0 引 言
2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)是一种由于胰岛素作用异常导致糖、脂代谢紊乱,以慢性高血糖为特征的一组代谢性疾病
[1],调查数据显示,2014年全球有3.78亿T2DM患者,预计到2035年,T2DM患者将达到6亿
[2],而且预计有1/3甚至1/2的糖尿病患者未被诊断
[3]。2018年我国糖尿病患病率是12.8%
[4],其中90%~95%是T2DM。T2DM严重威胁人类的生活质量甚至是生命安全,已经成为重大的公共卫生问题。
Afamin是白蛋白基因家族的成员
[5],主要在肝脏中表达,通过分泌进入血浆,也存在于脑脊液、卵泡等生物体液
[6]。流行病学调查显示,血清Afamin与胰岛素抵抗密切相关
[7],与T2DM高危因子如高血压发生率、腰围增加、高密度脂蛋白下调、甘油三酯上调和葡萄糖浓度增加等显著正相关
[8];Afamin浓度每增加10 mg/L,T2DM患病风险增至原来的1.19倍
[9]。另外,Afamin还可协助维持Wnt蛋白的活性
[10],而Wnt蛋白会引发线粒体的氧化应激,导致胰岛素抵抗、促进脂肪的合成进而增加T2DM的易感性
[11~14]。因此,Afamin与糖尿病的发生发展密切相关。但也有研究表明,Afamin可以促进葡萄糖的代谢吸收
[15],且具有特异性转运α和γ维生素E(维生素E最重要的两种形式)的功能
[5,6,15,16],而维生素E可通过清除自由基、减少过氧化脂质形成来缓解氧化应激
[17]。因此,Afamin与糖尿病的相关性有待进一步研究。
糖基化修饰是最重要的蛋白质翻译后修饰之一,糖基化修饰与糖尿病的发生和发展密切相关,Afamin是一种有15%糖含量的87 ×10
3糖蛋白,存在5个预测的糖基化修饰位点,90%以上的Afamin上存在2~6和2~3唾液酸双触角结构
[6],但目前血清Afamin糖基化修饰研究较少
[6,18],基于Afamin糖基化分析其与糖尿病相关性的研究尚未见报道。
本研究通过免疫印迹和酶联免疫的方法研究T2DM血清Afamin的变化趋势,并进一步利用同位素标记相对和绝对定量方法(isobaric tags for relative and absolute quantitation, iTRAQ)和免疫印迹的方法探讨并验证T2DM病人血清中Afamin糖基化修饰状态的变化。
1 材料与方法
1.1 样品收集
本实验血清样本来源于深圳市公共卫生防治项目“生物标志物在糖尿病预防控制中的推广应用”。采用2014年美国糖尿病学会指定的T2DM诊断标准
[19],随机选取健康对照26例,T2DM病人46例,T2DM组纳入标准为:血压正常,无其他器质性病变,随机血糖值≥11.1 mmol/L且伴有糖尿病典型症状、FPG(空腹血糖)值≥7.0 mmol/L(有糖尿病症状或者无糖尿病症状但两天FPG值 ≥7.0 mmol/L)、OGTT(2 h)值≥11.1 mmol/L(有糖尿病症状或者无糖尿病症状两天OGTT(2 h)值≥11.1 mmol/L);健康对照纳入标准为:血压正常,无其他器质性病变,FPG值<5.6 mmol/L。本研究通过本中心伦理委员会审批,所有受试者均签署知情同意书。
1.2 仪器、试剂及材料
仪器:1100型高效液相系统(Agilent公司),Triple TOFTM 5600型高效液相质谱联用系统(LC-MS/MS,AB SCIEX公司),Mini-PROTEAN@Tetra System型电泳仪(Bio-Rad公司),GS-800型凝胶成像系统(Bio-Rad公司),Chemidoc MP型化学发光成像系统(Bio-Rad公司),Multiskan GO型全波长酶标仪(Thermo Scientific公司),SPD1010型真空离心浓缩仪(Thermo Scientific公司)。
