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1、双向电泳的双向电泳的技术流程和样品制备技术流程和样品制备Bio-Rad生物学问题生物学问题的提出的提出实验模型实验模型的设计的设计实验组和对照组实验组和对照组样品的制备样品的制备蛋白样品的蛋白样品的IEF和和PAGE电泳分离电泳分离图像扫描和初步分析图像扫描和初步分析感兴趣感兴趣蛋白点蛋白点的切取的切取胰酶对脱色后蛋白质的消化胰酶对脱色后蛋白质的消化质谱的多肽指纹图、微测序分析质谱的多肽指纹图、微测序分析质谱结果的生物信息学分析和比对质谱结果的生物信息学分析和比对新新蛋白质的发现蛋白质的发现其它实验其它实验的进一步的进一步验证验证蛋白信息的蛋白信息的初步获得初步获得蛋白质组研究的基本技术路线蛋
2、白质组研究的基本技术路线蛋白质样品的制备蛋白质样品的制备双向电泳双向电泳图像分析图像分析转印至膜上的蛋白转印至膜上的蛋白凝胶中的蛋白凝胶中的蛋白溶液中的蛋白溶液中的蛋白混合肽混合肽蛋白质质量蛋白质质量N端测序端测序肽序列质谱数据肽序列质谱数据肽肽指纹图指纹图数据搜索数据搜索新的或已知蛋白新的或已知蛋白蛋白转录后修饰的鉴定蛋白转录后修饰的鉴定蛋白质分析技术之蛋白质组学之蛋白质组表达模式的鉴定技术蛋白质组表达模式的鉴定技术 1、图像分析技术2、与质谱相关的技术：质谱技术进行蛋白质鉴定的基本流程质谱技术进行蛋白质鉴定的基本流程 样品制备样品制备 与与IPG胶条水和胶条水和 IPG电泳电泳 与上样缓冲
3、液浸润与上样缓冲液浸润 SDS-PAGE 转转PVDF膜膜 胶内直接染色胶内直接染色 染色染色 取出蛋白点取出蛋白点 胰酶等消化胰酶等消化 浓缩于多孔吸附柱上浓缩于多孔吸附柱上 MALDI-MS肽指纹图肽指纹图 数据库查询数据库查询 蛋白质鉴定蛋白质鉴定 已知已知 反向反向HPLC分离分离 MALDI-MS，PSD片段分片段分析析示知示知 ESI-MS-MS、微测序微测序 实验方法实验方法完整蛋白质（如凝胶分离或完整蛋白质（如凝胶分离或色谱纯化蛋白质）色谱纯化蛋白质）肽肽混合物混合物质谱测定肽质量质谱测定肽质量（MALDI-MS,ESI-MS)选择肽段裂解选择肽段裂解PSD-MALDI-MS,
4、ESI-MS/MS)计算方法计算方法蛋白质序列数据库（核酸序列翻译数据库）蛋白质序列数据库（核酸序列翻译数据库）肽肽质量检索质量检索：片片1.ppt 未未解析碎片离子检索：解析碎片离子检索：片片2.ppt酶切酶切质谱鉴定蛋白质的策略质谱鉴定蛋白质的策略体外 pmol32P蛋白质标记蛋白质分离蛋白酶切2D磷酸化做图LC-ESI-MS或MALDI-MSLC-ESI-MSHPLCIMAC磷酸化氨基酸分析体内32P细胞标记蛋白酶切2D磷酸化做图相关分析磷酸化位点磷酸化位点分析策略分析策略实验样品的制备原则实验样品的制备原则 l应使应使所有待分析的蛋白样品全部处于溶解所有待分析的蛋白样品全部处于溶解状态
5、（包括多数疏水性蛋白），且制备方状态（包括多数疏水性蛋白），且制备方法应具有可重现性。法应具有可重现性。l防止样品在聚焦时发生蛋白的聚集和沉淀。防止样品在聚焦时发生蛋白的聚集和沉淀。l防止在样品制备过程中发生样品的抽提后防止在样品制备过程中发生样品的抽提后化学修饰（如酶性或化学性降解等）。化学修饰（如酶性或化学性降解等）。l完全去除样品中的核酸和某些干扰蛋白。完全去除样品中的核酸和某些干扰蛋白。l尽量去除起干扰作用的高丰度或无关蛋白，尽量去除起干扰作用的高丰度或无关蛋白，从而保证待研究蛋白的可检测性。从而保证待研究蛋白的可检测性。增加样品溶解性的手段增加样品溶解性的手段变性剂：变性剂：通过改变
