蛋白质组学在非生物胁迫中的研究进展ppt课件

蛋白质组学在非生物胁迫中的研究进展 1 蛋白质组学是继基因组研究之后的又一核 心和具有广泛应用价值的学科。蛋白质组学就 是对一个基因、一种生物、一种细胞或组织所 表达的全部蛋白质的研究。蛋白质组学可以系 统地确定细胞或组织内的每一个蛋白质的表达 、蛋白质复合体的组成、蛋白质的互作关系和 每一个蛋白质的丰度与被修饰的状态等。 2 由于同一基因组在不同细胞、不同组织中的 表达情况各不相同 ,即使是同一细胞。在不同的发 育阶段、不同的生理条件甚至不同的环境影响下 , 其蛋白质的存在状态也不尽相同。因此 ,蛋白质组 是一个在空间和时间上动态变化着的整体。 植物在生长发育过程中会受到各种不利的非 生物因子的影响 ,如重金属、高温、盐渍、干旱等 。植物感受这些逆境信号后通过信号转导过程调 节细胞内抗逆相关蛋白的表达 ,进而调整自身的生 理状态或形态的改变来适应不利环境。 3 n 利用蛋白质组学的方法研究植物对这些胁迫的 响应 ,为进一步揭示植物响应胁迫机理提供了 新的途径 ,植物蛋白质组学研究已在许多物种 中开展。 n 对植物发育的不同阶段、不同组织及器官、不 同的细胞器以及膜的蛋白质组进行了较为系统 的研究。 n 对胁迫条件下蛋白质组的变化也有较多的研究 ,对抗逆应答蛋白的鉴定、解析植物抗逆机制 具有十分重要的意义。 4 一、非生物胁迫下蛋白质组学研究 非生物胁迫在自然界普遍存在 ,它们可以 使植物产量严重降低。植物对胁迫作出反应时 胁迫诱导基因的蛋白产物会积累以应对不良环 境 ,这些蛋白的功能和表达调控机制是一个重 要研究主题。 5 一、非生物胁迫下蛋白质组学研究 1、重金属胁迫响应蛋白质组研究 Hajduch等检测了重金属 Cu、 Cd及 Hg对水稻叶片蛋白 质组的影响。在被检测的具有可重复结果的 33个蛋白中 , 主要的 RuBisCO和防御 /胁迫相关蛋白 (OsPR5、 OsPR10、 SOD和放氧蛋白 )。最明显的变化是 RuBisCO的降解在胁迫 条件下增强了。 6 Ahsan等对重金属 Cu、 Cd胁迫下水稻萌发种子的蛋 白质组学进行了研究。经 0.5和 1.5mM Cu处理 4d的 水稻萌发种子有 18个上调蛋白点 (包括乙二醛酶 I、 peroxiredoxin、醛糖还原酶、 DnaK型分子伴侣、 UlpI蛋白酶和类受体激酶 )和 7个下调蛋白点 (-淀 粉酶和烯醇酶 )。研究认为抗氧化剂和胁迫相关蛋 白的诱导可能协同作用建立新的稳态以应对 Cu胁迫 ,而一些代谢酶的抑制不仅影响吸水还阻碍贮藏物 质分解。在 0.2和 0.8 mM镉胁迫处理的水稻萌发种 子蛋白组研中 ,发现 21个上调蛋白点与 Cu胁迫诱导 的相似 ,另有一些蛋白点如球蛋白、 ATP合酶和 NPR2 等。 7 n 砷是一种无机有毒物质 ,在对砷胁迫水稻根系 蛋白质组学研究中发现有 23个砷调节蛋白 ,其 中 S-腺苷甲硫氨酸合成酶 (SAMS)、 GSTs、半 胱氨酸合成酶 (CS)、 GST-tau和酪氨酸特异性 蛋白磷酸酶蛋白 (TSPP)为砷胁迫上调蛋白。 CS还受 H2O2的调节 ,说明 CS的表达被砷或砷 诱导的氧化胁迫调节。因 GST-omega仅被砷 诱导而不被亚硝酸盐、铜或铝诱导 ,推测它在 砷胁迫中起特殊作用。 