張愛華,衛(wèi)子嫣,姚宇闐,張道鋒,黃建科,劉 闖*
(1.河海大學(xué) 海洋學(xué)院海洋生物技術(shù)與生物資源利用研究所,江蘇 南京 210098;2.江蘇省沿海開發(fā)集團有限公司,江蘇 南京 210000)
碳酸鈣是無脊椎動物外骨骼的主要成分,在海洋生物中尤為常見[1]。例如,軟體動物殼由碳酸鈣和不同比例的有機成分(主要是蛋白質(zhì)、酸性多糖和甲殼素)組成[2],這些結(jié)合起來,賦予每種軟體動物的外殼獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)[3]。盡管外殼中蛋白質(zhì)的含量少于5%,但它們在生物礦化中起著重要作用,這些蛋白可以控制碳酸鈣晶體的成核、生長、晶型[4],被稱為殼基質(zhì)蛋白(Shell Matrix Proteins,SMPs)[5]。
不同生物體中存在不同的殼基質(zhì)蛋白表明它們可能具有不同的生物學(xué)功能[6]。例如,在中醫(yī)中,牡蠣殼粉常被用作藥物[7]。近年來使用扇貝殼粉進行活性研究顯示,它們具有良好的抑制病毒的能力,扇貝殼粉能在5 s 內(nèi)滅活禽流感病毒,在5 s 內(nèi)滅活新城雞疫病毒,在30 s 內(nèi)滅活鵝細小病毒[7]。貝殼粉的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)是由不同種類的SMPs 而產(chǎn)生[8],因此,有必要研究不同物種,特別是不同動物門之間SMPs 的差異,而這種差異性也可為未來的物種鑒定和保護、資源開發(fā)利用提供輔助參考。
本文選擇中國沿海3 種不同的海洋動物作為研究對象,分別為雙殼綱的彎竹蟶、腹足綱的東風(fēng)螺和甲殼綱的斑節(jié)對蝦。目前這3 種生物的殼基質(zhì)蛋白均未被報道,限制了我們對其潛在功能的理解,也不利于我們對其進行資源的開發(fā)利用。文章以這些具有經(jīng)濟價值的海洋生物為研究對象,利用蛋白質(zhì)組學(xué)的方法探索它們殼基質(zhì)蛋白的差異性以及對碳酸鈣晶體生長的影響,為利用它們自身的殼基質(zhì)蛋白特異性進行漁業(yè)方面的應(yīng)用,例如加快其生長周期,提升其生長尺寸等奠定基礎(chǔ)。
本文研究彎竹蟶采集于江蘇省南通市,體長約為5 cm;東風(fēng)螺和斑節(jié)對蝦均采集于南中國海,體長分別約為2 cm 和13 cm。3 種實驗樣品的形態(tài)見圖1,其種屬樹狀結(jié)構(gòu)見圖2。
圖1 3 種海洋貝類實驗樣品形態(tài)Fig.1 Shapes of the three marine shellfish used for experimental specimens
圖2 3 種樣品的種屬樹狀圖Fig.2 A simplified species dendrogram of the three species
彎竹蟶(Solen arcuatus)屬于雙殼綱竹蟶科的竹蟶屬[9],殼小而細長,薄且易碎,殼體前端和后端略微向上彎曲,后緣中部和腹部邊緣都略微凹陷;東風(fēng)螺(Babylonia areolates)屬于軟體動物腹足綱蛾螺科東風(fēng)螺屬[10],其生活習(xí)慣為白天潛伏在沙土中,露出水管,吸食經(jīng)過的浮游動物,晚上借助自身分泌的黏液滑動爬行到處尋找食物,一般分布于中國東南部沿海,以及東南亞和日本海域;斑節(jié)對蝦(Penaeus monodon)屬于對蝦科對蝦屬,是對蝦屬中最大的個體[11],與其他對蝦相比,其表面光滑、殼稍厚[12],由于體型、棲息地、食物和其他因素的不同,體色也會有所不同,斑節(jié)對蝦成蝦喜歡棲息在泥濘或沙質(zhì)海底,它們分布在水深約60 m 的淺海中,是常見的海鮮食品。