试剂与材料:蛋白G(Protein G)琼脂糖填料(5 mL,生化级,GE Health公司),伴刀豆凝集素填料Con A(5 mL, 生化级,Sigma公司),碘代乙酰胺(5 g,生化级,Sigma公司),二硫苏糖醇 (5 g,电泳级,Bio-Rad公司),十二烷基硫酸钠(SDS,100 g,电泳级,Bio-Rad公司),胰蛋白酶(100 μg,质谱级,Promega公司),iTRAQ标记试剂(八标,质谱级,AB SCIEX公司),ECL化学发光剂(200 mL,电泳级,Bio-Rad公司)、Afamin抗体(100 μL,电泳级,Abcam公司),HRP(辣根过氧化物酶)标记抗山羊IgG抗体(100 μL,生化级,爱必信公司),一抗稀释液(100 mL,生化级,碧云天公司),4×蛋白电泳上样缓冲液(10 mL, 电泳级,Bio-Rad公司)。Afamin酶联免疫试剂盒(96孔,USCN公司);实验用水为Milli-Q纯水仪纯化去离子水。
1.3 实验方法
1.3.1 血清中Afamin及高甘露糖型Afamin的相对定量分析
1.3.1.1 样品制备
1) 血清Afamin样品。选取T2DM组和健康对照(CON)样本各3例(男/女比例为1∶2,年龄介于45~60岁之间),血清用去离子水稀释10倍,考马斯亮蓝法测定血清总蛋白质浓度
[20],根据蛋白质浓度确定上样量和体积。加入4×上样缓冲液,样品含50 μg蛋白质。沸水浴5 min,使蛋白变性,短时离心,取上清一式两份上样。
2) 高甘露糖型Afamin样品。凝集素富集已经广泛应用于富集糖蛋白
[21,22],根据Con A可特异性识别高甘露糖的特性
[22~24],使用Con A富集血清中的高甘露糖型糖蛋白。伴刀豆凝集素Con A Sepharose
TM 4B装入离心旋转柱,等量T2DM组和CON组血清蛋白质样本使用结合缓冲液 (20 mmol/L Tris-HCl/0.5 mol/L NaCl/1 mmol/L MnCl
2 /1 mmol/L CaCl
2)。稀释后经0.45 μm滤膜过滤,处理后血清样本加至已经平衡好的Con A亲和柱,4 ℃摇匀过夜,离心(1 000
g)收集流穿液,10倍样本体积结合缓冲液冲洗柱子5次并回收冲洗柱子 结合缓冲液,与流穿液(the flow through)合并,使用10倍样本体积0.3 mol/L 甲基-
α-
D-吡喃葡萄糖苷(methyl-
α-
D-glucopyranoside)/20 mmol/L Tris-HCl /0.5 mol/L NaCl (pH 7.4) 冲洗柱子5次,洗脱与Con A结合糖蛋白质,收集洗脱蛋白质(the eluate),3×10
3超滤管浓缩流穿蛋白样品以及洗脱蛋白样品至等体积。
1.3.1.2 Western Blot分析
用12% SDS-聚丙烯酰胺凝胶分离蛋白质样品,并将蛋白质转印至0.45 μm聚偏二氟乙烯膜(polyvinylidene fluoride, PVDF)膜,5%(m/V)脱脂牛奶封闭,加入抗Afamin抗体后,置于冰箱4 ℃保鲜层孵育过夜,然后加入HRP标记的二抗孵育,最后,加入ELC显影液进行显色,利用化学发光成像系统进行显影,利用相对灰度值表示对应蛋白质含量。其中,在分析血清Afamin在T2DM人群中变化趋势时,蛋白质样品一式两份上样,其中1份已分离血清样本考马斯亮蓝染色作为上样参照。
1.3.2 血清中Afamin绝对定量分析
