A Proteome Analysis of Rare Earths’ Bioeffect

Abstract

蛋白质组学是研究细胞内全部蛋白的动态表达及其相互关系的新兴学科，是功能基因组学研究的重要组成部分和战略制高点，广泛应用于生命科学的各个领域，研究对象涵盖微生物、动物和植物等。 　　稀土元素（rare earth elements），亦称镧系元素（lanthanides），是性质相似的15种金属元素。随着稀土元素在工业、农牧业和医疗等领域的应用日益深入，它们对生物体的作用机制亟待研究。生物固氮作用为生命世界提供75%的绿色氮源，根瘤菌是重要的固氮微生物，具有基因组结构简单、培养周期短等特点。酿酒酵母是与人类关系最密切的一种酵母，不仅因为传统上其用于制作食品及酿酒，而且是现代分子生物学和细胞生物学中的真核模式生物。为了全面地了解稀土元素对细胞的作用，我们运用高分辨率的蛋白质双向电泳分离技术和高通量的蛋白质质谱分析手段以及生物信息学等方法，分析了稀土元素钆（Gadolinium，Gd）在原核生物费氏中华根瘤菌（Sinorhizobium fredii）USDA205和真核生物酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）YM4271的生物效应。 　　结果表明，经1mM Gd(NO3)3处理12小时后，费氏中华根瘤菌USDA205中 22个蛋白质表达有差异。这些蛋白质可根据功能分为8类，包括转运蛋白、胁迫相关蛋白、代谢相关蛋白等。其中13个蛋白质表达量增加，9个蛋白质表达量下降。膜蛋白在差异蛋白中占有很大比重。另外，我们分析了不同浓度的钆处理后蛋白质表达的变化情况，发现蛋白质组的变化是与处理浓度密切相关的。研究中还发现同种浓度的钆与另一种稀土元素铒（Erbium，Er）相比，离子半径较小的铒离子对根瘤菌的抑制作用更加明显。 　　比较不同浓度的钆对酿酒酵母YM4271的影响，发现酵母对稀土元素的反应不及根瘤菌敏感，对数生长初期的酵母经钆处理12小时或24小时后均无显著变化。 　　本研究首次用蛋白质组学的方法研究稀土元素对微生物的作用，鉴定了一些有价值的蛋白质，并得到了它们的表达特点和相关数据，为更好地理解稀土元素的生物效应提供了有力的分子生物学证据。