從殼中提取出殼基質(zhì)蛋白流程為:①為了粉碎3 種樣品的外殼,需將外殼與肌肉組織分離,并將分離后的外殼分別在質(zhì)量分數(shù)5% NaOH 中浸泡24 h,用去離子水洗滌、干燥;②放入粉碎機中粉碎成粉,添加0.8 mol/L EDTA 溶液(pH=8.0)和30 μL AEBSF 試劑于裝有樣品粉末的燒杯中,并將燒杯置于磁力攪拌器上攪拌50 h;③再將攪拌后的樣品粉末溶液放置在4 ℃冰箱中過夜,靜置使固體沉淀;④取出上清液,轉(zhuǎn)移到離心管中進行4 000 r/min 離心10 min;⑤將上清液移入截流量為3 kDa 的透析袋,并將密封后透析袋放入含有1 000 mL 去離子水的燒杯中,置于4 ℃冰箱,早晚更換燒杯中的去離子水,用去離子水多次沖洗樣品的不溶部分;⑥將10 mmol/L 二硫蘇糖醇(C4H10O2S2)、1%十二烷基硫酸鈉(C12H25SO4Na)添加到含有0.3 mmol/L-Tris 的HCl 溶液(pH=8)中并轉(zhuǎn)移至離心管,100 ℃水浴加熱30 min,每5 min 搖動一次離心管,使溶液與樣品充分接觸[13]。
為進一步濃縮提取出殼基質(zhì)蛋白,首先需先在室溫下冷卻樣品;其次,將含有蛋白質(zhì)的溶液樣品4 000 r/min離心10 min,置部分部分上清液于截流量為3 kDa 透析袋中,密封;再次,將透析袋放入含有1 000 mL 去離子水的燒杯中,4 ℃儲存2 d(每8 h 更換1 次水);從次,將透析后的可溶性和蛋白質(zhì)部分轉(zhuǎn)移到帶有截流量為3 kDa 半透膜的離心管中進行4 000 r/min 離心30 min,用于濃縮蛋白;最后,濃縮后的殼基質(zhì)蛋白轉(zhuǎn)移至小型離心管中,并在-80 ℃下儲存以備SDS-PAGE 凝膠電泳檢測有無蛋白質(zhì)存在,60 min 電泳后,取出膠板,切割電泳條帶并通過LC-MS/MS 對得到的蛋白質(zhì)序列片段進行分析,確定殼基質(zhì)蛋白的種類與功能。
根據(jù)Liu 等[13]制定LC/MS-MS 實驗方法方案,本研究使用LTQ Orbitrap Velos 質(zhì)譜儀(賽默飛世爾,美國)和Dionex U-3000 快速分離納米LC 系統(tǒng)(戴安Thermo Scientific,美國)進行蛋白質(zhì)的肽段分離,并通過Uniprot蛋白數(shù)據(jù)庫對提取的殼基質(zhì)蛋白進行分析。液相色譜的流動相A、B 的參數(shù)如下:流動相A 中的組分為0.1%甲酸(CH2O2),流動相B 的組分為0.1%甲酸和80%乙腈(C2H3N)。具體流動相參數(shù)見表1。
表1 流動相參數(shù)Table 1 Flow phase parameters
1.3.1 蛋白質(zhì)提取
首先,將已提取出的殼基質(zhì)蛋白溶液,加入4 倍體積的丙酮裂解液中,-20 ℃過夜;其次,放入離心機,17 000 r/min、4 ℃離心15 min,取出沉淀,揮干后備用;再次,在1 mL 預(yù)冷的RIPA 中加入5 μL 磷酸酶抑制劑、1 μL 蛋白酶抑制劑和10 μL AEBSF 混勻配制裂解液,冰上保存數(shù)分鐘;從此,將樣品加入200 μL 裂解液中,冰敷后用超聲破碎儀處理;最后,超聲后12 000 r/min、4 ℃離心20 min,吸出上清液,用BCA 檢測試劑盒進行定量。
1.3.2 蛋白質(zhì)酶切
