蛋白质组学在污染物微生物降解中的应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1. 2 蛋白质组学分析微生物对污染物的胁迫响应 1. 2. 1 细胞可溶蛋白质分析。细胞的胁迫响应不仅依赖于 一两个生理过程, 而是在整体水平协调众多生理过程的结 果。K mi 等 [ 10] 报道几 种多环 芳烃 诱导 M ycobacterium vanbaalenii PYR-1产生的蛋白质包括过氧化氢酶 - 过氧化物 酶、单加氧酶、双加氧酶、醛脱氢酶, 同时还检测到碳水化合 物代谢 相关蛋白、DNA 翻 译有关蛋 白、热激 蛋白、产能有关 蛋 白等。 Santos等[ 11] 分析了 P. pu tida KT2442在苯酚上生长时 的蛋白质组学, 发现与能量代谢、脂肪酸生物合成、细胞膜生 物合成、核酸代谢、转运等有关的蛋白表达都受到了调节。 Fanous等 [ 12] 研究了 C. glutam icum 暴露于除草剂 2, 4-二氯苯 氧乙酸时的蛋白质, 结果表明, 受到上调的蛋白除 ABC 转运 系统蛋白外, 还有 3个与能量代谢、细胞膜生物合成有关的 蛋白。Acinetobacter sp. EDP3在抵御苯酚胁迫时, 氧化应激蛋 白、热激蛋白 和 ABC 型糖转运蛋白 的表达增加 [ 13] 。T ang 等 [14]对 K lebsiella oxytoca 适应氰化物时的蛋白质组学研究显 示, 碳水化合物代谢、核酸代谢、氨基酸代谢、转运蛋白、应激
目前对自然界中的微生物群落研究较少, 如群落中不同 物种、菌株、个体之间如何相互作用及各自的功能, 微生物与 环境之间如何相互作用, 微生物如何应对环境条件的变化 等。蛋白质是生命活动的主要参与者与执行者, 利用宏蛋白 组学对微生物群落中的蛋白质表达进行分析, 能够跟踪新的 功能基因、代谢途径或者鉴定特殊压力下的蛋白质, 在环境 监测上具有巨大的应用价值。
摘要 对蛋白质组学技术在生物降解机制、细胞响应及环境宏蛋白质组学等方面的应用进行了综述。 关键词 蛋白质组学; 生物降解机制; 细胞响应; 宏蛋白质组学 中图分类号 X 51 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2011) 13- 07572- 02
A pp lication of Proteom ics in PollutantsM icrobe D egradation L IU B ing-shuang et al ( Schoo l ofH orticulture and L andscape A rch itecture, Southw estU niversity, Chongqing 400716) A bstract The application of proteom ics technolog ies in biodegradation m echanism, cellu lar response and m etaproteom ics was rev iewed. K ey w ords P roteom ics; Biodegrada tion m echanism s; Ce llular response; M etaproteom ics
以通过蛋白质图谱的变化从侧面了解微生物群落功能结构
的改变, R am 等 [23]从生物膜上分离到 2 033 个蛋白点, 48%
的蛋白属于生物膜上的优势菌株 L eptospirillum group II。
3 展望
微生物降解有毒化合物的途径和相关基因很多仍是未
知, 蛋白质组学分析可以清楚的显示参与有毒化合物的降解
