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伤寒沙门菌和甲型副伤寒沙门菌分离株的外膜蛋白谱比较

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生 LETTERS IN BIOTECHNOLOGY Vo1.22 No.2 Mar.,201 1 物 技 术 通 讯 173 doi:10.3969 ̄.issn.1009-0002.2011.02.006 研究报告 伤寒沙门茵和甲型副伤寒沙门茵分离株的外膜蛋白谱比较 张力,王瑞白,闫梅英,肖迪,阚飙 中国疾病预防控制中心传染病预防控制所,传染病预防控制国家重点实验室,北京102206 [摘要] 目的:比较伤寒沙门菌和甲型副伤寒沙门菌流行菌株的外膜蛋白谱差异。方法:运用二维蛋白电泳方法,对 我国伤寒沙门菌株XJ90和甲型副伤寒沙门菌株JX2005—92在实验室通用营养条件下培养提取的外膜蛋白进行分 离,比对其差异,对差异蛋白点进行质谱鉴定,对鉴定蛋白点的基因序列也进行比较。结果:菌株xJ90中发现2O个 特异蛋白点,质谱鉴定出16个;菌株JX2005—92中发现29个特异蛋白点,鉴定出18个。在这些蛋白中,OmpA是数 目最多的同种差异蛋白。这些差异蛋白点中的大部分编码基因在2种细菌中序列高度相似或相同。结论:伤寒沙门 菌和甲型副伤寒沙门菌基因序列高度相似的外膜蛋白具有不同的修饰形式,提示其不同遗传背景在相同的环境条 件下表现出精细的功能差异。 [关键词] 外膜蛋白;二维电泳;伤寒沙门菌;甲型副伤寒沙门菌 [中图分类号]Q811.4;Q5O3 [文献标识码]A [文章编号] 1009—0002(2011)02—0173—05 Proteomic Comparison of Outer Membrane Proteins of Salmonella Typhi and Paratyphi A Isolates ZHANG Li,WANG Rui-Bai,YAN Mei-Ying,XIA 0 Di,KAN Biao State Key Laboratory for Infections Disease Prevention and Control, National Institute for Communicable Disease Control and Prevention,Chinese Center for Disease Control and Prevention,Beijing 102206,China [Abstract] Objective:To reveal the outer membrane protein(OMP)profile difference between Salmonella Typhi and Paratyphi A isolates.Methods:Two-dimensional gel electrophoresis was used to separate the OMP extracts from the Salmonella Typhi strain XJ90 and Salmonella Paratyphi A strain JX2005—92,which were cultures under the common media in laboratory.The OMP profiles of these two strains were compared and the diiferent protein spots were identiifed with mass spectrometry. Nucleic acid sequences of genes of the identiifed proteins in these two serotypes were also compared.Results:Twenty speciifc protein spots of Salmonella Typhi strain XJ90 and 29 proteins of Salmonella Paratyphi A strain JX2005-92 were found, and 16 and 1 8 spots respective to these two strains were identiifed with MS. Most of different proteins are coded by their shared genes. Spots identiifed as OmpA were the most common in the gels. Conclusion:The different OMP spots which share the highly