蛋白質(zhì)酶切的具體步驟為:①取定量后50 μg 蛋白液,加入DTT 試劑使其終濃度為50 mmol/L,37 ℃反應(yīng)1 h;②隨后加入IAA 試劑使其終濃度為100 mmol/L,室溫避光反應(yīng)40 min;③將還原烷基化后的蛋白溶液加入10 kDa 的超濾管中,12 000 r/min 離心20 min,舍棄收集管的底部溶液;④加入8 mol/L 尿素(pH=8.5)100 μL,12 000 r/min 離心20 min,舍棄收集管的底部溶液,重復(fù)2 次離心;⑤加入25 mmol/L 碳酸氫銨溶液100 μL,12 000 r/min 離心20 min,舍棄收集管的底部溶液,重復(fù)3 次離心,再次更換新收集管,在超濾管中加入25 mmol/L碳酸氫銨溶液(含胰蛋白酶)始終體積為50 μL,胰蛋白酶與蛋白的質(zhì)量比為1∶50,37 ℃反應(yīng)過夜;⑥次日先加入胰蛋白酶(胰蛋白酶與蛋白質(zhì)量比1∶100),37 °C 反應(yīng)4 h,反應(yīng)后12 000 r/min 離心20 min,酶解后的肽段溶液離心于收集管底部;⑦在超濾管中加入50 μL 25 mmol/L 碳酸氫銨溶液,12 000 r/min 再次離心20 min,與第⑥步得到的肽段溶液合并,收集管底部共得到100 μL 酶解后的樣品;⑧向多肽樣品中加100 μL 0.2%TFA溶液,混勻,C18 小柱用乙腈穩(wěn)定后,加入1 mL 0.1%TFA 溶液沖洗2 次,把多肽樣品轉(zhuǎn)移到C18 小柱,用500 μL 0.1%TFA 洗脫,并用500 μL 70%的乙腈溶液洗脫;⑨收集多肽樣品液體,真空干燥。
1.3.3 反相液質(zhì)聯(lián)用RPLC-MS
將收集后的肽段用20 μL 溶解液(0.1%甲酸、5%乙腈)溶解,充分振蕩渦旋,13 500 r/min、4 ℃離心20 min,上清轉(zhuǎn)移到上樣管中,吸取8 μL 進行質(zhì)譜鑒定。
1.3.4 質(zhì)譜參數(shù)
分離后的肽段直接進入Thermo Scientific Q Exactive PLUS 質(zhì)譜儀進行在線檢測,具體參數(shù)見表2。
表2 質(zhì)譜設(shè)置參數(shù)Table 2 Parameters set up for the Mass spectrometry
1.3.5 數(shù)據(jù)庫檢索
本實驗運用Maxquant Version 1.6.17.0 軟件進行數(shù)據(jù)庫檢索,獲得3 種樣品中提取的蛋白質(zhì)肽段序列信息,具體檢索參數(shù)見表3。
表3 Maxquant 軟件鑒定參數(shù)Table 3 Identification parameters for Maxquant software
使用BCA 檢測試劑盒測定蛋白質(zhì)濃度后,在含有5 g 固體碳酸銨的干燥器中進行碳酸鈣結(jié)晶實驗。首先,將CO2緩慢擴散到6 個細胞培養(yǎng)皿(Nest,無錫,中國);其次,將培養(yǎng)皿置于密閉干燥器中室溫下10 h,其中每個培養(yǎng)皿中含有1 個滴加180 μL 20 mmol/L CaCl2和20 μL 蛋白質(zhì)的蓋玻片,蛋白質(zhì)濃度梯度為50、100 和200 μg/mL,在放置蓋玻片時,用去離子水替換蛋白質(zhì)作為對照組;最后,經(jīng)過10 h 的結(jié)晶實驗,將含有碳酸鈣晶體樣品的蓋玻片用水沖洗2 次并風(fēng)干。將風(fēng)干后的含有碳酸鈣晶體樣品的蓋玻片通過濺射法制備的納米金薄膜后,運用掃描電子顯微鏡(SEM,FEI Quanta 200,15 kV)檢查晶體的形態(tài)。
