黏蛋白是一类高分子量的糖缀合物,其大小范围为 0.2 至 200 兆道尔顿(MDa)。由于分子尺寸较大,黏蛋白无法穿透传统的聚丙烯酰胺凝胶,需要更大孔径的凝胶才能实现分离。本文提供了一种详细的黏蛋白琼脂糖凝胶电泳实验方案,用于相对定量分析及聚合体组装的研究。
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黏蛋白是一类高分子量的糖缀合物,其大小范围为 0.2 至 200 兆道尔顿(MDa)。由于分子尺寸较大,黏蛋白无法穿透传统的聚丙烯酰胺凝胶,需要更大孔径的凝胶才能实现分离。本文提供了一种详细的黏蛋白琼脂糖凝胶电泳实验方案,用于相对定量分析及聚合体组装的研究。
黏蛋白是一类高度糖基化的蛋白质,覆盖在黏膜表面,在进化过程中成为先天防御的关键组分,通过抵御病原体入侵来保护上皮组织。这些大分子的主要功能是促进颗粒的捕获与清除,同时维持黏膜的润滑。在蛋白质合成过程中,黏蛋白会经历强烈的O-糖基化和多聚化修饰,显著增加其分子质量和体积。这些翻译后修饰对黏液的黏弹性特性至关重要。由于这些分子具有复杂的生化与生物物理特性,使用传统蛋白质分析方法研究黏蛋白面临诸多挑战。例如,其高分子量阻碍了在常规聚丙烯酰胺凝胶中的电泳迁移,而其黏性特性则导致其容易黏附于实验管路。然而,近年来人们对黏蛋白在健康(例如,维持黏膜完整性)和疾病(例如,黏蛋白浓度过高、黏液滞留、癌症)中的作用日益关注,黏蛋白正被探索作为潜在的治疗靶点。更深入地理解黏蛋白大分子的生成与功能,可能催生新的药物策略,例如,抑制黏蛋白颗粒胞吐的药物和/或黏液溶解剂。因此,建立一致且可靠的黏蛋白生物学研究方案对科学进步至关重要。本文中,我们描述了使用琼脂糖凝胶电泳分离黏蛋白大分子、将蛋白质转印至硝酸纤维素膜,并利用黏蛋白特异性抗体及红外荧光凝胶成像系统进行信号检测的常规方法。这些技术广泛适用于黏蛋白定量、多聚化状态分析,以及评估药物化合物对黏蛋白的影响。
黏蛋白通常由暴露于外环境的腔道黏膜表面(例如,呼吸道、消化道、生殖道、眼表)以及某些内脏器官(例如,胰腺、胆囊、乳腺)产生。这些糖蛋白的存在可维持表面的水合状态,并形成抵御病原体的物理屏障。尽管黏蛋白的产生对黏膜健康至关重要,但黏蛋白浓度过高和(或)黏液性质异常可导致导管阻塞、细菌定植及慢性炎症,进而引发不可逆的组织损伤。类似的一系列病理过程可见于多种疾病,例如,囊性纤维化1、慢性中耳炎2和宫颈阴道感染3。因此,理解黏蛋白在健康与疾病中的作用,并建立常规的蛋白质鉴定方案具有重要意义。
迄今为止,已鉴定出19个黏蛋白基因,其编码的多肽链长度范围从1,200(例如,MUC1)至 22,000(例如,MUC16)氨基酸。黏蛋白基因家族可分为两个亚型:膜结合型黏蛋白和凝胶形成型黏蛋白。前者参与细胞信号传导和细胞表面保护,后者则赋予黏液凝胶其黏弹性特性。膜结合型黏蛋白多为单体结构,通过疏水性跨膜结构域锚定于细胞表面。相比之下,凝胶形成型黏蛋白含有多个血管性血友病因子(vWF)样结构域和富含半胱氨酸的结构域,这些结构域对于动态多聚网络的形成至关重要。大量糖链通过丝氨酸和苏氨酸残基连接到载蛋白核心(apomucin)上,这些密集的O-连接寡糖可占分子量的80%4分子内和分子间二硫键连接黏蛋白单体,从而维持黏蛋白凝胶网络的完整性。由于高度糖基化和多聚化,黏蛋白是动物界中分子量最大的分子之一,无法通过常规SDS-PAGE聚丙烯酰胺凝胶电泳和标准蛋白质ladder进行分析。这些方法仅能分辨分子量低于250 kDa的蛋白质,而黏蛋白单体的分子量可高达2 MDa(如MUC16)。然而,可使用高分子量蛋白质ladder来研究较小的黏蛋白单体(即,MUC1)