8 n 研究大豆镉胁迫的应答蛋白， Sobkowiak等将悬浮培 养的大豆细胞置于不同浓度的镉和 35S-标记的蛋氨酸 中，并设置三个不同的时间段，然后从细胞中提取蛋 白进行 SDS-PAGE,CBB染色，新合成的 35S-标记的蛋 白通过自显影检测分析。挑取蛋白条带进行 LC ESI-Q -TOF MS分析后，共鉴定出 12个蛋白，其中， 8个与 抗氧化防御机制有关，一个被鉴定为过氧化物歧化酶 Cu-Zn,另外 7个被鉴定为谷胱甘肽 -S-转移酶。 n 过氧化物歧化酶 Cu-Zn表达量的提高，表明镉胁迫 导致了细胞活性氧的产生。 9 n 为研究 Al-耐受植物的防御机制， Zhen等采用 经典的 2-DE 以及 MALDI-TOF MS 技术，共 鉴定出 30个 Al-耐受相关蛋白。 n 其中， HSPs家族蛋白是在 Al 胁迫下新诱导出 来的，这表明热激蛋白可能起保护大豆根细胞 ，防止其降解和变性的作用； n 半胱氨酸合成酶也暂时增加，表明其在适应 Al 胁迫中也起到了关键的作用。 10 2、高温胁迫响应蛋白质组研究 n Lin等研究了高温对水稻颖果发育的影响，在 70个差异表达的蛋白中 54个用质谱的方法得到 鉴定。 21个蛋白参与碳水化合物的代谢 ,14个 参与蛋白质的合成与分拣 ,9个是胁迫响应基因 。小分子热激蛋白、 3 -磷酸甘油醛脱氢酶及醇 溶蛋白被上调 ,而腊质蛋白、过敏原类蛋白和 蛋白延伸因子 1被下调。 11 n Lee等分析了经 42 处理 12 h和 24 h水稻幼 苗叶片热激蛋白。 1 000个可重复蛋白质点 中有 73个出现差异表达 ,结果表明一批低分 子量的小热激蛋白被诱导 ,其中低分子量的 线粒体 sHSP采用 Western blotting进一步 验证。在 mRNA水平上分析了 4个差异积累的 与抗氧化酶相关的蛋白点 ,但蛋白丰度与基 因表达并不完全相关。 n 这些结果说明植物以复杂的方式对热胁迫 产生应答 ,而 HSPs在复杂的细胞网络中起到 主导作用。 12 n Ahsan等应用比较蛋白质组学方法研究大豆幼苗在高 温下组织特异性蛋白的表达模式，对暴露于高温中的 大豆幼苗的叶、茎和根的蛋白质表达谱的变化进行了 分析，在热处理下叶，茎，根分别有 54， 35和 61 个 蛋白点表达差异。差异表达热休克蛋白（ HSPs）和 抗氧化的蛋白质大部分是上调表达，而与光合作用、 次生代谢及氨基酸和蛋白质合成相关的蛋白表达量下 调，低分子质量的 HSPs和 HSP70在所有组织中上调 表达，蛋白质组学分析及免疫印迹分析表明 HSP70 、 CPN-60和 ChsHSP 的应答具有组织特异性。 这些结果表明 ，为了应对高温胁迫，大豆幼苗进行了 组织特异性的应答调节，组织特异性蛋白质可能在特 定组织对应热胁迫应答中起到至关重要的作用。 13 n 在小麦的生育期特别是灌浆期时高温将会影响蛋白质 的合成及蛋白质组分，进而影响小麦的磨粉和面筋强 度等加工品质。 Skylas等对两个小麦品种 (耐热品种 Fang和不耐热品种 Wyuna)在开花后 15d、 16d、 17d 、进行 40 和 25 (对照为 24 和 18 ）处理开 花后 17d和成熟的子粒利用面团品质测验和蛋白质组 方法分析热胁迫的效应。 n 耐热品种 Fang的面团强度在高温处理后增加，而不 耐热品种 Wyuna的面团强度在高温处理后降低。 