similar gene sequences of these two serotypes may have different protein modiicatfion,suggesting elaborate function differ— enee of these shared proteins in these two serotypes. [Key words]outer membrane protein;Salmonella Typhi;Salmonella Paratyphi A:2-D gel electrophoresis 伤寒是发展中国家威胁人群健康的重要公共 菌ATCC9150),说明它们有着非常相似的基因组。 卫生问题,每年导致近6O万人死亡口l。近年来,甲型 副伤寒在东南亚出现并迅速流行,在我国一些省份 也超过伤寒成为优势菌型圜。伤寒沙门菌属于沙门 菌D血清群,而甲型副伤寒沙门菌属于A群。虽然 分属不同的血清群,但二者均引起以人为惟一宿主 但是,我们在比较伤寒与甲型副伤寒的全菌蛋白质 组时,发现二者在蛋白表达谱上呈现很大的差异。全 菌蛋白包含的蛋白种类多,功能复杂,出现大的差异 不足为奇。外膜是各类细菌抵抗外界侵扰的屏障,亦 是实现外环境和细胞内部分子交流的通道,功能相 [收稿日期]2010—12—29 [基金项目]国家科技重大专项(2008ZX10004—002) [作者简介]张力(1976一),女,助理研究员;王瑞白(1973一),女 副研究员。二者为共同第一作者 [通信作者]阚飙,(E—mail)kanbiao@icdc.cn 的疾病,临床症状难于区分,确诊只有通过病原分 离鉴定。比较两者已测序菌株的基因组发现,各菌 株独有蛋白编码基因只占各自蛋白编码基因的 9.8%(伤寒沙门菌CT18)和7.4%(甲型副伤寒沙门 174 对一致,蛋白种类相对简单。而且,作为疏水蛋白, 外膜蛋白是良好的免疫原,其抗体不仅对机体有免 疫保护作用,而且在细菌的诊断中又可作为检测靶 标,亦是疫苗的良好备选成分。在本研究中,我们对 我国近年伤寒副伤寒流行期间的伤寒沙门菌分离 株和甲型副伤寒沙门菌分离株在实验室常用培养 条件下提取的外膜蛋白进行了蛋白质组比对分析, 发现二者的蛋白谱并无高度一致性,反而表现出较 大的差别,提示两者共有的外膜蛋白具有不同修饰 状态,在功能上可能有精细的差异。 1材料与方法 1.1 材料 伤寒沙门菌株xJ90与甲型副伤寒沙门菌株 JX20O5—92均分离自近年我国伤寒副伤寒流行期间 病人,由本科室保存。 1.2 菌株外膜蛋白提取及定量 将菌株分别用哥伦比亚血琼脂于37℃培养l6~ 18 h,刮取菌苔,用预冷的低盐PBS洗4次;用50 mmol/L pH7.5的Tris—C1重悬菌体,定容至5 mL, 冰浴中超声5 min(采用SONICS VC 750超声波 仪,大探头,最大功率的25%,脉冲2 S,停2 S),使 菌体吸光度(D值)下降到初始值的1/10;4℃、6000 r/min离心10 min去除未破碎的菌体,取上清,加 入10倍体积冰预冷的0.1 mol/L的Na CO3 (pH11.0),冰浴中缓慢搅拌1 h;4℃、100 000 r/min 离心1 h,弃上清,用50 mmol/L pH7.5的Tris—C1 重悬菌体,再次4℃、100 000 r/min离心1 h,弃上 清,用裂解液(含5 mol/L尿素、2 mol/L硫脲、2% CHAPS、2%SB 3—10)充分溶解;用PlusOne Quant Kit(GE Heathcare公司)对提取物进行蛋白定量,分 装成小份,直接上样或一70℃保存备用。 1.3二维蛋白电泳及凝胶染色 将2株菌各800 g外膜蛋白分别载入17 cm IPG胶条(pH3-10,Bio—Rad公司),PROREAN IEF CELL被动水化12 h,主动水化12 h,聚焦60 000 VH,最大电压10 000 V,最大电流50 A。聚焦完 成后的胶条分别用DTr和碘乙酰胺平衡15 min。 双相电泳采用恒流方式,l5℃循环水冷却,先10 mA电泳20 min使蛋白进入SDS—PAGE胶,再将电 流加大至30 mA,当溴酚蓝刚刚迁移出凝胶底部时 终止电泳。用考马斯亮蓝G一250(含34%无水甲醇、 17%硫酸铵、3%的85%正一磷酸、0.1%G一250)染 色,l%乙酸溶液脱色。 通LETTER 技术讯1Tr S INBIOTECHNOLOGY…Vo1.・…2 2 Nto.・ 一2一一Mar.,2・, …011 l 1.4差异点分析与质谱鉴定 染色的双向电泳凝胶经扫描保存图像(UMAX Power look 2100XL扫描仪,透射扫描,光学分辨率 300 dpi,对比度与亮度用软件默认值,蛋白图谱比 对用PDQuest软件,人工修正)。