Cell | 磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)繪制蛋白質(zhì)豐度和壽命圖譜

耶魯大學(xué)劉延盛團隊采用蛋白質(zhì)組學(xué)（BoxCarmax-DIA和TMT標記）技術(shù)，分析了SILIC飼料飼養(yǎng)小鼠的 8 種小鼠組織（心臟、肝臟、脾臟、肺、腎臟、腸道、血漿）和 9 個腦區(qū)（小腦、海馬、前額皮質(zhì)、黑質(zhì)、丘腦、杏仁核、內(nèi)嗅皮層、嗅球、紋狀體），并繪制了小鼠 8 種組織以及多個腦區(qū)中 11,000 種蛋白質(zhì)和 40,000 個磷酸化位點的豐度和壽命圖譜。

主要發(fā)現(xiàn)

1. 該研究提供了一個涵蓋小鼠各組織蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)的高質(zhì)量綜合資源；

2. 蛋白質(zhì)的豐度和壽命共同決定了組織蛋白質(zhì)組的功能和穩(wěn)定性；

3. 蛋白質(zhì)的壽命與組織中的蛋白質(zhì)相互作用密切相關(guān)；

4. 位點特異性磷酸化在體內(nèi)功能性地塑造蛋白質(zhì)的壽命

實驗設(shè)計

SILIC標記小鼠及取材：代謝標記前3天，給小鼠喂食100%輕賴氨酸組成的SILAC食物，以盡量減少由普通食物切換到SILAC食物對蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的干擾。分別給小鼠喂食8天和32天的SILAC食物。頸椎脫臼處死，快速解剖體組織（心、肝、脾、肺、腎、腸、血漿）和腦區(qū)域（小腦、額葉皮質(zhì)、黑質(zhì)、丘腦、杏仁核、內(nèi)嗅皮質(zhì)、海馬、嗅球）的所有解剖標本，液氮冷凍，- 80℃保存。

基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)檢測：同時采用BoxCarmax-DIA和TMTpro兩種方法對各組織進行蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)學(xué)檢測。

主要結(jié)果

1． 各組織蛋白質(zhì)壽命分布。

蛋白質(zhì)組在各組織間的整體轉(zhuǎn)換模式表現(xiàn)出適度的相似性，大多數(shù)蛋白質(zhì)組（66.7%-80.04%）的轉(zhuǎn)換時間小于10天，中位PT從腸道的3.27天到小腦的6.45天不等。除心臟（5.61天）外，9個腦區(qū)的中位PT（5.89±0.42天）總體上明顯高于其他組織（腸道3.27天，肝臟3.28天，脾臟3.62天，腎臟3.82天，肺4.21天）。大腦區(qū)域中較長的蛋白質(zhì)壽命與先前的報道一致，這主要歸因于大腦較低的再生能力。繪制了不同組織中單個蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率。

2． 各組織蛋白質(zhì)豐度和壽命的熱圖（HC圖）

在細胞器水平上，HC圖顯示細胞外基質(zhì)（EM）在組織中持續(xù)富集長壽命蛋白，這表明與其他細胞成分相比，EM蛋白不經(jīng)歷快速更新，這與先前的報道一致。類似的模式在質(zhì)膜的成分中也被觀察到，比如對維持組織完整性至關(guān)重要的溶質(zhì)載體（SLC）蛋白。膠原蛋白雖然數(shù)量很少，但在非腦組織中含量很高，并且在所有組織中壽命都很長，這反映了它們在維持組織結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用。相比之下，線粒體和核蛋白表現(xiàn)出更高的跨組織變異性，表明組織特異性動態(tài)調(diào)節(jié)。在亞細胞器水平上，HC圖顯示，與其他組織和其他線粒體蛋白（如線粒體核糖體亞基）相比，大腦中的呼吸鏈復(fù)合體I蛋白具有更高的豐度和更長的壽命，強調(diào)了氧化磷酸化在大腦中的重要性12，與圖2C結(jié)果一致。在個體蛋白水平上，HC圖表明SLCs表現(xiàn)出廣泛的PAs，但在組織中具有相似的PTs。有趣的是，某些蛋白質(zhì)，如線粒體核糖體中的Mrps24，呼吸鏈復(fù)合體I中的MTND1， EM中的HSP90aa1和Hsd17b12，以及SLC中的Slc4a1和SLC12a5，顯示出異常的壽命，可能指向獨立于其復(fù)合體和功能類別的兼職蛋白質(zhì)功能。

3． 蛋白質(zhì)壽命和蛋白質(zhì)相互作用（PPI）在組織中的密切聯(lián)系

有趣的是，在一個特定組織或任何測量的組織中，檢測給定蛋白質(zhì)與其PPI伴侶之間的PT差異，發(fā)現(xiàn)PPI伴侶具有不斷偏離的周轉(zhuǎn)率（圖4E和圖S3A），例如Psmd1的Agn， Lmna的Lmnb2和Ak2的Map2（在肝臟和腎臟中）。

4． 過氧化物酶體是通過蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)

我們將蛋白質(zhì)組學(xué)的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)錄組和翻譯組（分別使用RNA測序和核糖體分析進行測量）數(shù)據(jù)整合分析，其中5個與組織ppt中的組織重疊（肝、心、肺、腎和腦）。跨組織多組學(xué)分析表明，過氧化物酶體是通過蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。

5． 位點特異性磷酸化在功能上塑造蛋白質(zhì)在組織中的壽命

DIA-MS和pSILAC-DIA測量了67,169個磷酸化位點的豐度和40,573個磷酸化位點的T50，描繪了大規(guī)模的體內(nèi)磷酸化動力學(xué)。在腦區(qū)和非腦組織中，34,157±2207和22,821±4650個磷酸化位點攜帶肽的豐度和T50分別為12,861±1441和7575±2681個。相比之下，血漿中只有大約100個磷酸化位點被量化。磷蛋白組豐度和周轉(zhuǎn)方差的PCA圖顯示了與總蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果相似的組織間和區(qū)域間模式。腦區(qū)之間的P-site T50相關(guān)性（R =0.40-0.74）明顯強于不同組織之間的P-site T50相關(guān)性（R =0.13-0.53），盡管兩者都低于P-site豐度相關(guān)性，表明P-site T50具有實質(zhì)性的多樣性。

技術(shù)討論

本文中的小鼠標記技術(shù)可以進一步應(yīng)用于蛋白質(zhì)的其他翻譯后修飾的檢測，例如蛋白質(zhì)糖基化；

這一方法和TRAIL都不能解決組織內(nèi)不同細胞類型的蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)，這可能會顯著影響蛋白質(zhì)組讀數(shù)。在這方面，可能需要對組織內(nèi)和組織間的所有不同細胞進行單細胞蛋白質(zhì)組轉(zhuǎn)換分析。