分泌组学研究方法的优化及其在癌症研究中的应用

摘要

癌症严重威胁着人们的生命健康。对于癌症患者而言，能否在癌症早期得到诊断、癌症是否转移、治疗是否有效是影响其治疗效果和生存率的重要因素。分泌蛋白在癌症的早期阶段、转移和治疗耐受中都发挥着极为重要的作用。开展相关的癌症分泌组学研究，系统筛查相关的分泌蛋白，有利于发现新的治疗靶点以及新型血清生物标志物。本论文建立和优化了系列分泌组学的研究方法，并紧紧围绕上述影响癌症患者治疗效果和生存率的重要因素，开展了相关的分泌组学研究。
　　首先，本论文优化了基于细胞培养的分泌组学研究的实验方法，建立了对分泌蛋白质组进行高效鉴定的一维凝胶电泳与液相色谱—串联质谱相结合的技术路线(GeLC-MS/MS)，并将该技术应用于鉴定和分析人乳腺癌MCF-7细胞及其多柔比星耐受细胞MCF-7/Dox的差异分泌蛋白质组，以系统筛查与乳腺癌多柔比星耐药相关的分泌蛋白。通过基于肽段谱图计数的非标记定量方法，我们筛查到了89个在MCF-7细胞和MCF-7/Dox细胞间差异表达的分泌蛋白，其中57个是首次被报道与乳腺癌多柔比星耐药相关。在这57个蛋白质中，有13个已被报道与癌症转移相关，是潜在的在癌症转移和化疗耐受中发挥双重作用的分泌蛋白，非常有希望成为新的有效的治疗靶点。我们进一步验证了其中的IL-18与乳腺癌耐受多柔比星的相关性。实验结果显示，IL-18的表达量在耐受多柔比星的细胞系和乳腺癌组织中显著上调;癌细胞在有或无IL-18的情况下，对多柔比星的耐受能力显著变化。这些研究结果表明，IL-18除了在乳腺癌转移中具有作用，也在癌细胞耐药中发挥重要作用，是一个新发现的具有双重作用的分泌蛋白。同时，在开展乳腺癌耐药分泌组学研究的过程中，我们结合数据分析的需要，建立了一套分泌组学研究中常规使用的数据分析方法，如蛋白质亚细胞定位分析方法和基于肽段谱图计数的非标记定量方法，从而在实验室全面完善了分泌组学研究的实验技术与数据分析方法，形成了一套完整的分泌组学研究方法。
　　接着，本论文将凝集素亲和捕获技术引入到基于细胞培养的分泌组学研究中，建立了有效降低胞内蛋白污染、提高分泌蛋白鉴定效率的方法。在前面开展分泌组学研究时，我们遇到了和其他研究者一样的问题，即:因不可避免的细胞死亡而释放的大量胞内蛋白显著掩盖了含量甚微的分泌蛋白的检测。在本论文的研究工作中，我们首次将凝集素亲和捕获技术应用于富集细胞（MCF-10A和MDA-MB-231）无血清培养液中的分泌蛋白。实验结果显示，经凝集素捕获后，在MCF-10A细胞和MDA-MB-231细胞中，分泌蛋白的检出数量分别从183增加至292、从194增加至368，并且鉴定到的在MCF-10A细胞和MDA-MB-231细胞间差异表达的分泌蛋白数量显著增加。这些实验结果说明，凝集素亲和捕获技术能有效的富集分泌蛋白并显著提高分泌蛋白的检出数量，有利于对分泌蛋白质组进行更全面、更详尽的比较和分析，为更好的进行分泌蛋白质组的分析和比较奠定了基础。
　　最后，在凝集素亲和捕获技术的基础上，使得我们有能力开展基于新鲜组织培养的癌症分泌组学研究，在更贴近生理状态的情况下研究肿瘤组织的分泌组学。我们收集了9对配对的早期结直肠癌和远端正常组织的无血清培养液，利用凝集素亲和捕获技术富集了其中的分泌蛋白，进一步利用GeLC-MS/MS技术鉴定了捕获到的蛋白质。通过采用基于肽段谱图计数的非标记定量方法，我们筛查到了123个在结直肠癌组织和正常组织中显著差异表达的分泌蛋白，其中68个在癌组织中表达量显著上调。我们对其中的一个蛋白质，EFEMP2，采用多种实验技术（免疫印迹、免疫组化、免疫酶联反应）在组织水平和血清水平进行了详尽的后期验证工作。实验结果显示，EFEMP2在结直肠癌患者的癌组织和血清中的表达量显著上调，包括结直肠癌早期患者;此外，受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic，ROC)分析结果显示，EFEMP2和目前临床上使用的辅助结直肠癌诊断的生物标志物CEA的ROC曲线下面积分别为0.923和0.728，说明EFEMP2用于结直肠癌诊断的准确性显著优于CEA。上述实验结果都说明，EFEMP2是非常有潜力的结直肠癌早期诊断的血清生物标志物。
　　总的来说，在本论文的研究工作中，我们首先优化了基于细胞培养的分泌组学研究方法，并将其运用于乳腺癌耐受多柔比星相关分泌蛋白的研究中，找到了一系列在化疗耐受和癌症转移中发挥双重作用的分泌蛋白。在此基础上，我们在细胞系水平建立了基于凝集素亲和捕获的分泌组学研究方法，显著提高了分泌蛋白的检出效率和检出数量。之后，我们进一步将该方法运用于基于新鲜组织培养的结直肠癌分泌组学研究，找到了一系列有潜力成为结直肠癌早期诊断生物标志物的候选蛋白质。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 分泌蛋白及其在癌症发生发展和化疗耐受中的作用

