Toward an understanding of the molecular mechanism for successful blood feeding by coupling proteomics analysis with pharmacological testing of horsefly salivary glands

Horseflies are economically important blood-feeding arthropods and also a nuisance for humans and vectors for filariasis. They rely heavily on the pharmacological properties of their saliva to get a blood meal and suppress immune reactions of hosts. Little information is available on antihemostatic substances in horsefly salivary glands; especially no horsefly immune suppressants have been reported. By proteomics or peptidomics and coupling transcriptome analysis with pharmacological testing, several families of proteins or peptides, which act mainly on the hemostatic system or immune system of the host, were identified and characterized from 30,000 pairs salivary glands of the horsefly Tabanus yao (Diptera, Tabanidae). They are: (i) a novel family of inhibitors of platelet aggregation including two members, which possibly inhibit platelet aggregation by a novel mechanism and act on platelet membrane, (ii) a novel family of immunosuppressant peptides including 12 members, which can inhibit interferon-gamma production and increase interleukin-10 secretion, (iii) a serine protease inhibitor with 56 amino acid residues containing anticoagulant activity, (iv) a serine protease with anticoagulant activity, (v) a protease with fibrinogenolytic activity, (vi) three families of antimicrobial peptides including six members, (vii) a hyaluronidase, (viii) a vasodilator peptide, which is an isoform of vasotab identified from Hybomitra bimaculata, and interestingly (ix) two metallothioneins, which are the first metallothioneins reported from invertebrate salivary glands. The current work will facilitate the understanding of the molecular mechanisms of the ectoparasite-host relationship and help in identifying novel vaccine targets and novel leading pharmacological compounds.

Lung alveolar proteomics of bronchoalveolar lavage from a pulmonary alveolar proteinosis patient using high-resolution FTICR mass spectrometry

High-resolution Fourier transform ion cyclotron resonance (FTICR) mass spectrometry was developed and applied to the proteome analysis of bronchoalveolar lavage fluid (BALF) from a patient with pulmonary alveolar proteinosis. With use of 1-D and 2-D gel electrophoresis, surfactant protein A (SP-A) and other surfactant-related lung alveolar proteins were efficiently separated and identified by matrix-assisted laser desorption/ionization FTICR mass spectrometry . Low molecular mass BALF proteins were separated using a gradient 2-D gel. An efficient extraction/precipitation system was developed and used for the enrichment of surfactant proteins. The result of the BALF proteome analysis show the presence of several isoforms of SP-A, in which an N-non-glycosylierte form and several proline hydroxylations were identified. Furthermore, a number of protein spots were found to contain a mixture of proteins unresolved by 2-D gel electrophoresis, illustrating the feasibility of high-resolution mass spectrometry to provide identifications of proteins that remain unseparated in 2-D gels even upon extended pH gradients.

High resolution mass spectrometric alveolar proteomics: Identification of surfactant protein SP-A and SP-D modifications in proteinosis and cystic fibrosis patients

In the present study, one- and two-dimensional gel electrophoresis combined with high resolution Fourier transform-ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS) have been applied as powerful approaches for the proteome analysis of surfactant proteins SP-A and SP-D, including identification of structurally modified and truncation forms, in bronchoalveolar lavage fluid from patients with cystic fibrosis, chronic bronchitis and pulmonary alveolar proteinosis. Highly sensitive micro preparation techniques were developed for matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) FT-ICR MS analysis which provided the identification of surfactant proteins at very low levels. Owing to the high resolution, FT-ICR MS was found to provide substantial advantages for the structural identification of surfactant proteins from complex biological matrices with high mass determination accuracy. Several protein bands corresponding to SP-A and SP-D were identified by MALDI-FT-ICR MS after electrophoretic separation by one- and two-dimensional gel electrophoresis, and provided the identification of structural modifications (hydroxy-proline) and degradation products.

