双向凝胶电泳

双向凝胶电泳由O'Farrel以及Klose和Scheele等人于1975年发明的，原理是第1向基于蛋白质的等电点不同用等电聚焦分离，具有相同等电点的蛋白质无论其分子大小，在电场的作用下都会用聚焦在某一特定位置即等电点处；第2向则按分子量的不同用SDS-PAGE分离，把复杂蛋白混合物中的蛋白质在二维平面上分开。近年来经过多方面改进已成为研究蛋白质组的最有使用价值的核心方法。

1、原理

1、根据蛋白质的等电点（第一向）和分子量（第二向）的不同进行分离。

2、电泳后根据蛋白质的上样量对胶进行考马斯亮兰染色、银染或荧光染色，然后用相关软件对电泳图象进行分析。

2、操作步骤

样品要求

1、建议使用的蛋白质溶解体系为8M尿素/4%CHAPS/40mMTris（Base）/65mMDTT；

2、样品浓度大于2μg/μl；

样品制备

双向电泳成功的关键在于建立一套有效的、可重复的样品制备方法。样品制备的影响因素包括蛋白质的溶解性、分子量、电荷数及等电点等。对于不同的样品性质及研究目的，其方法也不尽相同。不同的样品性质，用于样品处理的缓冲液必须在低离子强度的基础上，既能保持蛋白质的天然电荷。又能维持其溶解性。因此，绝大多数样品往往都需要通过多次实验才能摸索到最适宜的条件。

第一向分离

等电聚焦

蛋白质是两性分子，在不同的pH环境中可以带正电荷、负电荷或不带电荷。对每个蛋白质来说都有一个特定的pH，此时蛋白质的静电荷为零，此pH值即该蛋白质的等电点（pI）。将蛋白质样品加载至pH梯度介质上进行电泳时，它会向与其所带电荷相反的电极方向移动。在移动过程中，蛋白分子可能获得或失去质子，并且随着移动的进行，该蛋白所带的电荷数和迁移速度下降。当蛋白质迁移至其等电点pH位置时，其净电荷数为零，在电场中不再移动。聚焦是一个与pH相关的平衡过程：蛋白质以不同的速率靠近并最终停留在它们各自的pI值；在等电聚焦过程中，蛋白质可以从各个方向移动到它的恒定位点。

第二向分离

SDS.聚丙烯酰胺凝胶电泳

双向电泳的第二向是将IPG胶条中经过第一向分离的蛋白转移到第二向SDS.PAGE凝胶上，根据蛋白相对分子质量或分子量（MW）大小与第一相垂直的分离。

蛋白质与十二烷基硫酸钠（SDS）结合形成带负电荷的蛋白质。SDS复合物，由于SDS是一种强阴离子去垢剂。所带的负电荷远远超过蛋白质分子原有的电荷量，能消除不同分子之间原有的电荷差异，从而使得凝胶中电泳迁移率不再受蛋白质原有电荷的影响。而主要取决于蛋白质分子的质量大小，其迁移率与分子量的对数呈线性关系，在蛋白质组研究中。需要在同样的条件下同时走多块胶，这对凝胶与凝胶之间的比较十分重要。

修饰和加工

蛋白质的翻译后修饰和加工，是指在肽链合成完成后进行的化学反应，如磷酸化、羟基化、糖基化、二硫键形成，以及目前发现的蛋白质自剪接等等，可能有一百种以上。翻译后修饰和加工对蛋白质的正常生理功能是必需的，它们的变化往往和疾病的发生有关。用双向凝胶电泳可以进行翻译后修饰的研究，如用32P标记可以研究磷酸化蛋白的变化。双向凝胶电泳中常可发现的蛋白质拖曳现象，很可能是一个蛋白的不同翻译后修饰产物所造成的。拖曳图像变化在疾病诊断上可能提供重要的信息。

3、技术应用

凝胶中蛋白的检测

凝胶染色的目的是使其中的蛋白质能够被观察到。目前还没有通用的染色方法，只能在考虑多种因素如需要的灵敏度、线性范围、方便程度、费用、以及成像设备类型等基础上，结合实际进行选择。有时也可以将蛋白转膜后通过免疫印迹的方法来进行检测。

