膀胱癌分子標志物基質金屬蛋白酶1的可溶性表達和尿液中的活性分析

晉學飛等

摘 要 通過分離人胚胎腎細胞（HEK293）中基質金屬蛋白酶1（MMP1）基因序列，利用基因工程技術在大腸桿菌中表達并純化了包涵體復性的MMP1；采用融合表達硫氧還蛋白（Thioredoxin，TrxA）的方法獲得了可溶性的MMP1TrxA復合蛋白，在TrxA蛋白和MMP1活性中心之間引入了一個腸激酶切割位點，通過酶切作用獲得可溶性MMP1。明膠酶譜分析法對體外表達的MMP1和體內（尿液中）MMP1進行了分析比較。結果表明，TrxA蛋白能夠顯著提高MMP1的可溶性，且可溶性MMP1的明膠降解活性是復性的MMP1降解活性的 1.54倍，與尿液中的MMP1的明膠酶降解活性相當。因此，明膠酶譜法是一種有效的、高靈敏的MMP1檢測方法，所表達的可溶性MMP1為小分子探針篩選提供了更可靠的分子靶點。

關鍵詞 膀胱癌生物標志物； 基質金屬蛋白酶； 分子探針篩選； 明膠酶譜

1 引 言

目前，由膀胱癌引起的男性致死率處于上升趨勢。盡管對膀胱癌的診斷和治療技術已有了很大提高，但膀胱癌患者的生存率仍然不佳，迫切需要針對膀胱癌術后復發的診斷技術[1]。尋找新型膀胱癌標志物，開發非侵入性、高敏感性和特異性、操作簡便、費用低廉的檢測技術，將提高膀胱癌的早期診斷水平，達到及時治療的目的[2，3]。

基質金屬蛋白酶（MMP）也被稱為間質膠原酶和成纖維細胞膠原酶，同腫瘤的發生和發展過程密切相關，在胰腺癌、前列腺癌、大腸癌和乳腺癌中的表達都有升高[4，5]。有研究表明： 在膀胱癌患者尿液中，MMP1可以作為新型生物標志物，用于預測患者是否會發展為晚期或者高級膀胱癌[6，7]。目前，臨床主要使用酶聯免疫吸附分析法（ELISA）對尿液樣本中的MMP1進行檢測，但該方法耗時、尿樣制備復雜，容易導致蛋白降解以及蛋白酶失活。因此，在膀胱癌診斷過程中迫切需要針對MMP1檢測的簡單、靈敏、快速的檢測技術。

對基質金屬蛋白酶的體外和體內檢測方法主要有小分子熒光探針、免疫印跡分析和ELISA等[8～10]，但是免疫印跡方法成本較高， 需要靶蛋白特異性抗體、內參抗體以及二抗，檢測費時費力，且一次檢測的通量有限。Wigner等[11]利用小分子熒光探針快速檢測了尿液中MMP9和MMP13的水平。該方法將MMPs的活性同熒光檢測技術巧妙結合，具有高敏感性、快速、方便等特點，適合不同生物樣本的分析，特別適合MMPs的高通量檢測。目前，尚沒有適用于MMP1的小分子探針檢測方法。Kleiner等[12]建立了一種基于非還原SDSPAGE電泳和反相凝膠染色的蛋白酶檢測方法，即明膠酶譜法，該方法成本低、簡單， 適合血漿、組織細胞蛋白提取物或細胞培養上清液等多種生物樣本的分析，靈敏度與小分子熒光探針法相當[13]。Roy等[14]將明膠酶譜進一步運用到尿液檢測中，并建立了一個基于不同尿液中MMP9活性指紋圖譜進行分類的腫瘤分析鑒定方法。

重組蛋白表達是小分子熒光探針篩選的基礎，獲得天然構象的重組蛋白一直是探針篩選過程的重點與難點，利用明膠酶譜法可以對重組蛋白與內源蛋白進行評估，以改進和加快分子探針的篩選進程。可溶性重組蛋白較包涵體復性蛋白更接近其天然構象，而MMP1蛋白在大腸桿菌中重組表達很容易形成包涵體，需要進行包涵體復性來獲得活性蛋白。文獻＼[15＼]采用特殊處理方法增加MMP1的可溶性表達，但是并沒有分析可溶性MMP1同包涵體復性MMP1的區別以及同內源MMP1的關系。本研究嘗試不同的表達載體，最終實現通過融合表達硫氧還蛋白（Thioredoxin，TrxA）的方法獲得可溶性的MMP1，并利用明膠酶譜法對體外表達的可溶性以及包涵體復性的MMP1進行了對比。研究結果證明， TrxA可以明顯提高MMP1的溶解性；同包涵體復性的MMP1相比，可溶性MMP1具有更高的明膠降解活性，更接近體內MMP1的活性。本研究為MMP1的小分子探針篩選提供了更可靠的分子靶點，證明了明膠酶譜法是一種有效的、高靈敏的MMP1檢測方法。

