Anal. Chem. | 基于PRM技术通过靶向蛋白质组学方法对热休克蛋白的黑色素瘤转移抑制剂研究

编者按

热休克蛋白是一类分子伴侣蛋白，在应激过程中参与蛋白质折叠、细胞周期调控、细胞保护等功能。通过对热休克蛋白的综合分析将有助于药物的研发和癌症的治疗。

随着质谱技术在蛋白质组学分析中的广泛应用，却未能解决目前热休克蛋白主要依赖于低通量WB分析的问题。本期文章利用MRM/PRM模式的靶向蛋白质组学分析方法为复杂样品定量分析提供了更好的准确性和特异性。

 

 

前言

 

本篇为来自加州大学河滨分校化学系Yinsheng Wang教授团队在Analytical chemistry 上发表的题为"靶向蛋白质组学方法分析热休克蛋白揭示DNAJB4为黑色素瘤转移的抑制剂"研究文章。该文章基于PRM靶向定量蛋白质组学方法对热休克蛋白研究，并进一步应用该方法来评估黑色素瘤转移过程中HSPs的变化。

 

 

材料：黑色素瘤细胞系

影响因子：6.35

发表期刊：Analytical Chemistry                   

主要技术：PRM技术 靶向蛋白质组学

中文标题：靶向蛋白质组学方法分析热休克蛋白揭示DNAJB4为黑色素瘤转移的抑制剂

英文标题：A Targeted Proteomic Approach for Heat Shock Proteins Reveals DNAJB4 as a Suppressor for Melanoma Metastasis

 

 

研究背景
 

热休克蛋白是参与蛋白质折叠的分子伴侣蛋白。本研究通过PRM技术靶向定量人体热休克蛋白质组。该方法覆盖约70％的人体热休克蛋白质组，并展示出比鸟枪法蛋白质组学更高的通量和灵敏度。随后通过PRM技术评估三对原发性/转移性黑色素瘤细胞系中热休克蛋白的差异表达。在每对细胞系中可定量约45个热休克蛋白，定量结果显示DNAJB4在三个转移性黑色素瘤细胞系中下调。TCGA数据表明DNAJB4的低表达预示着黑色素瘤患者不良预后。而且发现DNAJB4通过减少基质金属蛋白酶2和9（MMP-2和MMP-9）的表达和活性从而抑制培养的黑色素瘤细胞的侵袭。本研究首次通过靶向蛋白质组学建立了人类热休克蛋白质组，并发现DNAJB4是黑色素瘤转移的抑制剂。

 

 

研究方法
 

1）细胞培养

2）siRNAs测序

3）LC-PRM分析

4）TCGA数据分析

 

 

研究结果 

 

1.热休克蛋白高通量PRM定量分析方法的建立

作者通过建立一种基于平行反应监测（PRM）的高通量分析方法，定量分析人类热休克蛋白组。作者首先构建了PRM数据库，利用shotgun蛋白质组学对来自人类组织中的不同细胞系被消化的胰蛋白酶混合物分析，获得热休克蛋白肽的保留时间、MS和MS/MS数据。通过200多次的LC-MS/MS鉴定到11879个蛋白。通过筛选确定了可定量热休克蛋白数目及覆盖率（图1）。
 

图1 |可定量热休克蛋白数目及覆盖率

 

2.LC-PRM分析显示黑色素瘤转移过程中热休克蛋白的差异表达

为了评估黑色素瘤转移过程中热休克蛋白组的重新编程，作者在PRM模式下运用靶向蛋白组学方法来评估三对的原发性/转移性黑色素瘤细胞（（即WM-115/WM-266-4、IGR-39/IGR-37和WM-793/1205Lu）中HSPs的差异表达。图2）
 

图2 | 靶向蛋白质组方法的实验策略

 

在WM-115/WM-266-4对黑色素瘤细胞系中量化了48个独特的HSP（图3a）。热休克蛋白的所有定量肽在库中观察到的保留时间和iRT之间表现出良好的线性拟合。此外，对比鸟枪蛋白质组分析获得的MS/MS中发现的相同片段离子，表明此方法对于肽具有高度的识别。
 

