考虑到唾液取样在未来的临床应用,研制了一种棒棒糖状的超滤(LLUF)探针,以适应人口腔结构。通过NanoLC-LTQ质谱对未经消化的唾液进行直接分析,证明LLUF探针能够去除大分子蛋白和高丰度蛋白,从而使低丰度肽段更易于被检测到。
方法文章
考虑到唾液取样在未来的临床应用,研制了一种棒棒糖状的超滤(LLUF)探针,以适应人口腔结构。通过NanoLC-LTQ质谱对未经消化的唾液进行直接分析,证明LLUF探针能够去除大分子蛋白和高丰度蛋白,从而使低丰度肽段更易于被检测到。
尽管人类唾液蛋白质组和肽组已被揭示1-2,但这些成分主要来源于唾液蛋白质经胰蛋白酶消化后的鉴定。由于人体唾液中的内源性肽段在疾病诊断、疾病进展预测以及治疗效果监测方面具有潜在价值,因此迫切需要在不使用外源酶预先消化的情况下,直接鉴定人类唾液的内源性肽组。合适的样本采集是提高人类唾液内源性肽组鉴定效果的关键步骤。传统的人类唾液采样方法通常包括离心去除碎片3-4,但该过程可能耗时过长,难以适用于临床实践。此外,通过离心去除碎片可能无法有效清除大多数感染性病原体,也无法去除高丰度蛋白质,而这些高丰度蛋白质常常会阻碍低丰度肽组的鉴定。
传统的蛋白质组学方法主要采用二维凝胶电泳(2-DE)结合胶内消化技术,能够鉴定出多种唾液蛋白质5-6。然而,该方法通常灵敏度不足,难以检测低丰度的肽段或蛋白质。基于液相色谱-质谱联用(LC-MS)的蛋白质组学是一种无需预先进行2-DE分离即可鉴定蛋白质的替代方法。尽管该方法具有更高的灵敏度,但通常需要在分析前对样品进行预分级7以及胰蛋白酶预消化,这限制了其在临床中的应用。
为克服质谱分析中因样品制备带来的障碍,我们开发了一种称为毛细管超滤(capillary ultrafiltration, CUF)探针的技术8-11。实验室数据显示,CUF探针能够以动态且微创的方式从动物体内多种微环境中原位捕获蛋白质8-11。由于在样品采集过程中仅需通过注射器回抽即可产生负压,因此无需离心步骤。CUF探针与液相色谱-质谱联用(LC-MS)已成功鉴定出经胰蛋白酶消化后的蛋白质8-11。在本研究中,我们对超滤采样技术进行了改进,设计出一种棒棒糖状超滤(lollipop-like ultrafiltration, LLUF)探针,可轻松置于人口腔内。无需胰蛋白酶消化的直接LC-MS分析表明,人唾液中天然存在大量来源于多种蛋白质的肽段片段。使用LLUF探针采集唾液样品可避免离心操作,同时有效去除许多分子量较大且丰度较高的蛋白质。质谱分析结果表明,在利用LLUF探针滤除大分子蛋白质后,大量低丰度肽段得以被检测到。低丰度唾液肽段的检测不依赖于多步骤的色谱分离过程。在临床应用方面,LLUF探针结合LC-MS技术未来有望用于通过唾液监测疾病进展。
1. LLUF 探针的制备
2. 唾液采集
3. 纳升液相色谱-线性离子阱质谱分析
4. 数据分析与蛋白质数据库搜索
5. 使用 LLUF 探针去除口腔细菌
6. 代表性结果
1. LLUF 探针的制备及在模拟口腔环境中采集唾液
如果采集唾液的过程可以像吮吸棒棒糖一样完成,该方法将避免唾液在收集装置中发生降解13-14。更重要的是,这还将实现对患者口腔环境的动态和局部监测。此外,如果能够简化基于唾液的样本前处理过程,临床医生将能更便捷地实施该操作,从而加快下一步临床决策的制定。质谱分析是检测甚至在极短时间内对蛋白质进行测序的最灵敏技术之一。然而,复杂的样本前处理步骤限制了该技术在临床中的应用。此外,已知临床样本中高丰度蛋白或高分子量蛋白(例如唾液中的淀粉酶)会在质谱分析中掩盖低丰度蛋白15-16。为克服上述障碍,我们开发了一种名为LLUF探针的棒棒糖状超滤装置(图1)。将一片分子截留量为30 kDa的带负电荷聚醚砜膜(图1A,a)粘附于聚丙烯桨状柄上(图1A,b),并置于LLUF探针前端,用于过滤唾液中的大分子蛋白。为了模拟人口腔环境(图1A,g),将一块海绵(图1A,e)浸入培养皿中的唾液(图1A,f)内。在完全回抽注射器(图1A,d)后,过滤后的唾液开始沿连接管(图1A,c)流动并被收集。
2. 通过 NanoLC-LTQ 质谱鉴定本土唾液肽组
