題目：Transcriptomic, proteomic, and metabolomic landscape of positional memory in the caudal fin of zebrafish

多組學聯合探討斑馬魚尾鰭再生機制

期刊：PNAS

影響因子：9.504

主要技術：轉錄組、蛋白質組（Label free）、代謝組

 

研究背景

        在脊椎動物中，附肢再生期間由位置記憶調控細胞增殖和分化，它能使再生細胞從未受損組織中獲取空間信息。研究人員認為位置記憶依賴于某些梯度表達的分子信號，但是對于這些具體的分子信息研究甚少。

 

研究內容及結果

1. 無損傷斑馬魚尾鰭不同位置轉錄組和蛋白質組結果

        根據已有的研究，位置記憶的分子效應在未受損傷組織近遠軸線梯度表達。因此，作者以成年斑馬魚尾鰭為研究對象，并沿著空間軸（近端、中部、遠端）對未受傷尾鰭進行轉錄組和蛋白質組分析（圖1A），分別定量到23926個轉錄本和3061個蛋白質。其中566個轉錄本和238個蛋白質在尾鰭近端和遠端高表達（圖1B）。PCA分析表明，斑馬魚尾鰭近遠端中3個區域在轉錄水平和蛋白水平表達分離趨勢明顯（圖1C,D）。其中近端和遠端區域差異表達最為顯著，包括1424個轉錄本和113個蛋白質（圖1E,F）。

作者希望得到一些分子列表信息能夠表明其表達水平沿著近端軸線有明顯變化趨勢。因此，作者對尾鰭不同位置的轉錄組和蛋白質組學數據聯合分析（圖2），分析在兩個數據集中以相似模式存在的轉錄本和蛋白質。結果表明，在尾鰭近端區域，有54個蛋白質和66個轉錄本存在高表達，遠端區域則有29個蛋白質和51個轉錄本存在高表達，在兩個尾鰭不同位置中共有32個轉錄本和蛋白質表達模式相近。與其它研究結果類似，作者發現轉錄組和蛋白質組關聯度比較有限，低于50％的差異表達的轉錄本具有相似的差異表達蛋白質，這進一步說明生物體存在廣泛的轉錄調控機制。

圖1 未受傷的尾鰭的轉錄組學和蛋白質組學圖譜

 

 

圖2 尾鰭不同位置的轉錄組和蛋白質組聯合分析

 

2. 轉錄組和蛋白質組差異表達分子功能

        視黃酸（RA）信號轉導和脯氨酸脫氫酶（Prod1）被認為與建立位置記憶有關。作者在斑馬魚尾鰭候選效應分子中鑒定了與RA信號轉導和Prod1相關的轉錄物和蛋白質。如參與RA信號轉導，在尾鰭近端高表達的aldh1a2和在遠端高表達的bco1，以及其它差異表達的mRNA和蛋白質，這表明RA信號傳導的調節可能更復雜，涉及在該途徑的多個水平上的差異調節。為了進一步研究尾鰭近遠端差異表達的分子類型，作者對轉錄組數據進行GO分析，結果顯示尾鰭mRNA參與多個生物過程，如細胞—細胞信號轉導（圖3A）。作者推測轉錄因子由于其細胞調節因子功能，及有可能是位置記憶候選效應分子。隨后作者發現轉錄組數據中有693個編碼轉錄因子的mRNA，其中53個在尾鰭近端和末端區域差異表達（圖3B）。跨膜蛋白作為主要信號傳導途徑的受體，也是良好位置記憶候選效應分子，與之對應，作者在組學數據中發現964個跨膜受體中的80個mRNA、222個離子通道蛋白中的55個的mRNA各自在尾鰭近端和遠端區域之間存在差異表達。根據GO分析結果，作者將RA，WNT和FGF信號傳導等幾種途徑基因進行表達量分析，確定了分別參與RA、WNT和、FGF信號傳導等途徑基因不同的轉錄水平梯度（圖3C-G）。

圖3 沿尾鰭近端軸線RNAs的差異表達

 

