多肽鏈DASGAVIEEQITTK和屬于輕鏈的多肽鏈ASSVISR,由此推斷,這2條多肽最有可能在復(fù)雜的墓葬環(huán)境中保存下來。同時這兩條多肽歸屬于絲素蛋白且是重鏈和輕鏈的特異多肽,在墓葬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)這兩條多肽將可以直接推斷出重鏈和輕鏈的存在,繼而判斷出該墓葬中曾埋藏過絲綢。故重鏈的多肽鏈DASGAVIEEQITTK和輕鏈的多肽鏈ASSVISR有望作為檢測絲綢存在痕跡的分子標(biāo)志物。

3 結(jié) 論

本文采用高通量蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白檢測方法,對文物絲綢全生命周期過程中蛋白質(zhì)組分變化情況進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

a)加工過程中對絲綢影響最大的因素為脫膠工藝;堿性脫膠作用可以去除絕大部分絲膠,但同時絲膠表層的大量功能蛋白質(zhì)也被除去,各種蛋白質(zhì)都受到一定損傷。

b)絲綢在埋藏過程受到各種外在環(huán)境因素影響,文物絲綢相比于現(xiàn)代絲綢,蛋白種類已經(jīng)顯著減少;大量酶蛋白和蛋白酶抑制劑完全降解,絲素蛋白重鏈、輕鏈、P25鏈3種主要蛋白也部分降解,其中輕鏈降解速度最慢。

c)3個樣品中共找到15種共有多肽,其中保存最好的兩條特異多肽有望成為絲綢微量檢測中的分子標(biāo)志物。

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(責(zé)任編輯:廖乾生)

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