白杄花粉管微丝骨架介导信号传导的蛋白质组学研究

在高等植物有性生殖过程中，花粉管作为运输精子到胚珠的载体，它的生长具有高度极性化，并且要依赖于微丝。由于花粉管本身所具的特性，它已经成为研究细胞相互识别、胞内和胞外信号的模式系统。本文为了研究微丝在白杄（Picea meyeri Rehd. et Wils.）花粉管生长中的作用，我们应用不同浓度的微丝聚合抑制剂Latrunculin B (LATB) 处理花粉管，并通过激光共聚焦显微镜观察微丝聚合状态的动态变化。结果发现，在低浓度下的LATB能使花粉管中的微丝严重解聚，且抑制其顶端生长。 我们进一步利用蛋白质组学的手段，分析了白杄花粉管微丝解聚后蛋白质的表达图谱。通过双向电泳分离出500个左右考马斯亮兰染色的蛋白质斑点，经过软件分析发现，其中大部分蛋白质的表达量未发生变化，而只有110个蛋白斑点有较大变化。将这些蛋白斑点从胶上切下酶解后用于质谱鉴定，最终鉴定出35个蛋白，其中有18个为上调蛋白，17个下调蛋白。根据其主要功能，通常可分为碳水化合物代谢、胁迫反应、信号和细胞扩展等几类。我们发现由于微丝解聚引起的能量代谢水平降低，可能与依赖于信号传导的微丝重组过程相关。此外，当LATB浓度增加到50 nM时，与细胞壁多糖合成相关的两个蛋白，如reversibly glycosylated polypeptide和type IIIa membrane protein cp-wap13几乎不表达，这说明当微丝聚合完全被抑制后，依赖于微丝的分泌系统也受到影响，从而引起相应蛋白质变化，最终导致细胞壁成分合成的减少。细胞骨架蛋白actin的下调，进一步说明微丝在花粉管生长过程中起着提供或支持的一种机制，也就是能调节信号介导的花粉管生长，并使其在特定的时期到达特定的部位，从而完成植物的受精作用。