选取T2DM组病人46例,健康对照组26例。T2DM、健康对照纳入标准参考样品收集。血清样品稀释800倍后采用酶联免疫(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)法测定Afamin的浓度。
1.3.3 血清Afamin蛋白高甘露糖型糖基化异质性分析
用Con A富集血清高甘露糖型糖蛋白(方法参考1.3.1.1节中Con A富集血清高甘露型糖蛋白),原血清、流穿蛋白质样品及洗脱蛋白质样品经12% SDS-聚丙烯酰胺凝胶分离转印至PVDF膜并用脱脂牛奶封闭。抗Afamin抗体4 ℃孵育过夜后加入HRP标记的二抗孵育。最后,加入ELC显影液显色,利用化学发光成像系统进行显影和灰度统计。
1.3.4 高甘露糖型Afamin蛋白的定量分析
同位素标记相对和绝对定量(isobaric tags for relative and absolute quantitation, iTRAQ)方法利用多种同位素试剂标记蛋白质多肽N末端或赖氨酸侧链基团,经高精度质谱仪串联分析,可同时比较多达8种样品之间的蛋白质表达量,是近年来定量蛋白质组学常用的高通量筛选技术
[25,26]。iTRAQ实验中,iTRAQ试剂包括三部分,报告基团、平衡基团和肽反应基团。报告基团和平衡基团搭配,保证被标记的不同来源的同一肽段在一级质谱中具有相同的质荷比,肽反应基团能与肽段N端及赖氨酸(K)侧链氨基发生共价连接使肽段连上标记。
1) 样品制备。6例T2DM组血清样品,3例合成一组,分为2组;6例健康对照血清,3例合成一组,分为2组;入组标准见1.1节样品收集。Protein G去除血清蛋白质中的IgG, Con A富集高甘露糖型N-糖蛋白质,方法参考1.3.1.1节Con A富集高甘露糖型血清糖蛋白。
2) FASP(filter aided sample preparation)酶解法胰蛋白酶酶切。蛋白质样品加入10 mmol/L二硫苏糖醇于37 ℃孵育1 h,40 mmol/L碘代乙酰胺室温避光孵育15 min,加入胰蛋白酶37 ℃孵育过夜,回收多肽混合物,真空冷冻成干粉。
3) iTRAQ 标记。用20 mmol/L三乙胺碳酸缓冲液(TEAB)重悬酶切多肽混合物并将每组样品分为两份。从冰箱取出iTRAQ八标标记试剂,平衡到室温。瞬时离心,向每管iTRAQ试剂中加入异丙醇,涡旋振荡溶解,瞬时离心。将制备好的iTRAQ标记试剂分别添加到酶切多肽混合物中,加样顺序如下:第一组健康对照组分别加入iTRAQ标记试剂113和114,第一组T2DM组分别加入iTRAQ标记试剂115和116,第二组健康对照组分别加入iTRAQ标记试剂117和118,第二组T2DM组分别加入iTRAQ标记试剂119和121。涡旋振荡混匀并瞬时离心,室温反应2 h,加入100 μL去离子水终止反应(30 min)。标记结束后,8组样品混合,真空冷冻干燥机旋干混合多肽样品。
4) LC-MS/MS分离分析。用30 μL 0.1%甲酸/2%乙腈重悬标记后多肽样品,LC-MS/MS进行分析,上样泵流速2 μL/min, 16 min,分离流速0.3 μL/min,流动相A为2%乙腈/0.1%甲酸,流动相B为98%乙腈/0.1%甲酸。0.1 min至60 min流动相B从8%逐渐增至24%; 60~85 min,流动相B从24%逐渐增至45%;86~90 min,使用80%流动相B冲洗;最终(91~100 min),流动相B恢复至5%。质谱(MS)参数设置如下:离子喷雾电压2.3 kV, 去簇电压80 V,扫描质荷比范围100~1 500,动态排出时间25 s。
5) 质谱数据分析。质谱数据使用Protein PilotTM Software 4.5软件检索分析,检索条件:样品类型iTRAQ八标(多肽标记)。半胱氨酸修饰:碘代乙酰胺。蛋白酶种类:胰蛋白酶。修饰类别:生物修饰。数据库:SwissProt, Homo sapiens。结果依据蛋白得分(Unused ProtScore)>0.05筛选过滤。
