多篇文章，解读科学家如何运用蛋白组学揭示发育进程？

景杰生物|解读

发育生物学主要研究生物体从精子和卵子的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老、死亡的规律。一个生物体的蛋白质随发育阶段、特定组织等变迁而不断变化,蕴藏着巨大的动态的生命活动的信息量,利用蛋白质组学技术可从分子水平了解生物体的发育调控、发育异常等的机制，具有重要的意义和广泛的应用前景。

相对于基因组，蛋白质组研究发育过程中的蛋白质丰度、及翻译后修饰的动态变化，对生命现象的诠释更直接、更准确，近年得到了快速发展。本文中，小编就对相关研究进行整理，与大家一起学习！

1.Science：蛋白基因组学研究玉米发育过程中的调控网络

2.Nat Chem Biol：蛋白质组学鉴定调控果蝇发育的O-GlcNAc修饰蛋白

3.Genome Res：首次揭示果蝇发育过程中蛋白质的动态变化

Science：蛋白基因组学研究玉米发育过程中的调控网络

在系统生物学的水平来预测单个基因的功能，对现阶段的科研人员言仍是一项艰巨的挑战: 目前的策略多是分析转录组数据,进而预测基因调控网络和共表达网络，而该策略基于基因表达的mRNA丰度能反映相应蛋白的丰度的假设。然而现实是，mRNA和蛋白丰度的相关性其实并不高，因此如果只是依靠转录组数据而不依靠蛋白质或者蛋白修饰组学的数据，最终来进行功能预测所得到结果，其可靠性是存疑的。

美国加州大学圣地亚哥分校Steven P. Briggs院士团队在Science上报道整合多维组学的数据（转录组-蛋白组-蛋白磷酸化），预测玉米在发育过程中的基因调控网络。

文章中对玉米（营养到生殖阶段中）的23个组织（3次生物学重复）进行了转录组测序，33个组织（3-7次生物学重复）进行了质谱测序。经过整合组学数据的分析，从共表达网络和GRNs两个方面进行了探证。

图1. 转录组数据和蛋白质组数据的特征和比较分析

结果表明：基于转录组、蛋白组数据进行相互作用分析，上述两种方法间的差异约为85%，虽然这两类组学数据能够分别富集到相似的ontological categories。整合mRNA, protein, phosphoprotein数据库后的分析，可以很大程度提高从系统层面预测单个基因功能的能力。想了解更多研究详情请点击此处：“拨云散雾"---蛋白基因组学研究玉米发育过程中的基因调控网络。

Nat Chem Biol蛋白质组学鉴定调控果蝇发育的O-GlcNAc修饰蛋白

O-GlcNAc是核蛋白、细胞质蛋白上广泛存在的可逆糖基化修饰，该修饰主要发生在蛋白质丝氨酸、苏氨酸残基，主要由OGT(O-GlcNAc转移酶)以及OGA(O-GlcNAc水解酶)动态调控的蛋白质翻译后修饰。在模式生物中，蛋白质O-GlcNAc糖基化参与胚胎早期发育的调控。但是因为找不到好的富集手段，被修饰蛋白的鉴定工作进展缓慢。

日前，来自英国的研究者将细菌OGA进行遗传改造，通过突变使其丧失水解功能，但是仍然保持其结合功能，实现O-GlcNAc糖基化蛋白的高效富集，鉴定到大量和果蝇胚胎发育时期O-GlcNAc糖基化蛋白质，该项工作发表于著名学术期刊Nature Chemical Biology。

研究者鉴定并且验证了D298N突变CpOGA作为一种O-GlcNAc糖基化蛋白结合蛋白，适用于更简单的O-GlcNAc糖基化亲和富集手段。将突变CpOGA应用于对果蝇胚胎O-GlcNAc糖基化蛋白修饰组分析，质谱鉴定到了3558种蛋白，和对照相比 （利用CpOGA D298N D401A双突变，不具有结合O-GlcNAc蛋白能力），其中有2358种蛋白被显著富集，其中2044种蛋白通过PANTHER鉴定用于GO分析。结果有678种属于核质蛋白，84种膜蛋白。

图2. 果蝇胚胎O-GlcNAc糖基化蛋白大多数参与RNA运输与加工

对这些蛋白进行分类分析，约14%为核酸结合蛋白，大多数参与RNA运输与加工 （图 2）。并鉴定到Gug、mop等多种OGT糖基化底物蛋白，表明蛋白糖基化参与调控胚胎发育时期的重要过程。同时质谱也鉴定到参与泛素化蛋白酶体、DNA复制、细胞凋亡等途径的蛋白，有趣的是很多参与蛋白也和亨廷顿疾病以及帕金森综合症发病机理相关。而且后续的遗传实验表明，一些蛋白OGT糖基化和果蝇发育有关，修饰位点突变后会导致果蝇发育异常 。想了解更多研究详情请点击此处：蛋白质组学鉴定调控果蝇发育的O-GlcNAc修饰蛋白。

Genome Res首次揭示果蝇发育过程中蛋白质的动态变化

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。

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研究，分析了不同阶段蛋白表达谱的共性和特异性。

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。 

图3 果蝇生命周期的15个时间节点

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。想了解更多研究详情请点击此处：“时过境迁”--果蝇发育过程中蛋白质的动态变化。

在发育生物学领域，蛋白组学、修饰组学，以及包括组蛋白修饰在内的表观遗传学是强有力的研究方法。为促进我国发育生物学领域科研人员之间的交流与合作，展示我国发育生物学研究的最新成果和重要进展，由中国细胞生物学学会主办，中国动物学会和中国遗传学会协办，云南大学承办的 “第四届全国发育生物学大会” 将于2018年10月14-16日在云南昆明召开。

期待与各位专家、学者共同探讨发育生物学领域的热点、难点问题，助力我国科研事业的发展。

会议名称：第四届全国发育生物学大会

时间：2018年10月14-16日

地点：云南·昆明·云安会都酒店

景杰展台：B02

参考文献

 Justin Walley, et al. Integration of omic networks in a developmental atlas of maize. Science.

Selvan, N. et al. A mutant O-GlcNAcase enriches Drosophila developmental regulators. Nat Chem Biol .

Casas-Vila et al., The developmental proteome of Drosophila melanogaster. Genome Res.

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