图像采集和分析

成像设备可以摄人图像，对凝胶图像以数字形式保存，对每块凝胶图像进行平等的比较，在各研究组之间传递信息，并对大量的数据进行归类分析。目前应用较为广泛的图像分析软件有PDQuest、ImageMaster2DElite、Melanie、BioImageInvestigator等，分辨率较高，功能齐全。尽管如此，仍不可避免约10%的未检出点和假点，需要手工添加、删除和分割。图像采集完成后。可以应用各种分析软件进行分析，可以收集、诠释、比较蛋白质组数据资料等。

蛋白鉴定

一旦通过差异分析或其它方法找到感兴趣的蛋白后。就可以从凝胶中或膜上切取这些目标蛋白质作鉴定。现在绝大多数蛋白质的鉴定是通过质谱分析来完成的。

分离蛋白质组所有蛋白

分离蛋白质组所有蛋白的两个关键参数是其分辨率和可重复性。在目前情况下，双向凝胶电泳的一块胶板（16cm×20cm）可分出3——4千个，甚至1万个可检测的蛋白斑点，这与10万个基因可表达的蛋白数目相比还是太少了。80年代开始采用固定化pH梯度胶，克服了载体两性电解质阴极漂移等许多缺点而得以建立非常稳定的可以随意精确设定的pH梯度。由于可以建立很窄的pH范围（如0.05U/cm），对特别感兴趣的区域可在较窄的pH范围内做第二轮分析，从而大大提高了分辨率。此种胶条已有商品生产，因此基本上解决了双向凝胶电泳重复性的问题。这是双向凝胶电泳技术上的一个非常重要的突破。第二向SDS-PAGE有垂直板电泳和水平超薄胶电泳两种做法，可分离10——100kD分子量的蛋白质。

其中灵敏度较高的银染色法可检测到4ng蛋白，最灵敏的还是用同位素标记，20ppm的标记蛋白就可通过其荧光或磷光的强度而测定。用图像扫描仪、莱赛密度仪、电荷组合装置可把用上述方法得到的蛋白图谱数字化，再经过计算机处理，去除纵向和横向的曳尾以及背景底色，就可以给出所有蛋白斑点的准确位置和强度，得到布满蛋白斑点的图像，即所谓“参考胶图谱”。蛋白质组研究的主要困难是对用双向凝胶电泳分离出来的蛋白，进行定性和定量的分析。最常用的方法是先把胶上的蛋白印迹到PVDF（polyvinylidenedifluoride）膜上后再进行分析，确定它们是已知还是未知蛋白。现在的分级分析法是先做快速的氨基酸组成分析，也可先做4——5个循环的N末端微量测序，再做氨基酸组成分析；结合在电泳胶板上估计的等点电和分子量，查对数据库中已知蛋白的数据，即可作出判断。有文献报道，N末端4个残基序列的数据就可以给出很多的信息而得到相当准确的结果。如再结合C末端序列，判断结果的准确性会更高。对分离得到的蛋白质作进一步的确切鉴定需要有足够数量的纯蛋白，电泳时蛋白质已经过了高度纯化。现在一块胶板可允许上到高达mg数量级的样品，因此每个分离的蛋白斑点可有μg数量的蛋白，这样使本来是微量的蛋白也可希冀被鉴定。

4、存在问题

（1）低拷贝蛋白的鉴定。人体的微量蛋白往往还是重要的调节蛋白。除增加双向凝胶电泳灵敏度的方法外，最有希望的还是把介质辅助的激光解吸/离子化质谱用到PVDF膜上，但当前的技术还不足以检出拷贝数低于1000的蛋白质。

（2）极酸或极碱蛋白的分离。

（3）极大（>200kD）或极小（

（4）难溶蛋白的检测，这类蛋白中包括一些重要的膜蛋白。

（5）得到高质量的双向凝胶电泳需要精湛的技术，因此迫切需要自动二维电泳仪的出现。