牛初乳與牛常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的表征與分析

李墨翰，張秀敏，王亦寧，陳佳麗，熱罕古麗，于海坤，張 娟，宋婉瑩，劉愛成，岳喜慶,*，鄭 艷,*

（1.沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110866；2.北京食品科學研究院，北京 100068；3.哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江 哈爾濱 150076）

乳脂肪球膜的形成與乳脂的分泌過程密切相關，在乳脂肪球從乳腺細胞釋放到乳汁的過程中，乳脂肪球會穿過細胞膜并被三層磷脂包裹，而這三層磷脂層則被稱為乳脂肪球膜。乳脂肪球膜特殊的分泌過程可以收集哺乳動物母體細胞表面的膜結合蛋白、碳水化合物和脂質并將其轉移到乳汁中，為哺乳動物新生兒提供營養。同時，乳脂肪球膜還是一種異質膜，其作為乳化劑可以防止乳脂肪球之間的相互融合與降解。乳脂肪球膜蛋白僅占乳中總蛋白質的5%左右，但卻包含多種具有生理功能的蛋白質，在哺乳動物新生兒生長發育過程中起到重要的作用。

此前鑒定到的牛乳乳脂肪球膜中的蛋白主要有乳黏附素、黏蛋白-1、黃嘌呤脫氫酶/氧化酶、脂肪酸合酶、脂肪酸結合蛋白等，這些蛋白在乳脂肪球膜蛋白中占有很大比例，同時還有大量的乳脂肪球膜蛋白有待表征。研究表明，泌乳期對乳中的蛋白質、氨基酸、脂質等營養成分存在顯著影響。然而，針對不同泌乳期牛乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的表征與分析十分有限。

因此，本研究選定牛初乳和牛常乳中的乳脂肪球膜蛋白作為研究對象，利用定量蛋白質組學技術對其中的蛋白質進行表征，并對兩組間的乳脂肪球膜豐度差異蛋白進行篩選及生物信息學分析。研究結果將有助于了解泌乳期間乳蛋白成分的差異及其功能性，為牛乳制品的精深加工奠定研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樣品均采集于遼寧省沈陽市沈北新區某牧場（123.59°E，41.93°N），牛初乳與牛常乳樣品分別采自45 頭中國荷斯坦奶牛（），所選取的奶牛標準為：年齡1～2 歲、首次分娩、體質量500～600 kg、飲食與飼養條件一致。牛初乳選自分娩后0～1 d的奶牛，牛常乳選自分娩后30～40 d的奶牛。采集后的牛初乳與牛常乳樣品置于干冰中運輸并保存于超低溫冰箱（-80 ℃）。實驗前為排除個體差異，將45 份牛初乳樣品隨機分成3組，每組15 份樣品進行充分混合，牛常乳樣品同處理。

三羥甲基氨基甲烷（CAS登錄號：77-86-1）、十二烷基硫酸鈉（CAS登錄號：151-21-3）、尿素（CAS登錄號：57-13-6）、二硫蘇糖醇（dithiothreitol，DTT，CAS登錄號：3483-12-3）、胰蛋白酶（CAS登錄號：9002-07-7）、碘乙酰胺（CAS登錄號：144-48-9）、甲酸（CAS登錄號：64-18-6）、乙腈（CAS登錄號：75-05-8）、丙酮（CAS登錄號：67-64-1）、磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffer saline，PBS） 德國默克公司；超濾離心管（10 kDa）、超濾膜（10 kDa）、C過濾柱 美國密理博公司。

1.2 儀器與設備

HX-20TL型恒溫混勻器 上海滬析實業有限公司；YTLG-12A型真空冷凍干燥機 上海葉拓科技有限公司；HH-4型恒溫水浴鍋、JC-GGC6000型振蕩器 青島聚創設備有限公司；EK-5000 EDI型超純水系統 深圳伊科賽爾環保科技有限公司；Easy nLC型色譜系統、Q-Exactive型質譜儀、F3型微量移液器、Nano Viper型C預柱（2 cm×100 μm，5 μm）、Easy A2型C分離柱（10 cm×75 μm，3 μm） 美國賽默飛世爾科技公司；1-16型高速離心機 美國希格瑪公司；Centrivap型真空離心濃縮儀 美國拉康科公司；M60X型紫外-可見分光光度計 德國菲索公司。

1.3 方法

1.3.1 脂肪球膜蛋白的提取

取5 mL乳樣離心（10 000 r/min、15 min、4 ℃）以提取乳脂肪球，吸取上層乳脂肪球并加入5 倍體積的PBS，超聲（100 W、3 min，重復3 次）以洗去可溶性蛋白，小心吸取并去除上清液。隨后向其中加入10 倍體積的丙酮，并在暗房內靜置12 h以沉淀蛋白。收集靜置12 h后的混合物，在離心后（10 000 r/min、30 min、4 ℃）棄除上層液體并超聲（100 W、3 min，重復3 次），即得到乳脂肪球膜蛋白。