1．1．1 分泌蛋白在癌症早期阶段中的作用

1．1．2 分泌蛋白在癌症转移中的作用

1．1．3 分泌蛋白在癌细胞耐受抗癌药物中的作用

1．1．4 分泌蛋白的多重作用特性

1．2 分泌组学及其研究方法／策略

1．2．1 基于二维凝胶电泳的分析方法

1．2．2 基于液相色谱—串联质谱联用的分析方法

1．3 癌症分泌组学的主要研究内容、意义及其应用

1．3．1 癌症早期诊断

1．3．2 癌症转移

1．3．3 癌症化疗耐受

1．4 癌症分泌组学研究的发展趋势

1．4．1 研究样品应逐渐实现从体外向体内的过渡

1．4．2 建立有效提高分泌蛋白检出效率的研究方法

1．4．3 系统的后期验证工作

1．4．4 关键分泌蛋白的生物学功能解析

1．5 本论文的研究内容

参考文献

第二章 基于细胞培养的分泌组学研究方法的优化及其在乳腺癌耐药研究中的应用

2．1 引言

2．1．1 基于细胞培养的分泌组学研究方法

2．1．2 分泌蛋白在肿瘤细胞耐受抗癌药物中发挥重要作用

2．1．3 细胞系研究模型

2．1．4 本章研究工作

2．2 实验材料和方法

2．2．1 细胞系

2．2．2 临床乳腺癌组织样品

2．2．3 主要的试剂与试剂盒

2．2．4 主要的耗材

2．2．5 主要的仪器设备

2．2．6 引物序列

2．2．7 主要溶液的配制

2．2．8 实验方法

2．3 实验结果和讨论

2．3．1 优化基于细胞培养的分泌组学研究的实验方法

2．3．2 鉴定MCF-7细胞和MCF-7／Dox细胞的分泌蛋白质组

2．3．3 筛选与乳腺癌细胞耐受多柔比星相关的分泌蛋白

2．3．4 多角度分析与乳腺癌细胞耐受多柔比星相关的分泌蛋白

2．3．5 验证IL-18与肿瘤细胞耐药的相关性

2．4 小结

参考文献

第三章 应用凝集素捕获技术提高分泌蛋白鉴定效率

3．1 引言

3．2 实验材料和方法

3．2．1 细胞系

3．2．2 主要的试剂与试剂盒

3．2．3 主要的耗材

3．2．4 主要的仪器设备

3．2．5 主要溶液的配制

3．2．6 实验方法

3．3 实验结果和讨论

3．3．1 蛋白质鉴定结果总览

3．3．2 凝集素亲和捕获技术具有良好的重现性

3．3．3 凝集素亲和捕获技术的优势

3．4 小结

参考文献

第四章 基于新鲜组织培养的结直肠癌早期诊断生物标志物的筛选

4．1 引言

4．1．1 结直肠癌的早期诊断需要新型血清生物标志物

4．1．2 研究样品应逐渐实现从体外向体内的过渡

4．1．3 基于新鲜组织培养的癌症分泌组学研究的瓶颈问题

4．1．4 本章研究内容

4．2 实验材料与方法

4．2．1 细胞系

4．2．2 临床血清／组织样品

4．2．3 主要的试剂与试剂盒

4．2．4 主要的耗材

4．2．5 主要的仪器设备

4．2．6 主要溶液的配制

4．2．7 实验方法

4．3 实验结果和讨论

4．3．1 评估新鲜组织培养体系中的细胞生长状态

4．3．2 质谱鉴定结果概览

4．3．3 凝集素亲和捕获技术用于基于组织培养的分泌组学研究的优势

4．3．4 差异表达的分泌蛋白的筛选及多角度分析

4．3．5 初步挑选候选蛋白质并验证抗体特异性

4．3．6 验证EFEMP2作为结直肠癌早期诊断的生物标志物的可行性

4．4 小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 主要结论

5．2 创新点

5．3 研究展望

附录一 符号与标记

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研项目