Nifedipine调节白皮松(Pinus bungeana)花粉管蛋白质表达及其对细胞壁构建的影响

花粉管是种子植物受精过程中的雄性生殖单位的载体，由于其生长依赖于胞内Ca2+梯度，并具有典型的顶端极性生长的特点，因而成为近年来研究植物细胞相互识别、胞内和胞外信号传导理想的模式系统。裸子植物花粉与被子植物相比具有萌发时间长、生长缓慢等特点。Ca2+在裸子植物花粉萌发和花粉管生长中的作用机制目前尚不明确。本研究以裸子植物白皮松(Pinus bungeana)的花粉为材料，运用不同浓度钙通道抑制剂Nifedipine（Nif）处理，对其花粉萌发和花粉管生长进行了细胞学研究和蛋白质组学分析，以探讨Ca2+对白皮松花粉生长的调控机制，为进一步揭示裸子植物花粉萌发和花粉管生长机理提供参考。 本论文首先研究了钙通道抑制剂Nif和Ca2+螯合剂EGTA对白皮松花粉萌发和花粉管生长的影响。结果表明，用Nif处理花粉后，花粉萌发和花粉管生长均受到明显抑制。经Ca2+荧光探针Fluo-3AM标记，对Nif处理后Ca2+在花粉管中的分布模式进行了观察，发现Ca2+在正常生长的花粉管中呈梯度分布，并在其顶端的荧光最强。与对照相比，处理后的花粉管荧光强度明显减弱，且顶端Ca2+梯度消失。通过EGTA漂洗后的花粉粒，在正常培养基上萌发率较高，但其生长速率受到抑制。由此说明了细胞壁钙库对花粉管生长的抑制效应显著高于对花粉萌发的影响，是花粉管生长的限速因子。同时外加钙调素还可逆转EGTA对其花粉萌发和花粉管生长的抑制。上述结果表明，白皮松花粉萌发及花粉管生长需要外源Ca2+的内流，以及胞内形成的Ca2+浓度梯度。 用FM4-64探针标记结果发现，正常花粉管中的胞吞作用主要发生在顶端和亚顶端区域，胞吞的小泡也集中分布在这两个区域。经Nif处理后，既不影响花粉管的胞吞过程，同时胞吞发生的位置也与对照相似，只是胞吞的小泡分散于整个花粉管中。电子显微镜观察表明，各种细胞器在白皮松正常生长的花粉管中分布与被子植物存在较大差异，例如前者无明显地分区现象，不具胼胝质塞。白皮松花粉管顶端和亚顶端的壁旁体与质膜融合现象频繁发生。花粉管经Nif处理后，线粒体出现不同程度的解体和液泡化，内质网液泡化和核糖体脱落，液泡大量聚集在花粉管顶端，壁旁体与膜融合现象减少，以及花粉管壁明显变薄等。此外，通过微丝特异性探针鬼笔环肽标记结果表明，正常生长花粉管的微丝呈长轴向排列， Nif处理后微丝断裂，其断裂程度与处理浓度有关。由此可见，外源Ca2+对花粉管的胞吞无明显抑制或促进作用，但对胞吞小泡重回收可能有影响。当胞内Ca2+梯度消失后，则明显抑制了微丝骨架的聚合，进而使胞吐作用减缓，高尔基体分泌小泡聚集，多种细胞器液泡化，引起花粉管顶端膨大，细胞壁变薄，继而抑制花粉管的正常生长。 运用免疫荧光标记技术显示，正常生长的花粉管壁含有纤维素、胼胝质、果胶质和阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs），其中纤维素和胼胝质在细胞壁上呈均匀分布，而酸性果胶质只存在花粉管两侧壁上，酯化果胶分布于花粉管顶端。经过Nif处理后，胼胝质和酸性果胶质均在花粉管顶端累积，而AGPs和纤维素的分布却无明显变化。另外，傅里叶红外光谱分析结果也同样支持上述结论。通过花粉管壁蛋白的SDS-PAGE分析表明，Nif对细胞壁蛋白的合成也有较大的影响。 在花粉管的钙通道受到抑制后，应用蛋白质组学技术分析其蛋白质的表达图谱，通过双向电泳已分离出约1000个蛋白质斑点，经软件分析发现，除其中50个蛋白斑点外，大部分蛋白质的表达量均未发生变化。上述50个发生变化的蛋白斑点酶切后，再经过ESI－MS/MS鉴定和质谱数据库的搜索，共鉴定出28个蛋白，其中12个为上调蛋白，16个下调蛋白，根据其主要功能分为与代谢、细胞扩展、翻译后修饰以及信号相关的蛋白。经过Nif处理后，花粉管中碳水化合物代谢能力下降，ATP的产生受到抑制，参与细胞壁多糖合成及小泡运输的蛋白，如valosin containing protein（VCP）、reversibly glycolsylated polypeptide(RGP)、UDP-glucose dehydrogenase (UDPGDH)和α-tubulin表达下调。另外，通过上述方法还鉴定出与丝氨酸/苏氨酸激酶保守结构域同源的受体蛋白激酶等。 综上所述，白皮松花粉管钙通道受到抑制后，通过影响花粉管蛋白的表达，抑制微丝微管骨架的组装，致使胞吐速度变慢，花粉管壁酸性果胶质、胼胝质等多糖分布的变化及总多糖含量的减少，最终抑制了花粉管的正常生长。