1.3.5 统计学分析
使用Graphpad prism 5.0软件对数据进行统计和分析,T2DM组和健康对照组之间的比较采用非配对双尾t检验(Unpaired t test),具有统计学意义标准:p<0.05。
2 结 果
2.1 T2DM组血清Afamin蛋白质浓度变化
以考马斯亮蓝染色定量选取样本的血清总蛋白质的量,并以此为依据校正Western Blot实验中各样本的上样量。随机选取T2DM组(或健康对照组)6例血样,每两例混合为1个血样,得到3份T2DM1~3血样(或CON1~3),分析血清Afamin蛋白质浓度的变化。如
图1A所示,与健康对照组相比,T2DM组血清中Afamin灰度明显较高。非配对双尾
t检验分析Western Blot显示的相对浓度,如
图1B所示,T2DM组血清Afamin相对浓度显著上调(
p=0.010 1)。
ELISA法测定46例T2DM病人和26例健康对照者血清Afamin浓度,结果显示T2DM组血清Afamin浓度为6.03±0.19 μg/mL,健康对照组血清Afamin浓度为5.07±2.12 μg/mL,且T2DM组与健康对照组血清总Afamin浓度具有显著性差异(
p=0.001 9)(
图2),即T2DM组较健康对照组血清总Afamin浓度显著性上调。ELISA法测得数据与Western Blot数据变化趋势一致,进一步验证了T2DM病人血清Afamin呈显著性上调这一变化趋势。
2.2 血清Afamin高甘露糖型糖基化修饰的异质性分析
Western Blot分析等质量血清蛋白质(crude serum)、Con A亲和层析流穿蛋白质(the flow through)以及洗脱蛋白质(the eluate)。
图3结果显示:原血清蛋白质和洗脱蛋白质样品中均检测到Afamin,流穿液蛋白质样品中未检测到Afamin,即血清中Afamin被Con A结合。根据Con A特异性结合高甘露糖型糖蛋白性质,得到进一步结论,血清Afamin均存在高甘露糖型糖基化修饰。
2.3 T2DM组高甘露糖型Afamin蛋白质浓度变化
同位素标记效率是决定iTRAQ实验成败的关键因素,本研究中赖氨酸K上的同位素标记效率为100%,N端标记效率约为95%。
检测到可信度不小于95%的Afamin肽段165条,其中非冗余肽段26条,部分肽段的LC-MS/MS图谱如
图4A,B所示。检测到Afamin肽段的氨基酸覆盖率达到65.9%,可信度不小于95%的肽段的氨基酸覆盖率达到35.56%。同时,在匹配成功的Afamin肽段的LC-MS/MS图谱中出现了
N-乙酰氨基葡萄糖(
N-acetylhexosamine, HexNAc,
m/z 138.06,
m/z 204.09)、唾液酸(
N-acetylneuraminic acid, NeuAc,
m/z 274.10,
m/z 292.11)以及甘露糖+
N-乙酰氨基葡萄糖366.14(Hex(hexose)+ HexNAc)等特征性糖苷碎片离子
[27~30]。iTRAQ定量分析结果(略)显示,与健康对照相比较,高甘露糖型Afamin在T2DM组血清中呈显著性上调(iTRAQ相对定量数据显示,T2DM组血清蛋白质Afamin是健康对照组血清蛋白质Afamin的2倍甚至更多,且
p<0.05)。
利用Western Blot分析T2DM组Con A富集高甘露糖型Afamin的差异,结果如
图5A,B所示,显示高甘露糖型Afamin在T2DM组血清中显著性上调(
p=0.046 2)。
