「蛋白質(zhì)組與轉(zhuǎn)錄組比較關(guān)聯(lián)分析方案」

1、蛋白質(zhì)組與轉(zhuǎn)錄組比較關(guān)聯(lián)分析方案一.概述1.研究背景生命體是一個(gè)多層次，多功能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，高通量技術(shù)的發(fā)展積累了大 量的組學(xué)數(shù)據(jù)，這使得由精細(xì)的分解研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體研究成為可能，整合多組 學(xué)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)對生物系統(tǒng)的全面了解。當(dāng)部分層面上的研究都逐漸走向完善的 時(shí)候，從部分到整體就是一種必然發(fā)展趨勢。相關(guān)研究表明，基因表達(dá)不僅僅是從轉(zhuǎn)錄組到蛋白質(zhì)組的單向流動，而是兩 者的相互連接。對這種功能調(diào)控的了解通常只限于特殊的信號途徑，要了解轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組之間的相互調(diào)控作用，就需要對R NA和蛋白質(zhì)的表達(dá)進(jìn)行同步監(jiān) 測。正如RNA可作為部分生物學(xué)功能的酶反應(yīng)的效益物一樣，蛋白質(zhì)也是大多 數(shù)生物學(xué)功

2、能的效益物。因此，蛋白質(zhì)水平廣泛的基因組分析是基因表達(dá)更直接 的反映。質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，使得定量的蛋白組學(xué)研究成為可能。然而，當(dāng)細(xì)胞適 應(yīng)了轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后（如mRNA的剪接）、翻譯后（蛋白降解和輸出）的精細(xì)調(diào) 控機(jī)制后，轉(zhuǎn)錄物和蛋白質(zhì)豐度測量結(jié)果可能會不一致。因此，定量的轉(zhuǎn)錄物和蛋白質(zhì)豐度測量可作為相互的標(biāo)準(zhǔn)，為高通量分析得出的基因表達(dá)數(shù)據(jù)做出合理 的解釋。正如蛋白質(zhì)和RN A之間類似點(diǎn)可以增加我們對新的生物標(biāo)記的信任度 一樣，差異也能暗示我們其他的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控結(jié)合點(diǎn)可作為重要的調(diào)控研究靶點(diǎn)”在蛋白組學(xué)分析過程中，一些研究選擇了雙向凝膠電泳（2 DE）分析蛋白 質(zhì)混合物。要么是對不同的凝膠染色，

3、要么是讓不同的細(xì)胞與不同的染料相結(jié)合， 通過斑點(diǎn)染色亮度可以看到蛋白質(zhì)的亮度。隨后用質(zhì)譜儀對分離出的定量凝較斑 點(diǎn)進(jìn)行鑒定，與轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析不同的是，雙向凝膠電泳分析的鑒定結(jié)果與定量分 析是散耦合（de coupled）。液相色譜法（LC）是作為一種替代2 DE的蛋白質(zhì)分析方法而出現(xiàn)的。LC 一 MS分析是典型的 自下而上（Bo 11 o m - up） ”分析方法，通常要用特異的 蛋白酶（如胰蛋白酶）將蛋白質(zhì)消化為肽段。與 2 D E不同,LCMS對肽的 定量和鑒定是同時(shí)進(jìn)行的，可以選擇定量的M S峰（m/z）用于鑒定，通過肽段的信息 推測對應(yīng)蛋白質(zhì)的定量信息。雖然采用的技術(shù)不同，迄今為止公開

4、發(fā)表的整合分析文章中，都指出了轉(zhuǎn)錄 組學(xué)和蛋白組學(xué)的重要性。轉(zhuǎn)錄組學(xué)或蛋白組學(xué)通常只考慮調(diào)節(jié)系統(tǒng)和分解作用 平衡態(tài)的凈效應(yīng)，實(shí)際上，出現(xiàn)的不一致性只是合成與降解兩種替換過程中的一種 反映?？茖W(xué)家可能對變化過程中的機(jī)制更感興趣。正如中心法則預(yù)測的那樣，在轉(zhuǎn)錄物和蛋白質(zhì)水平，如果只能通過嚴(yán)格的轉(zhuǎn) 錄調(diào)控去控制蛋白質(zhì)的合成，細(xì)胞是不太可能選擇精細(xì)調(diào)節(jié)機(jī)制的。 當(dāng)點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn) 行比較時(shí)，蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄物之間的一致性通常很弱，這些觀察說明了 “從個(gè)體基 因座的局部分析擴(kuò)展到功能途徑系統(tǒng)分析”為重要性。轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)都是研究系統(tǒng)的生理化學(xué)狀態(tài)的有用工具。當(dāng)然，沒有一種工具可以為系統(tǒng)提供完全的覆蓋范圍及相應(yīng)的

