最美人间四月天—蛋白质组学揭示光周期对蛋白丰度的调控
编者按
春夏秋冬，季节更替，花开花谢，北雁南徙。从鸟类的迁徙，到哺乳动物的冬眠，光照周期的季节性变化，对生物的代谢和发育有着广泛的影响。一系列的研究表明，拟南芥的开花时间、抗旱能力、生长代谢等都光照周期息息相关。
2015年，Wilhelm Gruissem等人发现长、短光照周期下，转录本的水平，尤其是类黄酮合成以及糖转运相关基因的转录水平存在明显差异[1]。与此研究相类似，2016年，德国马克斯普朗克植物研究所的Potsdam-Golm等研究团队研究了不同光照周期下拟南芥全转录组丰度的差异，发现与代谢、生长等相关的基因丰度发生了显著变化[2]。
最近，上述研究团队携手，联合蛋白组和转录组研究了光照周期对蛋白丰度的影响。研究发现较高的RNA丰度和翻译速率能够促进光照周期对蛋白丰度的调控，即翻译一致性机制。研究者利用蓝藻和绿藻数据模拟了该机制，证明该机制在光合自养生物对光照周期的应答方面存在普适性[3]。这为探索光合自养生物对不同光周期的应答和机制研究提供了新的视角和依据。
关键词
蛋白组、光照周期、转录组、节律控制、翻译一致性
研究思路和成果
首先研究者利用定量蛋白组学方法，研究不同光照周期对拟南芥蛋白质组的影响。选取年龄为30天的拟南芥，光照时间设定为6、8、12和18 h，研究9天之内不同光照周期对其蛋白组的影响。定量蛋白组学方法在样本中鉴定到了4,344蛋白，蛋白种类几乎囊括了所有代谢途径相关的酶，除了定量到丰度较高的蛋白之外，还定量到了一些丰度较低的转录因子和激素信号途径相关的蛋白。PCA分析显示利用光照周期可以将样本之间完全分开并且重复样本聚在一起，证明样本重复性良好（图1 A）。
接下来研究者对差异蛋白进行了分析，结果显示定量到的1,781个差异蛋白中，389个蛋白出现1.5倍变化，757个上调，1,024个下调。箱线图显示上调蛋白主要集中在长光照周期时间内（8-18 h），少数分布在短光照周期内（6-8 h，图B），而下调蛋白相对均匀地分布在每个光照周期（图1 C）。为了研究蛋白水平的逐步变化，对光照周期进行了两两比较，发现比较8 h vs. 6 h (12), 12 h vs. 8 h (184) or 18 h vs. 12 h(177)时，差异蛋白个数很少，而比较18 h vs. 8 h (1,035) or 18 h vs. 6 h (1,452)时，差异蛋白显著增多，这和转录组结果一致。
51%的差异蛋白其差异变化低于1.3，平均差异水平在1.2，为了研究这些差异相对低的蛋白的潜在功能，对其进行了GO富集分析。结果显示每个差异范围都有代谢途径富集到，而且几乎每个差异范围都富集到了特定的代谢途径，说明在狭窄的差异变化范围内，蛋白的丰度变化和其功能是高度协调且一致的（图2）。
图2 差异蛋白GO富集分析
深入分析差异蛋白富集的KEGG途径发现，光照周期长度会对植物的光合作用、代谢和生长等产生重要的影响。植物会根据光照周期的变化调整其代谢和能量管理过程来适应这种变化。比如在长光照周期中，与光合作用相关的蛋白发生显著上调，光合作用加快；与类异戊二烯代谢途径相关的酶发生显著差异；大部分与初级碳代谢相关的酶上调，碳固定、TCA循环、淀粉蔗糖代谢等加快；莲座叶保持高活性的代谢状态等（图3），这些变化与拟南芥营养期的变短，花期的提前相一致。
图3 光照周期对初级和次级代谢过程中相关酶表达水平的调节
研究表明，不同光照周期引起的转录组水平变化和蛋白组水平变化高度相关，两者的关系受翻译速率的影响。高RNA转录水平和高转录本翻译速率一致预计会促进蛋白的合成。例如：破晓期的转录本，其丰度在光照2h后达到峰值，同时其翻译速率也达到峰值，无论是长、短光照周期，其转录组水平与光间隔一致，蛋白合成速率相当；而晚间的转录本，破晓12h之后达到峰值，只有在长光照周期时，其转录本水平和光间隔一致，蛋白合成速率加快（图4）。
综上，不同光照周期蛋白合成速率出现差异的原因，部分来源于光诱导的RNA表达水平的规律性变化以及由其导致的高翻译速率的一致性，即翻译一致性机制。这种内部分子节律控制和外部光照诱导相互作用的机制，和已报道的控制花开的机制相似。
之后，研究者利用数学模型模拟其成分，验证了翻译一致性机制对蛋白丰度的影响，并利用蓝藻和绿藻的数据进行研究，证实翻译一致性原则普遍适用于光合自养生物对光周期的变化的应答。
小结
季节性的光照周期的变化，对植物的生长和代谢具有重要的诱导和调节作用，本文通过蛋白质组学研究不同光照周期条件下，拟南芥蛋白丰度的变化，同时结合其转录本的变化，揭示了调节蛋白表达的翻译一致性机制，并证明该机制普遍适用于光合自养生物，这为研究植物对光周期的应答和机制提供了新的思路。
参考文献
[1] Baerenfaller, Katja, et al. (2015), A long photoperiod relaxes energy management in Arabidopsis leaf six. Current Plant Biology 2, 34-45.
[2] Flis, Anna, et al. 2016, Photoperiod‐dependent changes in the phase of core clock transcripts and global transcriptional outputs at dawn and dusk in Arabidopsis. Plant, cell & environment 39.9, 1955-1981.
[3] Seaton D D, Graf A, Baerenfaller K, et al. 2018, Photoperiodic control of the Arabidopsis proteome reveals a translational coincidence mechanism. Molecular systems biology 14: e7962.
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