图3 | WM-115/WM-266-4对黑色素瘤细胞热休克蛋白的差异表达

 

同时，所有量化的热休克蛋白都出现在正向和反向标记实验中（图4b）。从正向和反向标记实验获得的定量肽的比率显示出良好的线性拟合（图4c）。在IGR-39/IGR-37和WM793/1205Lu配对黑色素瘤细胞中分别检测到43个和44个独特的热休克蛋白。定量结果的可靠性和重复性与从WM-115/WM-266-4配对黑色素瘤细胞获得的结果相似。对于作者的量化结果显示，相对于相应的转移性（WM-266-4、IGR-37和1205Lu）黑色素瘤细胞（图3a），7、10和20个热休克蛋白在原代细胞（分别为WM-115、IGR-39和WM-793细胞）中上调，18、8和5个热休克蛋白下调。作者也应用Western blot技术检测DNAJB4、DNAJC3和DNAJB1（HSP40）在配对的WM115/WM-266-4黑色素瘤细胞中的差异表达。从Western blot获得的比率与从PRM分析获得的比率一致（图5a），表明PRM方法能够准确地分析热休克蛋白的差异表达。同时，我们发现HSPB1 (HSP27)在A375恶性黑色素瘤细胞中具有抑制侵袭能力和分泌基质金属蛋白酶(MMPs)活性的作用，而在WM-115和IGR-39这两个黑色素瘤原代细胞中，HSPB1 (HSP27)表达上调(图4d)。
 

图4 | 基于prm的靶向蛋白组学方法研究热休克蛋白在黑色素瘤转移过程中表达的干扰

 

3.DNAJB4在转移性黑色素瘤细胞中普遍下调，并调节培养黑色素瘤细胞的侵袭能力

如上所述，作者利用PRM方法揭示了已知的黑色素瘤转移抑制因子—即HSPB1的差异表达。作者接下来研究是否有其他差异表达的热休克蛋白可能作为黑色素瘤转移的驱动或抑制因子。作者发现DNAJP4在所有三个转移性黑色素瘤细胞中相对于相应的原发性黑色素瘤细胞均下调，作者通过Western blot分析证实了这一点（图5a-c）。此外，癌症基因组图谱（TCGA）数据的Kaplan-Meier生存分析显示，DNAJP4基因mRNA表达水平较低的黑色素瘤患者预后较差（图5d），表明DNAJP4可能抑制黑色素瘤转移。
 

图5 | DNAJB4在转移性黑色素瘤细胞中下调

 

在此基础上，DNAJB4先前被证明是肺癌转移的抑制因子。为了探讨DNAJB4在黑色素瘤转移中的潜在作用，作者接下来研究了DNAJB4的表达水平如何调节WM-115和WM-266-4细胞的迁移和侵袭能力。作者的研究结果显示，使用siRNA研究DNAJB4的表达后，WM-115细胞的侵袭能力显著增强（图6a）。相反，DNAJB4异位过表达导致WM-266-4细胞侵袭能力降低（图6a）。然而，通过基因调控DNAJB4的表达水平，WM-115和WM-266-4细胞的迁移能力未见明显改变（图6b）。同样，我们发现DNAJP4的异位过表达尽管没有观察到迁移能力的明显改变（图6b），却导致了其他两个转移性黑色素瘤细胞系（即IGR-37和1205Lu细胞，图6a）侵袭能力的显著降低。此外，siRNA介导的DNAJB4在其他两种原发性黑色素瘤细胞系（即IGR-39和WM-793）中的敲除导致迁移和侵袭能力显著提高（图6a、图6b）。以上结果提示，DNAJB4可抑制培养细胞的黑色素瘤转移。
 

图6 | DNAJB4调节黑色素瘤细胞的侵袭能力

 

 