可采用多种技术来研究黏蛋白的大小、构象及其相互作用。传统上,黏蛋白的生化表征通常通过在变性缓冲液中进行等密度梯度离心分离黏蛋白,随后结合尺寸排阻色谱及免疫检测(例如,狭缝印迹法)来完成5。动态光散射和/或多角度光散射可提供富含黏蛋白样品的寡聚状态信息1。此外,速率区带离心结合免疫检测和透射电子显微镜技术常用于确定黏蛋白的大分子构象6。质谱技术也可用于黏蛋白的定量、蛋白水解切割位点的检测以及寡糖组成的分析1,7,8。然而,这些技术成本较高、耗时较长,且通常需要大量样品或高浓度样品。本文所述的方法,即,通过电泳分离黏蛋白,具有可重复性强、成本低的优点,可用于高通量研究,实现黏蛋白的相对定量并分析聚合物组装情况。但该检测方法依赖于高亲和力、高特异性的黏蛋白抗体,而这类抗体可能难以获得,尤其针对稀有黏蛋白(例如,MUC19)或某些物种(例如,猪、雪貂)。
琼脂糖印迹法适用于分离多种富含黏蛋白的样品,其浓度范围从50 µg/ml(例如,细胞冲洗液)到5 mg/ml(例如,痰液)。该检测方法于20世纪90年代首次提出,最初仅在少数专业实验室中开展9,10。该技术最初用于鉴定人呼吸道分泌物中黏蛋白单体的不同亚群11,12,并证实了杯状细胞中黏蛋白的寡聚化过程,即在内质网中形成二聚体,随后在高尔基体中进一步多聚化13。近年来,针对小鼠黏蛋白的多克隆抗体的制备推动了小型动物模型的研究(例如,黏蛋白缺陷型、βENaC、OVA激发的小鼠模型),并为旨在清除肺部黏液的药理化合物的临床前研究开辟了新的研究领域14-17。随着对黏蛋白生物学研究兴趣的日益增长以及新型、更特异性黏蛋白抗体的开发,本文详细描述了通过琼脂糖凝胶电泳分离黏蛋白、真空转印至硝酸纤维素膜以及双色红外荧光检测的技术方法。
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1. 准备黏蛋白凝胶 Western 印迹缓冲液
2. TAE-SDS 琼脂糖凝胶制备
3. 样品上样与电泳分离
注意:在我们的实验室中,通常使用来自小鼠和人类的样本,包括支气管肺泡灌洗液(BALF;两种物种)、人支气管上皮细胞的细胞洗涤液(HBE),以及人唾液和痰液样本。样本在采集后可立即用6 M尿素进行变性处理,或通过添加蛋白酶抑制剂混合物在短时间内(6小时)保存。
4. 降低琼脂糖凝胶浓度以实现高效的黏蛋白转印
5. 真空印迹装置的组装及样品向硝酸纤维素膜的转移
6. 膜封闭与检测
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我们展示了对小鼠肺部支气管肺泡灌洗液(BALF)进行琼脂糖凝胶电泳后黏蛋白表达的代表性结果(图1)。在本示例中,我们使用琼脂糖凝胶显示了在Tg-Muc5ac小鼠模型中经IL-13处理后黏蛋白生成的上调。Western印迹提供了黏蛋白表达的可视化图谱,可用于多聚体或单体条带信号强度的定量分析(图2)。该方法也可用于检测人支气管上皮(HBE)细胞冲洗液及人痰液样本中黏蛋白的表达。此外,该方法可用于显示经还原剂处理后黏蛋白表达的减少。我们展示了用递增浓度DTT处理的HBE冲洗液的代表性结果(图3)。我们对使用还原剂处理导致黏蛋白还原后多聚体信号强度的降低进行了定量分析(图4)。
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本视频中描述的黏蛋白Western印迹实验方案,结合了分子生物学中用于分离和转移DNA等大分子的常规技术,以及常规的蛋白质检测技术。 即,免疫印迹。该技术也可用于研究复杂糖胺聚糖的生物学特性,例如高分子量透明质酸的降解18尽管该技术可广泛应用于多种检测,但成功的琼脂糖Western印迹依赖于多个步骤,这些步骤需要细致且严格把握时间的操作。为了最大限度地提高成功率,应重点关注一些关键步骤。