1.3.2 胰蛋白酶解

胰蛋白酶是蛋白質組學研究中最常用的蛋白酶，可以高效、特異地切割蛋白質/多肽鏈中賴氨酸和精氨酸的羧基端。由于賴氨酸和精氨酸在蛋白質序列中分布較廣，蛋白質樣品經胰蛋白酶消化后可產生平均長度為14個氨基酸殘基并以堿性氨基酸結尾的肽段。這些肽段的羧基端賴氨酸或精氨酸殘基上以及氨基端分別帶一個正電荷，使得它們在離子阱中碰撞誘導解離（collision-induced dissociation，CID）時產生b、y類型（y離子為主）的離子碎片，便于被質譜有效檢測。因此，本實驗選取胰蛋白酶進行酶解，具體方法如下：取500 μg乳脂肪球膜蛋白，向其中加入150 mmol/L的DTT并孵育（90 ℃、100 min），待冷卻至25 ℃時，加入UT緩沖液（150 mmol/L三羥甲基氨基甲烷和10 mmol/L尿素），在暗房中靜置30 min后使用超濾離心管進行過濾，向其中加入UT緩沖液與碘乙酰胺，并在暗房中靜置60 min。隨后將混合物離心（10 000 r/min、30 min、4 ℃），按照1∶40比向其中加入胰蛋白酶緩沖液（胰蛋白酶與PBS體積比為1∶8）并置于暗房中消化（37 ℃，12 h）。消化后使用超濾膜對混合物過濾并離心（10 000 r/min、15 min、4 ℃），并使用C過濾柱對其脫鹽。最后將樣品凍干并重新溶解于甲酸中（50 μL、0.1%）。

1.3.3 液相色譜-串聯質譜分析

液相色譜參數設置參照本實驗室此前條件。液相色譜條件：0～110 min，100.0%～45.0% I、0.0%～55.0% II；110～115 min，45.0%～0.0% I、55.0%～100.0% II。流動相I為99.80%去離子水-0.20%甲酸，流動相II為15.80%去離子水-0.20%甲酸-84.00%乙腈。乳脂肪球膜蛋白樣品經預柱后由C分離柱進行分離（200 nL/min）。

質譜條件：電壓2 kV，測量掃描分辨率70 000，范圍為/350～1 800。離子自動增益控制設置為1×10，最長隔離時間為50 ms，動態排除操作為60 s，MS活化類型設置為HCD模式，所選擇/2，/200處分辨率為175 000，標準化碰撞能量30 eV，最小填充率0.1%。隨后使用MaxQuant對數據進行無標記定量分析。

1.3.4 統計與生物信息學分析

使用檢驗和差異倍數（fold change，FC）值篩選兩組之間的乳脂肪球膜豐度差異蛋白，FC定義為某種蛋白在牛初乳中的豐度平均值與其在牛常乳中的豐度平均值的比值，牛初乳與常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的篩選閾值為：＜0.05且|FC|＞2.00。使用基因本體論（Gene Ontology，GO）功能注釋，京都基因與基因組百科全書（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG），注釋、可視化和集成發現數據庫（The Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery，DAVID）對牛初乳與常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的潛在功能及其參與的代謝通路進行生物信息學分析。使用STRING分析牛初乳與常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白間的蛋白質-蛋白質相互作用（proteinprotein interaction，PPI）網絡。

2 結果與分析

2.1 牛初乳與常乳乳脂肪球膜蛋白的表征

在牛初乳和常乳的乳脂肪球膜中共鑒定到763種蛋白質，其中197種蛋白在6組中均被檢測到（圖1A）。圖1B顯示了上述197種蛋白的分子質量，可以看到77種（占比39%）乳脂肪球膜蛋白的分子質量為10～30 kDa，49種（占比25%）乳脂肪球膜蛋白的分子質量在30～50 kDa。非標記定量（label-free）蛋白質組學技術是通過液相色譜-質譜聯用技術對蛋白質酶解肽段進行質譜分析，該技術不需要使用昂貴的穩定同位素標簽作內標，只需分析大規模鑒定蛋白質時所產生的質譜數據，比較不同樣品中相應肽段的信號強度，從而對肽段對應的蛋白質進行定量，也廣泛應用與乳脂肪球膜蛋白的表征和鑒定。此前，Liao Yalin等利用label-free蛋白質組學技術表征了不同泌乳期母乳的乳脂肪球膜蛋白并最終鑒定到191種蛋白；Lu Jing等使用label-free蛋白質組學技術對母乳、牛乳、山羊乳和牦牛乳中的乳脂肪球膜蛋白進行表征，并分別鑒定到312、554、175種和143種蛋白；Ma Ying等采用label-free蛋白質組學技術在牛乳和山羊乳中分別發現了632種和137種乳脂肪球膜蛋白；本實驗室此前采用label-free蛋白質組學技術對驢初乳及常乳中的乳脂肪球膜蛋白進行了鑒定，并分別鑒定到216種和215種蛋白。本研究鑒定到的乳脂肪球膜蛋白將豐富對于不同泌乳期牛乳脂肪球膜蛋白成分的了解與認識，為牛乳脂肪球膜蛋白的加工與利用提供基礎。

