多篇案例解析——转录组+蛋白组如何引领更深机制探索

2022年度流行色：同一生物基因组基本上是不变的，而转录组、蛋白质组是在动态变化中的，随发育阶段，环境，不同部位而变。基因与其对应的转录产物RNA并非一一对应，RNA中也只有一小部分会编码蛋白质，所以三者的研究目前来说都是不可替代的。在生物学的领域中，广泛应用到了“多组学”研究方法，包括基因组，转录组，蛋白质组，代谢组的两两或者两种以上的组学研究，不同组学分别从不同层面体现生物体内基因的转录、表达、翻译修饰以及生理代谢等情况，“因”“果”相扣，相互间进行验证，使研究者对生物体的表达信息有更加充分完整的理解。

本期小编整理几篇“转录+蛋白”高分文章，对发现的一些现象表征进行机制探索，一步步锁定关键基因/蛋白。

01

结合转录组和蛋白质组分析阐明盐生植物抗盐耐受策略

Combined Transcriptome and Proteome Analysis to Elucidate Salt Tolerance Strategies of the Halophyte Panicum antidotale Retz【期刊】Frontiers in Plant Science

【IF】5.753/Q1

【发表时间】2021年11月

【应用技术】转录组+TMT蛋白组学+生理生化检测

蓝黍，C4单子叶植物，有潜力回收盐碱地和旱地，可作为饲料和草料利用。生理生化研究证实了其对盐胁迫的适应性。但其耐盐分子机制尚不清楚。本研究采用转录组学和蛋白质组学方法，分析了解蓝黍在低盐和高盐环境下的耐盐机制。结果表明，大量的DEG和DEP表明盐响应基因的差异调控直接影响植物的盐响应。在这两种处理下，参与光合机制结构和功能的基因转录均受都表现出转录抑制，但它们的蛋白表达仅在高盐处理下下调。高盐度时呼吸过程减少，无法维持较高的植物能量需求。低盐胁迫下，植物体内脯氨酸生物合成、抗氧化防御机制、Ca2+ /SOS信号级联、细胞生长、mRNA监控途径和次生代谢等耐盐基因的表达均有上调。相反，在高盐度条件下，耐盐机制受影响的比例较大。这些植物氨基酸代谢相关基因转录增加，但蛋白质丰度没有相应变化。相反，糖和海藻糖的积累在抵抗渗透胁迫和生理干旱方面发挥作用。许多与细胞周期和基因表达相关的基因被下调。此外，参与DNA修复和异常mRNA处理的基因数量减少。

此外，SOS信号级联的众多抑制剂的表达上调表明应激激活反应的损伤。尽管在这些植物中钙蛋白、钙连蛋白、内质网腔伴侣蛋白和热休克蛋白的表达增加，但抗氧化防御系统的不完全运作并没有清除过多的ROS，因此表明高盐诱导了氧化损伤。本研究的结果有助于理解植物在低盐和高盐条件下的最佳生长和限制生长的分子基础。

02

比较转录组学和蛋白质组学对百灵侧耳采后变质调控机制提供新思路

Comparative transcriptome and proteome provide new insights into the regulatory mechanisms of the postharvest deterioration of Pleurotus tuoliensis fruitbodies during storage【期刊】Food Research International

【IF】6.475/Q1

【发表时间】2021年6月

【应用技术】转录组+TMT蛋白组学+qRT-PCR

白灵侧耳(白灵菇)是一种经济价值很高的珍贵食用菌，因营养丰富、肉质鲜美而广受欢迎。然而，快速的采后变质降低了其商业价值，严重制约其市场推广。通过RNA - Seq和TMT蛋白质组学，研究白灵侧耳子实体在25 ℃采后贮藏0(A)、38(B)和76 h(C)的调控机制。鉴定到2008个DEGs和 1307个DEPs，其中265个差异基因和差异蛋白质存在共表达。以漆酶、几丁质酶和β-葡聚糖酶为代表的碳水化合物活性酶（CAZymes）的积极表达直接导致子实体的软化。在C/ A组中，1,3-β-葡聚糖合成酶的转录因子Rlm1基因水平显著下调，引发关注。

漆酶与苯丙氨酸解氨酶(PAL)共同参与子实体前76 h的变色反应。在基因/蛋白质水平上，EMP(糖酵解)、脂肪酸降解以及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解的几个关键酶的显著表达为TCA循环提供了大量的乙酰辅酶A。柠檬酸合成酶(CS)、异柠檬酸脱氢酶(ICDH)和三种线粒体呼吸复合物通过显著上调来增强呼吸并产生高水平的ROS(活性氧)。在ROS清除系统中，只有Mn-SOD在基因水平上显著上调，可能与Hsp60 (热休克蛋白60)相在蛋白水平显著上调相互作用，在抗氧化中发挥主导作用。Pt子实体采后遭受细胞壁应激、饥饿和氧化应激三种类型的应激，导致细胞周期阻滞和基因表达紊乱。