W ilm es等 [ 20]以具有生物除磷作用的活性污泥为研究对 象, 提取和纯化了其中的总蛋白, 发现好氧和厌氧 2 种处理 条件下的蛋白质表达模式上存在差异, 并首次提出了宏蛋白 质组学: 对给定点的环境微生物群落的所有蛋白质组成进行 即时的大规模的分析。W ilm es等[ 21] 对活性污泥中的微生物 总蛋白质组进行了研究, 发现这些蛋白质主要是一些与代谢 有关的酶类。在环境受到污染时, 其环境中微生物群落所表 达的蛋白质可能有很大变化, 选取其中变化较大且稳定的蛋 白质分子, 作为环境功能生物指示物, 表征环境是否受污染。 S ingleton等[ 22] 对受镉污染的土壤中蛋白质进行定量分析发 现, 较未污染土壤相比, 其中的蛋白质含量显著下降。还可
2011-02-17
行分析, 能直接检测到参与代谢的功能蛋白, 分析污染物的 降解途径, 还能发现新的功能蛋白。对生长在浓度为 800 和 100 m g/L苯甲酸脂的 P. putida P8 进行蛋白质组学分析, 前 者检测到 8个蛋白, 其中 C atB、PcaI和 PcaF参与苯甲酸脂邻 位裂解, Dm pC、DmpD、DmpE、Dm pF和 Dm pG 参与苯甲酸脂 的间位裂解, 而后者的凝胶图谱上没有检测到间位裂解途径 相关酶, 说明 P. putida P8降解不同浓度苯甲酸脂的代谢途 径有差异 [5] 。对苯酚降解菌 P seudom onas sp. phDV 1在 100~ 1 000 m g /L不同苯酚浓度上生长时的蛋白质进行分析, 只检 测到间位开环酶邻苯二酚 2, 3-双加氧酶, 表明 P seudom onas sp. strain phDV1通过间位途径对苯酚进行分解, 同时该试验 显示苯酚浓度没有对其降解途径产生影响 [ 6] 。Y oon 等[ 7] 在 研究 A cinetobacter. lw ofg i K24苯甲酸脂时, 发现了一个新的邻 苯二 酚 1, 2-双 脱氧 酶 CatA3。比较 蛋白 质组 学分 析 Com am onas sp. 菌株 CNB-1 和菌株 CNB-2, 后者较前者缺失了 质粒 pCNB1, 不能利用 4-氯硝基苯为唯一碳源能源, 前者在 利用 4-氯硝基苯诱导表达了 7个与 4-氯硝基苯降解有关的 蛋白 [ 8] 。Q i等 [ 9] 分析了 Corynebacterium. G lutam icum 降解 4甲酚的蛋白组学, 发现了 2个新蛋白铁氧化还原蛋白铁和短 链脱氢酶。
途径酶和应激响应的蛋白质, 这对于构建功能蛋白质组数据
库具有极大意义。蛋白质组学技术在微生物群落等复杂群
安徽农业科学, Jou rn al ofAnhu iAgr.i Sc.i 2011, 39( 13): 7572 - 7573, 7598
责任编辑 李占东 Biblioteka Baidu任校对 况玲玲
蛋白质组学在污染物微生物降解中的应用
刘冰霜 1, 杨晓红 1* , 谭周亮 2, 刘庆华 2, 李旭东 2
( 1. 西南大学园艺园林学院, 重庆 400716; 2. 中国科学院成都生物研究所, 四川成都 610041)
微生物降解污染物具有安全、高效的特点, 成为环境治 理的理想方法。微生物对污染物的降解实际上是生物酶对 污染物的分解过程, 在此过程中微生物还会遭遇污染负荷, 理化性质受到影响, 蛋白质是生物功能的体现者, 这些影响 会通过蛋白质的表达差异体现出来。微生物蛋白质组学研 究, 能够鉴定与微生物活动有关的酶 /蛋白质, 从而了解其在 不同环境下的基因表达情况, 阐明微生物适应环境的相关机 制。此外, 微生物对污染物的降解往往是群落整体作用的结 果, 研究群落中总的蛋白质能够揭示菌群适应胁迫环境的独 特机制。笔者综述了蛋白质组学在污染物微生物降解中的 应用。 