“由面及点”——多维组学揭示线虫饥饿响应中关键调控通路
景杰编者按：高通量蛋白质组学能够从蛋白整体水平揭示生物体、组织或细胞在应对环境变化，发生病变等过程中的蛋白丰度或表达谱变化情况，进而由面及点锚定关键调控通路。而整合利用高通量二代测序与蛋白质组学技术能够实现转录组到蛋白组的联合分析，提供丰富的转录水平调控与蛋白水平之间的关联与异同等信息，进而为机制探索提供更多地依据。日前，来自欧洲和澳洲的研究者在著名学术期刊Cell Systems上报道了应用蛋白质组学与转录组学联合分析寻找线虫饥饿响应中关键代谢通路的工作；发现饥饿响应中转录因子HLH-30调控脂蛋白表达与脂质转运是线虫响应并适应饥饿环境的关键代谢通路。景杰生物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。
关键词：多维组学联合分析，高通量蛋白质组学，线虫，HLH-30
研究思路与成果：
饥饿能够造成机体复杂的代谢改变，而之前对动物个体饥饿响应的研究多是从某个基因或者某个通路的角度进行阐述，而欠缺整体上的描述。在线虫的研究中，已知转录因子HLH-30缺失后会造成个体在饥饿处理后提前死亡，预示着HLH-30在饥饿响应调控中发挥着重要作用，而其饥饿响应调控机制的研究则没有一个系统性的结果。研究者应用高通量蛋白质组学，分析野生型与突变体hlh-30在饥饿处理后不同时间点的蛋白表达情况，共鉴定到超过4600个蛋白；结合转录组学数据，锚定转录因子HLH-30能够从转录水平调控脂蛋白代谢通路相关基因表达与蛋白水平进而影响机体响应饥饿处理。（图1）
图1：多维组学联合分析揭示线虫饥饿响应关键代谢通路
基于蛋白质组学的数据，研究者应用分级聚类算法，在饥饿处理过程中，根据野生型线虫蛋白表达量变化情况分为四种类型，并进行KEGG通路富集分析。分析发现：不直接与饥饿条件下存活相关的能量消耗通路蛋白表达下调，如免疫应答相关蛋白；而分解代谢途径包括，脂肪酸降解，蛋白水解以及细胞自噬等途径相关蛋白则发生上调；相应的，合成代谢途径也在饥饿处理中受到抑制。（图2）
图2：饥饿处理中，野生型线虫蛋白水平变化聚类与通路富集
其次，研究者对饥饿处理中的线虫进行RNA-seq转录组分析，并结合蛋白组的数据，发现mRNA水平与蛋白水平仅具有很弱的正相关性，说明不能仅仅依赖转录组数据解释表型发生机制，而更重要的是需要蛋白质水平数据进行说明。研究者将蛋白根据mRNA-Protein水平差异分为四个类型：mRNA水平下调-蛋白水平不变，mRNA水平不变-蛋白水平上调，mRNA水平上调-蛋白水平下调，mRNA水平上调-蛋白水平不变，并对这四个类型进行聚类与通路富集分析，说明了不同的代谢通路在饥饿处理中存在差异性较大的转录水平或者蛋白水平调控模式。（图3）
图3：不同mRNA-Protein关联模式蛋白聚类与通路富集
第三，通过比较野生型与hlh-30突变体在饥饿响应过程中蛋白表达水平，研究者筛选出1109个在饥饿处理中特异响应HLH-30缺失的蛋白，其中包括了已报道的HLH-30靶基因，分别在蛋白与转录水平对这些基因进行GO富集，发现仅有“脂质定位”相关基因或蛋白同时在蛋白与转录水平被富集到，进一步证实脂质代谢相关通路可能在饥饿响应中受到HLH-30调控并发挥功能。（图4）
图4：HLH-30响应基因在蛋白水平与mRNA水平的GO富集分析
最后，通过上述蛋白质组学与转录组学联合分析，研究者定位到了脂蛋白代谢通路中卵黄蛋白原合成相关蛋白VIT-1，-2，-3，-4等与饥饿条件下机体存活相关，且hlh-30 vit-1双突变能够回复hlh-30突变体内脂滴数量与大小到野生型水平，进而影响机体在饥饿条件下的适应，证明了HLH-30通过调控VIT-1等基因表达影响卵黄蛋白合成进而维持机体营养平衡并在饥饿响应机体存活机制中发挥关键作用。（图5）
图5：VIT-1在hlh-30突变体中的敲除影响脂滴大小和数量
总结：该项研究阐述了如何应用蛋白质组学与转录组学对机体整体变化的系统性分析，揭示机体在代谢调控与饥饿响应中的新的调控机制。该项研究同时表明，在机制研究中，不能够仅依赖转录组数据，而需要更加重视直接参与机体生理生化活动的蛋白质组数据，方能对生物过程与分子机制进行更加准确的寻找与发现。
参考文献：
Harvald, E.B., et al. (2017). Multi-omics Analyses of Starvation Responses Reveal a Central Role for Lipoprotein Metabolism in Acute Starvation Survival in C. elegans.CellSystems 5, 38–52.
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