14 n 盐胁迫是目前仅次于干旱胁迫增加最快的非生 物胁迫因子之一 ,盐胁迫会引起水分亏缺、离 子毒害 ,导致分子损伤、生长和产量降低 ,严重 限制农业生产。 n Ramani和 Apte研究了水稻幼苗盐胁迫下多基 因的瞬时表达 ,发现至少有 35个蛋白质被盐胁 迫诱导和 17个蛋白质被抑制 ,包括 20个首次报 道的低丰度蛋白。这些发现对寻找渗透胁迫应 答新基因 ,尤其是那些在水稻盐耐性获得中起 瞬时调节作用的基因十分重要。 3、盐胁迫响应蛋白质组研究 15 n 在对盐胁迫下水稻根蛋白质组的研究中 ,Yan等 发现了 54个胁迫响应蛋白质点 ,其中 6个首次被 证明属于胁迫响应蛋白质。 n 推测这些蛋白参与了碳水化合物代谢、能量代 谢、氮代谢、硫代谢、氧自由基的清除、细胞 骨架的稳定、 mRNA的剪接、蛋白质的翻译和 定位。 16 n Sobhanian 等将大豆种子放在分别含有 0、 20 、 40、 80 mmol/L NaCl的沙子中萌发一周。 n 结果表明 20 mmol/L NaCl对大豆幼苗的生长 无显著影响， 80 mmol/L NaCl处理的大豆幼 苗死亡， 40 mmol/L NaCl对大豆幼苗的生长 有显著影响但不致死。 n 基于以上结果，提取经 40 mmol/L NaCl处理的 大豆幼苗的叶子、胚根和根中的蛋白进行蛋白 质组分析。 17 n 结果发现叶子、胚根和根中的 340、 330 和 235个蛋白点中分别有 19、 22、 14个蛋白发生 表达量变化，且与代谢相关的蛋白主要下调表 达，经 NaCl处 理 后 的 叶 子 、 胚 根 中 的 甘 油 三 磷 酸 脱 氢酶和胚根、根中的果糖激 酶 2下调表达，茎中的 31ku糖蛋白前体在三个 组织中均上调表达。 n 表明了三个组织中与代谢相关的蛋白在盐胁迫 应答中均起到作用。 18 n Majoul等分别以耐盐与不耐盐的小麦品种为材 料研究了盐胁迫下根部蛋白的差异表达。 n Ouerghi等则研究了盐胁迫下小麦叶片可溶性 蛋白的差异表达谱变化。 n Bahrman等研究了两个冬小麦品种在不同的氮 素条件下叶片和根部蛋白表达谱的变化。 n Vitamvas等报道了冬小麦冷训及回复过程中 冷诱导蛋白 WCS120蛋白家族的表达谱变化。 19 n Salekdeh等研究了两个 3周龄水稻 (Oryza sativa.cv CT9993和 cv IR62266)干旱胁迫下 (23 d不浇水 )以及复水 (10 d)后的叶片蛋白质 , 并进行了蛋白质组分析。 n 结果在电泳胶上得到了 1 000多个蛋白质点 ,发 现有 42个干旱胁迫响应蛋白质点。恢复正常灌 溉 10d以后 ,所有蛋白质的丰度完全或在很大程 度上恢复到与未作处理的一样。 4、干旱胁迫响应蛋白质组研究 20 n 用质谱鉴定了 16个蛋白 ,其中变化最大的一个 蛋白是 S类 RNA酶的同源蛋白。 n 通过蛋白质组学的研究 ,他们发现了四种新的 响应干旱的机制 :增加 S类 RNA酶同源蛋白、肌 动蛋白解聚因子、 RuBisCO激酶的表达量 ,降 低异黄酮还原酶类蛋白的表达量。 n 表明叶绿体 Cu-Zn SOD在两个水稻品种中显 示出截然不同的变化趋势 ,抗旱品种的上调 ,不 抗旱的减少 ;而胞浆 Cu-Zn SOD在这两个水稻 品种中变化趋势相同。 