百灵侧耳子实体退化机理模型

03

无标记定量蛋白质组学分析揭示小麦籽粒核蛋白参与水分亏缺反应的潜在机制

Label-Free Quantitative Proteome Analysis Reveals the Underlying Mechanisms of Grain Nuclear Proteins Involved in Wheat Water-Deficit Response

【期刊】Frontiers in Plant Science

【IF】5.753/Q1

【发表时间】2021年10月

【应用技术】转录组+Label-Free蛋白组学+qRT-PCR+WB+亚细胞定位

无标记定量蛋白质组学分析表明小麦发育籽粒细胞核蛋白组中存在398个水分亏缺响应DAPs。在水分亏缺条件下，146个上调DAPs：主要参与胁迫响应和氧化还原过程；252个DAPs 下调：主要参与翻译、细胞氨基代谢过程和氧化还原过程。对核DAPs关键编码基因的顺式作用元件分析表明，这些基因大多在启动子区域含有相同的顺式作用元件，主要包括参与脱落酸响应、抗氧化反应元件ABRE，响应干旱调控的MYB和响应早期干旱的MYC。与环境胁迫和激素反应相关的顺作用元素相对丰富。通过RNA-seq和qRT-PCR进一步检测了核上调的DAPs编码基因在不同器官、发育阶段和非生物胁迫下的转录表达谱，其中50%以上的基因在转录和翻译表达上具有一致性。最后，作者提出了小麦核蛋白质组对水分亏缺的协同响应网络，从而从亚细胞蛋白质水平为进一步了解该机制提供了新的证据，揭示了小麦籽粒核蛋白质组对水分亏缺响应机制。

小麦籽粒蛋白质组对水分亏缺胁迫的协同响应网络

04

定量蛋白质组学和转录组学揭示了长雄蕊野生稻花药发育过程中蛋白质的差异

Quantitative Proteomics and Transcriptomics Reveals Differences in Proteins During Anthers Development in Oryza longistaminata

【期刊】Frontiers in Plant Science

【IF】5.753/Q1

【发表时间】2021年11月

【应用技术】转录组+TMT蛋白组学+花粉活力检测+细胞学观察+生理生化检测+PRM+qRT-PCR+亚细胞定位

长雄蕊野生稻(Oryza longistaminata)是一种具有特殊育种特性的非洲野生稻品种。自交不亲和是导致其不育的主要原因，但本研究表明其花粉活力正常。花粉发育过程中脂质和碳水化合物代谢十分活跃。本研究采用I2-KI染色法和TTC染色法检测花粉活力。苯胺蓝染色半薄切片用于研究花粉发育的重要阶段。花粉在体外和体内均能正常萌发。作者记录了花药发育重要阶段的细胞学变化（显示花粉发育的关键阶段(4mm、6mm和8.5 mm），包括生殖细胞通过减数分裂和有丝分裂形成成熟花粉粒的变化。利用TMT蛋白组学研究长雄蕊野生稻花粉发育过程中涉及能量代谢的蛋白质丰度变化，特别是与乙醛酸循环和糖异生相关的生物合成途径的蛋白质。转录组和蛋白质组共鉴定出31987个转录本和8753个蛋白质，其中6842个蛋白质可以定量。根据乙醛酸循环和糖异生过程中主要关键酶的丰度，RNA-seq和蛋白质组关联分析表明，6 mm小穗期脂肪酸转化为蔗糖。结合qRT-PCR和PRM进一步证实了参与花粉能量代谢关键基因/蛋白的表达模式。综上所述，本研究在蛋白质组水平上揭示了长雄蕊野生稻花粉活力，为杂交水稻育种中提高父本传粉效率提供了新思路。

不同花粉发育阶段与关键酶丰度相关的蛋白质变化

小编语录

       蛋白质和转录本均具有时空表达特异性，根据不同研究目的，选取不同处理的样本（不同发育时期、抗逆、胁迫等等），在样品选择上需要保持一致（建议分别提取相同组织样本中的总RNA和总蛋白）；在生物学重复设置方面，建议每组至少3例生物学重复；根据整体的研究目的、样品设置，来确定选用哪种定量技术。在进行两者关联分析之后，可以对筛选出的关键基因/蛋白质进行进一步验证，相关技术包括qRT-PCR、western-blot/PRM验证等。

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