研究成果盤點:定量蛋白質組

今天來盤點一下定量蛋白質組學,特別是定量蛋白組和轉錄組聯合分析的研究成果,主要包括以下六個方向:作物發育、植物抗逆、免疫互作、動物疾病控制、藥物作用分子機制以及腫瘤標志物研究。

1作物發育

J Wu[1] 等,利用轉錄組與蛋白組的聯合分析對正常成熟甜橙和其晚熟突變體進行了甜橙果實成熟機制的探究。通過RNA-seq在突變體與野生型中共得到628個差異表達基因;利用iTRAQ共鑒定到130個差異蛋白;通過對兩個水平結果的聯合分析獲得多個參與甜橙果實成熟的代謝通路,比如激素途徑、細胞壁合成以及糖代謝通路,同時轉錄組與蛋白組差異表達模式的不一致揭示部分蛋白參與轉后調控,為揭示甜橙成熟機制奠定基礎。

2.植物抗逆

定量蛋白質組學的研究在植物抗逆機制研究中應用廣泛,Lan P等[2]通過利用iTRAQ技術對正常生長及鐵缺乏條件下擬南芥根的蛋白譜進行分析,發現92個差異轉錄本中僅有17個在蛋白水平發生差異表達,轉錄和蛋白水平的表達模式差異較大。通過分析認為有些轉錄本豐度的改變沒有體現在蛋白層面,比如可變剪接、RNA的加工和翻譯后修飾都會影響翻譯效率。所以需要通過轉錄組水平和蛋白組的聯合分析區別出真正的轉錄本和蛋白質一致性或者是不一致性,以進行深入機制研究。

FY Zhu[3]等通過轉錄組和蛋白組的聯合分析揭示了擬南芥在脫落酸響應中的可變剪接和翻譯的分子機制,結果中發現相比于基因的差異表達,發生差異可變剪接的基因功能多集中在三羧酸循環、光合作用等途徑,表明在對ABA響應中,相對基因表達,轉錄本的結構變化可能起更為重要的作用,且差異可變剪接事件更容易翻譯成蛋白行使生物學功能。

3.免疫互作

Qi J[4]等,利用多組學(轉錄組學、蛋白組學、代謝組學)技術,探索了玉米受植食昆蟲攻擊的防御機制,并構建繪制了系統的調控模型。這些數據對玉米防御昆蟲災害的進一步遺傳學研究搭建了很好的框架,也為抗昆蟲災害的玉米新品種的培育奠定了良好的基礎。

4.動物疾病控制

M Zachut [5]等利用定量蛋白組學對不同胰島素敏感型的奶牛生產前后脂肪組織的差異蛋白進行檢測,以堅定與胰島素抗性及奶牛代謝水平相關的生物標記物。結果從奶牛脂肪組織中鑒定到586個蛋白,其中奶牛生產前后共獲得143個差異蛋白。對胰島素敏感及不敏感的奶牛的差異蛋白與脂類分解相關,可以作為生物標記物的候選蛋白。

5.藥物作用分子機制

Shelton L M[6]等通過轉錄組和定量蛋白組聯合分析的方法研究藥物作用Nrf2靶點的分子機制。Nrf2已被證明在大量的急性腎損傷實驗模型中發揮保護性作用,有望成為治療慢性腎臟疾病的靶點。實驗設置Nrf2敲除小鼠模型(對照組為野生型)給予藥物及安慰劑處理,給藥24h后比較給藥組和安慰劑組,共鑒定到3122個差異基因,68個差異蛋白,結合注釋信息可以知道Nrf主要通過調節NAPDH的供給在小分子物質的胞內外運輸、氧化還原平衡等生物學過程中發揮重要作用。

6.腫瘤標志物研究

在臨床診斷方面,只有當癌細胞死亡的時候才會將儲存在細胞核基因組DNA中的遺傳信息和突變基因基因信息釋放到外周血中。那些在細胞死亡之前就大量表達出的蛋白質實際上是癌癥早期診斷的獨特靶點,可以幫助我們實現更早的疾病干預。所以,蛋白標記物相比其它標記物更能實現癌癥的早期診斷。

結直腸癌常見于成年人中,死亡率高。從正常的大腸黏膜細胞發展為腺瘤最后演變為癌細胞的過程受多種因素的調控。Cristobal A[7]等荷蘭科學家將七對體外三維培養的(結腸癌-癌旁)類器官進行定量蛋白質組學和轉錄組學分析,除了在發現TLE1等的下調表達助長了WNT信號通路的持續激活從而容易引發腸癌發生發展外,同時也發現不同病人間蛋白組表達模式差別較大,所以通過個性化診斷從而實現癌癥的精準化治療是十分必要的。

另外一個結腸癌標志物相關的研究中,Malgorzata A Komor等[8]通過整合RNA-seq、Iso-seq及LC-MS/MS數據建立了一個適于臨床研究的蛋白組數據分析流程,從分析結果中可以發現除了DNA水平上的變異,RNA水平上發生的異常剪接也會導致癌癥的發生發展,比如在結直腸癌(CRC)中,SRSF1導致RAC1中exon 4的保留,產生了一種有助于癌細胞存活的Rac1b isoform;BCL2L1的可選擇性5 ‘ s端剪接事件的發生助于抵抗細胞死亡使;VEGFA的可選擇性3 ‘端剪接事件會導致癌癥中抗血管生成的isoform的轉變,并誘導血管生成。

參考文獻
[1]Wu J, Xu Z, Zhang Y, et al. An integrative analysis of the transcriptome and proteome of the pulp of a spontaneous late-ripening sweet orange mutant and its wild type improves our understanding of fruit ripening in citrus[J]. Journal of Experimental Botany, 2014, 65(6):1651-71.
[2]Lan P, Li W, Wen T N, et al. iTRAQ protein profile analysis of Arabidopsis roots reveals new aspects critical for iron homeostasis.[J]. Plant Physiology, 2011, 155(2):821-34.
[3]Zhu F Y, Chen M X, Ye N H, et al. Proteogenomic analysis reveals alternative splicing and translation as part of the abscisic acid response in Arabidopsis seedlings.[J]. Plant Journal, 2017, 91(3):518.
[4]Qi J, Sun G, Wang L, et al. Oral secretions from Mythimna separata insects specifically induce defense responses in maize as revealed by high-dimensional biological data.[J]. Plant Cell & Environment, 2016, 39(8):1749.
[5]Shelton L M, Adam L, Joanne W, et al. Integrated transcriptomic and proteomic analyses uncover regulatory roles of Nrf2 in the kidney:[J]. Kidney International, 2015, 88(6):1261-1273.
[6]Zachut M. Defining the Adipose Tissue Proteome of Dairy Cows to Reveal Biomarkers Related to Peripartum Insulin Resistance and Metabolic Status.[J]. Journal of Proteome Research, 2015, 14(7):2863-71.
[7]Cristobal A, Hw V D T, Van d W M, et al. Personalized Proteome Profiles of Healthy and Tumor Human Colon Organoids Reveal Both Individual Diversity and Basic Features of Colorectal Cancer.[J]. Cell Reports, 2017, 18(1):263.
[8]Komor M A, Pham T, Hiemstra A C, et al. Identification of differentially expressed splice variants by the proteogenomic pipeline Splicify[J]. Molecular & Cellular Proteomics Mcp, 2017:mcp.000056.2017.

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