1 个体微生物的蛋白质组学分析 1. 1 微生物降解污染物机理 研究微生物对污染物的生物 降解机理可以通过检测、鉴定代谢过程中的关键中间产物, 但更直接的方法是分析降解过程中的酶类。传统方法是对 代谢过程中的相关酶进行含量测定、纯化并鉴定, 蛋白质组 学分析为生物降解机理研究提供了全新试验方法。 1. 1. 1 验证补充其他方法试验结果。蛋白质组学方法能够 对其他方法的研究结果进行验证补充。比较基因组学分析 推测 P seud om onas. pu tida KT2440 染色体至少编码了 4条途 径对芳香化合物进行分解, 包括 B-酮己二酸途径下的儿茶酚 支路和原儿茶酸支 路 2 个途 径, 尿 黑酸途 径和苯乙 酸途 径 [ 1] 。K mi 等[ 2]的蛋白质组学分析度试验通过对代谢酶的 鉴定, 验证了以上结果。 B in等 [3] 分析了 P. pu tida P8在苯酚 和谷氨酸钠存在下对 4-氯酚共代谢转化时的蛋白质组学, 16 个蛋白在双向型生长中表达有差异, 5 种降解苯酚和 4-氯酚 的酶在第 1个对数生长期含量较高, 而天门冬氨酸酶则在第 2次对数生长时含量较高, 说明 P. putida P8细胞在第 1 次生 长阶段利用苯酚, 在第 2次生长阶段利用谷氨酸盐 [ 3]。该试 验从蛋白质水平证实了 W ang 等 [4] 对 P. putida 共代谢 4-氯 酚的动力学研究。 1. 1. 2 直接检测功能蛋白。蛋白质组学方法是对全蛋白进
39卷 13 期
刘冰霜等 蛋白质组学在污染物微生物降解中的应用
75 73
响应等相关蛋白的表达发生了变化。胁迫因子不同, 细胞响 应也会有一些不同。蛋白质组学分析 P. putida KT2442 对甲 基叔丁醚的胁迫响应, 氧化应激蛋白 A hpC、SodM、SodF的表 达增加, 说明其受到了氧化压力 [ 15], 而 B enndor f等[ 16] 在另一 研究中报道, 氧化应激蛋白在 P. putida KT2442抵御 2, 4-二 氯苯氧乙酸等几种除草剂时不起主要作用。蛋白质组学分 析鉴定 P. putida KT2442对苯甲酸脂、p-羟苯酸盐、香兰素、苯 乙胺胁迫响应, 每种底物都使其氧化应激蛋白 Ahp表达下 降, 但 G rpE 和 DnaK 仅在苯甲酸脂和 p-羟苯酸盐培养的细胞 中受到上调 [ 2] 。 1. 2. 2 细胞膜蛋白质分析。目前蛋白质组学技术还不能完 全确定微生物基因组表达的所有蛋白质, 同时许多情况下也 没有必要分析基因组表达的所有蛋白质。随着凝胶分离技 术的发展, 膜蛋白组学研究逐渐增多。 Pessione等 [ 17] 分析了 A. rad ioresisten s S13在以乙酸盐、苯甲酸脂和苯酚 3种不同物 质为碳源上生长时的膜 (外膜和内膜 )蛋白, 二维电泳图谱分 析显示, 芳烃底物诱导了 Na+ /H + 反向转运体和 ABC 型糖转 运蛋白的表达, 外膜蛋白 Om pA-like protein, PhoE 家族的 1 个三聚蛋白和 2个糖基转移酶表达显著提高。这些蛋白涉 及到胞内 pH 值的稳定、芳烃物质的溶解性及吸收和膜的透 性。Rodriguesa等 [18] 分析了 P. pu tida KT2440突然暴露于致 毒浓度苯酚且适应之前的膜蛋白质组, 发现细胞膜对苯酚响 应发生在胁迫早期阶段, 细胞的响应包括一些已知或假定的 溶剂输出 泵系 统蛋白 亚基 ( T tgA, T tgC, T tg2A, T tg2C, PP _ 1516-7)表达增加, 孔蛋白 ( Op rB, OprF, Op rG, OprQ ) 表达降 低。分析苯甲酸脂诱导下 C orynebacterium g lu tam icum 的膜蛋 白组学, 结果显示为了适应苯甲酸脂, 细胞膜的生理发生了 很大变化, 即 40个蛋白的表达发生了变化, 呼吸链、饥饿响 应相关蛋白的表达增加, 硫代谢有关蛋白表达也发生了变 化, 同时还检测到 2个诱导合成的苯甲酸脂转运蛋白 BenK 和 B enE[ 19]。 2 微生物群落蛋白质组学分析 )) ) 宏蛋白质组学
