蛋白质磷酸化对白斑狗鱼鱼肉质地的影响机制研究

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白斑狗鱼(Esox lucius),是新疆特色冷水经济鱼类,但在鱼肉贮藏和分销过程中,不可避免地会发生质地软化,大大降低了其感官品质和商业价值。尽管目前已经对导致鱼肉质地软化的多个因素进行了研究,包括内源酶活性、蛋白质降解和蛋白氧化等,但与质地软化有关的问题仍然存在。蛋白质磷酸化是最重要的蛋白质翻译后修饰之一,在内源酶活性调节和蛋白质降解中起着至关重要的作用,提示蛋白磷酸化可能在鱼肉质地软化过程中发挥重要作用。因此,本文以白斑狗鱼为材料,首先确定蛋白质磷酸化与鱼肉质地之间的关联性,分别通过鱼肉、肌原纤维蛋白和肌浆蛋白的磷酸化水平调节,以确认蛋白质磷酸化在鱼肉蛋白质降解、内源酶活性调节中的作用,并通过磷酸化蛋白质组学深入挖掘与质地软化相关的蛋白质、主要代谢途径和通路等,以阐明与质地相关的可能生物标记物,从分子水平揭示蛋白质磷酸化参与鱼肉质地软化的影响机制。本论文主要研究结果与结论总结如下:(1)对白斑狗鱼4℃冷藏过程中的鱼肉质量变化进行分析,结果表明,在冷藏过程中,白斑狗鱼肉质量发生劣变,包括p H值先降低后升高;肌纤维碎裂指数增加而剪切力减少,以及蛋白氧化中的羰基含量增加和总巯基含量减少。同时,冷藏过程中,内源蛋白酶(μ-钙蛋白酶、组织蛋白酶B、L、D和H)仍具有活性,肌原纤维蛋白发生降解。随着冷藏时间延长,肌原纤维蛋白磷酸化水平逐渐降低,而肌浆蛋白升高。相关性分析结果显示,肌原纤维蛋白和肌浆蛋白的磷酸化水平与鱼肉质地、内源酶活性和蛋白质降解显著相关(P<0.01或P<0.05),说明蛋白质磷酸化可能与白斑狗鱼鱼肉的质地变化具有关联性。(2)对鱼肉蛋白质磷酸化水平调控的研究显示,磷酸酶抑制剂(phosphatase inhibition,PI)和蛋白激酶抑制剂(protein kinase inhibition,PKI)可调节白斑狗鱼肉的蛋白质磷酸化水平。PI处理促进了鱼肉的质地劣变,包括p H值、肌纤维碎裂指数和羰基含量的升高,而PKI处理作用相反。在内源酶活性调节方面,PI处理促进了白斑狗鱼肉组织蛋白酶B、H和钙蛋白酶等内源酶活性,而显著抑制组织蛋白酶L和D的酶活性;PKI处理则略微促进钙蛋白酶活性,而对其它酶活性几乎无影响。蛋白质电泳和免疫印迹分析显示,与其他三组相比,PI处理组中肌球蛋白重链降解较多,且发生了很多的蛋白聚集;肌间线蛋白的降解速度更快,并且降解模式发生变化。(3)为持续探究蛋白质磷酸化对肌原纤维蛋白降解敏感性的影响,通过体外调节肌原纤维蛋白的磷酸化水平,并研究内源酶对其降解的变化。结果显示,PI提高了肌原纤维蛋白的磷酸化水平,而碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,AP)降低其磷酸化水平。经内源酶孵育后,μ-钙蛋白酶、组织蛋白酶B和L对肌原纤维蛋白具有明显的降解作用,而组织蛋白酶D作用较弱,组织蛋白酶H几乎没有作用。经蛋白磷酸化处理后,肌原纤维蛋白降解情况有所改变。PI处理可以抑制酶对肌球蛋白重链和肌钙蛋白-T的降解;AP处理促进肌动蛋白的降解,而抑制肌间线蛋白的降解。(4)为进一步探究蛋白质磷酸化对白斑狗鱼肉内源酶的影响,通过体外调节肌浆蛋白的磷酸化水平,并研究内源酶活性的变化趋势。结果显示,PI处理提高了肌浆蛋白的蛋白质磷酸化水平,而AP处理降低其蛋白质磷酸化水平。利用蛋白印迹分析,在白斑狗鱼肌浆蛋白中检测到了μ-钙蛋白酶、组织蛋白酶B、L、D和H的特异性条带;其中,组织蛋白酶B、L和μ-钙蛋白酶含量丰富。在体外4℃孵育过程中,PI处理抑制了μ-钙蛋白酶活性的升高,抑制了4种组织蛋白酶的特异条带降解;而AP处理略微促进了μ-钙蛋白酶活性的升高,抑制了组织蛋白酶L、D和H的特异条带降解,并且促进了组织蛋白酶B的降解。(5)蛋白质磷酸化参与白斑狗鱼肉质地软化的影响机制研究。为深入地挖掘蛋白质磷酸化参与白斑狗鱼肉质地软化的相关生化过程,使用定量磷酸化蛋白质组学分析了白斑狗鱼肉在不同冷藏时间的磷酸化蛋白质组学变化。研究结果显示,在D0、D3和D7三组间共鉴定到2146个差异磷酸化肽,与714个磷酸化蛋白相匹配,含有2076个磷酸化位点(占比分别为丝氨酸83.82%、苏氨酸14.60%和酪氨酸1.59%)。与质地相关的差异蛋白主要有肌原纤维蛋白(肌球蛋白重链、肌球蛋白轻链、肌动蛋白和伴肌动蛋白等)、Ca2+结合蛋白、糖酵解酶、胶原蛋白、钙蛋白酶抑制剂等。氨基酸的Motif基序分析结果主要包括10个丝氨酸基序和2个苏氨酸基序;Motif基序标识图推测为糖酵解酶、激酶等。基因本体论(Gene Ontology,GO)分析分子功能为结合和催化活性;细胞成分主要分为细胞解剖实体和含蛋白质复合物;生物过程主要包括细胞过程、代谢过程和生物调节。京都基因和基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)分析包括信号传导、内分泌系统、癌症概述,以及折叠、分类和降解等。蛋白-蛋白互作网络图确定了四个主要的相互作用蛋白质簇,包括钙信号、糖酵解、肌肉收缩和胶原成分;其中,钙信号是连接所有其他网络的最大蛋白质簇。综上,本文研究结果证明了磷酸化蛋白与白斑狗鱼冷藏期间鱼肉质地变化之间的关联性,阐明了蛋白质磷酸化通过动态信号转导途径调节大多数主要细胞过程,蛋白质磷酸化通过介导内源蛋白酶活性、蛋白质构象,来影响鱼肉主要蛋白的降解,从而对白斑狗鱼肉质地产生影响。同时,本文从磷酸化蛋白组学角度,阐明了蛋白质磷酸化通过修饰糖酵解酶、肌肉收缩相关蛋白、胶原蛋白和Ca2+信号通路蛋白等方式,调控蛋白质参与鱼肉软化的信号传导和代谢过程的作用机制。此外,根据磷酸化蛋白定量数据和生物信息学结果,果糖二磷酸醛缩酶、肌球蛋白轻链、I型和VI型胶原蛋白、Ca2+结合蛋白可作为白斑狗鱼肉质地差异相关的生物标志物。
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