3.2 重組MMP1的體外表達

通過包涵體復性的方法獲得活性MMP1的研究已有很多報道，而關于可溶性表達MMP1的報導則很少[14]。本研究在載體pET28a中表達含有His標簽的MMP1催化結構域蛋白（MMP1His6）。結果表明，在37 ℃下，1 mmol/L IPTG可以誘導MMP1His6包涵體的形成。并且在4 h內，包涵體蛋白表達量隨著時間的延長而增加。同時在pET32a′載體中表達MMP1融合蛋白（TRXMMP1）。同MMP1His6相比較，TRXMMP1在MMP1His6之前含有TrxA蛋白，并且在TrxA和MMP1之間有一個腸激酶酶切位點。在25 ℃下，0.4 mmol/L IPTG可以誘導可溶性TRXMMP1的表達，但是表達量在2 h后達到最大值（圖2）。SDSPAGE電泳結果表明， MMP1His6存在于菌體總蛋白中，而不存在于細胞裂解液上清液中，而TRXMMP1在細菌總蛋白和細胞裂解液的上清液中都存在（圖3）。上述研究表明，TRXMMP1是以可溶形式表達的，而MMP1His6是以包涵體形式表達的，TrxA能夠增加MMP1的可溶性表達，并且可溶性的TRXMMP1表達同包涵體MMP1His6相比，所需的誘導時間和IPTG誘導劑量均不相同。

3.3 MMP1純化及明膠酶譜活性分析

MMP1His6和TRXMMP1的C末端都含有His標簽，可以通過鎳離子螯合層析純化。利用8 mol/L尿素溶液溶解MMP1His6包涵體，將包涵體溶解液進行鎳離子螯合層析，用含100 mmol/L的咪唑的洗脫液洗脫MMP1His6蛋白，通過透析復性獲得20 kDa大小的復性MMP1蛋白（圖4， 泳道3）。可溶性MMP1（TRXMMP1）蛋白則表達在菌液裂解上清液中，將裂解上清液循環上樣，通過鎳離子螯合層析柱純化出30 kDa的TRXMMP1融合蛋白（圖4，泳道1）。融合蛋白TRXMMP1在TrxA標簽蛋白和MMP1蛋白之間包含一個腸激酶酶切位點，通過腸激酶裂解后，TRXMMP1中10 kDa的TrxA標簽蛋白以及可溶性MMP1（圖4A，泳道2）通過鎳離子螯合層析分離純化。結果表明，純化的可溶性MMP1同包涵體復性的MMP1具有相同的分子量大小（圖4，泳道2和泳道3）。對純化的融合蛋白TRXMMP1和可溶性MMP1進行明膠酶譜分析，表明兩者都具有明膠降解活性（圖4，泳道4和泳道5），而分離的TrxA標簽并不含有明膠降解活性。同時，對可溶性MMP1和包涵體復性的MMP1活性進行明膠酶譜比較（圖4，泳道5和泳道6及圖5）。結果表明，可溶性MMP1的明膠降解活性為復性MMP1的1.54倍（明膠降解比率分別為22.2%和14.4%）。由于尿液中存在MMP2和MMP9，會干擾明膠酶譜的結果，通過超濾離心收集尿液中的MMP1組分，并移除尿液中高分子量50 kDa以上的蛋白組分（MMP2和MMP9組分）。結果表明，sMMP1的明膠降解活性幾乎與體內MMP1的明膠降解活性一致（明膠降解比率分別為22.2%和25%）。這些結果表明，可以通過融合TrxA蛋白實現MMP1在體外的可溶性表達，并且可溶性MMP1相對于包涵體復性的MMP1蛋白更高的明膠降解活性，接近體內MMP1的明膠降解活性。endprint

4 結 論

本研究利用TrxA實現了MMP1在大腸桿菌中的可溶性表達，并利用明膠酶譜法比較了體外表達的MMP1和體內MMP1的活性，結果表明，可溶性的MMP1活性高于包涵體復性MMP1，更接近體內MMP1的活性。結果表明， 可溶性的MMP1較包涵體復性的MMP1在小分子探針篩選中具有更大的優勢，可為針對MMP1檢測的小分子探針篩選提供更可靠的分子靶點。

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