样品制备与凝胶上样是获得准确结果的关键步骤。富含黏蛋白的样品, 即,痰液具有天然黏附实验管道的特性, 即,移液器吸头,离心管,滤器。使用正向置换移液器并预先润湿移液器吸头有助于将粘弹性材料加样至孔中。由于此类样品具有较高的浮力和黏附性,操作时需特别注意。浓度过高的样品(高于5 mg/ml)在0.8%琼脂糖凝胶的孔径中迁移效果较差,可能需要进一步稀释和/或在最高6 M尿素中进行变性处理。然而,应避免上样经盐酸胍(GuHCl)变性的样品,因为胍离子会与SDS发生沉淀。因此,保存在GuHCl中的样品需额外进行透析步骤。对于非聚合...
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作者声明无利益冲突。
作者谨此感谢 John Sheehan 博士和 Lubna Abdullah 博士在本研究完成过程中所提供的指导与 mentorship。本研究得到了美国国立卫生研究院(P01HL108808,UH2HL123645)和囊性纤维化基金会治疗公司(EHRE07XX0)的资金支持。Kathryn Ramsey 获得了澳大利亚国家健康与医学研究委员会(NHMRC)早期职业研究人员奖学金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Tris 碱 | Sigma | T6060-1kg | 1 kg |
| 冰醋酸 | Sigma | ARK2183-1L | 1 L |
| EDTA | Sigma | EDS-100g | 100 g |
| 甘油 | Fisher | BP229-1 | 1 L |
| 溴酚蓝 | Sigma | 114391-5g | 5 g |
| SDS(十二烷基硫酸钠) | Sigma | L6026-50g | 50 g |
| 20× SSC(柠檬酸钠-氯化钠)缓冲液 | Promega | V4261 | 1 L |
| NaCl | Fisher | S271-1 | 1 kg |
| 柠檬酸三钠(Na3C6H5O7) | Sigma | W302600-1kg | 1 kg |
| 10 mM DTT(二硫苏糖醇) | Sigma | D0632 | 25 g |
| 奶粉 | Saco | 速溶脱脂奶粉 | |
| 杜尔贝科磷酸盐缓冲液(D-PBS) | Gibco lifetechnologies | 14200-025 | 500 ml |
| 抗-GFP 山羊一抗(小鼠样本) | Rockland antibodies and assays | 600-101-215 | 1 mg |
| UNC 222 抗-Muc5b 兔一抗(小鼠样本) | UNC | ||
| H300 抗-MUC5B 一抗(人样本) | Santa Cruz | sc-20119 | 200 μg |
| 45M1 抗-MUC5AC 一抗(人样本) | Abcam | ab3649 | 100 μg |
| 驴抗兔 800CW 红外染料 | LI-COR Biosciences | 926-32213 | 0.5 mg |
| 驴抗鼠 680LT 红外染料 | LI-COR Biosciences | 926-68022 | 0.5 mg |
| 电泳凝胶槽及制胶托盘 | Owl Seperation Systems | ||
| 电源装置 | Biorad | Model 200/20 | |
| 膜转移滤纸 | Amersham | 10600016 | |
| Whatman 滤纸和硝酸纤维素膜 | GE | 10 439 196 | |
| Boekel/Appligene 真空印迹仪 230 v | Expotech USA | 230600-2 | |
| Odyssey 红外荧光成像系统 | LI-COR Biosciences |
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