5、精確度。問題的核心，不是用工具找出mRNA和蛋白質(zhì)之間一對一的相互關(guān)系，而是要用它們區(qū)別出真陽性和 假陽性，即區(qū)別出真正的mRN A-蛋白質(zhì)一致性或者是不一致性。沒有這些整體分 析，就無法觀察到真正的m RNA蛋白質(zhì)不一致性，并且這些不一致性要比一致 性更吸引科學(xué)家，因?yàn)樗鼈兺嘎冻龅母嗟霓D(zhuǎn)錄后干涉情況。更重要的是，在轉(zhuǎn)錄物和蛋白質(zhì)水平上的整合表達(dá)分析，能對整體的基因-基因相互作用網(wǎng)進(jìn)行描述，提供單個(gè)基因活性中的功能內(nèi)容，這些內(nèi)容會影響到生 物學(xué)功能。新的分析軟件工具將幫助研究者儲存在蛋白組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)中新出現(xiàn) 的高通量技術(shù)的全部力量。二.蛋白質(zhì)組與轉(zhuǎn)錄組比較關(guān)聯(lián)分析研究.蛋白質(zhì)組與轉(zhuǎn)錄組比較

6、關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)勢雖然轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組在實(shí)驗(yàn)方法上差異很大，但由于這兩種方法的首要目 的都是獲得基因的表達(dá)情況，其間存在著某種共同之處。從生物學(xué)角度上看，mRNA水平代表了基因表達(dá)的中間狀態(tài)，能代表著潛在的蛋白質(zhì)表達(dá)情況。 轉(zhuǎn)錄組 能在較低消耗下實(shí)現(xiàn)較高的通量，并能在某種程度上捉供較詳細(xì)的信息。然而蛋 白質(zhì)是直接的功能執(zhí)行體，因而，對蛋白質(zhì)表達(dá)水平的度量有著不可取代的優(yōu)勢。最近的文獻(xiàn)也明確報(bào)道了轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的部分不相關(guān)或負(fù)相關(guān)的結(jié)果， 并且用統(tǒng)計(jì)方法證明了這種顯著差異很大程度上是由生物學(xué)因素造成的，而不僅僅是噪音，說明了基因表達(dá)情況不能單純用轉(zhuǎn)錄組的方法解決。由于這兩種不同的表達(dá)譜研究手段的不

7、完全性和互補(bǔ)性，現(xiàn)有的研究傾向于 綜合轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的研究，目的在于：1）獲得一個(gè)表達(dá)譜的“全景圖”，并實(shí)現(xiàn)其問的互補(bǔ)和整合，對生物體特定 狀態(tài)下的基因和蛋白質(zhì)表達(dá)水平進(jìn)行全方位分析；2）通過全局上獲得對差異表達(dá)譜的廣泛理解，挖掘受轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的關(guān)鍵蛋 白/基因，尋找驗(yàn)證某些重要的生物學(xué)調(diào)控，這種研究方式在基礎(chǔ)研究上己經(jīng)有 不少報(bào)道。3）對于一些蛋白數(shù)據(jù)庫少的物種，通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)構(gòu)建蛋白質(zhì)搜索庫，大幅 度提高蛋白鑒定數(shù)，這同時(shí)也是本方案的一大亮點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的比較關(guān)聯(lián)研究能揭示基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控狀態(tài)， 因此，轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組之間的關(guān)系很可能將是未來的系統(tǒng)生物學(xué)研究中不可忽 略的一部

8、分。.研究目標(biāo)分析有意向采用多組學(xué)分析策略來研究一些動植物的重要生物過程的調(diào)控機(jī)制；己有轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，希望通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)從另一層面去驗(yàn)證所獲得結(jié)果 （如 mRN A可變剪接在轉(zhuǎn)錄和蛋白水平的相互驗(yàn)證）：同時(shí)，對所獲得的兩組學(xué)數(shù)據(jù) 進(jìn)行比較關(guān)聯(lián)分析，以期更加深入的探討某種重要的生命調(diào)控機(jī)理。總的來講，本方案的目標(biāo)客戶為已在華大做過轉(zhuǎn)錄組， 希望通過進(jìn)一步深入研究，發(fā)更高點(diǎn)數(shù)文章的客戶：或者是將要做蛋白組 /轉(zhuǎn)錄組的潛在客戶。三.研究方案.材料根據(jù)研究目的，選取不同處理組動植物樣本 （某種生物或非生物壓力脅迫誘 導(dǎo)、野生型與突變體），分別提取相同組織樣本中的總R NA和總蛋白，即轉(zhuǎn)錄組 與蛋白質(zhì)組分析所用的樣本盡量保持一致，以最大限度的減小對后續(xù)基因與蛋白 差異表達(dá)比較分析中所產(chǎn)生的誤差。.蛋白質(zhì)與轉(zhuǎn)錄組比較關(guān)聯(lián)分析的整體方案分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組兩組學(xué)水平分析，經(jīng)相應(yīng)的生物信息學(xué)分析之后， 整合兩組學(xué)的信息分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較關(guān)聯(lián)研究，具體的方案流程如圖3-1所示。轉(zhuǎn)錄組測序分析1）技術(shù)路線差導(dǎo)表達(dá)星因分別提取小叵處理怨生利或生物味力粉導(dǎo)，丸抗逆性處理，植物 蹣盍處理等）或野生型為突變體動植物蛆嫻息RNA和總蛋白i過數(shù)砧處理-1j生物伯息學(xué)分析Prokojni ；卜 i 1 iTRA。打異,空方發(fā)達(dá)擊上J利用蔣錄期找祜ir-y L.s.n睛站庫,f 盛一就鬼大上二口. 蚣時(shí)