通过比较液相色谱图,我们发现唾液在使用LLUF采样前后的色谱图存在明显差异(图2),表明LLUF采样后唾液中的蛋白质组成发生了变化。为了确定蛋白质组成,我们采用了NanoLC-LTQ质谱分析技术,该技术已知能够快速对多种蛋白质混合物中的肽段进行测序。更重要的是,为了简化临床应用中的样品制备流程,我们直接将未经化学或酶解处理的全唾液用于NanoLC-LTQ MS分析。出乎意料的是,在未消化的唾液中鉴定出131个肽段(补充表1)。这些肽段来源于多种富含脯氨酸的蛋白质、肌动蛋白、α-淀粉酶、α1-珠蛋白、β-珠蛋白、组蛋白1、角蛋白1、黏蛋白7、聚合免疫球蛋白受体、唾液富酪蛋白以及S100A9。而在经过LLUF探针过滤后的唾液中,共鉴定出26个独特的肽段(补充表2),这些肽段主要来源于各种富含脯氨酸的蛋白质。来源于聚合免疫球蛋白受体(83.24 kDa)和α-淀粉酶等蛋白质的肽段则无法检测到,这证明了LLUF探针在去除大分子量且高丰度蛋白质方面的有效性。对应于α-淀粉酶内部肽段PFIAIHAEAESKL的MS/MS质谱图如图3A所示。最引人注目的是,在去除大分子蛋白质后,LLUF探针采集的唾液中可检测到26个测序肽段中的18个(表1)。这18个肽段来源于富含脯氨酸的蛋白质或假设蛋白质,其C末端为脯氨酸(P)-谷氨酰胺(Q)(-PQ)、-SR、-SP或-PP结构。图3B展示了在LLUF探针采样的唾液中检测到的PQGPPQQGGHPRPP肽段的MS/MS质谱图。该肽段可能来源于富含脯氨酸的蛋白质HaeIII亚家族1和2(表1)。

图1. LLUF探针的组成及模拟人口腔中全唾液的采集。图A:(a) 截留分子量为30 kDa的半透性聚醚砜膜;(b) 聚丙烯桨片;(c) 聚四氟乙烯氟化乙烯丙烯共聚物管;(d) 20 ml注射器。图B:将一块海绵(e)(模拟舌体)浸入盛有人类唾液的培养皿(f)中,以构建人工口腔环境(g)。通过完全抽拉注射器产生的负压,使采集的液体沿连接管(箭头)流动并进入注射器内的空腔(箭头所示端点)。标尺:2.0 cm。

图2. 唾液在LLUF采样前后的差异LC/MS/MS色谱图。 人全唾液中的蛋白质(1.0 μg/μl)经LLUF探针过滤或不经过滤处理。未进行胰蛋白酶消化的蛋白质直接上样至NanoLC-LTQ质谱系统,该系统与Eksigent Nano LC系统连接,具体操作如材料与方法部分所述。图中展示了LLUF采样前(A)和采样后(B)唾液的基峰色谱图(保留时间为44分钟)。

图3. 通过 NanoLC-LTQ MS 测序检测唾液肽组。 如实验方法所述,使用 NanoLC-LTQ MS 分析了使用 LLUF 探针采集前(A)和采集后(B)的唾液蛋白。未经过胰蛋白酶消化的天然人唾液来源的唾液肽组数据见补充表1和2。一条来源于α-淀粉酶的肽段(PFIAIHAEAESKL)仅在未使用 LLUF 探针采集的唾液样本中被检测到(A),表明 LLUF 探针对大分子蛋白具有去除能力。许多具有-PQ、-SR、-SP 或 -PP C-末端的肽段仅存在于经 LLUF 探针超滤后的样本中。其中一条来源于多种富含脯氨酸蛋白的肽段(PQGPPQQGGHPRPP)如图(B)所示。MS/MS 谱图中特征性的“y”和“b”系列离子确认了这两个肽段的身份。

图4. 使用LLUF探针去除口腔细菌。LLUF探针的构建方法如材料与方法部分所述。将探针置于模拟口腔环境的人类唾液中(图1)。通过回抽LLUF探针末端的注射器产生负压,驱动唾液取样的超滤过程。在取样过程中,全唾液选择性地穿过聚醚砜膜,并在注射器内部积聚。未经LLUF探针取样的全唾液作为对照。分别取LLUF探针取样前后的唾液各10 μl,涂布于琼脂平板上用于细菌检测。图A:将经过(+LLUF)和未经(-LLUF)LLUF探针取样的唾液并排涂布于无抗生素的LB琼脂平板,在37 °C下培养一天。图B:将经过和未经LLUF探针取样的唾液分别涂布于无抗生素的布氏肉汤琼脂平板,在厌氧条件下使用Gas-Pak(BD Biosciences,San Jose,CA)于37 °C培养一天。经LLUF探针取样的唾液未在琼脂平板上形成菌落,表明LLUF探针能够有效清除需氧及厌氧的口腔细菌。标尺:1.0 cm。
| 肽序列/测定肽质量 | 登录号 | 名称 | |
| 1 | AGNPQGPSPQGGNKPQ GPPPPPGKPQ 2485.3 | gi|41349484 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体2前体 |
| gi|41349482 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体1前体 | ||
| gi|60301553 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族2 | ||
| 2 | GGHQQGPPPPPPGKPQ 1576.9 | gi|4826944 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族2 |
| gi|9945310 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族1 | ||