圖1 牛初乳與常乳乳脂肪球膜蛋白的表征Fig. 1 Characterization of milk fat globular membrane proteins in bovine colostrum and mature milk

2.2 牛初乳與牛常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的篩選

圖2 牛初乳與常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的篩選Fig. 2 Screening of differentially abundant proteins in fat globule membranes of bovine colostrum and regular milk

牛初乳與常乳的乳脂肪球膜中存在大量相同的蛋白，但其豐度卻不盡相同（圖2A），而這些蛋白含量變化的差異有可能是營養需求的關鍵。因此，本研究錨定在牛初乳與常乳的乳脂肪球膜中均鑒定到的共有蛋白，并設置閾值以從其中篩選乳脂肪球膜豐度差異蛋白。如圖2B所示，本研究設置的閾值標準為＜0.05且|FC|＞2.00。最終篩選到80種乳脂肪球膜豐度差異蛋白，包括41種上調蛋白和39種下調蛋白（圖2C和表1）。其中，乳過氧化物酶（Uniprot編號P80025）、糖蛋白2（Uniprot編號F1N726）、黃嘌呤脫氫酶/氧化酶（Uniprot編號F1MUT3和P80457）、5’-核苷酸酶（Uniprot編號Q05927）、硒蛋白F（Uniprot編號A8YXY3）等蛋白已在此前文獻中報道，為乳脂肪球膜中的主要蛋白。

表1 牛初乳與常乳乳脂肪球膜中的豐度差異蛋白Table 1 Differentially abundant proteins in fat globule membranes between bovine colostrum and mature milk

續表1

2.3 牛初乳與牛常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的GO富集分析

圖3 牛初乳與常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的GO富集分析Fig. 3 GO enrichment analysis of the differentially abundant proteins in milk fat globule membranes of bovine colostrum and mature milk

GO功能注釋可分為分子功能、生物過程和細胞組成三大類，蛋白質或者基因可以通過對應序列號或者序列注釋進行GO分析，從而了解其潛在的生理功能或細胞定位。如圖3所示，上述80種牛初乳與牛常乳乳脂肪球膜中的豐度差異蛋白可能參與的條目包括細胞外泌體、細胞外空間、細胞外區域、細胞質、血液微粒、轉運活性、頂端質膜、氧化還原過程、內質網等。研究表明，羊乳初的乳脂肪球膜中表達的急性炎癥反應、先天性免疫應答等在GO功能注釋中的富集數量要多于羊常乳。與該結果相似，本實驗在急性炎癥反應、先天性免疫應答GO功能注釋中富集到的蛋白也存在顯著差異，包括巨噬細胞遷移抑制因子（Uniprot編號A0A0F7RPX0）、膜輔因子蛋白（Uniprot編號G3MWX4）、免疫球蛋白J鏈（Uniprot編號Q3SYR8）、結合珠蛋白（Uniprot編號G3X6K8）等。利用蛋白質組學技術結合GO功能注釋分析，本實驗找到了一些與急性炎癥反應、先天性免疫應答等重要過程相關的乳脂肪球膜豐度差異蛋白，這些蛋白的在泌乳期間的豐度變化為哺乳動物不同生長發育階段提供了特定的保護。此外，細胞外泌體、細胞外空間、細胞外區域是大部分豐度差異蛋白所參與的細胞組分，同時也在此前關于乳蛋白在泌乳期間的變化研究中鑒定到。細胞外囊泡是蛋白質、信使RNA、MicroRNA和脂質運輸完成細胞間通訊通路的重要媒介，根據它們的大小和發生分為3 類，包括外泌體、微泡和凋亡小體。其中，外泌體是直徑大約為30～120 nm的微型囊泡，它們包含其起源細胞的某些成分，包括蛋白質和核酸等，并廣泛存在于血液、唾液、尿液和母乳等體液中。外泌體可通過萌芽進入多囊泡體（multivesicular bodies，MVB）的內腔而形成，并通過MVB與頂端質膜融合從而釋放到細胞外液中，并參與行使某些關鍵生理功能。研究表明，牛乳中含有大量的異質細胞群，包括乳汁分泌細胞、肌上皮細胞、前體祖細胞和干細胞等。因此，這些豐度差異的乳脂肪球膜蛋白很可能由乳腺肌上皮細胞等分泌，并參與細胞外囊泡的形成，然后進入乳汁。然而，上述乳脂肪球膜豐度差異蛋白以何種方式參與細胞外囊泡的形成，以及其所具有的生理功能仍有待進一步研究。