6、溶液中的氢键结构使蛋白质充分伸展，将其疏水中心完全暴露，降低接近疏水残基的能量域。常用尿素和CHAPS联合，但所得的样品容易吸附在IPG胶条的基质中而丢失，目前发明的硫尿的作用更强，但溶解度相对较差，常用2M硫尿57M尿素混合使用。表面活性剂：表面活性剂：经过变性剂处理而暴露蛋白质的疏水基团后，还常需至少一种表面活性剂来溶解疏水基团。常用的表面活性剂有离子去污剂SDS、非离子去污剂Triton X-100和NP-40、两性离子去污剂CHAPS、OBG等。SDS作用后不利于稳定IEF中的等电点，不宜存在于IEF的样品溶解液中；只有后两类表面活性剂是可用的，其中CHAPS和SB3-10最好。常用浓
7、度为在8M尿素溶液中含25%的CHAPS，但在含高浓度硫尿的溶液中其作用有限；SB3-10是一种含有长线性基团尾端的两性去污剂，其作用要强于CHAPS，但在尿素浓度大于5M时不溶解。现在总结的两种IEF溶解液的配方是5M尿素2M硫尿2%CHAPS2%SB3-10，适用于需要强烈表面活性剂的蛋白样品的溶解；和7M尿素2M硫尿4%CHAPS，适用于需要高浓度变性剂的蛋白质样品的溶解。还还原原剂剂：变性剂和表面活性剂是用来变性蛋白、暴露和溶解其疏水区域的。为了让大多数蛋白完全展开，还有必要来还原二硫键。常用的还原剂有具游离巯基的巯基乙醇（ME）和二硫苏糖醇（DTT）。但DTT是带电荷的物质（尤其在碱
8、性条件下），在IEF时则迁移出pH梯度，导致一些蛋白（通常是易于通过二硫键在内部起作用的蛋白）的溶解性丢失。如果用不带电荷的三丁基膦（TBP）来代替DTT则效果更好，不但能增加蛋白的溶解性，而且有助于样品在2-DE过程中从第一相转移到第二相；另外TBP不带巯基，不需被烷基化，从而简化了IPG的平衡过程。起载体作用的两性电解质：起载体作用的两性电解质：即便在变性剂和去垢剂存在的情况下，某些蛋白质也需要在盐离子的作用下才能保持其处于溶解状态，否则这些蛋白质在其处于PI点时会发生沉淀。Carrier ampholytes的作用在于捕获样品中的少量盐分，从而保证蛋白质的溶解性。应用时，两性电解质的浓度
9、应小于0.2（w/v)。浓度过高会使IEF的速度降低。另外，为了保证实验的精确性，在选择不同pH范围的IPG胶条时，也应使两性电解质的pH值与之相符合。亚蛋白质组样品的制备亚蛋白质组样品的制备主要是应用超速离心技术和顺序抽提法将总蛋白质组分成不同的蛋白质组亚群，再用适当的蛋白溶解液溶解，以降低样品的复杂性、提高分辨率。常用方法为：1、用超离心技术分离出细胞器、质膜和细胞核等成分，再用适当的蛋白质溶解液进行溶解，这不仅大大减少样品的复杂性，而且展示出的蛋白质可确定其亚细胞定位。该法需要专业仪器，有时会出现假阳性。2、根据细胞蛋白溶解性的差异，用具有不同溶解能力的蛋白溶解液进行顺序抽提，从而分离出
10、具有不同溶解度范围的蛋白质组亚群。一般分3个层次：第一步用Tris碱溶液裂解细胞提取高溶解性蛋白；第二步是把未溶解的小片（pellet）用常规IEF样品液（8m尿素4%CHAPSDTT）溶解，这次抽提剩下的小片主要是富集的膜蛋白，约占整个样品的11%（W/W）；第三步是用增强的蛋白溶解液5M尿素2M硫尿2%CHAPS2%SB3-102MTBP作最后的抽提。预分步预分步收集收集细胞浆细胞浆细胞核细胞核 细胞膜细胞膜核糖体及其他核糖体及其他特定细胞成份特定细胞成份细胞分细胞分泌成份泌成份pH4-12pH3-10pH4-7pH5-8pH7-10pH6-11pH3-6pH3-4pH4-5pH5-6pH
11、6-7pH7-8pH8-9pH9-10pH10-11pH11-12第一步第一步第二步第二步第第三三步步用窄用窄pH范围阵列分离范围阵列分离低丰度或交叉覆盖蛋白低丰度或交叉覆盖蛋白阵列那些亚细胞定位位阵列那些亚细胞定位位置的功能蛋白质置的功能蛋白质亚蛋白质组阵列策略的框架图亚蛋白质组阵列策略的框架图3倍3倍特殊样品的制备特殊样品的制备 低低丰丰度度蛋蛋白白的的分分离离：尽管增加上样量和提高总蛋白的溶解度能增加分离时的低丰度蛋白的量，但同时增加了高丰度蛋白的负荷，且造成蛋白的叠加效应而影响分离。现常用预分级窄pH胶的微制备技术进行分离：即将总蛋白组分成蛋白质组亚群，再用pH梯度小于2个pH单位的I
