CNS主刊力证：蛋白质组+转录组，搞定基因表达全景图！

生命体是一个多层次、多功能的复杂结构体系，涉及一套精细的表达调控机制，如转录调控、转录后调控、翻译调控和翻译后调控等。仅用单一组学数据很难对复杂性状的遗传特性和生物网络调控进行解释。基于多组学的整合分析至关重要，能够弥补单一组学数据缺失、噪音干扰等因素带来的问题。其次，多组学数据之间相互验证，能减少单一组学分析带来的假阳性。重要的是，多组学数据联合分析更有利于对生物学模型进行表型和遗传过程调控机制的深入研究。

转录组和蛋白质组是基因组在RNA和蛋白质两个层面的表达产物，对其进行多组学整合分析有利于研究基因表达过程的多级调控，能获得基因表达的全景图，为医学研究、药物研发、农业发展等各领域提供更全面的信息。本文科技君将分享来自CNS主刊的三篇蛋白质组+转录组关联分析高分案例，供大家参考。

Cell 绘制人体定量蛋白质组图谱^[1]

文章标题：A Quantitative Proteome Map of the Human Body

发表时间：2020.9

发表期刊：Cell

作者团队：斯坦福大学医学院、华盛顿大学

研究背景：确定每个组织中的蛋白质水平及其与RNA水平的比较，对了解人类生物学和疾病以及控制蛋白质水平的调节过程具有重要意义。

研究成果：采用TMT蛋白质定量技术对GTEx项目（Genotype-Tissue Expression Project，该项目从948例死后供者的54个组织中收集样本，对其转录组进行了鉴定）中的32个正常人体组织进行了研究，对~12,000个蛋白质进行了定量分析。

研究鉴定了组织特异性蛋白质，并与转录组数据进行比较，发现许多普遍存在的转录本编码组织特异性蛋白。RNA和蛋白质富集的不一致揭示了潜在的合成和分泌蛋白的作用位点。蛋白质的组织特异性分布也提供了对复杂生物学事件的深入认知，这些事件需要多个组织的相互作用。

研究表明蛋白质组织富集信息可以解释遗传疾病的表型，而仅靠转录本信息是无法获得的，蛋白质水平可以为调控、分泌、代谢和人类疾病提供见解。

图1 研究采用的组织类型及TMT蛋白质定量流程

图2 组织间和组织内蛋白质和RNA的相关性和一致性分析结果

Nature 绘制拟南芥蛋白质组图谱^[2]

文章标题：Mass-spectrometry-based draft of the Arabidopsis proteome

发表时间：2020.3

发表期刊：Nature

作者团队：德国慕尼黑工业大学、雷根斯堡大学等

研究背景：植物模式生物拟南芥彻底改变了人们对植物生物学的认识，提高了对作物物种重要农艺性状机制的理解。拟南芥的基因组于20年前完成测序，至今已有数百个自然变异在基因组和表观基因组水平上得到检测分析。相比之下，拟南芥蛋白质组却远没有得到全面的描述。为弥补这一差距，该研究通过质谱和RNA-Seq技术，绘制了首个完整的拟南芥蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学和转录组学图谱。

研究成果：对拟南芥（Arabidopsis thaliana）30个组织进行了转录组、label free蛋白质组和磷酸化蛋白质组检测。回答了众多生物学问题，发现超过18,000个基因能够最终翻译成蛋白，这些基因的表达动态范围超过6个数量级、超过43,000个位点存在磷酸化修饰。展示了如何基于这些数据深入挖掘有用的信息，如发现从短开放阅读框翻译的蛋白质、发现参与蛋白质生产调控的序列基序、识别组织特异性蛋白质复合物或磷酸化介导的信号事件等。

图3 研究采用的组织类型和多组学数据结果

Science 研究睡眠不足分子机制^[3]

文章标题：The forebrain synaptic transcriptome is organized by clocks but its proteome is driven by sleep

发表时间：2019.10

发表期刊：Science

作者团队：德国慕尼黑大学医学院、苏黎世大学等

研究背景：约6％的前脑转录组以时间依赖性方式进行循环，有研究提出这种循环主要由睡眠-觉醒状态驱动，使突触结构和功能每天都发生变化。这种突触变化被认为是睡眠-觉醒过程的关键特征。但具体的作用机制尚不清楚，即昼夜节律和睡眠压力到底如何对突触本身的mRNA和相关蛋白丰度产生影响。为解决这一问题，该研究分离了在正常睡眠和睡眠不足压力下全天24小时、共6个时间点的突触神经小体，采用转录组和label free蛋白定量技术对其进行检测，研究日常节律变化情况。

研究成果：在正常睡眠状态下，67%的突触mRNA表达水平出现了明显的节律性，其表达可以被分为两类，一类在黎明时分迎来高峰，另一类则在黄昏到达峰值；突触蛋白质的表达水平也有类似的节律性。而在睡眠不足小鼠中，突触mRNA虽依然保持明显节律，但突触蛋白质不再存在节律性。

虽然睡眠剥夺破坏了突触蛋白质的昼夜循环，但mRNA却保持了节奏性，这表明mRNA的产生与睡眠质量无关，但睡眠质量对蛋白质表达水平有着极大的影响，睡眠剥夺会破坏正常的突触蛋白质表达节律，从而损害突触功能，进而影响大脑运转。

图4 技术流程及多组学数据结果

综上，蛋白质作为生命活动的执行者，在各研究领域都起着重要作用。近年来随着质谱技术的发展，蛋白质组学研究更是如雨后春笋般出现，频登高分杂志。而RNA作为生命体中蛋白质的中介物质，作为从DNA到蛋白质的重要一环，对于研究蛋白质的调控机制至关重要。整合蛋白质组和转录组研究，不仅能获知蛋白质的表达情况，还能更深入获得蛋白质表达调控的分子机制，知其然更知其所以然。

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参考文章：

1.Jiang, Lihua et al. “A Quantitative Proteome Map of the Human Body.” Cell vol. 183,1 (2020): 269-283.e19. doi:10.1016/j.cell.2020.08.036

2.Mergner, Julia et al. “Mass-spectrometry-based draft of the Arabidopsis proteome.” Nature vol. 579,7799 (2020): 409-414. doi:10.1038/s41586-020-2094-2

3.Noya, Sara B et al. “The forebrain synaptic transcriptome is organized by clocks but its proteome is driven by sleep.” Science (New York, N.Y.) vol. 366,6462 (2019): eaav2642. doi:10.1126/science.aav2642

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