細(xì)胞蛋白水平與mRNA豐度間的依賴關(guān)系

1、細(xì)胞蛋白水平與 mRNA豐度間的依賴關(guān)系近20年來，高通量技術(shù)的發(fā)展支持了大規(guī)模的基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組 定量分析。這些數(shù)據(jù)被用來分析在不同系統(tǒng)和條件下轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組的定量關(guān) 系。這些研究有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致一些沖突的結(jié)論，尤其是究竟在何種程度上mRNA的量控制了蛋白質(zhì)的量?；A(chǔ)生命科學(xué)研究和轉(zhuǎn)化生命科學(xué)研究的一個(gè)核心問題是：基因組信息是如何通過自身的表達(dá)來決定表型的。中心法則將 DNA、RNA和蛋白質(zhì)這三種分子 緊緊聯(lián)系在了一起。來源于同一基因座的轉(zhuǎn)錄本的量與蛋白的量之間的關(guān)系并不 簡單。蛋白的表達(dá)水平除了被轉(zhuǎn)錄本的量調(diào)控以外， 還存在其他許多重要的調(diào)控 途徑。這些途徑包括（1）翻譯率：翻譯率受

2、到mRNA序列的顯著影響，比如上游 的開放閱讀框，內(nèi)部的核糖體結(jié)合位點(diǎn)；（2）翻譯率的調(diào)控：調(diào)控的方式有蛋白 結(jié)合到轉(zhuǎn)錄本上的調(diào)控原件，非編碼RNA的結(jié)合，轉(zhuǎn)錄本與核糖體的結(jié)合能力； （3）蛋白質(zhì)的半衰期：泛素化途徑的降解或者細(xì)胞自噬不依賴于轉(zhuǎn)錄本的量；（4） 蛋白質(zhì)合成的延遲：蛋白合成需要時(shí)間，因此轉(zhuǎn)錄的改變需要在一個(gè)短暫的延遲 后才能影響蛋白的水平；（5）蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)：蛋白在空間上被轉(zhuǎn)運(yùn)出了它所合成的 地方。因此直接比較蛋白的豐度與 mRNA的豐度是不可取的。蛋白與mRNA的相互比較有兩種不同的形式。 一種是（Figure 1A）在不同的 個(gè)體、條件或者時(shí)間點(diǎn)，比較來源于同一個(gè)基因的蛋白與m

3、RNA的量，這樣做是為了研究 mRNA水平的變化在何種程度上影響了蛋白量的變化。另一種 （Figure 1B）是比較多個(gè)不同的蛋白和與之對(duì)應(yīng)的 mRNA的量，這樣做是為了研 究在何種程度上蛋白水平能反應(yīng) mRNA的不同。Gene AGene BFigure 1 不同形式白蛋白與 mRNA相互比較丫 Liu , A Beyer , R Aebersold.On the Dependency of Cellular Protein Levels on mRNA Abundance. Cell.技術(shù)的進(jìn)步加深了我們對(duì) mRNA與蛋白水平關(guān)系的理解。基因組層面的研 究需要高精度、高靈敏度和高準(zhǔn)確度的技

4、術(shù)(Figure 2)。ANiAPIir*mHNA "rPr>gil:*iHATPCR Micrcmn>nCoufiterRMAMiq * nCounrtiir RfrialiYB abjjQdiancc| T白地白H 口adiM用C-li電力I Abwiui? ggGrnc：事| FiyHirlu-fii-fcNET-5«|$U lAtMilingFlgFDMOEq nii.Cf>QB£<bplfii4¥tMbi1«K44V + 哂:wE-rPr4l«ln c-ampta-NFigure 2 控制基因表達(dá)的一

5、系列機(jī)制和與之相應(yīng)的定量手段Y Liu , A Beyer, R Aebersold. On the Dependency of Cellular Protein Levels on mRNA Abundance. Cell.過去20年來，質(zhì)譜技術(shù)已經(jīng)成為研究蛋白定性和定量的重要方法。作為一種全面的工具，質(zhì)譜支持大規(guī)模的相對(duì)和絕對(duì)定量，而且不需要抗體(Table 1)。Tablei質(zhì)譜技術(shù)總結(jié)和用其研究mRNA與蛋白質(zhì)關(guān)系的代表性文獻(xiàn)1. N4iM ItmLCMMMCM”-E 5* AbvnlUl« FT4C«qvhi OMHirTk-aliwi .»4 nvFr

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14、l.在穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，mRNA的水平?jīng)Q定了蛋白質(zhì)的水平，而且蛋白質(zhì)的合 成會(huì)有延遲(Figures 3A and 3B)。很難嚴(yán)格地定義“穩(wěn)定的狀態(tài)”，姑且認(rèn)為我 們通常做組學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)收集的細(xì)胞，如果在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)(通常幾小時(shí))的蛋白或者 mRNA水平保持相對(duì)恒定，則被看做是“穩(wěn)定的狀態(tài)”。在短暫的適應(yīng)期，轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控非常重要。如果改變細(xì)胞的生存環(huán)境和條件， 細(xì)胞需要短暫的適應(yīng)期。這時(shí)如果僅僅只改變轉(zhuǎn)錄水平則太慢了，因此就需要轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控機(jī)制。提高現(xiàn)有轉(zhuǎn)錄本的翻譯速率能快速地合成新的所需蛋白，同時(shí)目標(biāo)性地降解蛋白質(zhì)，例如通過泛素途徑，可以加速清除無用蛋白甚至毒性蛋白 (Figures 3B WD