21 n Ali和 Komatsu4研究了两周龄水稻幼苗在干旱 条件下生长 26 d后叶鞘蛋白质 ,其中 10个蛋白 质丰度升高 ,2个降低。这些蛋白质分别与植物 防御、能量和物质代谢、细胞结构和信号传导 有关。 n 进一步研究表明肌动蛋白解聚因子是干旱胁迫 诱导的靶蛋白之一 ,在这点上与 Salekdeh等的 研究结果相似。 22 n Riccardi等以无亲缘关系的两系玉米和它们的 杂交体为实验材料 ,对其三星期秧苗进行渐进性 干旱处理。 n 经双向电泳分离检测出的 413个蛋白点有 78个 显示出显著的表达量差异 ,38种蛋白在不同的 基因型的玉米中表达水平也不一样。 23 n 报道了 6种在其它物种中已有描述但在玉米中 首次报导的蛋白质如可溶性无机焦磷酸酶、磷 酸核酮糖激酶、叶绿体半胱氨酸合成酶、 1,6- 二磷酸果糖醛缩酶、 ABA诱导蛋白等。 n 此研究表明干旱胁迫诱导蛋白质表达朝诸如糖 酵解、卡尔循环基本细胞代谢途径和更加特异 的苯丙素类途径变化。 24 n 在众多作物中，大豆对淹水胁迫是高度敏的， 水淹会造成大豆产量降低。在过去 20 年，关 于大豆在水淹条件下的生理生化反应已经进行 了较深入的研究。 n Shi等研究了淹水胁迫条件下大豆幼苗蛋白质 组成的变化，选取萌发 2d的 6个大豆栽培品种 的幼苗进行 3d淹水胁迫处理 ,提取根部的细胞 质和膜蛋白，经双向电泳、银染或考马斯亮蓝 染色后，共确定了 10 个抗涝蛋白 5、缺氧胁迫响应蛋白质组研究 25 n 经 ESI-Q-TOF MS鉴定出细胞质抗坏血酸过氧 化物酶 2 在淹水胁迫下表达量显著下降，与此 酶相关的 mRNA水平和酶活性也与蛋白水平结 果相似。 n 这表明在淹水胁迫下大豆幼苗根部的细胞质抗 坏血酸过氧化物酶 2是高度敏感的。 26 n Hashiguchi等分析了大豆种子萌发 48h 后经 6 -48h 水淹胁迫后大豆根及胚根蛋白质组的变 化。 n 51 个与能量产生相关的蛋白表达量发生化， 特别是鉴定出几个糖酵解酶的上调表达 n 这些蛋白质的功能分类表明水淹胁迫不仅和含 氧量低胁迫有关，还和弱光，疾病和淹水胁迫有 关。 27 n Alam等应用蛋白质组技术及生化分析技术研 究大豆幼苗营养生长阶段两个时间点上的蛋白 质组成及生理生化变化，在早期植物生长阶段 的幼苗经 3 和 7d 的涝害处理后，大豆根内的 脂质过氧化作用及 H2O2的水平增加，从大豆 根提取的总蛋白经 2-DE、 MALDI-TOF MS和 ESI-MS/MS分析后， 24个蛋白点表达差异， 其中， 14个蛋白上调表达 ,5个下调表达 ,5个为 涝害胁迫下诱导出的蛋白。 n 新鉴定出的蛋白涉及到信号转导、细胞程序性 死亡、 RNA加工、氧化还原平衡和能量代谢。 28 n 几个典型的无氧诱导蛋白表达量的增加表明植 物在缺氧时通过发酵过程来满足能量的需求， 如：糖酵解和发酵过程。 n 此外，涝害对几个细胞程序化死亡及信号诱导 相关蛋白含量的影响，表明他们在胁迫下都起 到作用。 n 以上这些结果表明大豆是通过调节碳代谢和细 胞程序化死亡来应对涝害胁迫的。 29 n William W.P. Chang等以玉米秧苗根尖为样品 研究了其经过低氧锻炼后缺氧条件下蛋白质的 合成情况。 n 以 S35氨酸标记全蛋白质 ,经双向电泳分离得到 了 262