| 3 | GPPPAGGNPQQPQAPPA GKPQGPPPPPQGGRPP 3126.2 | gi|37537692 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族4前体 |
| 4 | GPPPPGGNPQQPLPPPAGKPQ 2028.3 | gi|113423660 | 预测:假定蛋白 |
| 5 | GPPPPGKPQGPPPQGDKSRSP 2077.8 | gi|113423262 | 预测:假定蛋白异构体5 |
| gi|41349482 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体1前体 | ||
| gi|60301553 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族2 | ||
| gi|113423663 | 预测:假定蛋白 | ||
| gi|41349484 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体2前体 | ||
| gi|41349486 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体3前体 | ||
| 6 | GPPPPPPGKPQGPPPQ GGRPQGPPQGQSPQ 2918.5 | gi|9945310 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族1 |
| 7 | GPPPQEGNKPQRPPPPGRPQ 2131.3 | gi|113423660 | 预测:假定蛋白 |
| 8 | GPPPQGGNKPQGPPPPGKPQ 2030 | gi|113423663 | 预测:假定蛋白 |
| gi|41349482 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体1前体 | ||
| gi|113423262 | 预测:假定蛋白异构体5 | ||
| gi|60301553 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族2 | ||
| 9 | GPPPQGGRPQGPPQGQSPQ 1866.6 | gi|4826944 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族2 |
| 10 | GPPQQGGHPPPPQGRPQ 1713.8 | gi|9945310 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族1 |
| gi|4826944 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族2 | ||
| 11 | GPPQQGGHQQGPPPPPPGKPQ 2083.1 | gi|9945310 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族1 |
| gi|4826944 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族2 | ||
| 12 | GRPQGPPQQGGHQQGP PPPPPGKPQ 2512.6 | gi|4826944 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族2 |
| gi|9945310 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族1 | ||
| 13 | NKPQGPPPPGKPQGPP PQGGSKSRSSR 2720.2 | gi|113423262 | 预测:假定蛋白异构体5 |
| gi|113423663 | 预测:假定蛋白 | ||
| 14 | PQGPPQQGGHPRPP 1450.1 | gi|9945310 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族1 |
| gi|4826944 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族2 | ||
| 15 | QGRPQGPPQQGGHPRPP 1791.1 | gi|4826944 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族2 |