4.DNAJP4通过调节基质金属蛋白酶抑制黑色素瘤细胞侵袭

证明了DNAJB4在抑制黑色素瘤细胞侵袭能力方面的作用后，作者接下来探讨了DNAJB4调控黑色素瘤细胞侵袭能力的机制。基质金属蛋白酶（MMPs）是一种与癌症相关的的内肽酶，在降解细胞外基质（ECM）蛋白和促进肿瘤转移方面发挥着重要作用。此外，转移癌细胞的MMPs水平往往比原发癌细胞高。在人类MMPs中，MMP-2（明胶酶A）和MMP-9（明胶酶B）是两种主要的蛋白酶，它们负责重塑ECM环境和促进肿瘤转移。

 

为了研究MMP-2和MMP-9在DNAJB4介导的黑色素瘤细胞侵袭能力改变中的潜在作用，我们用明胶酶谱分析法评估了DNAJB4表达水平对黑色素瘤细胞分泌MMP活性的影响。作者的结果表明，在DNAJB4异位高表达的转移性黑色素瘤细胞系（WM-266-4、IGR-37和1205Lu）中，分泌MMP-2和MMP-9的活性降低（图7）。另一方面，sirna介导的DNAJB4基因敲除导致三种原发性黑色素瘤细胞（WM-115、IGR-39和WM-793）MMP-2和MMP-9活性显著升高。图7），表明DNAJB4抑制分泌MMPs的活性。
 

图7 | DNAJB4调节MMP-2和MMP-9的酶活性

 

作者还通过qRT-PCR评估了黑色素瘤细胞中MMP2和MMP9基因的mRNA表达水平是如何被DNAJB4的表达水平调节的。作者的结果表明，在转移性黑色素瘤细胞系（WM-266-4、IGR-37和1205Lu）中，DNAJP4的异位过表达抑制了MMP2和MMP9基因的表达。siRNA介导的DNAJB4在原发性黑色素瘤细胞（WM-115、IGR39和WM-793）中的敲除诱导MMP2和MMP9的mRNA表达水平升高。DNAJB4可能通过抑制MMP-2和MMP-9基因的转录和抑制分泌MMP的活性来抑制黑色素瘤的转移。

 

 

研究结论 

在这项研究中，作者首次开发了一种基于PRM的靶向定量蛋白质组学方法，用于人类细胞热休克蛋白质组的综合分析。PRM文库包含57个热休克蛋白，约占人类热休克蛋白组的70%。结果表明，该方法比鸟枪蛋白质组法具有更高的高通量和更高的灵敏度。

靶向蛋白质组学方法发现了新的潜在黑色素瘤转移抑制剂，这为了解黑色素瘤进展的病因提供了重要依据。

 

 

小鹿推荐 

本文为PRM技术的又一典型应用。研究者关注某一家族蛋白，或者某一类蛋白在实验组中的整体变化，可通过PRM技术靶向定量这些蛋白质。相对于LC-MS/MS，PRM靶向定量有着更高的灵敏度、更高的目标蛋白鉴定率，以及更准确的定量结果。本文通过PRM技术靶向定量原发性及转移性黑色素瘤细胞系中热休克蛋白，发现并验证了DNAJB4可作为黑色素瘤转移的抑制剂。

 

部分文献参考

(1) Feder, M. E.; Hofmann, G. E. Annu. Rev. Physiol. 1999, 61, 243-282.

(2) Wu, J.; Liu, T.; Rios, Z.; Mei, Q.; Lin, X.; Cao, S. Trends Pharmacol. Sci. 2016, 38, 226-256.

(3) Trepel, J.; Mollapour, M.; Giaccone, G.; Neckers, L. Nat. Rev. Cancer 2010, 10, 537-549.

(4) Pick, E.; Kluger, Y.; Giltnane, J. M.; Moeder, C.; Camp, R. L.; Rimm, D. L.; Kluger, H. M. Cancer Res. 2007, 67, 2932.

(5) Koga, F.; Kihara, K.; Neckers, L. E. N. Anticancer Res. 2009, 29, 797-807.

 

 

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