结肠癌黏膜及其细胞质膜蛋白质组学分析

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目的:  通过蛋白质组学方法比较不同时期结肠黏膜组织的差异表达蛋白质,以期筛选出与结肠癌发生发展过程相关的蛋白质,为结肠癌的诊断和防治提供新的靶标。  方法:  1、小鼠结肠癌模型建立与验证:利用氧化偶氮甲烷(Azoxymethane,AOM)和葡聚糖硫酸钠盐(Dextran sodium sulfate,DSS)构建炎症相关结肠癌小鼠模型,同时设SPF级健康对照组。在造模期间,观察小鼠是否出现腹泻、便血及体重改变等症状,并定期对实验组小鼠结肠组织进行病理检测以观察结肠组织病理变化情况。分别于造模第7、12、14周进行结肠组织取材,肉眼观察结肠大体形态改变,镜下观察病理组织学改变。  2、基于2DE LC-MS/MS的方法分析结肠黏膜蛋白质组:从1)中小鼠模型剥离炎症期(第七周)和非典型期(第十二周)的结肠黏膜组织,且镜下检查黏膜的纯度。提取黏膜组织蛋白质进行双向凝胶电泳(Two-dimensional gelelectrophoresis,2DE)分离及考马斯亮蓝染色2DE胶。Image Scanner扫描仪扫描2DE胶获取图像,并应用Image Master2D software分析图像中蛋白质点。寻找出的有意义差异蛋白质点,经酶解成肽段后采用液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)分离并鉴定。鉴定出的差异表达蛋白质运用GO数据库进行差异蛋白质功能分析及STRING软件进行蛋白质-蛋白质相互作用分析。综合生物信息学分析结果及文献调研,筛选出其中8个差异蛋白质进行实时荧光定量PCR分析,然后选取在蛋白质和mRNA水平上表达一致的3个蛋白质进行免疫印迹(Western Blot,WB)分析。  3、基于iTRAQ标记的定量蛋白质组学方法分析结肠黏膜细胞质膜蛋白质组:从1)中小鼠模型分离肿瘤期(第十四周)结肠黏膜及肿瘤组织,纯化组织质膜蛋白质,并检测质膜蛋白质纯度。质膜蛋白质经胰酶消化后,应用相对和绝对定量同位素标记(isobaric tags for relative and absolute quantitation,iTRAQ)并联合二维液相色谱串联质谱(2D LC-MS/MS)进行差异蛋白质组学分析。所得差异蛋白质及肽段信息经Protein Pilot软件分析,并应用SWISSPROT数据库对鉴定出的蛋白质信息进行分析。按照差异蛋白质界定标准筛选得出差异表达的膜蛋白质;运用STRING软件、GO、KEGG数据库对差异表达膜蛋白质的相互关系和功能聚类、信号通路分类进行生物信息学分析。根据初步分析结果,从差异表达膜蛋白质中选取ITGB2及RTN4进行组织表达水平的蛋白质免疫印迹(Western B lot,WB)验证。  结果:  1、构建炎症相关结肠癌模型结果:实验组小鼠在饮用2.5% DSS溶液期间出现体重减少、腹泻或便血甚至脱肛等症状,在恢复自然饮水1周后逐渐恢复正常。造模期间,实验组小鼠表现出炎症相关结肠癌的病理特征,在第7周末,实验组小鼠结肠组织充血严重、水肿并伴有轻度糜烂或点状出血;镜下见黏膜及黏膜下层大量炎症细胞浸润,淋巴滤泡形成,诊断为炎症期。第12周末,实验组小鼠结肠组织肠壁增厚,肠腔狭窄,表面粗糙有颗粒感;镜下见结肠黏膜上皮细胞增生明显,极性消失,排列紊乱,但未突破黏膜下层,为非典型增生期。第14周,实验组小鼠结肠组织表面可见新生物形成,镜下见腺体大小不等、形状不一、排列不规则,癌细胞核大深染,病理性核分裂相易见,诊断为恶性肿瘤;正常组所有小鼠结肠黏膜组织未见异常。  2、基于2DE的蛋白质组学分析结果:28个差异表达蛋白被鉴定出,其中在第7周(炎症期)有7个差异表达蛋白质,在第12周(非典型增生期)有21个差异表达蛋白质。GO功能分析发现,大部分差异蛋白具有酶催化、结合、转运等分子功能,并参与代谢、响应外源性刺激及细胞形成发育等生物过程。蛋白质相互作用网络分析,其中13个差异蛋白质具有某种功能上的相互作用。结合生物信息分析及文献查阅,炎症期鉴定出的蛋白质二硫异构酶A2(Protein disulfide-isomerase A2,PDIA2)与非典型增生期鉴定出的果糖二磷酸醛缩酶A(Fructose-bisphosphate aldolase A,ALDOA)和钙激活氯离子通道调节1(Calcium-activated chloride channel regulator1,CLCA1)可能与结肠癌发生发展相关;进一步的WB及QRT-PCR验证表明:该三种蛋白质在基因及蛋白质水平的表达变化情况与其蛋白质组学分析结果一致,即在炎症期和非典型增生期结肠黏膜组织中PDIA2和CLCA1较正常黏膜组织均表达上调,而ALDOA则表达下调。  3、基于iTRAQ定量蛋白质组学分析结果:实验重复三次,鉴定出满足置信阈值(unused ProtScore)>1.3且至少有1条匹配肽段在95%置信区间内的蛋白质数目分别为:1216种;1352种及1394种。三次重复中共发现86种非冗余差异表达蛋白质。对这些差异表达蛋白质进行亚细胞定位发现:43%的差异蛋白质位于膜蛋白,38%位于细胞质或者核上,19%属于分泌蛋白。进一步对差异表达膜蛋白进行GO功能注释,结果:1)生物进程注释分类:主要参与了代谢过程、生物合成过程、细胞粘附、转运过程、细胞分化发育形成、调控信号通路、响应外源性应激、细胞膜构成等生物进程;2)分子功能注释分类:参与酶催化活性、抗氧化活性、转运、结合等分子功能。KEGG信号通路分析,这些膜蛋白共参与55条信号通路,主要与细胞进程、人类疾病、环境信息处理等相关。而86个差异蛋白子经相互作用分析,大部分差异表达蛋白质形成了具有某种相关性的相互作用网络图;综合上述分析及文献查阅,发现Itgb2、RNT4、 CD44、 Cav1、S100a8和S100a9与结肠癌形成过程密切相关。其中,Itgb2和RNT4在临床组织样本中的表达情况与质谱鉴定结果一致。  结论:  成功构建了小鼠结肠癌模型,通过结肠癌早期粘膜蛋白质组研究发现了PDIA2、CLCA1、ALDOA等差异表达蛋白质,通过结肠癌细胞质膜蛋白质组研究发现了Itgb2、RNT4等差异表达蛋白质,这些差异表达蛋白质与结肠癌的发生发展相关,有可能成为结肠癌潜在的诊断、预后监测及防治靶点。
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