12、PG胶进行窄pH范围的分离。高高不不溶溶性性蛋蛋白白的的分分离离：主要还是要增加蛋白质的溶解度，采用顺序抽提法进行。碱碱性性蛋蛋白白：先将蛋白预处理以富集，再用特殊pH梯度的IPG胶条（如pH312、4-12或10-12）进行等电聚焦。其中窄范围碱性IPG胶（如pH10-12）的挑战是克服反向、阴极向阳极、电渗流和水平条纹模式，而宽范围的碱性IPG胶（如pH3-12、4-12）等消除了窄范围胶所需要的专门水化液。极极端端分分子子量量的的蛋蛋白白质质：小于8kD和大于200kD的蛋白在常规IPG-2D上不易看到，这可能是在常规Tris/glycine缓冲液中，样品和缓冲液中游离的dodelcyl
13、 sulfate ions将持续积累浓缩，与小分子量的蛋白质发生对流混合，产生茸毛状的或模糊的带，从而降低小蛋白的分辨率；在胶底端，高浓度的十二磺酸使蛋白固定致染色困难。至于高分子量蛋白少的原因可能是在变性条件下，蛋白质复合物变成了多肽，或者可能是大分子。样品中DNA的去除lDNA/RNA等可以同蛋白质形成超大分子量的复合物，从而影响蛋白质的电泳分离。l一般在用40mM Tris溶液裂解细胞时，加入DNA消化酶，即可有效去除DNA。l量：1ml溶解液中加入150300U的内切核酸酶，室温反应20min即可。蛋白载样量蛋白载样量影响影响IPG胶条对蛋白载样量的因素包括：胶条对蛋白载样量的因素包括
14、：l待分析的蛋白点的量应满足随后的质谱分析。l电泳的目的：如果只是得到一张好的图片，则无需考虑太多其它因素。l待研究蛋白的丰度：l样品的复杂度：复杂度较高的样品，为了尽可能的了解所包含的每种蛋白，需要反复实验才能完成。如果将待检样品被富集以后则更易分析。lIPG胶条的pH范围：样品制备和一向电泳时应严格防样品制备和一向电泳时应严格防止角蛋白的污染。止角蛋白的污染。双向电泳样品的其它来源双向电泳样品的其它来源lCell disruption:lImmunoprecipitation:lPlant cell sample:lSubcellular organelles:lMicrodissecti
15、on:样品液的准备标准液：ReagentAmount8M urea47ml of 8.5 stock or 24g urea in 25ml H2O50mM DTT or2mM TBP385mg or 500ul of 200mM TBP stock4%CHAPS2g0.2%carrier ampholytesSee next table0.0002%bromophenol blue100ul of 0.1%stockddH2OTo 50mlIPG pH RangeBio-Lyte Ampholyte(stock)rangeBio-Lyte Ampholyte(stock)Conc.(w/v)
16、Sample Solution VolumePer 5mlSample Solution VolumePer 50ml3-103/1040%25ul250ul4-74/640%12.5ul125ul5/740%12.5ul125ul3-63/540%25ul250ul4/640%12.5ul125ul5-85/840%25ul250ul7-107/940%12.5ul125ul8/1020%25ul250ulSuggested Bio-lyte ampholyte composition for IPG useReagentAmount7M urea4.1ml of 8.5 stock or