基金项目
作者简介 收稿日期
中 国 科学 院 知识 创 新工 程重 要 方向 项 目 ( K SCX 2-YW-G055) ; 四川省科技厅项目 ( 07SG 005-001) ; 中国 科学院知识 创新工程领域前沿项目 ( YOB5011100) 。 刘冰霜 ( 1987- ), 女, 四 川金堂人, 硕 士研究生, 研究方向: 应用微生物。* 通讯作者。
目前对自然界中的微生物群落研究较少, 如群落中不同 物种、菌株、个体之间如何相互作用及各自的功能, 微生物与 环境之间如何相互作用, 微生物如何应对环境条件的变化 等。蛋白质是生命活动的主要参与者与执行者, 利用宏蛋白 组学对微生物群落中的蛋白质表达进行分析, 能够跟踪新的 功能基因、代谢途径或者鉴定特殊压力下的蛋白质, 在环境 监测上具有巨大的应用价值。
摘要 对蛋白质组学技术在生物降解机制、细胞响应及环境宏蛋白质组学等方面的应用进行了综述。 关键词 蛋白质组学; 生物降解机制; 细胞响应; 宏蛋白质组学 中图分类号 X 51 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2011) 13- 07572- 02
A pp lication of Proteom ics in PollutantsM icrobe D egradation L IU B ing-shuang et al ( Schoo l ofH orticulture and L andscape A rch itecture, Southw estU niversity, Chongqing 400716) A bstract The application of proteom ics technolog ies in biodegradation m echanism, cellu lar response and m etaproteom ics was rev iewed. K ey w ords P roteom ics; Biodegrada tion m echanism s; Ce llular response; M etaproteom ics
以通过蛋白质图谱的变化从侧面了解微生物群落功能结构
的改变, R am 等 [23]从生物膜上分离到 2 033 个蛋白点, 48%
的蛋白属于生物膜上的优势菌株 L eptospirillum group II。
3 展望
微生物降解有毒化合物的途径和相关基因很多仍是未
知, 蛋白质组学分析可以清楚的显示参与有毒化合物的降解
W ilm es等 [ 20]以具有生物除磷作用的活性污泥为研究对 象, 提取和纯化了其中的总蛋白, 发现好氧和厌氧 2 种处理 条件下的蛋白质表达模式上存在差异, 并首次提出了宏蛋白 质组学: 对给定点的环境微生物群落的所有蛋白质组成进行 即时的大规模的分析。W ilm es等[ 21] 对活性污泥中的微生物 总蛋白质组进行了研究, 发现这些蛋白质主要是一些与代谢 有关的酶类。在环境受到污染时, 其环境中微生物群落所表 达的蛋白质可能有很大变化, 选取其中变化较大且稳定的蛋 白质分子, 作为环境功能生物指示物, 表征环境是否受污染。 S ingleton等[ 22] 对受镉污染的土壤中蛋白质进行定量分析发 现, 较未污染土壤相比, 其中的蛋白质含量显著下降。还可
2011-02-17
