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客户文章 | 中国药科大学运用非标记蛋白组学和非靶向代谢组学对不同地域生姜特性研究

 

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前言

蛋白质的变化可以反映相关的基因功能,蛋白质组学技术可以分析复杂的细胞机制,如植物对非生物的胁迫反应。不仅如此,蛋白质组分析提供了蛋白质特性的定性和定量数据,包括细胞内分布、周转动力学、蛋白质-蛋白质相互作用和翻译后修饰等。蛋白质组学技术已成功应用于探索生物活性代谢物的合成机制。本篇蛋白质组学被用来探索不同国家生姜之间差异的根本原因。通过使用蛋白质组学非靶向代谢组学进一步证实不同地域生姜代谢产物的差异。

 

英文标题:Label-free proteomic analysis to characterize ginger from China and Ghana

材料:

影响因子:5.399

发表期刊:Food Chemistry

合作单位:中国药科大学

主要运用鹿明生物技术:Label-free定量蛋白质组学、非靶向代谢组学

 

研究背景

生姜提取物具有抗菌、抗炎、抗氧化、抗血小板、降血压、抗菌等多种作用,同时还含有丰富的生物活性酚类化合物和非挥发性的辛辣化合物,如姜辣素,姜酮等。然而,加纳和中国姜的代谢物差异的根本原因尚未完全揭示。在这项研究中,作者使用Label-free定量蛋白质组学和非靶向代谢组学分析不同地域生姜代谢物的差异,从而找到潜在的生物标志物进行样本鉴定。

 

研究策略

 

 

实验结果

1.蛋白组学和代谢组学的PCA分析

Label-free定量蛋白质组学检测的蛋白和非靶向代谢组数据进行PCA分析。从蛋白(图1A)和代谢(图1B)的PCA图可以发现数据在两个组学的水平上中国和加纳的姜的样本都可以明显的分离。

图1 | 基于中国和加纳生姜的蛋白质(A)和代谢物(B)的主成分分析

备注:中国(SC:四川,YN:云南,SD:山东);加纳(ACCRA,CAPE,TEMA)

 

通过Label-free蛋白质分析,共得到180种发生显著变化的蛋白。其中140种蛋白是它们共有蛋白,69种上调,71种下调。另外,有17种和23种蛋白分别是中国生姜和加纳生姜独有的蛋白。在中国生姜独有的17种蛋白中,主要是法尼斯基焦磷酸合成酶和紫酸磷酸酶,其参与萜类化合物的合成;在加纳生姜存在的23种蛋白Clp蛋白酶、ZINOF 5蛋白和atp依赖的(S)- NAD(P) h -水合物脱水酶。说明地理环境差异影响了生姜中蛋白的类型和丰度。

 

对鉴定到的180种蛋白映射到拟南芥数据库中进行进一步的GO富集分析。与中国生姜相比,加纳生姜水解酶活性和NAD结合相关蛋白量增加,异构酶活性和转移酶活性相关蛋白含量降低。

图2 | (A)和(B)分别是显著改变的蛋白质及其GO功能分布

黑色矩形表示蛋白质增加,白色矩形表示蛋白质减少

 

2.通路分析

通路分析表明,这些蛋白主要参与柠檬酸循环(TCA)、碳代谢、氨基酸生物合成、次生代谢产物生物合成和碳固定。其中,对参与氨基酸生物合成所涉及的蛋白质进行了详细的分析(图3 A)。通过分析,共鉴定出15种显著变化的蛋白质。其中9种蛋白质(包括谷氨酰胺合成酶胞质同工酶(K01915)和柠檬酸合成酶4(K01647))在中国生姜中含量更丰富,而5种蛋白质(包括天冬氨酸氨基转移酶3(K14454))在加纳生姜中含量更高。参与二芳庚烷和姜辣素的生物合成的莽草酸-O-羟基肉桂酰基转移酶(K13065)、2-甲基-6-植酸基1,4-氢醌甲基转移酶(K12502)和过氧化物酶52(K0430)也发生了显著差异(图3 B)。

图3 | (A)和(B)分别是参与氨基酸生物合成上游调控和二芳基庚烷/姜辣素生物合成的变化蛋白

红色表示蛋白质增加,绿色表示蛋白质减少

 

在对中国和加纳生姜样品进行非靶向代谢组学研究中,我们观察到在两个地方的姜样品中,天冬氨酸转氨酶3是从2-氧戊二酸生产谷氨酸的关键酶,在加纳生姜中含量较高。然而,中国生姜中谷氨酸转化为谷氨酰胺的关键催化酶,即谷氨酰胺合成酶胞质同工酶的水平较高(图4)。这些结果表明,氨基酸的变化可能导致加纳生姜与中国生姜的差异。

图4 | 中国与加纳生姜代谢产物的变化

数据显示为3个独立生物复制品的平均值±标准差。采用t检验进行显著性分析(p<0.05)。星号表示显著性(*p<0.05和**p<0.01)

 

3.加纳姜与中国姜的代谢表型差异

代谢产物通常被认为是生物信息的最终接受者,其水平可以反映蛋白质和基因表达的变化。为验证两国生姜样品的蛋白质组学的分析结果并进一步鉴别,作者又进行了UPLC-Q/TOF-MS代谢组学分析。利用VIP > 1,F.D > 2, p-value < .005等条件共筛选出14个差异代谢物。加纳的生姜样本被发现含有高水平的二芳基庚烷类、姜辣素和谷氨酸,而中国生姜含有更多的谷氨酰胺。这些结果与前期的文献研究结果是一致的。

 

表1 |鉴定的中国和加纳生姜之间发生了显著变化的代谢产物

 

 

实验结论

1) 蛋白质组学研究发现:两个研究国家的生姜样品之间共有180种蛋白质发生显著变化。且这些差异源于TCA循环、碳代谢、氨基酸和次级代谢产物生物合成蛋白的变化。

2) 代谢组学方法 鉴定出的14种显著变化代谢物进一步证实差异原因,且这些代谢物包括二芳基庚烷类化合物、姜辣素、谷氨酸和谷氨酰胺的变化趋势与其生物合成中涉及到的蛋白丰度的变化一致。

3) 综合结果表明,代谢相关蛋白酶的变化是两个地域生姜种内差异的原因。

 

 

小鹿推荐

本文由鹿明生物合作客户运用Label-free定量蛋白质组学和非靶向代谢组学技术研究姜样本种内差异的潜在原因,进行植物生长规律的研究。研究过程思路清晰、数据详实,结合生理指标参数,找到了180种发生显著变化的蛋白质。是一篇典型的组学技术在植物中应用的文章。

 

鹿明生物作为一家以生物科技为核心,以蛋白组学、代谢组学为两大主攻方向的多层组学研究机构。作为生命科学领域的科技创新型企业,在抗击疫情的关键时期,同样坚守在自己的岗位上,用我们的热情服务于广大的科研工作者。尽自己的绵薄之力为科学研究续力,为祖国经济续航。以致敬所有不惧疫情的逆行英雄。

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部分文献参考

Yin X, Wang S L, Alolga R N, et al. Label-free proteomic analysis to characterize ginger from China and Ghana[J]. Food Chemistry, 2017:S0308814617320277.

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