3 種實驗樣品外殼基質(zhì)蛋白的SDS-PAGE 顯示斑節(jié)對蝦SMPs 分子量約為70 kDa,而東風(fēng)螺SMPs 和彎竹蟶SMPs 分子量分布在整個凝膠中(圖3)。LCMS/MS 分析結(jié)果(表4、表5 和表6)發(fā)現(xiàn):斑節(jié)對蝦、東風(fēng)螺和彎竹蟶中分別有22、8 和8 種SMPs(圖4)。通過Uniprot 蛋白數(shù)據(jù)庫對SMPs 進行分析,將其分為不同的類別,如生物礦化蛋白、免疫相關(guān)蛋白、胞內(nèi)蛋白以及功能未知的蛋白[5],并通過Venn 圖分析斑節(jié)對蝦、東風(fēng)螺和彎竹蟶之間蛋白質(zhì)的相似性和差異性(圖4)。結(jié)果表明,3 種實驗樣品都含有血藍蛋白,同時,在斑節(jié)對蝦和東風(fēng)螺中還發(fā)現(xiàn)一些未經(jīng)鑒定的蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)有待進一步分析。
圖3 3 個樣品的蛋白膠圖Fig.3 A SDS-PAGE picture of the three species
圖4 來自 3 種物種的基質(zhì)蛋白種類Fig.4 Shell matrix proteins from the three species
表4 東風(fēng)螺中提取并鑒定的殼基質(zhì)蛋白種類以及質(zhì)譜結(jié)果Table 4 The SMPs extracted and identified in Babylonia areolates and their LC-MS/MS results
表6 彎竹蟶中提取并鑒定的殼基質(zhì)蛋白種類以及質(zhì)譜結(jié)果Table 6 The SMPs extracted and identified in Solen arcuatus and their LC-MS/MS results
軟體動物(腹足綱和雙殼綱)和節(jié)肢動物(蝦、蟹)的血液中含有血藍蛋白[14],是一種呼吸蛋白,在節(jié)肢動物和軟體動物的血淋巴中因含有Cu2+而使血藍蛋白呈現(xiàn)藍色。血藍蛋白在脫氧狀態(tài)下是無色的,在結(jié)合氧的狀態(tài)下呈現(xiàn)出藍色,其主要生物學(xué)功能與體內(nèi)的氧氣輸送有關(guān)[15]。血藍蛋白也是一種多功能蛋白,與生物體內(nèi)能量儲存、滲透壓維持和蛻皮過程的調(diào)節(jié)有關(guān)[15],此外,它還具有酚氧化酶活性以及抗菌功能。小龍蝦的血藍蛋白被用于通過浸漬涂層進一步修飾幾丁質(zhì)支架,從而起到增加初始細胞黏附、增強增殖和成骨分化的作用[14]。在本文的實驗中,甲殼綱、腹足綱和雙殼綱動物的樣品中都檢測出血藍蛋白,且最新研究在烏賊內(nèi)貝殼中也發(fā)現(xiàn)了這種蛋白質(zhì)[13],表明血藍蛋白在生物礦化中可能起著某種重要作用。
微管蛋白由2 種密切相關(guān)的55 kDa 蛋白質(zhì)的二聚體組成,稱為α-和β-微管蛋白。這2 種蛋白質(zhì)的序列在真核生物界高度保守,由相對獨立的基因或小基因家族編碼;α-和β-微管蛋白聚合形成微管,微管是真核細胞骨架的主要組成部分,為真核細胞提供結(jié)構(gòu)和形狀的支撐作用[16]。微管蛋白也存在于各種生物礦物的殼基質(zhì)中[16],本研究在斑節(jié)對蝦和彎竹蟶中發(fā)現(xiàn)的微管蛋白可能與其他研究中發(fā)現(xiàn)的微管蛋白具有相同的功能,即可以支撐細胞的結(jié)構(gòu)。但微管蛋白在生物礦化過程中的生物學(xué)功能仍有待進一步研究。
