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  • 發布時間:2012-08-15 00:00 原文鏈接: 雙向電泳的新進展和新工具

      隨著蛋白質組學概念的提出,雙向電泳(2D gel electrophoresis)一度曾變得很流行。近幾年,因質譜技術的快速發展,LC-MS的熱度似乎更高。然而,在某些應用上,雙向電泳更有優勢。

      雙向電泳提供了整個樣品的鳥瞰圖,而這是質譜無法比擬的。它可以對樣品中復雜的蛋白質進行整體性的分離,是目前唯一可以在一塊凝膠上同時分離成千上萬個蛋白質的方法,且分離得到的蛋白質組分的純度可以達到90%以上。通過它,您可以研究和比較蛋白質組在某些條件下如何變化。

      此外,雙向電泳分離完整的蛋白,而大部分質譜方法都是研究肽段。因此,開展質譜分析的研究人員很難確定翻譯后修飾事件,如兩個不同的翻譯后修飾是同時存在,還是互相排斥。當然,這兩種技術在費用和設備要求上也不能同日而語。雙向電泳的設備與質譜儀相比,簡直是小巫見大巫。而且,質譜儀還需要專門的人員來操作,沒有一定的經驗可不敢貿然出手。

      當然,雙向電泳的重復性也是個無法回避的問題。不過,隨著技術的不斷發展,研究人員也能夠克服這一挑戰,發表漂亮的結果。

      唐氏綜合征研究

      英國普利茅斯大學的資深研究員Tracey Madgett曾利用雙向凝膠電泳來鑒定唐氏綜合征(Down Syndrome)的生物標志物1。據Madgett介紹,采用電泳方法的決定是基于科學和實際的考慮。首先,其他人已采用雙向電泳來研究唐氏綜合征。更重要的是,她們有雙向電泳的設備,但缺乏LC-MS的經驗。

      Madgett及其同事的研究對象是懷孕頭三個月或4-6個月的孕婦,她們懷有一個正常的胎兒或患有唐氏綜合征的胎兒。研究人員從她們身上抽取血漿,經處理后開展雙向凝膠電泳。

      每個樣品經過處理后獨自跑膠、染色和分析。然而,凝膠之間的差異無法避免。這樣就很難通過比較凝膠上的斑點強度來區分差異表達的蛋白。兩塊膠上的同一位置,也許根本就是兩個不同的蛋白,這怎么比較?

      為了克服這一問題,GE Healthcare在大約十年前開發出一種多重分析技術,稱為熒光差異凝膠電泳(2D DIGE)。2D DIGE的基本實驗線路是電泳前以Cy2、Cy3 和Cy5三種熒光染料分別標記蛋白質樣品(其中包括一個蛋白質內標)。然后將標記好的蛋白質樣品混合,在同一塊膠上進行雙向電泳。電泳結果分別用3種不同的激發波長得到不同顏色的熒光信號,根據這些信號的比例來判定樣品之間蛋白質的差異。

      2D DIGE技術第一次在雙向電泳中引入了內標。DIGE的內標是將試驗中所有樣品取等量混合,單獨用一種熒光染料(在最小標記染料中通常是Cy2)標記,和所有樣品一起電泳。這意味著所有樣品中的蛋白質點都會有對應的內標。由于所有樣品在電泳過程中經過相同的處理,那么研究人員可準確地鑒別不同條件下的蛋白豐度差異;他們只需收集三幅熒光圖像,利用數據分析軟件比較即可。

      Madgett和她的研究小組就利用2D DIGE來開展唐氏綜合征的生物標志物分析。研究人員首先利用QIAGEN的Qproteome Albumin/IgG Depletion Kit去除了白蛋白和IgG這兩種高豐度蛋白。之后她們在3塊24 cm的2D凝膠上跑膠,這三塊凝膠的差別在于第一向等電聚焦時的pH不同。第一塊覆蓋pH 4.5-5.5,第二塊覆蓋pH 5.3-6.5,第三塊覆蓋pH 6-9。研究人員認為,窄范圍比寬范圍的IPG膠條(如pH 3-10)的分辨率更高。

      Madgett表示,通過此次分析,她們在4-6個月的血漿中找到了7個“有希望的線索”。她們將這些斑點切下來,并進行各種質譜分析,來鑒定這些蛋白。Madgett認為她們還需要在更大的隊列人群中驗證這些線索。談到2D DIGE,她表示:“這很復雜,但最后獲得了結果,我很激動。我還會做的。”

      新工具

      作為一種很經典的技術,雙向電泳仍在不斷發展。盡管人們想用新技術來取代它,但是若希望對蛋白質組有全面的認識,其他技術在分辨率和靈敏度上仍然與雙向電泳有差距。近幾年,從樣品制備到數據分析,也有不少新的產品面市。