3. 野生型和突變體魚鰭中候選位置效應分子表達模式

        作者推測，位置記憶效應分子可以在不同形狀和大小的鰭中表達。為了驗證此種推測，作者選擇Aldh1l1和Ca2進行驗證實驗。Aldh1l1是一種醛脫氫酶，在尾鰭近端高表達，Ca2可以催化二氧化碳的水合作用，在尾鰭遠端高表達。WB驗證實驗表明，Aldh1l1蛋白存在于尾鰭的近端富集梯度中，也存在于未損傷斑馬魚的背鰭和胸鰭近側富集梯度中；Ca2存在于尾鰭的遠端富集梯度中，也存在于未損傷斑馬魚的背鰭和胸鰭遠側富集梯度中（圖4A-C）。作者又對不同大小魚鰭Aldh1l1和Ca2的表達水平進行分析，發現Aldh1l1和Ca2的相反表達梯度同樣存在于兩種突變魚的魚鰭中（圖4D）。這些數據表明，Aldh1l1和Ca2的豐度是跨越多個斑馬魚鰭和不同大小魚鰭，這極有可能在組織再生期間建立位置記憶中發揮重要作用。

圖4 WT和突變體鰭中的Aldh1l1和Ca2豐度

 

4. 無損傷尾鰭不同位置代謝物表達變化

        作者認為除了mRNA和蛋白質，代謝產物也有可能有助于位置記憶。基于組學結果，作者發現，幾種代謝酶沿尾鰭的不同位置差異表達，此外，GO分析顯示這些差異蛋白多參與氨基酸代謝和脂質轉運（圖5A）。因此，作者對未損傷尾鰭的近端、中端和遠端區域的代謝物進行檢測分析，共定量到125種代謝物。PCA分析顯示近端和遠端尾鰭區域的代謝物譜有明顯的分離趨勢（圖5B）。

圖5 尾鰭的近端軸線上差異表達的代謝產物

 

 

5. 早期再生過程中的蛋白質表達變化

        作者推測在斑馬魚魚鰭受傷后的早期階段應保留未受損鰭中位置記憶效應分子的表達模式。為了證明這個推測，作者選擇截肢后不同時間魚鰭進行Label free定量蛋白質組分析。為了降低個體差異性，作者從同一條魚中采集了再生鰭的背側近端區域和腹側遠端區域樣本進行實驗（圖6A）。結果發現在0dpa、1dpa、3dpa中分別有97、11、2個差異蛋白，再生過程中不同時間蛋白質表達的PCA分析顯示，1dpa和3 dpa的樣本有明顯的分離趨勢，近端或遠端區域之間的蛋白變化很小，未受損的鰭（0 dpa）的近端和遠端區域之間的蛋白存在更多差異（圖6B）。

圖6 再生尾鰭的近端和遠端區域差異表達蛋白

 

文章小結

        組織再生需要細胞根據其空間位置調節增殖和分化，位置記憶使再生細胞能夠從未受損組織中獲取空間信息。作者定量了未受損和再生的成年斑馬魚的尾鰭近端軸上的轉錄物、蛋白質和代謝物的豐度變化，發現了涉及多種細胞功能的數百種分子的復雜重疊表達模式，揭示位置記憶的候選效應分子，這些效應分子在成體附屬物中具有再生和控制器官大小的作用。

 

解析文獻

Rabinowitz JS, Robitaille AM, et al. Transcriptomic, proteomic, and metabolomic landscape of positional memory in the caudal fin of zebrafish. Proc Natl Acad Sci U S A , 2017 , 114 (5) :E717

 

參考文獻

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2. Vogel C, Marcotte EM. Insights into the regulation of protein abundance from proteomic and transcriptomic analyses. Nat Rev Genet, 2012, 13(4):227–232.

3. Nachtrab G, Kikuchi K, et al. Transcriptional components of anteroposterior positional information during zebrafish fin regeneration. Development, 2013, 140(18):3754–3764.

4. Sperber H, et al. The metabolome regulates the epigenetic landscape during naive-to-primed human embryonic stem cell transition. Nat Cell Biol, 2015, 17(12):1523–1535.