重磅！北京蛋白质组研究中心团队绘制小鼠胃发育过程的多组学图谱

Original: Dr.Proteomics 精准医学与蛋白组学 2019-06-30

景杰生物|解读

景杰编者按：哺乳动物在胃的结构上具有高度多样性，其器官功能严重依赖于正常的胚胎发育。虽然对胃发育过程中的形态学变化已经有了一些研究，但缺乏对潜在分子变化的系统分析。

近期，北京蛋白质组研究中心秦钧教授课题组在国际著名期刊Nature Communications上报道了对多个发育阶段的小鼠胃进行蛋白质组和转录组图谱的研究。转录组鉴定到了一些与发育相关且功能重要的亚型，同时，也鉴定到了一些功能没有被注释的新的剪接转录本；蛋白质组鉴定到的胃发育过程中差异表达的蛋白在弥漫性胃癌中显著高表达。研究为揭示胃发育过程以及与胃癌发生之间的关系提供了重要依据。

◆◆研究速读◆◆

1. 小鼠胃发育的蛋白质组图谱

为绘制小鼠胃发育的蛋白质组图谱，研究者对胚胎期（胚胎第12.5天、13.5天、14.5天、15.5天、16.5天、17.5天和18.5天），产后天数（出生第1天、第3天和第5天）和产后周（产后第1周、第2周、第3周、第6周和第8周）3阶段共15个时间点的小鼠胃器官进行取样（Fig 1）。采用Label-free定量蛋白质组学，在1%FDR上鉴定了12108种基因产物（GPs）并进一步进行生物信息学分析。

Fig1 选择3个阶段15个时间点对小鼠胃器官进行取样

2. 小鼠胃发育的三个不同阶段

研究者进行了无监督的层次聚类分析（HC）和主成分分析（PCA）将实验划分为三个不同阶段：阶段一（胚胎第12.5天-16.5天），阶段二（胚胎第17.5天-产后第2周）和阶段三（产后第3周-第8周）（Fig 2）。

Fig 2 根据HC和PCA结果将将小鼠的胃发育过程分为三个阶段

研究通过对三个阶段的4300个差异表达蛋白质进行了蛋白质共表达分析和KEGG通路分析，以识别每个阶段的代表性蛋白质及其生物学意义（Fig 3）。研究发现，阶段一与细胞分裂有关，差异表达蛋白数量最多，其主要富集于剪接体，RNA转运，DNA复制，细胞周期和嘧啶代谢等途径（Fig 3右）；阶段二包括围产期和哺乳期，是胃在形状和质量上增长最快的阶段，该阶段高表达蛋白的数量最少，且富含ECM-受体相互作用、溶酶体和黏着斑；阶段三是胃获得代谢功能的成熟阶段。产后第三周是阶段二和阶段三的边界，此时幼鼠断奶(出生后20-22天)并开始进食。

Fig 3 差异表达蛋白蛋白质的共表达分析和KEGG通路分析

3. 鉴定差异表达的剪接亚型

研究揭示了RNA-Seq数据能够评估具有深度覆盖的剪接亚型。研究发现，在众所周知的通路调控因子或转录因子中，并不是所有的变异都发生了显著的变化，其中一些在mRNA水平上没有(或非常低)表达（Fig 4），且只有一小部分剪接亚型是在蛋白水平表达，并参与胃发育过程。

Fig 4 六种基因及其亚型的时间转录谱

4. 蛋白质-RNA相关性和新剪接位点

研究通过整合转录组和蛋白质组数据进行蛋白质组学分析，以挖掘可能促进胃发育的新型剪接位点。通过Fig 5所示的研究策略、并进行质谱搜索与手工验证（Fig 6），发现CDKN1C、IGSF3、HDAC4、MAP4K4、CDC27和MYH11在胃发育的早期阶段显著表达，而VSIG1、SORBS1、TLN1、ITGA7、KRT16、DTNA、TNXB和TLN1等基因产物在胃发育较晚阶段表达。

Fig 5发现促进胃发育的新型剪接位点

Fig 6 60个新剪接肽在15个时间点上的相对丰度

5. 胃发育与胃癌的相关性

研究者发现转录因子的表达在蛋白质和RNA水平上具有良好的相关性，但不一定总是正相关。同时，在胃发育的八个关键信号通路中发现了大量蛋白质或基因的显著改变（方差分析，FDR<0.05）。并且发现这些基因调节蛋白也是弥漫性胃癌（DGC）中的上调蛋白质（t检验，FDR<0.05）或顶部突变基因（突变率≥5％）。Fig 7显示的是双尾超几何统计检验，发现除hedgehog信号通路外，所有通路均表现出高度相关性。研究发现在胚胎早期（Ph1）鉴定的蛋白质百分比显著高于后期时间点（Fig 8）。

综上所述，胃癌与胚胎胃发育具有许多共同特征，提示胃癌可能是由于转录因子和细胞信号通路失调所致。

Fig 7 双尾超几何统计检验分析

左上：胃发育与DGC的八种信号通路的相关性

右上：胃发育和DGC中八条信号途径上显著改变和重叠的基因数目

Fig 8 胃发育和DGC中差异表达的基因或蛋白质的Venn图

综上所述，研究者对小鼠胃进行了蛋白质组和转录组分析，成功揭示出胃发育与胃癌的相关性。提示随着科学研究的进展，单纯研究某一方向（基因组，蛋白质组，转录组等）无法解释全部生物医学问题，我们应当从整体角度分析反映组织器官功能代谢的状态，为探索肿瘤发病的机制提供新思路。