水稻(Oryza sativa L. sspjaponica)成熟与萌发花粉的蛋白质组学研究

花粉是高度退化的两细胞或三细胞生物体。作为雄配子体，花粉储藏了父本的全部遗传信息，并通过与柱头识别、萌发和花粉管极性生长将精子送到雌性的胚囊中，完成双受精作用。由于花粉在植物有性生殖过程中的特殊作用和花粉管极性生长的独特细胞学过程，几十年来一直被作为研究这一系列精细细胞学过程的模式，但是其中关键事件的分子机制并不十分清楚。 我们利用蛋白质组学技术鉴定了水稻成熟花粉三个不同组分（花粉外被蛋白、花粉外被／细胞壁相关和可释放蛋白、花粉内在蛋白）中表达的共322种蛋白质。其中，参与信号转导(10%)、细胞壁重塑和代谢(11%)、蛋白质代谢(14%)以及糖类和能量代谢(25%)的蛋白质被高度代表。并且很多是首次被在成熟花粉中得到鉴定的具有重要功能的蛋白质，包括蛋白激酶、受体激酶相互作用蛋白、GDP解聚抑制因子、含有C2结构域蛋白质和亲环蛋白等参与信号转导的蛋白质，eIF4A、线粒体加工肽酶、UFD1和AAA+ATP酶等参与蛋白质合成、装配和降解的蛋白质，以及逆糖基化多肽、似纤维素合酶OsCsLF7等参与细胞壁重塑和代谢的蛋白质等。生物信息学分析表明，在我们鉴定的蛋白质中有11%的蛋白质功能未知并且不含有任何已知的功能结构域。另外，我们利用从头测序技术鉴定了5种新蛋白质。这些首次在花粉中被鉴定的蛋白质、未知功能蛋白质和新蛋白质在花粉萌发过程中的生物学功能值得进一步研究。 进而，我们利用比较蛋白质组学技术获得了水稻花粉体外萌发过程中差异表达的160个鉴定结果（代表120种蛋白质），生物信息学分析表明它们隶属于13个功能类群。其中，参与细胞壁代谢（占24%，如UDP-葡萄糖焦磷酸化酶和第三类过氧化物酶）、蛋白质代谢（占11%，如eIF4A和20S蛋白酶体的亚基）、细胞骨架动力学（占8%，如肌动蛋白、微管蛋白和profilin）和胁迫反应（占7%，如抗坏血酸过氧化物酶）以及糖类和能量代谢（占24%）的蛋白质被高度代表。共有94个鉴定结果(73种蛋白质)在花粉萌发过程中表达丰度上调，包括几乎全部参与蛋白质代谢的蛋白质，多数参与细胞骨架动态变化和离子转运的蛋白质，以及部分参与糖类和能量代谢的蛋白质等。并且有53个鉴定结果（41种蛋白质）可能在萌发过程中被释放到培养基中（柱头上），可能参与了柱头细胞和花粉管通道细胞细胞壁的松弛和水解（如第三类过氧化物酶家族成员、多聚半乳糖醛酸酶、1，4-beta-木聚糖酶和一些花粉过敏源蛋白），或者参与了花粉．柱头的信号识别过程（如钙网蛋白和含有C2结构域的蛋白）。有8种传统认为是参与糖类和能量代谢的酶可能在萌发过程中被释放到培养基中（柱头上），如烯醇酶、磷酸丙糖异构酶和磷酸甘油酸激酶。 同时，我们发现在鉴定的成熟花粉表达的蛋白质中，有23%的蛋白质以多个同工型的形式存在，并且有29种蛋白质的多个同工型的表达丰度在萌发过程中发生变化。它们主要参与了细胞壁代谢、糖类和能量代谢、细胞骨架、胁迫反应和离子运输等代谢过程。我们利用荧光染色技术，检测到其中14种蛋白质可能被磷酸化或者糖基化修饰。这意味着由于翻译后修饰形成的同工型蛋白质在花粉萌发和花粉管生长过程中具有重要作用。 总之，我们以水稻为模式研究其成熟花粉和萌发花粉的蛋白质表达特征，首次报道了单子叶植物成熟花粉不同组分中表达的蛋白质及其功能类群特征，并且首次报道了被子植物花粉萌发过程中表达丰度变化蛋白质的功能类群特征，为进一步揭示花粉萌发和花粉管生长的分子机制提供了重要的蛋白质水平信息。