“三月春华红似火”, Nature | 整合组学分析绘制最全面的拟南芥蛋白、修饰与互作图谱

Original Yaya 精准医学与蛋白组学 2022-04-17

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本文由景杰学术团队报道

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拟南芥（Arabidopsis thaliana）作为最为广泛应用的模式植物，在分子遗传学、植物学以及农业科学的研究中发挥了重要的作用。对拟南芥的研究丰富了我们对植物生物学的理解，并影响了生命科学的众多其他领域。拟南芥基因组测序早在2000年就由国际合作完成，也是第一种完成全基因组测序和分析的植物，此后科研人员进一步在基因组和表观基因组水平上对其自然变异进行研究并取得了一系列重要成果。然而作为生物学过程的主要执行者，蛋白质组在拟南芥中的研究却远没有那么全面。

2020年03月11日，德国慕尼黑工业大学Bernhard Kuster研究团队及合作研究人员在Nature上发表题为Mass-spectrometry-based draft of the Arabidopsis proteome的论文，研究者对拟南芥的30种组织进行蛋白质组、磷酸化修饰组以及转录组的定量分析，共鉴定到了18210个蛋白和43903个磷酸化位点并系统地揭示了蛋白质复合体的组织特异性和磷酸化调控的信号通路，是目前拟南芥蛋白质表达丰度与磷酸化翻译后修饰最为系统全面的研究。

研究者首先通过非标记定量蛋白质组学和RNA-seq对拟南芥30种组织样本进行分析。RNA-seq一共检测并定量到27655个蛋白编码基因，质谱一共定量到18210个蛋白，占基因组的66%并远高于已有研究数据。进一步，作者通过IMAC技术富集磷酸化多肽并系统分析了30种拟南芥组织的磷酸化蛋白质组，研究共鉴定到43903个磷酸化位点，这也是迄今为止发表的最全面的拟南芥磷酸化蛋白质组之一。

图1. 拟南芥组织图与蛋白组、磷酸化修饰组、转录组数据集

接下来研究者对拟南芥各组织蛋白以及mRNA表达进行分析，研究发现基因表达与蛋白质丰度在各器官间存在明显差异与动态变化，为进一步明确各组织器官中蛋白功能特异性提供了重要信息。同时，作者通过转录本与蛋白表达丰度的比较揭示了两者在多数组织中呈现正相关性，也反映出不同组织中和不同基因间的基因转录稳定性、蛋白质翻译效率，以及蛋白质稳定性的差异。

图2. 拟南芥组织蛋白和mRNA表达分析

在对被鉴定到的蛋白质进行序列和iBAQ定量分析、并与RNAseq数据进行比较后，作者进一步使用体积排阻色谱(size-exclusion chromatography, SEC)分析了蛋白质复合物。研究者认为本文中的组织图谱资源可以对难以进行生物化学研究的膜或细胞壁等相关蛋白复合物提供更多的信息。

图3. 蛋白共表达以及SEC-MS鉴定蛋白质复合物

在磷酸化修饰组学检测基础之上，研究者分析发现每个蛋白的磷酸化位点数目具有很大的差异性，比如LEA蛋白家族成员几乎每个丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸都被磷酸化。进一步利用拟南芥遗传操作技术的成熟性，通过对ABA信号通路过程中重要的RCAR10受体等几个经典蛋白进行模拟磷酸化和不能被磷酸化的突变并结合功能实验，研究者证明了磷酸化蛋白质组技术在寻找下游蛋白关键信号通路过程中的强大作用。

图4. 拟南芥蛋白磷酸化功能分析

综上所述，本篇研究在模式生物拟南芥中运用整合组学分析策略以及前沿生信分析工具对30种组织进行蛋白质组、磷酸化修饰组以及转录组的定量分析，共鉴定到了18210个蛋白和43903个磷酸化位点并系统地揭示了蛋白质复合体的组织特异性和磷酸化调控的信号通路。是目前拟南芥蛋白质表达丰度与磷酸化翻译后修饰最为系统和全面的研究。本篇文章不仅全面绘制了拟南芥转录组、蛋白组、磷酸化修饰多组学图谱，也为其它植物的发育与逆境应答过程奠定了基础，并展示了蛋白质组学技术对生命科学广泛的应用前景。

参考文献：

Julia Mergner, et al. (2020) Mass-spectrometry-based draft of the Arabidopsis proteome. Nature.

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