蛋白质组学和代谢组学研究思路
蛋白质组学是功能基因组学时代的一门学科，作为生命活动功能的执行者，蛋白质组学从整体水平上对细胞内蛋白质组成、活动规律及蛋白质的相互作用进行研究。目前蛋白质组学的研究主要是基于质谱的蛋白质组学。
代谢组学作为后基因时代的新生组学技术，通过定性和定量表征不同生物中小分子代谢物（分子质量在1,000Da以内的代谢物）的变化，以探索生物体与细胞代谢相关的关键科学问题。代谢组学是表型状态的的描绘者，也是功能调控的活性物质，可以调节蛋白质的相互作用，改变酶活性，改变蛋白质的稳定性，进而调控机体代谢。因此，基于蛋白组与代谢组的联合分析，是描述生物机体代谢调控网络的有效研究策略。
对蛋白组和代谢组两个组学数据进行整合分析，快速筛选数据，找到共同参与某类代谢通路或者具有相同变化趋势的差异蛋白和差异代谢物，系统描述生物体内的分子调控机制，为后续试验验证与分析提供数据基础。
2.1基于通路层面的联合分析
通过KEGG 代谢通路将蛋白质组和代谢组数据联合起来，找到同一生物进程（KEGG Pathway）中发生显著性变化的蛋白质和代谢物，快速锁定关键蛋白和代谢物。再结合富集分析、KEGG通路标色等实现关联结果的可视化。
2.2基于表达层面的联合分析
通过差异表达蛋白和代谢物的表达量数据进行联合分析，找出具有同步变化规律的差异蛋白和代谢物，在结合相关系数矩阵热图、相关性分析聚类热图、相关系数调控网络图进行个性化的分析。
案例一：Small intestine proteomics coupled with serum metabolomics reveal disruption of amino acid metabolism in Chinese hamsters with type 2 diabetes mellitus
发表期刊：Journal of Proteomics（IF=4.044）
发表时间：2020.05
技术手段：蛋白组，代谢组
研究内容：2型糖尿病(T2DM)是一种以高血糖症为特征的代谢紊乱，由于胰岛素分泌缺陷、胰岛素抵抗 (IR) 或两者兼有而导致代谢紊乱。中国仓鼠有自发性T2DM非肥胖动物模型的特征，用于研究糖尿病发病机理和分子机制的潜在价值。作者利用小肠蛋白质组学和血清代谢组学研究中国仓鼠糖尿病动物模型的分子特征。通过液相色谱-串联质谱 (LC-MS/MS) 和气相色谱-飞行时间质谱 (GC-TOF/MS) 分析，分别鉴定出 213 种差异蛋白质和14种差异代谢物。生物信息学分析的注释显示，小肠中这些差异蛋白质通常与糖脂代谢异常、IR、胰岛素分泌受损、氨基酸代谢紊乱和炎症失调有关。此外，血清中差异代谢物主要是氨基酸，与糖尿病 IR 相关。通过对中国仓鼠糖尿病模型中小肠蛋白质组学和血清代谢组学的分析，从分子角度初步了解该模型的糖尿病特征，也为探索T2DM相关机制提供了新视角。
案例二：Tissue-specific study across the stem of Taxus media identifies a phloem-specific TmMYB3 involved in the transcriptional regulation of paclitaxel biosynthesis
发表期刊：The Plant Journal（IF=6.141）
发表时间：2020
技术手段：蛋白组，代谢组
研究内容：红豆杉茎皮可用于提取紫杉醇。然而，整个茎中紫杉醇的组成和紫杉醇生物合成相关酶的茎组织特异性在很大程度上仍然未知。作者使用栽培的红豆杉培养基树通过综合代谢组学和蛋白质组学方法分析主要茎组织的化学成分和蛋白质，并研究了 TmMYB3 在紫杉醇生物合成中的作用。代谢组学分析显示了茎组织特异性代谢物积累的差异。植物化学分析表明，韧皮部中有大量紫杉醇。确定了参与紫杉醇生物合成的十种关键酶，其中大部分主要在韧皮部中产生。分离了 TmMYB3 的全长序列和五个紫杉醇生物合成相关基因的部分启动子序列。在 TBT、DBTNBT 和 TS 的启动子中发现了几个 MYB 识别元件。进一步的体外和体内研究表明，TmMYB3 通过激活 TBT 和 TS 的表达参与紫杉醇的生物合成。不同茎组织的紫杉类成分的差异表明 T. media 的整个茎具有生物技术应用的潜力。韧皮部特异性 TmMYB3 在紫杉醇生物合成的转录调控中起作用，并且可以解释紫杉醇的韧皮部特异性积累。
案例三：Multi-omic profiling of plasma reveals molecular alterations in children with COVID-19
发表期刊：Theranostics（IF=11.556）
发表时间：2021.07
技术手段：蛋白组，代谢组
研究内容：由新型冠状病毒引发的2019年冠状病毒(新冠肺炎)大流行已成为百年一遇的公共卫生危机。研究者将健康儿童和感染新冠肺炎儿童的血液样本进行了血浆蛋白质组学和代谢组学分析，统计分析以识别在 COVID-19 儿童中发生特异性改变的分子。通过与成人的多组学数据进行比较，确定了 COVID-19 儿童与健康儿童或 COVID-19 成人之间差异性改变的 44 种蛋白质和 249 种代谢物。进一步的分析表明，在 COVID-19 儿童中显着诱导了恶化的免疫反应/炎症过程和保护性抗氧化或抗炎过程。使用 iBM对分别包含 5 种蛋白质和 5 种代谢物的两种组合进行了优先排序，每种组合的总曲线下面积 (AUC) 值为 100%，以准确区分 COVID-19 儿童与健康儿童或 COVID-19 成人。进一步的实验证实，所有5种蛋白质在冠状病毒感染后均上调。有趣的是，研究者发现优先代谢物抑制了促炎因子的表达，其中两个甲基丙二酸 (MMA) 和甘露醇也抑制了冠状病毒复制，这表明这些代谢物在 COVID-19 儿童中具有保护作用。本研究对恶化和保护作用的强烈拮抗作用的发现为大多数症状较轻的儿童 COVID-19 的机制和发病机制提供了新的见解。在 COVID-19 儿童中发现的代谢物发生了强烈变化，可以作为 COVID-19 的潜在治疗剂。
文献引用：
[1] Cw A , Jy A , Rz A , et al. Small intestine proteomics coupled with serum metabolomics reveal disruption of amino acid metabolism in Chinese hamsters with type 2 diabetes mellitus[J]. Journal of Proteomics, 2020, 223.
[2] Yu C , Luo X , Zhang C , et al. Tissue‐specific study across the stem of Taxus media identifies a phloem‐specific TmMYB3 involved in the transcriptional regulation of paclitaxel biosynthesis[J]. The Plant Journal, 2020, 103(1).
[3] Wang C , Li X , Ning W , et al. Multi-omic profiling of plasma reveals molecular alterations in children with COVID-19[J]. Theranostics, 11(16):8008-8026.
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