取凝胶上的差异蛋 白质点,放人预先编号且加好50 L脱色液(含25 mmol/L碳酸氢铵和50%乙腈)的0.25 mL离心管 中,室温放置30 min,吸去脱色液,更换3次脱色 液,直至胶块无色透明;抽真空离心干燥30 min左 右,至白色颗粒状;加入2 L溶于20 mmol/L碳酸 氢铵的胰蛋白酶(浓度为10 ng/ L),4℃吸胀1 h, 将管子倒置于37℃恒温箱消化13 h左右;加入8 L 5%三氟乙酸,37℃温育1 h;将液体吸净转移至 一干净的离心管中,加入8 L 2.5%Z氟乙酸/50% 乙腈,30 温育1 h,吸出液体与前一次的提取液合 并;加入8 L 100%乙腈,室温放置1 h,吸出液体 与前2次的提取液合并;抽真空离心干燥肽段提取 液;用2 p.L 0.5%三氟乙酸充分溶解管壁上的沉 淀,即可用于质谱分析。质谱分析采用MALDI— TOF/TOF—MS。采用频率为200 Hz的Nd:YAG激光 器,波长355 nm,正离子模式采样,默认校准(误差 小于50x10 )。CID内采用空气碰撞,2000次叠加。 利用4000 Series Explorer software version 3.0软 件采集样品,从相对分子质量800x10 到4000x10 采集一级谱图,用interpretation从高到低采集10个 母离子。用GPS工作站(GPS Explorer v3.6,mascot v2.1)搜索NCBI的非冗余数据库及Swiss—Prot数据 库。设置可变修饰Carboxymethyl(C)、Oxidation(M)、 Phospho(ST)、Phospho(Y)、Phospho+PL(S)、Phos— pho+PL(T)、Phospho+PL(Y),搜索母离子偏差设为 0.3xlO 、MS/MS片段偏差设为0.3x10 。蛋白得分 CI%高于95%,且至少有2个肽段得分大于50或1 个肽段得分大于6O。根据蛋白登录号在网站http:// www.expasy.org检索蛋白对应基因、蛋白功能。 1.5 序列比对 对鉴定出的伤寒沙门菌差异蛋白点的编码基 因,在NCBI库中运用BLAST工具比对其在甲型副 伤寒沙门菌ATCC9150和AKU一12601基因组中是 否有同源基因。同样,对鉴定出的甲型副伤寒沙门 菌差异蛋白点的编码基因,在伤寒沙门菌CTI8和 Tv2基因组中寻找其有无同源基因。 2结果 2.1 伤寒沙门菌XJ90和甲型副伤寒沙门菌 张力等:伤寒沙门菌和甲型副伤寒沙门菌分离株的外膜蛋白谱比较 175 JX2005—92外膜蛋白图谱的差异 上述差异蛋白分别属于外膜蛋白6大家族(表 3)。在伤寒沙门菌中,蛋白点1、2、13、16为底物特 异的孔蛋白,蛋白点8、9、20为一般孔蛋白,蛋白点 7、11、12、15为未知功能脂蛋白或外运蛋白,蛋白点 二维电泳图谱中,伤寒沙门菌xJ90外膜蛋白 共76个点,甲型副伤寒沙门菌JX2005-92共82个 点,这些点大多分布在偏酸性和中性区域。二者相 比较,xJ90有20个特异蛋白点(表1,只列出鉴定 出的蛋白),JX2005—92有29个特异蛋白点(表2, 只列出鉴定出的蛋白),分别占总数的26%和35%, 显示出两者较大的差异。 2.2差异蛋白的质谱鉴定 3、5、6、10、18为定位于细胞其他部位的蛋白质。甲 型副伤寒菌中,蛋白点24为TonB依赖的含铁转运 蛋白,蛋白点25为磷脂酶A家族蛋白,29、33、28为 一般孔蛋白,蛋白点32为未知功能脂蛋白,蛋白点 43为OmpX家族蛋白,蛋白点27、49、31、42、47、48 表1伤寒沙门菌XJ9O外膜蛋白特异点鉴定结果 表2甲型副伤寒沙门菌JX2005—92外膜蛋白特异点鉴定结果 表3伤寒沙门菌和甲型副伤寒沙门菌差异蛋白结构功能分类 张力等:伤寒沙门菌和甲型副伤寒沙门菌分离株的外膜蛋白谱比较 177 为底物特异的孔蛋白,蛋白点34、35、36、37、40为 OmpA蛋白。这些差异蛋白中,数量最多的同种差异 蛋白是OmpA。 2.3 差异蛋白编码基因的序列比对 根据质谱鉴定出的蛋白名称及序列号在NCBI 库中搜寻其在CT18或ATCC9150中的基因序列, 然后在BLAST工具栏中输入其序列,搜寻其在对方 基因组中是否有同源基因。结果表明,在所鉴定的 蛋白质中,除伤寒沙门菌XJ90中的1个蛋白(蛋白 点11,功能未明,在甲型副伤寒测序株ATCC9150 和AKU一12601中均未搜到此蛋白编码基因)外,2 株菌中其他所有鉴定出的蛋白质在对方中都有同 源基因,且基因相似度都在90%以上。 3讨论 本研究主要进行了伤寒沙门菌XJ90和甲型副 伤寒沙门菌JX2005—92外膜蛋白的比较。发现在基 因如此相似的基础上,它们的外膜蛋白图谱表现出 了很大的差异,这些差异可能是由于蛋白质转录后 的调节或修饰所致。蛋白质修饰在其应对外界信号 改变、发挥或调整功能方面非常重要,蛋白质的修 饰可以由其功能决定,亦可由环境因素决定。