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PNAS：转录组+蛋白组+代谢组，多组学联合分析解析组织再生

2018-10-31

中科新生命

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组织再生需要细胞根据其所在空间位置调控自我增殖和分化。位置记忆能使具有再生能力的细胞从未受伤的组织获得空间信息。目前，科学家们认为位置记忆是依赖于某些信号分子的梯度，但有关它们的信息却很少被揭示。

一篇发表于PNAS的研究中，作者以成年斑马鱼鱼尾为研究模型，并沿着空间轴（近端，中部，远端）对未受伤以及造模后鱼尾的转录组、蛋白质组和代谢组进行了定量分析和联合分析。与其他研究的结果类似，作者发现转录组和蛋白质组关联度比较有限；同时代谢组的结果不仅能够很好的印证分子层面对表型的调控效应，而且还能够对分子机制作用进行补充。因此，转录，蛋白，代谢水平的联合研究，能促进我们更好地研究组织变化过程。

研究材料

Fig. S1. Illustrationsshowing regions harvested for the proximodistal proteomics screens.

(1)转录组测序：

对沿尾鳍近远中轴三个位置的每个位置进行RNA-seq；近端，中间和远端，每个样本5个生物学重复，总计15个样本。

(2)蛋白组分析：

实施了三次独立的生物实验以量化在未损伤鳍中沿近轴轴线的蛋白质表达。

实验1：收集并汇集来自八只年龄匹配的鱼的近端和远端区域。

实验2：收集并汇集来自20只年龄和性别匹配的鱼的背腹和腹侧 - 远侧区域。

实验3：收集并汇集了来自20只年龄匹配和性别匹配的鱼的近端，中间和远端区域。中间区域仅在实验3中被采样。

(3)代谢组分析：

分别收获近端，中间和远端区域来自六只成年鱼（三只雄性和三只雌性）。

技术方法

转录组学；蛋白组学；代谢组学

研究内容与结果

1. 转录组学和蛋白组学研究无损伤尾鳍不同位置转录和蛋白表达变化

通过对尾鳍近远中轴三个位置进行转录组学和蛋白组学实验（图1-A），分别定量到23,926个转录本和3,061个蛋白，其中566个转录本和238个蛋白相比中间区域，在远端区域和近端区域是有高表达的(图1-B)。同时主成分分析（PCA）表明尾鳍近远中3个区域在转录和蛋白表达上有明显的分离趋势(图1-C,D)，通过远端区域和近端区域进行比较，找到1,424个差异转录本和113个差异蛋白质（图1-E,F）,这些结果，都充分说明不同尾鳍位置，转录和蛋白层面上都有明显的差异表达变化。

另外，作者对尾鳍不同位置的转录和蛋白质组学联合分析，表明在近端区域有66个高表达转录本和54个高表达蛋白，在远端区域有51个高表达转录本和29个高表达蛋白，而这些数据中有32个是转录本和蛋白关联上的。这也进一步说明，生物体存在广泛的翻译后修饰调节机制。

Fig.1.Transcriptomic and proteomic mapping of positional information in uninjuredcaudal fins.

图1 无损伤尾鳍不同位置信息的转录和蛋白质组学定量结果

Fig.2. Comparisonbetween proximal and distal RNA-seq and LFQ proteomics reveals extensiveposttranscriptional regulation.

图2 尾鳍不同位置的转录和蛋白质组学联合分析

2. 根据组学结果研究差异表达蛋白的功能

为了进一步研究尾鳍近远端差异表达的分子类型，对RNA-seq数据进行了GO分析(图3-A)。作者认为转录因子是细胞识别的主要监管者，因此是位置记忆效应物的最佳候选者。在作者的RNA-seq数据中编码转录因子的693个mRNA中，有53个在尾鳍前端和末端区域差异表达(图3-B)。此外，作者发现964个跨膜受体中的80个和222个离子通道蛋白中的55个的RNAs在近端和远端区域之间差异表达。RA，WNT和FGF信号传导等几种途径在附肢发育和再生期间生长控制和图案化中的作用，这些信号通路分别包含55，52和41个基因，并确定了12个RA，13个WNT和10个FGF信号传导途径基因相反的转录梯度(图3-C-G)。

Fig. 3. Complex differential expression of RNAsidentified along proximodistal axis of caudal fin.

图3 尾鳍近端轴的RNAs的差异表达

3. 代谢组学研究无损伤尾鳍不同位置代谢谱表达变化

作者发现，几种代谢酶沿尾鳍的不同位置差异表达，且蛋白的GO分析鉴定出与氨基酸代谢和脂质转运有关的蛋白质(图4-A)，所以认为除了遗传编码的线索之外，代谢产物也有可能有助于位置记忆。作者使用质谱法分析未损伤尾鳍的近端，中间和远端区域的代谢物，共定量出125种代谢物。PCA分析显示近端和远端鱼鳍区域的代谢物谱有明显的分离趋势(图4-B)。几种代谢产物的丰度在近端和远端区域之间存在差异；26个在尾鳍近端高表达（包括精氨酸，谷氨酰胺，亮氨酸等），16个在尾鳍近端高表达(图4-C)。