蛋白转录联合分析如何发IF10+文章?
生物探索 · 2018/12/18
如何利用两组学联合分析发影响因子10+的文章呢?今天小编就以德国Falk Butter团队的两篇果蝇发育研究的文章为例,为大家解析蛋白组与转录组联合分析的文章思路。

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蛋白质组揭示果蝇发育机制

The developmental proteome of Drosophila melanogaster

发表期刊:Genome Research

发表时间:2017 年 7 月

材料选择:果蝇完整发育周期(胚胎、幼虫、蛹、成虫)15个节点的组织样本

图1 果蝇发育样本选择[1]

实验设计

图2 实验设计思路图

研究结果

果蝇完整生命周期的蛋白质组图谱

利用label free的方法对15个节点的果蝇样本进行5h的深度质谱检测,共检测到8549个蛋白,其中核心蛋白4627个(下图左),主要参与代谢和细胞系统的基础活动(下图中)。通过PCA分析显示来自相同发育阶段的蛋白呈现出清晰的蛋白聚类(下图右)。

  

图3 果蝇发育生命周期蛋白质组特征[1]

发育进程相关蛋白分析

通过ANOVA分析,作者发现了与发育进程相关的差异蛋白共1535个(下图左)。随后进行GO富集分析来建立蛋白与不同发育时期生物功能的联系:胚胎形成时期与有丝分裂调控、细胞周期、发育所需的激酶系统相关的蛋白得到显著富集。作者将胚胎发育的蛋白进行了区分:早期阶段(0-6h)主要有细胞骨架重塑蛋白、微管结合蛋白、翻译相关蛋白等的高表达,而晚期阶段(12-20h)主要是组织变态发育相关蛋白的高表达(下图右)。幼虫与蛹时期的蛋白主要与角质层结构成分有关。成虫时期,气味结合蛋白、光感蛋白、光传导蛋白、视网膜变性蛋白剧烈表达,与果蝇成虫形成完善的光感应系统呈现出一致性。

 

图4 发育进程相关蛋白分析[1]

联合分析研究翻译延迟

将胚胎发育蛋白质组与转录组数据进行联合分析,结果表明胚胎发育过程中蛋白的复杂性增加(下图A),转录组与蛋白质组只有中等相关性(最大R = 0.5),且最佳相关性非同步,蛋白组延迟约4-5h(下图B)。作者将mRNA /蛋白质表达谱分组成六个簇(下图C)。在大多数情况下,mRNA表达在早期时间点更丰富,而蛋白质表达在后期达到峰值,可能是由于翻译调控引起的。

 图5 转录-蛋白数据相关性分析[1] 

本项研究收集了果蝇整个生命周期高质量的蛋白质组数据,填补了系统发育研究在蛋白质组水平的空白。此外,与转录组数据的比较,揭示了mRNA和蛋白质之间的差异相关性,强调了蛋白质组学在研究发育中的重要性。

转录组与蛋白组联合分析揭示果蝇发育的转录后调控机制

Quantifying post-transcriptional regulation in the development of Drosophila melanogaster

发表期刊: Nature Communications

发表时间: 2018 年 11 月

材料选择:果蝇产卵后14个时间节点的胚胎

图6 果蝇胚胎样品选择[2]

实验设计

图7 实验设计图

实验结果

转录组与蛋白组相关性分析

作者对14个时间节点的样品进行了转录组测序和蛋白质组检测,并对两组学数据进行了相关性分析。作者将3761个成对RNA-蛋白进行了聚类分析,共得到4类表达相关性的变化:525个mRNA与其蛋白协同上调,1063个mRNA与其蛋白协同下调,372个mRNA上调其蛋白下调,1801个mRNA下调其蛋白上调。共有58%的mRNA与其蛋白呈现相反的表达丰度,表明mRNA的动态表达与其对应的蛋白并不直接相关。

图8 成对RNA-蛋白的聚类分析[2] 

相关性量化分析

为量化mRNA与蛋白丰度间的关系,作者计算了Spearman相关系数:mRNA与蛋白的同步平均相关性最大值出现在14h(下图a);非同步相关性最高值出现在mRNA 12h与蛋白16h (下图b)。mRNA与较晚时间点的蛋白呈现更好地相关性,很可能是因为蛋白合成中的延迟,当蛋白表达落后于mRNA 4-6小时的情况下,两者间的相关性最高(下图c)。

图9 相关性量化分析[2]

调控场景分类

尽管mRNA与蛋白间的相关性有限,作者通过构建数学模型,将84%的mRNA-蛋白对根据不同的时间进程划分为了4个主要的调控场景,包括蛋白合成、延迟合成、静止和降解(下图a、b)。剩余的16%成对mRNA-蛋白与以上模型均不相符(Rejected),表明这些蛋白经历了复杂的转录后调控。

图10 蛋白调控场景分类[2]

各调控场景蛋白功能富集分析

随后作者对各个调控类型的蛋白进行了GO分析,探究其特有的生物活动。合成模式中的蛋白在mRNA加工、剪切和RNA代谢活动中富集,表明这些蛋白中存在转录后基因表达的关键调控因子。延迟合成模式中的蛋白则在蛋白分解代谢中富集,暗示在MZT初期,调节母本蛋白降解的因子广泛表达。在Rejected模式中与细胞周期有关的基因发生富集。

图11 蛋白功能富集分析[2]

本篇文章分析了大规模的、基于时间序列的果蝇胚胎转录组和蛋白质组数据,为研究转录后基因调控呈现了系统生物学的框架。

小结

Falk Butter团队利用蛋白质组技术填补了果蝇系统发育的研究空白,与转录组数据的联合分析为大规模研究转录后调控提供了新思路。随着科研水平的发展,仅从单一组学角度已难以解释许多生物学问题,多组学联合分析因其可以在整体水平解析生物体复杂的生理、病理问题,逐渐成为科研工作者们的新宠。 

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参考文献

[1]Casas-Vila N, Bluhm A, Sayols S, et al. The developmental proteome of Drosophila melanogaster[J]. Genome Research, 2017, 27(7):1273.

[2]Becker Kolja, Bluhm Alina, Casas-Vila Nuria, et al. Quantifying post-transcriptional regulation in the development of Drosophila melanogaster. Nature Communications, 2018, 9, 4970.

文章来源:安诺基因


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