例如 差异点OmpF(孔蛋白),其不同的修饰可造成孔蛋 白的大小和孔径变化,相应引起蛋白质等电点和分 子量的微小差异。 在XJ90和JX2005—92菌株外膜蛋白差异蛋白 点中,JX2005—92中数量最多、表达量最高的单一差 异蛋白是外膜蛋白OmpA,它是肠杆菌科主要外膜 蛋白。OmpA是一类进化过程中高度保守的蛋白f3_, 在伤寒和甲型副伤寒测序株CT18和ATCC9150中 的蛋白序列一致度达到99%。OmpA在大肠杆菌和 其他肠杆菌科中具有多种功能,它的表达量很高, 而且转录后的调节很严格。它可以发挥黏附和侵袭 的功能,可以参与生物膜的形成,可作为免疫靶标, 又可作为免疫逃逸的对象[41,还是一些噬菌体的受 体。基于转录后调节的修饰,只是某些氨基酸位点 的改变,其相对分子质量应该没有大的改变。但在 甲型副伤寒沙门菌的外膜蛋白图谱中,我们发现, 差异蛋白点34和35的分子大小没有大的差别,蛋 白点36和37没有大的差别,但这2组之间却表现 出分子量的明显差异,它们与蛋白点4o的分子量 亦有很大差异,这种分子量的明显差异可能是由于 蛋白前期处理过程中肽段的断裂或编码基因不同 的转录产物造成。OmpA作为差异蛋白,在JX2005— 92中数量众多,在XJ90中却没有作为差异蛋白出 现,可能原因是它在xJ90中的表达与JX2005—92 相同,或亦是差异蛋白,但没有鉴定到。这些提示 OmpA在伤寒沙门菌和甲型副伤寒沙门菌中有不同 的修饰形式,即便具有相同的培养条件,在其有差 异的遗传背景下,也显示了不同的功能适应性。 影响蛋白修饰的众多环境因素中,渗透压是造 成蛋白表达状况差异的原因之一。研究证明,OmpF 和OmpC(在差异蛋白中属于一般孔蛋白)即与渗透 压有直接关系。此外,生长温度、pH值等多种环境因 素也影响着OmpF和OmpC的表达[51。因此,我们认 为,OmpF和OmpC这样的一般孔蛋白在伤寒沙门 菌xJ9o蛋白谱中的特异表现,除遗传因素外,更有 可能是由适应环境因素的略有差异的机制造成的。 主要外膜蛋白在细菌的生存、防御、毒力等过 程中承担着相似的任务,尤其在遗传背景相似的不 同细菌中,因此,它们的结构很相似。如OmpA、 OmpC、OmpF这些蛋白的全序列,在伤寒和甲型副 伤寒之间的相似度达到90%以上。它们在结构如此 相似的基础上却表现出二维电泳图谱上的多样性, 提示它们在功能上有精细的差异。此外,我们对伤 寒沙门菌外膜蛋白和甲型副伤寒外膜蛋白图谱的 比较,亦为将来筛选诊断区分二者的蛋白抗原提供 了资料,如果能发展出针对不同修饰状态蛋白结构 域的抗体,可能会提高诊断的特异性,但还需要大 量的体内体外细菌蛋白表达分析的研究数据。 参考文献 【1]Ansong C,Yoon H,Norbeck AD,et a1.Proteomics analysis of the causative agent of typhoid fever[J].J Proteome Res,2008,7 (2):546—557. [2] 闫梅英,梁未丽,李伟,等.1995—2004年全国伤寒副伤寒的流 行分析咖.疾病检测,2005,20(8):401—403. 1313 Jeannin P,Magistrelli G,Goetsch L,et a1.Outer membrane protein A(OmpA):a new pathogen—associated molecular pattern that interacts with antigen presenting cells—impact on vaccine strategies[J].Vaccine,2002,20(Suppl 41:A23—27. [4] Mittal R,Prasadarao N V.Outer membrane protein A expres— sion in Escherichia coli K1 is required to prevent the matura— tion of myeloid dendritic cells and the induction of IL-10 and TGF—beta[J].J Immunol,2008,181(4):2672-2682. [5] Mizuno T,Mizushima S.Signal transduetion and gene regula— tion through the phosphorylation of two regulatory components: the molecular basis for the osmotic regulation of the porin genes[J].Mol Microbiol,1990,4(7):1077-1082. 

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