15、)。按需表達(dá)的機(jī)制可以保證在信號(hào)刺激時(shí)細(xì)胞快速地響應(yīng)合成 所需蛋白，而不是組成型地表達(dá)蛋白(Figures 3B)。另一方面，眾所周知，翻譯 后修飾(也可以認(rèn)為是一種轉(zhuǎn)錄后調(diào)控)在短暫適應(yīng)期也非常重要。由于能量和濃度的限制，細(xì)胞內(nèi)蛋白的合成和降解是平衡的。蛋白合成受到多方面的限制。一方面是能量和營養(yǎng)；另一方面是催化蛋白合成的調(diào)節(jié)機(jī)制。 合成蛋白的代價(jià)要比合成 mRNA的代價(jià)大得多，因此細(xì)胞要選擇最經(jīng)濟(jì)的辦法 來解決蛋白合成的問題。盡管處在各種限制下，細(xì)胞都努力使蛋白保持在恒定水平，無論穩(wěn)態(tài)還是動(dòng)態(tài)環(huán)境。這種物理的限制可以被用來優(yōu)化蛋白的擴(kuò)散速度、蛋白在細(xì)胞器間的轉(zhuǎn)運(yùn)和生化反應(yīng)速率(Figure

16、s 3EWG)。在細(xì)胞內(nèi)，蛋白的拷貝 數(shù)比mRNA的拷貝數(shù)多得多。一項(xiàng)研究表明，裂殖酵母在增殖期轉(zhuǎn)換到平衡期 時(shí)，mRNA的拷貝數(shù)減少了將近70%,而蛋白拷貝數(shù)只減少了 9.5%。cs c U0U-JI1£au WELT"- FL2vnRNA Cor)eF翼4 CdanF旭斗 Gqrm -4-R,2TraTilalwn g d z<n-ar<l工自elJusglimn國. ikj ip R.rihi 1Q|i lb才 -一 一二» 囪眄P>a 4-iiilft A91 4tCCJPW TTIU tq"|e.Ia iIhf mi'

17、iJ-hE01a£ 善 18,1*1!?capiw mm-Figures 3 mRNA與蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)關(guān)系的重要性Y Liu , A Beyer, R Aebersold. On the Dependency of Cellular Protein Levels on mRNA Abundance. Cell.蛋白質(zhì)的合成需要細(xì)胞分配資源，這種分配由轉(zhuǎn)錄調(diào)控開始。細(xì)胞生產(chǎn)一種蛋白的代價(jià)主要由蛋白的前體，蛋白的組成(比如分子量)和蛋白合成速率決定。 研究表明在細(xì)菌代謝途徑中，合成高代價(jià)的酶通常受到多個(gè)轉(zhuǎn)錄速率調(diào)節(jié)；與之 相反，合成低代價(jià)的酶僅受到幾個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)的控制，通常這種通路都是組成型表

18、達(dá)。因此，合成高代價(jià)的酶受到嚴(yán)格的調(diào)控以避免“浪費(fèi)”，低代價(jià)的酶即使它不被需要，依然可以被表達(dá)。轉(zhuǎn)錄調(diào)控反應(yīng)了最小代價(jià)合成蛋白與最大化功能 之間的平衡。研究表明，在一個(gè)特定的細(xì)胞周期，如果想激活或者失活某個(gè)蛋白 復(fù)合體，不必合成或者降解這個(gè)復(fù)合體的每個(gè)成員，只需調(diào)節(jié)一些關(guān)鍵的成員就 足夠了。運(yùn)用這種經(jīng)濟(jì)的原則，細(xì)胞用最小的代價(jià)調(diào)控了蛋白復(fù)合體。但是，在 多細(xì)胞生物中，這種優(yōu)化的機(jī)制可能不同。細(xì)胞通過核糖體的使用來分配資源。 細(xì)胞不得不靈活地利用翻譯機(jī)器原件， 比如翻譯因子，tRNA,氨酰tRNA合成酶和核糖體。酵母蛋白翻譯的主要限制 可能是競爭游離的核糖體，而非競爭氨酰 tRNA。高豐度蛋白的絕對(duì)與相對(duì)量的調(diào)節(jié)。上調(diào)高豐度蛋白的倍數(shù)比上調(diào)低豐度蛋白的倍數(shù)，需要更多的拷貝數(shù)，因此代價(jià)要大得多。高豐度蛋白通常通過高mRNA 絕對(duì)水平和高效地翻譯產(chǎn)生。換言之，mRNA的量和翻譯速率與蛋白豐度正相關(guān)。但是，高表達(dá)蛋白的生產(chǎn)速率貌似已經(jīng)飽和，這種情況表明整體的翻譯已成為大多數(shù)高豐度蛋白的限制。這種限制很可能由于mRNA上核糖體飽和引起。因此，那些高豐度蛋白通常只有最低的蛋白變化率，通常執(zhí)行持家蛋白的功能