      樣品制備

      對于雙向電泳而言,樣品制備是個關鍵。等電聚焦對污染物(如核酸和脂類)格外敏感,因此如果您想得到一張漂亮的電泳圖,那么必須先去除污染物。多家公司都提供這種樣品純化試劑盒。GE Healthcare的 2-D Clean-Up Kit能高效去除污染物,如鹽、脂類和核酸。而上文提到的QIAGEN試劑盒也能去除高豐度蛋白。

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      有時,僅僅去除高豐度蛋白還不能解決問題,這時,您可能需要進一步降低樣品復雜度。如果您關注蛋白質組中的特定部分,那么您可以分步分離復雜蛋白,例如分離細胞核、細胞質和膜蛋白,或者分離磷酸化蛋白或糖基化蛋白。默克密理博就提供這種分步分離的試劑盒。

      另外,Life Technologies也提供一種ZOOM? IEF Fractionator,能將蛋白迅速濃縮至5個等電點范圍內。它的原理和操作都很簡單,即在ZOOM? IEF Fractionator樣品槽(chamber)之間放置一個個Disk,就可以在一個特異的pH值范圍進行分離。例如,如果您想要分離pH值范圍在 pH4.6到pH5.4之間的蛋白,只需連接一個用pH4.6和pH5.4 Disk分隔的樣品槽即可。這種液相的等電聚焦裝置便于樣品的回收,而且Disk是一次性的,減少了交叉污染的可能性。Bio-Rad也提供了類似的裝置,名為Rotofor Cell,規格多樣,但貌似用起來稍微復雜一點,而且價格更貴。

      等電聚焦

      在雙向電泳中,為了獲得最佳的電泳結果,我們必須不斷優化樣品制備和第一向等電聚焦的條件,以確保復雜的樣品能夠充分分離。而不同蛋白樣品的最佳IEF條件可能相差甚遠,因此必須單獨摸索。

      市場上大部分IEF系統都有多個通道,但各個通道的條件都是相同的,因此每次只能摸索一個條件。而傳統的 IEF槽將總電流平均分到所有通道。除非所有的樣品有著相同的電導率,否則電流是不能平均分配的,最終每個膠條上的電流可能未達到或超過了理想的電流。這有可能引起聚焦不足或聚焦過度。

      而Bio-Rad新推出的PROTEAN i12 IEF系統擁有12個獨立通道,且每個通道都有自己的電源。這樣,系統就能同時運行不同的樣品類型、不同的聚焦條件以及不同pH范圍的膠條,而不用擔心不同樣品會互相影響。這種獨特的能力讓您能在更短的時間內優化實驗,提高實驗效率,同時獲得穩定的結果。對于有多個雙向電泳課題的實驗室而言,這確實是個好消息。

      GE Healthcare的Ettan 2D系統也有兩個新成員:IPGbox? 和IPGbox Kit。IPGbox的設計經過改進,底座和上蓋可以分離,更加友好和穩定,且不透明的蓋子讓水化在暗處進行,完全適合光敏感的CyDye DIGE熒光染料。上蓋和插片的設計可保證膠條在水化過程中不會變干,無需再用覆蓋油。同時一次性使用的水化盤和插片,也保證樣品之間沒有交叉污染。水化盤經過重新設計后,高疏水性材料保證溶漲液不會粘附在盤上,且水化液均勻分布在整個盤內,確保IPG膠條水化的一致性。

      染色

      對于2D凝膠的染色,銀染是比較常用的方法,不過步驟多,流程長,操作復雜。而SYPRO Ruby熒光染料的出現被譽為蛋白質組研究中的里程碑。它的靈敏度可與最好的銀染法相媲美(1~2 ng),線性動態范圍可達3個數量級,而且它與質譜檢測和Edman測序有很好的兼容性。SYPRO Ruby可一步檢測蛋白,只需要30~60 min,不需要脫色步驟,相當方便。

      目前有多家公司都提供樣品制備試劑盒、IPG膠條、IEF電泳裝置和第二向跑膠裝置,包括GE Healthcare、Bio-Rad、Life Technologies等。但對于剛入門的同學來說,他們也許會糾結兩個問題。

      選擇哪種膠條?

      IPG膠條有多個pH范圍可供選擇,從寬到窄。例如,Bio-Rad的IPG膠條覆蓋“寬”(3-10)、 “窄”(3-6、5-8、4-7)和“更窄”(3.9-5.1、4.7-5.9、5.5-6.7、6.3-8.3)的pH范圍。建議在寬范圍分析完成之后,再進行窄范圍的分析。如果是研究一個未知樣品,寬的pH范圍將帶來一個樣品概覽。在您了解目的蛋白的大致位置后,才建議使用窄或更窄的pH梯度。

      選擇多大的膠?

      選擇多大的膠,這也是個問題。各家公司的2D凝膠大小不等,從9 cm x 7 cm一直到24 cm x 20 cm,而IPG膠條的長度也從7 cm到24 cm。一般來說,凝膠越大、運行時間越長,但分辨率越高。而另一方面,太大的膠很難操作。這就如同一個硬幣的正反面,很難取舍。不過,如果你對自己的體力有信心,那就勇敢地使用大膠吧。

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