2.4 牛初乳與牛常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的KEGG富集分析

圖4 牛初乳與常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的KEGG富集分析Fig. 4 KEGG enrichment analysis of the differentially abundant proteins in milk fat globule membranes of bovine colostrum and mature milk

如圖4所示，對上述乳脂肪球膜豐度差異蛋白進行KEGG富集分析后，可以看到參與的代謝通路主要有代謝途徑（KEGG編號bta01100）、嘌呤代謝（KEGG編號bta00230）、苯丙氨酸代謝（KEGG編號bta00360）、酪氨酸代謝（KEGG編號bta00350）、丙酮酸代謝（KEGG編號bta00620）、糖酵解/糖異生（KEGG編號bta00010）、癌癥的中心碳代謝（KEGG編號bta05230）、氨基酸的生物合成（KEGG編號bta01230）、過氧化物酶體（KEGG編號bta04146）、阿米巴病（KEGG編號bta05146）、胰高血糖素信號通路（KEGG編號bta04922）、碳代謝（KEGG編號bta01200）、蛋白聚糖在癌癥中（KEGG編號bta05205）、肌動蛋白細胞骨架的調節（KEGG編號bta04810）、細胞因子與細胞因子受體的相互作用（KEGG編號bta04060）。丙酮酸代謝是能量代謝途徑中的關鍵節點之一，在三大營養物質的代謝聯系中起著重要的樞紐作用。丙酮酸是糖酵解的終產物，也是糖異生的起點，且可以由轉氨作用生成。丙酮酸脫氫酶復合物可將丙酮酸轉化為乙酰輔酶A并進入三羧酸循環，或作為長鏈脂肪酸、類固醇和酮體合成的起點。研究表明丙酮酸還在平衡生物體內能量需求方面發揮著關鍵作用：在限制氧氣供應或在線粒體缺乏的情況下，由糖酵解產生的還原型輔酶I的再氧化不能與ATP的產生相耦合。相反，再氧化與丙酮酸還原為乳酸相結合，乳酸被釋放到血液中后主要被肝臟吸收，并被氧化成丙酮酸用于糖異生作用。此外，泌乳期間丙酮酸代謝的差異也在其他研究中得到印證，進一步說明了其在哺乳動物生長發育階段的重要作用。

2.5 牛初乳與牛常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的PPI分析

圖5 牛初乳與常乳乳脂肪球膜中豐度差異蛋白的蛋白質-蛋白質相互作用網絡Fig. 5 Protein-protein interaction network of the differentially abundant proteins in milk fat globule membranes of bovine colostrum and mature milk

對上述乳脂肪球膜豐度差異蛋白進行PPI分析，可以看到31個豐度差異蛋白間存在相互作用，并由此形成42 條相互作用（圖5）。其中結合珠蛋白（Uniprot編號G3X6K8）與2-磷酸--甘油酸水解酶（Uniprot編號F1MB08）與其他蛋白存在最多的相互作用條數（均為8 條）。結合珠蛋白能夠在血漿中與游離血紅蛋白結合形成穩定的復合物，從而避免游離血紅蛋白對腎小管的損害，隨后結合珠蛋白-血紅蛋白復合物被脾臟中單核細胞、巨噬細胞表面的血紅蛋白清除受體（CD163）識別并結合，最后被吞噬降解。研究表明乳中的結合蛋白含量與母體的炎癥及免疫反應密切相關，而其與乳中其他蛋白質的相互作用，以及其對哺乳動物新生兒的免疫調節作用仍有待進一步研究。

3 結 論

本研究利用蛋白質組學技術對牛初乳及常乳乳脂肪球膜蛋白進行表征，共鑒定到763種蛋白質，其中197種蛋白為共有蛋白。隨后對牛初乳與常乳中的乳脂肪球膜中的豐度差異蛋白進行篩選，共篩選到80種乳脂肪球膜豐度差異蛋白，包括41種上調蛋白和39種下調蛋白。生物信息學分析表明這些乳脂肪球膜豐度差異蛋白主要參與了細胞外泌體、細胞外空間、細胞外區域等細胞組成，并參與了代謝途徑、嘌呤代謝、苯丙氨酸代謝、酪氨酸代謝、丙酮酸代謝等代謝通路。隨后利用蛋白質互作網絡進行分析，為深入了解牛乳乳脂肪球膜蛋白組成及其功能奠定基礎。