行分析, 能直接检测到参与代谢的功能蛋白, 分析污染物的 降解途径, 还能发现新的功能蛋白。对生长在浓度为 800 和 100 m g/L苯甲酸脂的 P. putida P8 进行蛋白质组学分析, 前 者检测到 8个蛋白, 其中 C atB、PcaI和 PcaF参与苯甲酸脂邻 位裂解, Dm pC、DmpD、DmpE、Dm pF和 Dm pG 参与苯甲酸脂 的间位裂解, 而后者的凝胶图谱上没有检测到间位裂解途径 相关酶, 说明 P. putida P8降解不同浓度苯甲酸脂的代谢途 径有差异 [5] 。对苯酚降解菌 P seudom onas sp. phDV 1在 100~ 1 000 m g /L不同苯酚浓度上生长时的蛋白质进行分析, 只检 测到间位开环酶邻苯二酚 2, 3-双加氧酶, 表明 P seudom onas sp. strain phDV1通过间位途径对苯酚进行分解, 同时该试验 显示苯酚浓度没有对其降解途径产生影响 [ 6] 。Y oon 等[ 7] 在 研究 A cinetobacter. lw ofg i K24苯甲酸脂时, 发现了一个新的邻 苯二 酚 1, 2-双 脱氧 酶 CatA3。比较 蛋白 质组 学分 析 Com am onas sp. 菌株 CNB-1 和菌株 CNB-2, 后者较前者缺失了 质粒 pCNB1, 不能利用 4-氯硝基苯为唯一碳源能源, 前者在 利用 4-氯硝基苯诱导表达了 7个与 4-氯硝基苯降解有关的 蛋白 [ 8] 。Q i等 [ 9] 分析了 Corynebacterium. G lutam icum 降解 4甲酚的蛋白组学, 发现了 2个新蛋白铁氧化还原蛋白铁和短 链脱氢酶。
途径酶和应激响应的蛋白质, 这对于构建功能蛋白质组数据
库具有极大意义。蛋白质组学技术在微生物群落等复杂群
安徽农业科学, Jou rn al ofAnhu iAgr.i Sc.i 2011, 39( 13): 7572 - 7573, 7598
责任编辑 李占东 Biblioteka Baidu任校对 况玲玲
蛋白质组学在污染物微生物降解中的应用
刘冰霜 1, 杨晓红 1* , 谭周亮 2, 刘庆华 2, 李旭东 2
( 1. 西南大学园艺园林学院, 重庆 400716; 2. 中国科学院成都生物研究所, 四川成都 610041)
微生物降解污染物具有安全、高效的特点, 成为环境治 理的理想方法。微生物对污染物的降解实际上是生物酶对 污染物的分解过程, 在此过程中微生物还会遭遇污染负荷, 理化性质受到影响, 蛋白质是生物功能的体现者, 这些影响 会通过蛋白质的表达差异体现出来。微生物蛋白质组学研 究, 能够鉴定与微生物活动有关的酶 /蛋白质, 从而了解其在 不同环境下的基因表达情况, 阐明微生物适应环境的相关机 制。此外, 微生物对污染物的降解往往是群落整体作用的结 果, 研究群落中总的蛋白质能够揭示菌群适应胁迫环境的独 特机制。笔者综述了蛋白质组学在污染物微生物降解中的 应用。 1 个体微生物的蛋白质组学分析 1. 1 微生物降解污染物机理 研究微生物对污染物的生物 降解机理可以通过检测、鉴定代谢过程中的关键中间产物, 但更直接的方法是分析降解过程中的酶类。传统方法是对 代谢过程中的相关酶进行含量测定、纯化并鉴定, 蛋白质组 学分析为生物降解机理研究提供了全新试验方法。 1. 1. 1 验证补充其他方法试验结果。蛋白质组学方法能够 对其他方法的研究结果进行验证补充。比较基因组学分析 推测 P seud om onas. pu tida KT2440 染色体至少编码了 4条途 径对芳香化合物进行分解, 包括 B-酮己二酸途径下的儿茶酚 支路和原儿茶酸支 路 2 个途 径, 尿 黑酸途 径和苯乙 酸途 径 [ 1] 。