轉錄組與蛋白質組聯合研究的必要性

隨著高通量組學技術的發展,這使得生命多層次的分解研究轉向系統的整體研究成為現實,整合多組學數據能夠實現對生物系統的全面了解,當部分層面上的研究都逐步走向完善的時候,從部分到整體也是一種必然的趨勢。


生物體往往通過基因的轉錄調控基因表達,同時也通過翻譯調控以及翻譯后的調控進一步對蛋白質的表達進行調節。當前研究表明轉錄組和蛋白質組的相關系數往往只有0.4左右,表明其間的翻譯和翻譯后調控對蛋白質的表達具有非常重要的作用。因此,當前的研究越來越傾向于同時檢測轉錄組和蛋白質組的表達水平,這種研究能充分利用轉錄組和蛋白質組研究的差異性和互補性,對基因的表達水平進行全方位得衡量,以獲得基因表達各個步驟表達和調控的全景圖,發掘常規單個組學未能發現的新結果。


實驗方法

基本實驗流程如下圖:



轉錄與蛋白聯合分析的優勢

由于轉錄與蛋白研究手段的不完全性和結果的互補性,現有的研究大多傾向于綜合轉錄與蛋白的研究結果,其主要原因如下:

1)獲得一個表達譜的“全景圖”,并實現其間的互補和整合,對生物體特定狀態下的基因和蛋白質表達水平進行全方位分析;


2)通過全局上獲得對差異表達譜的廣泛理解,挖掘受轉錄后調控的關鍵蛋白/基因,尋找驗證某些重要的生物學調控,這種研究方式在基礎研究上己經有不少報道。


3)對于一些蛋白數據庫少的物種,通過轉錄組數據構建蛋白質搜索庫,大幅度提高蛋白鑒定數,這也是轉錄與蛋白聯合的一大亮點。




4)利用轉錄組和蛋白質組整體的相關性計算衡量該樣品受到的翻譯調控的影響,利用蛋白質組和轉錄組的比值衡量每個基因的翻譯調控的程度,并進行相應的功能分析。由此可從全方位衡量實驗結果受到翻譯調控的影響情況。



5)有利于可變剪接研究

①對于有足夠訓練數據的基因組,基因水平的從頭預測敏感性接近于100%,而可變剪接的預測準確性通常只有60-70%。

②mRNA可變剪接在轉錄組與蛋白質組兩水平的相互驗證

③可變剪接使一個基因產生多個mRNA轉錄本,進而翻譯成多個不同蛋白質,極大地增加了蛋白多樣性(Black, 2003; Stamm, 2005; Lareau, 2004)。雖然己知可變剪接在直核生物中普遍存在,但我們可能仍低估了可變剪接的比例,基于高通量測序的可變剪接研究在小鼠(Tang, 2009; Mortazavi, 2008)、擬南芥(Filichkin)中發現了很多新的可變剪接事件。

④在生物體內,主要存在7種可變剪接類型:A)Exon skjpping;B)Intron retention;C)Alternative 5’ splice cite;D) Alternative 3’ splice cite;F)Alternative first exon;F) Alternative last exon;G)Mutually exclusive exon。

⑤轉錄組Reference分析里有對mRNA可變剪接結果的預測,通過mRNA的可變剪接可能會產生新的蛋白質(蛋白序列我們可以根據核酸序列推斷出來),而我們在蛋白層面對這些新蛋白進行鑒定,從而來驗證轉錄組中可變剪切的分析。

⑥轉錄組與蛋白組聯合分析,互相補充,共同揭示生物學現象


分析示例


比較轉錄組和蛋白質組聚類的異同,發掘翻譯調控的基因模塊



差異蛋白或差異基因篩選



表達趨勢折線圖:適用于有濃度或者時間等連續性試驗數據



GO富集分析



信號通路富集統計圖



蛋白相互作用網絡圖


文獻案例


組學聯合分析研究野生型棉花及無絨突變體,解釋棉花纖維細胞起始機制

研究目的:
通過定量蛋白質組與轉錄組分析,利用棉花野生型以及無絨突變體胚珠材料,揭示棉花纖維細胞起始機制。


結論:
1) 通過蛋白質定量組學iTRAQ,野生型開花期胚珠中,鑒定到2729個蛋白;其中2005個在轉錄組種也有顯著的提高。
2) 鑒定到的蛋白參與多個生物學功能在野生型中富集增多。通過qPCR驗證,26個基因參與這些功能。并揭示GHPAS2催化并調控VLCFA。

實驗設計與結果展示:




WangXC1,LiQ,JinX.Quantitative proteomics and transcriptomics reveal key metabolic processes associated with cotton fiber initiation. J Proteomics. 2015 Jan 30;114:16-27. 

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