| gi|9945310 | 富含脯氨酸蛋白HaeIII亚家族1 | ||
| 16 | SPPGKPQGPPPQ 1186.9 | gi|113423262 | 预测:假定蛋白异构体5 |
| gi|41349482 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体1前体 | ||
| gi|60301553 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族2 | ||
| gi|113423663 | 预测:假定蛋白 | ||
| gi|41349484 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体2前体 | ||
| gi|41349486 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体3前体 | ||
| 17 | SPPGKPQGPPPQGGNQ PQGPPPPPGKPQ 2720.3 | gi|113423663 | 预测:假定蛋白 |
| gi|41349482 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族1异构体1前体 | ||
| gi|113423262 | 预测:假定蛋白异构体5 | ||
| gi|60301553 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族2 | ||
| 18 | SPPGKPQGPPQQEGNKPQ 1870.9 | gi|37537692 | 富含脯氨酸蛋白BstNI亚家族4前体 |
表1. 肽类仅在LLUF采集的样本中可被检测到。
补充表 1. 点击此处查看补充表 1。
补充表 2。 请点击此处查看补充表 2。
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我们发现,人类未消化的唾液中存在大量肽段。这些肽段来源于多种富含脯氨酸的蛋白质、肌动蛋白、α-淀粉酶、α1-珠蛋白、β-珠蛋白、组氨肽1、角蛋白1、黏蛋白7、聚合免疫球蛋白受体、萨瑟肽、S100A9等。产生具有未确定切割位点的肽段可能受多种因素影响。例如,某些肽段可能天然存在于人全唾液中。已鉴定出许多具有-PQ羧基末端的肽段表1以及补充表1和2。富含脯氨酸的蛋白质可分为酸性、碱性或糖基化蛋白质,由位于单一区域的六个基因编码17由等位基因变异、差异性RNA剪接、蛋白水解加工以及翻译后修饰产生的富含脯氨酸的蛋白质有三十多种 17分泌后,酸性富含脯氨酸的蛋白质会迅速附着于牙齿表面,并通过牙菌斑的蛋白水解作用降解为潜在的天然免疫肽 18-19革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均表达多种糖苷酶和蛋白酶 18已有报道称,酸性富含脯氨酸的蛋白质可在口腔中被降解为具有潜在类先天免疫活性的肽段 链球菌 和 放线菌属 物种 18谷氨酰胺(Gln)-甘氨酸(Gly)裂解在生物学上具有重要意...
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本研究工作得到了美国国立卫生研究院基金(R01-AI067395-01、R21-R022754-01 和 R21-I58002-01)的支持。我们感谢 C. Niemeyer 对稿件的审阅。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚醚砜膜 | Pall Corporation | 30 kDa 截留分子量 | |
| 聚四氟乙烯氟化乙烯丙烯管 | Upchurch Scientific | ||
| 蓝色葡聚糖 | Sigma | ||
| 纳升液相色谱系统 | Eksigent | ||
| C18 捕获柱 | Agilent | 5065-9913 | |
| LTQ 线性离子阱质谱仪 | Thermo Fisher | ||
| Sorcerer 2 | Sage-N Research | ||
| 乙腈-0.1% 甲酸 | J.T. Baker | 9832-03 | LC/MS 级 |
| 水-0.1% 甲酸 | J.T. Baker | 9834-03 | LC/MS 级 |
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