震撼来袭！——人类蛋白亚细胞结构分布全谱公布

景杰编者按：蛋白质的功能除了和特定时间表达有关外，还和其表达的场所有关。因此解析人类蛋白在亚细胞水平的空间分布，无疑将极大促进我们对机体生理及病理的认知。近日，瑞典皇家理工学院整合转录组及免疫荧光技术，并辅以质谱验证，绘制出人体内蛋白质亚细胞结构分布的全景图（结果详见）。在单细胞水平将人体内12,003个蛋白定位到30种不同的亚细胞结构，定义了13种主要的细胞器蛋白质组。这项工作有助于精确分析蛋白与蛋白间互作关系，为研究人体细胞高度复杂的结构组成提供重要的数据资源。景杰生物作为全球蛋白质组学与蛋白质修饰组学领域的领跑者，可以为您提供完善的蛋白亚细胞定位的解决方案，为您的研究助一臂之力。

对于机体而言，生物学功能的空间分割是一种非常重要的现象。人体中，这种分割组成了一系列层次分明且功能专一的系统：从器官到特化的细胞，再到亚细胞结构，甚至到大分子复合体。在细胞水平，蛋白质在特定的时间、特定的地点发挥作用。这些亚细胞定位，例如细胞器，提供了特殊的化学环境及相应的互作因子，对于履行蛋白质功能十分的必要。错误的蛋白质定位可能跟细胞功能异常或疾病的产生有着密切的关系。因此，在亚细胞水平获得蛋白质空间分布的准确信息对于理解蛋白质功能、相互作用及细胞活动的生理生化机制具有非常重要的意义。

此项工作中，研究人员整合转录组数据、蛋白组数据及基于抗体的荧光成像技术，为人类细胞的亚细胞结构定位提供了全方位、蛋白组维度的综合性数据，成为人类蛋白组计划（Human Protein Atlas）框架内的重要组成，被称为The Cell Atlas计划。研究人员利用22个人类细胞系，13,993种抗体，为12,003个蛋白提供了亚细胞定位的实验数据。这些蛋白主要分布在30种细胞结构或亚结构，后续研究人员对细胞器蛋白组展开了详细描述。

（图1）免疫荧光显微镜观察亚细胞结构

The Cell Atlas计划利用IF成像来定义细胞器及亚细胞区间的蛋白组信息（图1）。为了选出合适的细胞系作为后续研究的材料，首先研究人员利用RNA-seq对56株细胞系进行检测，最终选出22株能代表不同胚层和器官的细胞系。大约1/3的蛋白（6,295个）在所有细胞株中均有表达，表明这些蛋白可能是持家蛋白的角色。而与以往的数据库相比，有2,090个蛋白在本体系所有细胞株中均未检测到，其中1,225个在器官中被检测到，表明这些蛋白可能只存在于非常小一部分特化的细胞或特殊的发育阶段。

（图2 蛋白在亚细胞结构或细胞器上的分布情况）

通过免疫荧光成像对12,003个蛋白空间分布的分析，研究人员掌握了13个主要细胞器蛋白的分布情况（图2）。此外，综合信号肽识别方法及跨膜区域预测，研究人员认为有2,918个蛋白能够被分泌到胞外（这部分数据在文章附件材料中有具体展示）。大部分蛋白被发现在核质及其子结构中。其中，胞质内有4,279个蛋白，囊泡内有1,806个，核仁有1,270个不同的蛋白。此外，为了评估数据的整体有效性，研究人员同时整合了各大相互独立的蛋白组学数据加以验证。

一个细胞器的生物学功能并不仅仅由蛋白质的存在与否决定，而是与以蛋白质为基础的一系列生物学反应密切相关，而生物学反应又是由蛋白与蛋白的互作主导的。接着，研究人员已The Cell Atlas的蛋白空间信息对蛋白的互作关系进行检测验证（图3）。结果表明，在质膜上的蛋白拥有更多的机会与质膜、高尔基体、囊泡、黏着斑、细胞接头及细胞溶质中的蛋白发生直接的互作关系。而在对细胞内不同隔室间信号传递的分析中发现，大型细胞隔室的作用非常突出，特别是跟分泌途径相关，或者不同隔室之间信号传递有关。

（图3 蛋白-蛋白互作关系）

总而言之，这项工作展示了目前为止对于人类蛋白质组亚细胞分布最为全面、最为广谱的分析。以上结果收录在The Cell Atlas中，作为The Human Protein Atlas portal的有一部分，网址为www.proteinatlas.org，感兴趣的老师或同学可以前往该数据库检索细胞器及其子结构蛋白组、单一或者多重定位的蛋白数据、不同细胞之间差异表达蛋白等等信息。

参考文献：

Thul PJ, et al., A subcellular map of the human proteome. Science, 2017.