地球上物種數(shù)量眾多,它們體內(nèi)的蛋白質(zhì)種類繁多,每個序列的細微差異都會影響其生物學(xué)功能[17]。盡管測序技術(shù)發(fā)展迅速,但仍有大量功能尚不清楚的蛋白質(zhì)需要鑒定,這些蛋白質(zhì)被稱為未表征蛋白[18]。因此,識別這些蛋白質(zhì)的開放閱讀框架是一項重要的研究任務(wù)。本文在3 種物種樣品的殼基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了許多未經(jīng)鑒定的蛋白質(zhì),尤其是在斑節(jié)對蝦中,它們的生物學(xué)功能需要在未來的實驗中進一步分析和研究。
在從彎竹蟶提取的SMPs 中,發(fā)現(xiàn)了N66 殼基質(zhì)蛋白,該蛋白被Tan 等[19]于2019 年首次報道具有碳酸酐酶活性,并能在體外形成多晶型的碳酸鈣晶體。研究發(fā)現(xiàn),與天然N66 蛋白相比,重組N66 蛋白具有更高的碳酸酐酶活性,并能在體外產(chǎn)生更大尺寸的晶體,并且可能通過糖基化和/或磷酸化調(diào)節(jié)其活性[20]。RIVERAPEREZ 等[9]研究表明,N66 殼基質(zhì)蛋白在軟體動物外殼中扮演著鈣化調(diào)節(jié)者的角色,它們可作為鈣“濃縮器”,其碳酸酐酶的功能可產(chǎn)生碳酸鹽離子,這些離子在礦化點組裝成CaCO3,并且對鈣棱柱層和文石珍珠層中的貝殼形成都具有重要作用[9]。本文研究的3 種物種的樣品中,N66 殼基質(zhì)蛋白只在彎竹蟶中被檢測出來。根據(jù)文獻報道[20],N66 殼基質(zhì)蛋白在翼珍珠貝和珠母貝中也有發(fā)現(xiàn),同彎竹蟶一樣,這3 種生物均來自雙殼綱。這一現(xiàn)象表明N66 殼基質(zhì)蛋白可能主要存在于雙殼綱中,可作為特征蛋白用于未知來源貝殼的鑒定。
從東風(fēng)螺、彎竹蟶和斑節(jié)對蝦外殼中提取的SMPs 中還發(fā)現(xiàn)了礦化蛋白,這些礦化蛋白在生物礦化過程中起到了至關(guān)重要的作用。東風(fēng)螺殼SMPs 中的一種非特征蛋白具有生物礦化作用,進一步分析其結(jié)構(gòu)域發(fā)現(xiàn),幾丁質(zhì)結(jié)合域出現(xiàn)在位點25~80、92~153 和176~225,這一蛋白的蛋白序列長度為243 aa(圖5)。在彎竹蟶的SMPs 中存在一段長568 aa 的礦化蛋白,其位點59~564 存在碳酸酐酶的合成區(qū)域。碳酸酐酶是含有金屬鋅的一種酶,其可以催化二氧化碳為碳酸根離子,進一步合成碳酸氫鹽。經(jīng)過結(jié)構(gòu)域分析發(fā)現(xiàn),斑節(jié)對蝦SMPs 的一種非特征蛋白可能具有類似的生物礦化作用,在一段長度為95 aa 的序列中,其位點20~66 出現(xiàn)與幾丁質(zhì)結(jié)合有關(guān)的結(jié)合域。另外,斑節(jié)對蝦SMPs 中還存在其他幾種礦化蛋白,例如角質(zhì)層蛋白AM1199、CP14.6 和CP575,其結(jié)構(gòu)域中均存在幾丁質(zhì)結(jié)合位點,并且在角質(zhì)層蛋白AM1199 和CP14.6 的結(jié)構(gòu)域中,在幾丁質(zhì)結(jié)合位點之后還存在一段低復(fù)雜度的蛋白序列。角質(zhì)層蛋白AM1199 的低復(fù)雜度序列出現(xiàn)在位點6~15,其中丙氨酸量較多,另一段低復(fù)雜度序列出現(xiàn)在位點97~124,其中脯氨酸含量較多;而角質(zhì)層蛋白CP14.6 的低復(fù)雜度序列出現(xiàn)在位點150~164,顯示丙氨酸含量較多。
圖5 3 種物種樣品SMPs 中與礦化作用有關(guān)的蛋白Fig.5 Proteins related to the mineralization in the SMPs of the three species
