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Systematic proteome and proteostasis profiling in human Trisomy 21 fibroblast cells 人21-三體綜合征成纖維細胞中的系統蛋白質組和蛋白質穩定分析

信息來源：金開瑞作者：genecreate 發布時間：2019-05-05 11:05:11

IF：12.353

期刊：NC

技術：SWATH、轉錄組

研究背景

唐氏綜合癥（DS）是由21號染色體的三體性（T21）引起的出生性缺陷病之一。DS表型表現包括智力殘疾、先天性心臟缺陷和阿爾茨海默病的高發生率等，而且患者的個體差異極大。目前對于DS尚無有效的治療藥物，因此揭示DS的發病機制和分子過程，對其臨床治療至關重要。

研究結果

1. T21蛋白質組學檢測

為了準確量化DS中蛋白質組學的變化情況，作者選擇了年齡、性別等條件相當的11例DS患者和11例正常個體的胎兒皮膚原代成纖維細胞，進行SWATH相對定量蛋白質組學分析（圖1）。與此同時，作者也選擇了一對雙胞胎個體（同卵雙生，即T2N和T1DS）的成纖維細胞同樣進行轉錄組學數據分析（圖2和圖3）。本次共鑒定到4056種蛋白質，此外在T2N和T1DS樣本中加入20種“錨定蛋白”的重穩定同位素標記的多肽標準品，用于估算已鑒定的蛋白質的絕對豐度。

圖1 T21成纖維細胞的蛋白質組學分析

圖2 同卵雙胞胎（T2D，T1DS）個體成纖維細胞蛋白質組學分析

2. T21蛋白質組被廣泛地重塑

為了評估T21在轉錄和蛋白水平上基因表達的整體影響，作者將轉錄組與蛋白質濃度關聯起來，發現所有生物樣本之間存在中度相關性（ρ = 0.339 ~ 0.508）。鑒于穩態豐度值和計算來源于相同的數據集，則整體的相關性表明存在著廣泛的翻譯后調控模式影響mRNA和蛋白質的表達水平（圖3）。為了進一步研究T21中重要轉錄事件的蛋白質組學影響，作者將蛋白質數據與Sullivan等人描述的成纖維細胞中T21的轉錄特征重疊，同時分析淋巴母細胞、單核細胞和T細胞等其他細胞類型的DS / N轉錄組數據，，結果發現成纖維細胞中顯著調節的轉錄物在不同細胞類型之間基本上是保守的，并且顯著地影響相應的69個蛋白質水平（約有40%蛋白質是在Chr21上編碼，圖3c）。此外，比較不同細胞類型的整個轉錄組和蛋白質組之間的相關性值R，數據表明nonChr21基因的轉錄反應導致了普遍的低轉錄物-蛋白質相關性，這對于理解在不同細胞類型中出現的整體T21表型是很重要的。

圖3 轉錄組和蛋白質組關聯分析

3. T21中的基因表達和蛋白質降解模式

作者關注Chr21基因的整體表達，因為它們可能導致DS表型的發展。在組學數據中，SWATH-MS和二甲基化鳥槍蛋白質組學分別檢測到42種和56種Chr21蛋白，占Chr21蛋白編碼基因量的18.7-24.9%；另外，在T212中有18個mRNAs和9個蛋白的變化倍數大于1.4，其中在轉錄和蛋白水平上失調的四種基因（GART，CCT8，HLCS和HMGN1）對Chr21劑量敏感（圖4b），且發現HMGN1的上調可能會增加染色質可及性并引起轉錄失調（圖5）。

另一方面，在T21中SOD1，PFKL和CSTB蛋白濃度顯著增加，但相應的轉錄物基本沒有發生實質性變化，數據表明這些蛋白是在轉錄后發生顯著上調。與此同時，作者也觀察到蛋白表達緩沖現象，正如在T1DS / T2N中U2AF1、COL6A1和COL6A2的mRNAs表達水平有實質性上調而蛋白質水平緩沖后接近于不變。由此推測出蛋白質水平的緩沖最有可能是適應蛋白質周轉而不是降低蛋白質合成速率，總的來說，作者發現了T21中Chr21上復雜且不同的基因表達、調節模式。

圖4 Chr21 基因表達分析

4. 細胞器特異性蛋白表達對T21的影響

為了揭示T21對細胞功能的蛋白質組學影響，作者對Chr21編碼的蛋白質（最高5％和最低5％ T1DS / T2N FC）進行蛋白調控網絡分析，這些蛋白顯著富集的通路包括糖酵解、整合素細胞表面互作、戊糖磷酸途徑等（圖5）。在對正常個體蛋白進行富集分析時，觀察到強烈重疊的富集通路。這表明T21會影響常見的細胞功能。

為了將T21擾動通路的分析擴展到轉錄和蛋白質降解水平，作者隨后又進行了GSEA分析。蛋白質、mRNA和蛋白質降解層之間的交叉過程，表明在所有的三個層次中都顯著地發生改變，包括細胞周期相關功能、細胞形態發生、脂蛋白代謝和線粒體細胞呼吸等（圖6）。

關于T21中細胞器特異性基因表達控制分析，作者首先發現蛋白質在大多數細胞器中合成后，其降解通常會微調蛋白質水平；其次，在線粒體、過氧化物酶體和溶酶體中，蛋白質降解顯著地抑制轉錄來以調節蛋白質表達水平；第三，T21對核仁基因表達的影響有限；第四，盡管核糖體相關的轉錄物受到抑制并且核糖體蛋白質降解加速，但細胞質核糖體蛋白在T21細胞中明顯上調，強烈表明核糖體相關基因的翻譯率大幅增加。總而言之，作者在多層數據基本上解剖了在T21非整倍體應激下每個細胞器的基因調控。

圖5 T21影響的蛋白調控網絡分析

圖6 T21影響的基因GSEA分析

研究結論

在本研究中，作者使用SWATH質譜法來量化T21對DS中基本細胞過程的影響，并分析11例DS和11例正常人的蛋白質表達情況，發現了廣泛的細胞器的特異性轉錄后效應。總的來說，作者提供了一份有價值的蛋白質組學資源去了解DS表型表現的起源，有利于后續深入開展人類遺傳疾病的研究。

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