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“时过境迁”--果蝇发育过程中蛋白质的动态变化
景杰编者按：黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）是研究遗传学和发育生物学的经典模式生物，目前针对果蝇发育的基因表达谱研究主要集中在RNA水平，而对于生物体功能更直接的执行者-蛋白质的高通量研究还十分有限。最新发表在国际著名期刊Genome Research的文章首次对果蝇变态发育各个阶段进行了高通量蛋白质组学分析，共鉴定到~8000个蛋白。研究人员将蛋白组数据和已有的转录组数据关联分析，再一次证明了mRNA和蛋白质表达水平的弱相关性。更为重要的是，通过整合不同发育阶段蛋白质的定量数据，他们发现了众多功能不甚明确的蛋白在发育上的时空表达差异，为后续的分子功能和机制研究提供了丰富的资源。景杰公司作为全球蛋白质及翻译后修饰的领跑者，可以为您提供一整套常规蛋白质组学及修饰组学研究的解决方案，同时还能为您提供高灵敏度的修饰类泛抗体，助力您的研究工作。
果蝇变态发育周期可以清晰的界定为四个阶段：1. Embryo（胚胎）；2. Larva（幼虫）；3. Pupa（蛹）；4. Adult（成虫）。果蝇具有生命周期短、易于培养和实验操作、染色体数目少、易于观察等特点，因而成为经典的模式生物。目前针对果蝇发育的高通量基因表达研究主要集中在mRNA转录组水平，另一方面，mRNA与蛋白质的弱相关性已经在酵母、线虫、小鼠中被证实，因此直接分析果蝇生命周期各阶段的蛋白质表达谱有助于我们深入研究目标基因的功能以及发育的时空调控机制。
研究思路和成果：本文中，作者通过高通量蛋白组学技术，对果蝇生命周期的15个时间节点进行了分析，涵盖前文提到的变态发育四个阶段，总共鉴定到7952个蛋白。相关性分析和主成分分析（PCA）证实了技术流程的可靠性和样本间的重复性。鉴定到的蛋白有一半以上（~4600个）出现在发育的各个阶段，被定义为核心蛋白组（Core proteome）。通过进一步的筛选，发现其中有~1400个蛋白在果蝇的生命周期表达量基本稳定（例如微管蛋白、肌动蛋白、热激蛋白等），~2000个蛋白的表达量发生了显著改变，暗示其与发育的时空特异性相关。
蛋白注释GO分析发现，胚胎发育时期的差异表达蛋白主要与有丝分裂调控、细胞周期、发育所需的激酶系统相关，基于所得数据，研究人员还区分了胚胎发育的早期（0-6h）和后期（12-20h）：早期主要有细胞骨架重塑蛋白、微管结合蛋白、翻译相关蛋白等的高表达，而后期主要是组织变态发育相关蛋白（如Baz、Ft、Rib等）的高表达。幼虫和蛹时期特异表达的蛋白主要是壳多糖外皮层的结构性成分。在成体中，气味分子结合蛋白（Obp83b和Obp57a）、光感应和传导蛋白（Arr1和Arr2）、视网膜变性蛋白A（RdgA）等都有显著高表达，这也与成体果蝇具备完善的光感知系统相契合。
有趣的是，研究人员还对成体果蝇的性别特异性蛋白进行了分析。通过建立统计分析模型，在雄果蝇中找到308个特异性蛋白，而雌果蝇中这一数字为374。308个雄性特异蛋白包括精细胞鞭毛蛋白（Tektin-A和Tektin-C），一些功能不甚明确的果蝇睾丸和精囊相关蛋白等。374个雌性特异蛋白包括卵黄膜蛋白、绒毛膜蛋白、卵黄原蛋白等。
为了对果蝇胚胎发育进行了更加深入的研究，作者收集了果蝇产卵后直至20h内每1-2小时的胚胎开展蛋白质组学分析，共定量到~5500个蛋白，其中有~1600个蛋白在胚胎发育各阶段差异表达。GO功能注释呈现了不同时期的差异表达蛋白，比如在0-1h富集的合胞体胚层蛋白；在2h前后富集的核糖体发生蛋白；在2-3h富集的细胞周期和细胞骨架重塑蛋白；3h富集的神经发育相关蛋白；偏后期的如14h富集的肌肉结构相关蛋白等等。
为了分析发育相关基因表达谱的时空特异性，研究人员将果蝇发育蛋白组的数据与特定组织的RNA表达数据（荧光原位杂交）进行联合分析，在肌肉组织中，除了发现已知的肌肉相关蛋白的高表达外，还找到了未知功能的蛋白有高表达（如CG1674, CG6040 和CG15022），使用突变体进行的功能验证也表明CG1674和CG6040很有可能与果蝇肌肉发育相关。果蝇的所有组织的相关数据都可以从作者实验室的网站页面获取，这将成为研究组织器官特异性分子的功能和调控机制的重要资源。
总结：综上所述，作者首次对果蝇发育的各个阶段进行了高通量蛋白质组学研究，分析了不同阶段蛋白表达谱的共性和特异性。通过与公共数据库的信息（如转录组数据、原位杂交RNA数据）整合分析，验证了未知功能的蛋白在特定组织器官（如肌肉、神经系统等）中可能发挥的调控作用，为后续的分子功能和机制研究提供了丰富的资源。值得一提的是，该研究再一次证明了mRNA和蛋白质表达水平的弱相关性。蛋白质组数据不仅仅是对基因组、转录组数据的完善，更是对系统生物学框架下研究基因表达、调控和功能具有直接的指导意义。
参考文献： Casas-Vila et al., The developmental proteome of Drosophila melanogaster. Genome Res. 2017 Apr 5.
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