從斑節(jié)對蝦背殼提取的SMPs 與東風(fēng)螺、彎竹蟶的SMPs 對比研究發(fā)現(xiàn),斑節(jié)對蝦的SMPs 種類更豐富多樣,并存在一些特有的蛋白質(zhì),如斑節(jié)對蝦SMPs 中的精氨酸激酶,這種蛋白質(zhì)在本文所研究的軟體動物中不存在,可能在節(jié)肢動物中普遍表達,具有一定的特異性。精氨酸激酶是一種高度保守的磷酸源激酶,一種在無脊椎動物中發(fā)現(xiàn)的ATP 磷酸轉(zhuǎn)移酶,對精氨酸殘基進行磷酸化修飾,一般含于產(chǎn)生尿素的動物的肝臟、腎臟、精巢中,作為尿素循環(huán)的一個環(huán)節(jié)起作用,該酶蛋白通常存在于具有潛在能量代謝功能的貝殼中[21]。
在斑節(jié)對蝦的SMPs 中也發(fā)現(xiàn)了幾種角質(zhì)層蛋白,它們通常與幾丁質(zhì)結(jié)合,參與節(jié)肢動物表皮的形成。其中在1999 年Andersen[22]對蟹殼的SMPs 的研究中發(fā)現(xiàn)AM1199;Rebers 等[23]在蛹和成蟲的表皮柔性節(jié)間區(qū)域發(fā)現(xiàn)角質(zhì)層蛋白CP14.6。AM1199 和CP14.6 存在于斑節(jié)對蝦的SMPs 中,表明斑節(jié)對蝦外殼的形成涉及角質(zhì)層蛋白發(fā)揮其獨特的生物學(xué)功能。
掃描電鏡結(jié)果(圖6)表明,從3 種物種樣品中提取出的SMPs 對碳酸鈣結(jié)晶有重要影響,且SMPs 濃度越高,結(jié)晶作用越明顯,表明提取的SMPs 中至少含有1 種與結(jié)晶有關(guān)的蛋白質(zhì)參與了結(jié)晶的形成過程。例如,從斑節(jié)對蝦中提取的SMPs 在其濃度為50 μg/mL 時,對碳酸鈣結(jié)晶的影響不明顯(圖6a);當濃度為100 μg/mL時,效果開始顯現(xiàn)(圖6b),晶體邊緣的棱角逐漸趨于圓潤光滑,晶體形態(tài)存在向球體轉(zhuǎn)變的趨勢;在濃度為200 μg/mL 時,晶體的形狀發(fā)生變化,并在晶體表面出現(xiàn)尖狀的凸起(圖6c)。彎竹蟶的殼SMPs 的結(jié)晶實驗結(jié)果與斑節(jié)對蝦的情況類似,不同的是晶體在SMPs 濃度100 μg/mL(圖6e)和200 μg/mL(圖6f)分別呈現(xiàn)球形和橢圓形。
圖6 不同SMPs 濃度對碳酸鈣結(jié)晶形成影響的掃描電鏡圖Fig.6 SEM pictures showing the influence of different SMPs concentrations of on CaCO3 crystallization formation
彎竹蟶、東風(fēng)螺和斑節(jié)對蝦的殼基質(zhì)蛋白在已有的生物礦化研究中是缺少的,本研究通過掃描電鏡以及LC-MS/MS 和生物信息學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)手段對3 種物種的殼基質(zhì)蛋白進行蛋白質(zhì)組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)血藍蛋白作為殼基質(zhì)蛋白是3 種海洋生物所共有的。N66 蛋白可能僅存在于軟體動物雙殼綱中,說明不同海洋生物殼基質(zhì)蛋白存在差異性。N66 蛋白質(zhì)具有物種特異性,在未來的物種鑒定、水產(chǎn)養(yǎng)殖和海岸生物資源的開發(fā)中可能具有重要的參考意義。本研究結(jié)果有助于探索不同物種間殼基質(zhì)蛋白的差異性和多樣性,從而為沿海物種的資源利用提供一定基礎(chǔ)。