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双剑合璧! 权威文献告诉您—为何要做磷酸化组与普通蛋白质组联合

2020-04-27
中科新生命
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磷酸化修饰被很多研究者认为是修饰之王,是生物体内极为重要的一种翻译后修饰:从数量上来说,真核生物体内有超过三分之一的蛋白可以发生磷酸化修饰;从功能上来说,磷酸化在正常生理、免疫应答、疾病的发生发展,及植物的逆境胁迫响应与激素表达等各种生物过程中均发挥至关重要的作用。

近期微信公众号,我们陆续解读了多篇磷酸化相关的高水平研究论文。

医学领域

脑组织深度蛋白质组+磷酸化,描绘阿尔茨海默病进展分子网络

Nature重磅|磷酸化组揭示寨卡病毒致大脑病变机制


植物领域

Nat Commun:磷酸化蛋白组学解析高等植物激酶级联介导早期渗透胁迫信号

Nature plants!多组学联合解析植物对茉莉酸的响应调控网络


值得注意的是,这些文章都选择了磷酸化蛋白质组+蛋白质组联合检测分析的方式展开研究。大家可能有这样的疑问:为什么检测了磷酸化蛋白质组,还要再检测蛋白质组呢?这里,小编为您剖析一下蛋白质组+磷酸化组到底解决了哪些单组学无法解释的问题。


1. 可以从多个维度系统剖析调控机制

生物体是一个非常复杂的调控网络,单个组学只能解释某一个分子层面的变化——蛋白质组只能表征蛋白表达水平的变化,而磷酸化组只能表征磷酸化修饰水平的变化。如果只做蛋白质组学,有时候会遗漏修饰水平的重要变化。例如发表于《Science》关于昼夜节律变化的研究显示:前脑突触神经元中的磷酸化修饰变化明显独立于蛋白丰度的变化,且磷酸化水平的平均振幅比蛋白质水平的平均振幅大10倍[1](图1)。

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图1 昼夜节律变化中的蛋白质组与磷酸化组扰动情况[1]

其次,如果只做磷酸化,无法区别表达与修饰到底谁在起作用,不能全面反映蛋白功能的变化原因。

例如《Neuron》上关于阿尔茨海默病的研究中,差异表达的蛋白分子主要是一些转运蛋白,而差异磷酸化修饰主要发生在微管蛋白Tau上[2]。更为有趣的是,在数百个差异表达和差异磷酸化蛋白中,只有11个蛋白是重合的(图2)。而在《Nature plants》上发表的一项研究显示:拟南芥响应茉莉酸信号的过程中,差异磷酸化主要发生在可变剪接相关功能的蛋白上,进而影响植物防御信号通路上蛋白表达的差异[3](图3)。

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图2 阿尔兹海默蛋白质组&磷酸化组表达差异概况[2]

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图3 拟南芥响应茉莉酸信号的差异蛋白及差异磷酸化蛋白数据对比[3]


2. 找出特异性磷酸化修饰差异位点

基于目前的修饰组学定量技术,我们能够获得某个特定修饰肽段在不同样本间的相对含量差异。但是,由此就会引出一个问题:如果某个蛋白的表达量上调2倍,蛋白上某个修饰肽段的含量也上调2倍,那么最终表型的差异究竟是由于蛋白表达量还是磷酸化修饰起关键作用呢?这种情况在生物体内非常常见,4月20日哈佛医学院李嘉铭博士在《TMT串联质谱标签系统在大规模酵母(磷酸化)定量蛋白质组学中的应用,以及新一代串联质谱标签系统TMTpro实现16通道蛋白质组定量分析》讲座中,提到关于酵母磷酸化组学的研究,约有50%的磷酸化差异是由于蛋白背景变化而引起的[4](图4)(讲座链接:【Nature Methods一作】 哈佛大学医学院李嘉铭博士分享新一代TMTpro前沿蛋白质组技术),因此建议在具体关注某个位点磷酸化差异时,同时关注下蛋白表达量,以便找出与表型最相关的特异性修饰位点。但后续答疑中也提到:如果磷酸化的富集效率不够高,或是磷酸化蛋白组以及蛋白组的检测深度一般,数据的覆盖度比较低,这种情况下用蛋白水平校正会存在一些操作上的难度,可能存在大量鉴定到肽段但没有鉴定到磷酸化肽段,或者鉴定到磷酸化肽段没有鉴定到非修饰肽段的情况。因此目前定量扣除蛋白表达背景的方式更适用于酵母这类数据覆盖度较高的物种。在高等动植物的研究中,重点可以关注那些蛋白表达无差异,而磷酸化修饰有差异的蛋白及其功能(图2G)。

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图4 磷酸化修饰水平与蛋白表达水平具有非常高的关联性[4]


3. 深度挖掘激酶与底物磷酸化的调控关系

激酶在磷酸化修饰过程中起到了非常核心的调控作用。激酶的表达、激酶的磷酸化修饰水平的改变会直接调节其它激酶和下游蛋白底物的磷酸化修饰程度。Matthias Mann课题组近期在《Cell Metabolism》上发表的一篇关于2型糖尿病的研究,利用蛋白质组学和磷酸化组学的联合分析,以及激酶-底物的预测分析,发现了一个关键激酶GSK3会通过影响beta细胞特异性转录因子PDX1的磷酸化修饰来调节胰岛素分泌能力,进一步通过药物抑制GSK3的激酶活性,可以恢复2型糖尿病胰岛素分泌能力[5]。

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图5 GSK3-PDX1轴在胰岛细胞信号调控中起着关键作用[5]

由此,我们可以看出蛋白磷酸化组学与蛋白质组学联合的重要性——从更全面的角度剖析调控网络及机制,更好地解释表型背后的分子机制及因果关系;也可通过蛋白表达和修饰的异同对特定位点磷酸化修饰的表型功能做出更准确的判断。

那么这些分析怎么做呢?不用担心,小编在此预告一下,中科新生命即将推出蛋白组学和磷酸化组学联合分析,包括—非蛋白表达依赖差异磷酸化位点功能富集、激酶注释、激酶-底物网络图分析等多项实用分析内容,敬请期待!


参考文献

[1] Brüning F., Noya S. B., Bange T., et al., Sleep-wake cycles drive daily dynamics of synaptic phosphorylation. Science, 366(6462), 3617 (2019).

[2] Bai B., Wang X., Li Y., et al., Deep multilayer brain proteomics identifies molecular networks in Alzheimer's Disease progression. Neuron, 105(6), 975 (2020).

[3] Zander M., Lewsey M.G., Clark N.M. et al., Integrated multi-omics framework of the plant response to jasmonic acid. Nat. Plants 6, 290–302 (2020).

[4] Li J., Paulo J.A., Nusinow D.P., et al., Investigation of proteomic and phosphoproteomic responses to signaling network perturbations reveals functional pathway organizations in yeast.

[5] Sacco F., Seelig A., Humphrey S.J., et al., Phosphoproteomics reveals the GSK3-PDX1 axis as a key pathogenic signaling node in diabetic islets. Cell Metabolism 29(6), 1422-1432 (2019).