3 讨 论
虽然动物实验及流行病学调查数据显示,血清Afamin上调与体重、腰围、血脂、血糖胰岛素抵抗等T2DM发病高危因素密切相关
[3,19],且Afamin可通过激活Wnt通路增加T2DM的易感性
[10~14]。但目前将Afamin与T2DM直接关联的研究很少。本研究将血清Afamin、高甘露糖型Afamin与T2DM进行关联,结果显示,T2DM病人血清Afamin呈上调趋势,且这一变化趋势与之前的流行病学调查数据相吻合
[9]。
以往Afamin功能研究显示,一方面,Afamin能够特异性转运抗氧化剂维生素E
[6],而维生素E可以减轻氧化应激
[12]。T2DM病人体内转运维生素E的载体Afamin浓度上调,抗氧化能力应当增强,缓解氧化应激能力也应增强,然而事实是T2DM病人的氧化应激并未得到有效缓解。这可能是由于T2DM病人的Afamin转运维生素E的能力减弱,影响了抗氧化能力所致。另一方面,Afamin可通过调节糖代谢相关酶如葡萄糖转运蛋白甘油醛3-磷酸脱氢酶(GAPDH)、己糖激酶2的表达促进葡萄糖吸收代谢
[15]。然而T2DM病人的Afamin浓度上调并未有效缓解T2DM的高血糖状况,可能是由于其血清Afamin的促葡萄糖吸收代谢能力减弱所致。推测T2DM病人血清Afamin上述两方面能力减弱的原因可能是Afamin的三维结构发生了改变,即Afamin的糖基化修饰状态的改变减弱了它转运维生素E和促进葡萄糖代谢吸收的能力。
以往研究数据显示Afamin是一种糖蛋白
[6],而本研究数据进一步揭示,血清Afamin都存在高甘露糖型糖链,这一发现在以往的研究中未提及。本研究还发现,Con A富集所得高甘露糖型血清Afamin在T2DM中显著性上调。高甘露糖型糖链是一种N-连接型糖链,在正确折叠的蛋白从内质网转移至高尔基体过程中发挥重要作用
[31]。高甘露糖型糖链的变化与疾病密切相关,T2DM病人以及糖尿病肾病血清中Con A结合的高甘露糖型Apo A4的增高或可预测糖尿病病人的肾脏损伤程度
[32],而胆管瘤病人血清中高甘露糖的上调可能与其肿瘤的发展相关
[33]。本研究还显示T2DM病人血清高甘露糖型Afamin浓度上调,可能是由Afamin的总表达量上调引起的,也可能是T2DM病人血清中高甘露糖型Afamin的比例增高的结果,或两者兼有。结合T2DM病人血清Afamin增高与其功能的结果,极有可能是高甘露糖型Afamin的比例发生了改变,甚至是糖基化结构发生改变,使Afamin构象发生变化,影响了Afamin的生物功能。这些推测还需要进一步的实验数据支撑,有待更深层次的研究。
4 结 语
本研究通过Western Blot、ELISA、iTRAQ等方法探讨并验证T2DM病人中血清总Afamin以及高甘露糖型Afamin的变化趋势,并结合Con A亲和层析和Western Blot分析血清Afamin的高甘露糖型糖基化修饰异质性。实验结果表明,血清Afamin在T2DM病人中发生显著上调,所有Afamin都存在高甘露糖型糖链,且高甘露糖型血清Afamin在T2DM病人中也发生显著性上调。有关Afamin高甘露糖基化修饰及其在T2DM病人中的变化这一结论在已发表文献中尚未提及。这一发现可望为进一步探究Afamin在T2DM发生发展中的作用提供实验依据。T2DM中血清Afamin的糖代谢功能可能被糖基化修饰影响,从而导致胰岛素抵抗,这一推测还有待深入研究。
国家自然科学基金(81673168)
国家自然科学基金(81202207)
广东省医学科学技术研究基金(A2020179)
深圳市卫生计生系统科研项目(SZXJ2017010)
深圳市科创委基础研究项目(JCYJ20170307144652484)