17、2.1g urea in 3ml H2O2M Thiourea760mg2mM TBP50ul of 200mM TBP stock4%CHAPS200mg0.2%carrier ampholytesSee table0.0002%bromophenol blue10ul of 0.1%stockddH2OTo 5mlMultiple chaotropic agent solution preparationReagentAmount5M urea2.9ml of 8.5 stock or 1.5g urea in 3ml H2O2M Thiourea760mg2mM TBP50ul of 2
18、00mM TBP stock2%CHAPS100mg2%SB3-10100mg0.2%carrier ampholytesSee table40mM Tris24.2mg0.0002%bromophenol blue10ul of 0.1%stockddH2OTo 5mlMultiple surfactant solution preparationIPG胶条的蛋白质大约载样量胶条的蛋白质大约载样量IPG Strip lengthAnalytical Load(silver staining)Preparative Load(Coom staining)7cm10100ug/125ul2005
19、00ug/125ul11cm50200ug/185ul2501000ug/185ul17cm100300ug/300ul13mg/300ulIEF的基本条件的基本条件Stemp 1Stemp 2Stemp 3totalvoltageTimeVolt-HoursRamp25020minLinear400040002hr10,000V-hrLinearRapid5 hr14,000V-hr7 cmStemp 1Stemp 2Stemp 3totaltotalStemp 1Stemp 2Stemp 311 cm17 cm25025080001000010000800020min20min2.5hr2
20、.5hr20,000V-hr40,000V-hr30,000V-hr50,000V-hr5.3 hr7 hrLinearLinearLinearLinearRapidRapidl非非变变性性2D-PAGE：两两向向均均在在非非变变性性条条件件下下进进行行，这这样样分分离离的的蛋蛋白白质质点点的的等等电电点点和和表表观观分分子子量量同同生生理理条条件件下下获获得得的的这这些些蛋蛋白白的的值值是是一样的；一样的；l非非变变性性/SDS-2D-PAGE：第第一一向向采采用用非非变变性性IEF，之之后后在在2%SDS溶溶液液中中平平衡衡；第第二二向向也也在在SDS存存在在的的条条件件下下进进行行。适适
21、于于分分析析非非共共价键连接的蛋白蛋白间的相互作用。价键连接的蛋白蛋白间的相互作用。l非非变变性性/还还原原/SDS-2D-PAGE：非非变变性性条条件件下下IEF聚聚焦焦，之之后后用用8M尿尿素素5%-ME2%SDS进进行行平平衡衡，再再进进行行第第二二向向SDS-PAG电电泳泳。此此时时分分离离的的蛋蛋白白质质点点可可进进行行点点的的切切取取、蛋蛋白白酶酶消消化化、MALDI-TOF-MS分分析析鉴鉴定定，提提供供关关于于断断裂裂二二硫硫键键连连接接的的多多肽肽的的信息。信息。l变变性性2D-PAGE：样样品品先先用用2%SDS5%-ME95变变性性5min，IEF在在8M尿尿素素1%NP-40条条件件下下进进行行，之之后后胶胶条条用用2%SDS5%-ME平平衡衡，然然后后进进行行SDS-PAGE。该该技技术术适适于于DNA序序列列和和多多肽肽结结构构的的分分析析，或或分分析析被被碳碳氢氢键键连连接接和和其其它它翻翻译译后后修修饰饰所所引引起起的的多多肽肽结结构构微微异异质质性性，但但此此方方式式显显示示的的大大于于100Kd的的蛋蛋白白质质点点少少于于第三种方式第三种方式双向电泳的分类双向电泳的分类