K mi 等[ 2]的蛋白质组学分析度试验通过对代谢酶的 鉴定, 验证了以上结果。 B in等 [3] 分析了 P. pu tida P8在苯酚 和谷氨酸钠存在下对 4-氯酚共代谢转化时的蛋白质组学, 16 个蛋白在双向型生长中表达有差异, 5 种降解苯酚和 4-氯酚 的酶在第 1个对数生长期含量较高, 而天门冬氨酸酶则在第 2次对数生长时含量较高, 说明 P. putida P8细胞在第 1 次生 长阶段利用苯酚, 在第 2次生长阶段利用谷氨酸盐 [ 3]。该试 验从蛋白质水平证实了 W ang 等 [4] 对 P. putida 共代谢 4-氯 酚的动力学研究。 1. 1. 2 直接检测功能蛋白。蛋白质组学方法是对全蛋白进
39卷 13 期
刘冰霜等 蛋白质组学在污染物微生物降解中的应用
75 73
响应等相关蛋白的表达发生了变化。胁迫因子不同, 细胞响 应也会有一些不同。蛋白质组学分析 P. putida KT2442 对甲 基叔丁醚的胁迫响应, 氧化应激蛋白 A hpC、SodM、SodF的表 达增加, 说明其受到了氧化压力 [ 15], 而 B enndor f等[ 16] 在另一 研究中报道, 氧化应激蛋白在 P. putida KT2442抵御 2, 4-二 氯苯氧乙酸等几种除草剂时不起主要作用。蛋白质组学分 析鉴定 P. putida KT2442对苯甲酸脂、p-羟苯酸盐、香兰素、苯 乙胺胁迫响应, 每种底物都使其氧化应激蛋白 Ahp表达下 降, 但 G rpE 和 DnaK 仅在苯甲酸脂和 p-羟苯酸盐培养的细胞 中受到上调 [ 2] 。 1. 2. 2 细胞膜蛋白质分析。目前蛋白质组学技术还不能完 全确定微生物基因组表达的所有蛋白质, 同时许多情况下也 没有必要分析基因组表达的所有蛋白质。随着凝胶分离技 术的发展, 膜蛋白组学研究逐渐增多。 Pessione等 [ 17] 分析了 A. rad ioresisten s S13在以乙酸盐、苯甲酸脂和苯酚 3种不同物 质为碳源上生长时的膜 (外膜和内膜 )蛋白, 二维电泳图谱分 析显示, 芳烃底物诱导了 Na+ /H + 反向转运体和 ABC 型糖转 运蛋白的表达, 外膜蛋白 Om pA-like protein, PhoE 家族的 1 个三聚蛋白和 2个糖基转移酶表达显著提高。这些蛋白涉 及到胞内 pH 值的稳定、芳烃物质的溶解性及吸收和膜的透 性。Rodriguesa等 [18] 分析了 P. pu tida KT2440突然暴露于致 毒浓度苯酚且适应之前的膜蛋白质组, 发现细胞膜对苯酚响 应发生在胁迫早期阶段, 细胞的响应包括一些已知或假定的 溶剂输出 泵系 统蛋白 亚基 ( T tgA, T tgC, T tg2A, T tg2C, PP _ 1516-7)表达增加, 孔蛋白 ( Op rB, OprF, Op rG, OprQ ) 表达降 低。分析苯甲酸脂诱导下 C orynebacterium g lu tam icum 的膜蛋 白组学, 结果显示为了适应苯甲酸脂, 细胞膜的生理发生了 很大变化, 即 40个蛋白的表达发生了变化, 呼吸链、饥饿响 应相关蛋白的表达增加, 硫代谢有关蛋白表达也发生了变 化, 同时还检测到 2个诱导合成的苯甲酸脂转运蛋白 BenK 和 B enE[ 19]。 2 微生物群落蛋白质组学分析 )) ) 宏蛋白质组学
基金项目
作者简介 收稿日期
中 国 科学 院 知识 创 新工 程重 要 方向 项 目 ( K SCX 2-YW-G055) ; 四川省科技厅项目 ( 07SG 005-001) ; 中国 科学院知识 创新工程领域前沿项目 ( YOB5011100) 。 刘冰霜 ( 1987- ), 女, 四 川金堂人, 硕 士研究生, 研究方向: 应用微生物。* 通讯作者。