進行單一組學研究時結論往往不夠全面,很難深入系統地解釋生物學問題?;诨蚪M學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學的多組學研究,可以結合多個層次的數據,全面多維度解析生物學機制,縮小研究范圍,快速定位研究目標,增加研究結果的可靠性。

盡管技術的飛速發展,讓多組學數據的采集越來越方便,可海量數據的信息挖掘及關聯分析卻極其挑戰。多位老師向小編咨詢多組學的分析方案,小編將用實例為您解開其中的奧秘。


蛋白代謝聯合分析方案


分析原理

蛋白質是行使細胞功能的主要承擔者,蛋白質組學( Proteomics)是從整體水平上研究細胞內蛋白質的組成、活動規律及蛋白質與蛋白質的相互作用,蛋白質組是細胞功能和狀態的直接描述。
代謝物是生物體中的基礎活動物質,通過代謝組分析,獲得一個生物體中所有內源性小分子代謝產物的集合。小分子的產生和代謝是一系列調節事件的最終結果,蛋白質組學引起的功能改變會在代謝層面放大。
通過KEGG代謝通路將代謝組學和蛋白組學數據聯合起來,找到參與同一生物進程(KEGG Pathway)中發生顯著性變化的基因和代謝物,可快速鎖定關鍵基因。蛋白質組和代謝組的關聯分析,
主要分為以下兩步:
1.蛋白質組與代謝組豐度相關性分析(未知探索)
2.通過KEGG 代謝通路關聯(已知驗證)分析。


基本實驗流程


結果展示

3.1相關性分析

3.1.1全局相關性分析

所有實驗組別中每一個蛋白質與每一個代謝小分子豐度的相關性分析。根據蛋白質和代謝小分子的定量豐度值,計算兩者的相關性。該數據展示了蛋白質豐度與代謝小分子豐度的相關性,從信息挖掘內容上提示了蛋白質和代謝小分子相互關聯和相互作用的線索。

如下圖:前30個正相關的熱圖示意:

圖中,橫坐標為代謝物,縱坐標為蛋白。按正相關系數最高篩選的蛋白質和代謝物小分子構建的熱圖,通過紅色方塊的色度以及方塊中的數值顯示正相關的強度。
此外,用60個(30個最強正相關和30個最強負相關)的結果做成蛋白質和代謝小分子相關性網絡圖,可以更直觀的顯示兩者相互作用關系。圖中,蛋白質和代謝物的顏色見圖注,紅色連線表示正相關,綠色連線表示負相關,連線長度和相關系數絕對值成正比。
如以下示意圖:


3.1.2 各組差異相關性(差異調節)挑選為顯著差異蛋白和代謝物(兩組相關的對比結果的intensity的比較)

各組差異相關性是將組別比較中差異顯著的蛋白質和代謝小分子的豐度值進行相關性的計算。進一步提示蛋白質豐度調節和代謝物響應變化的協同性。
下圖為某兩組比較中前30個負相關的熱圖,其中,橫坐標為代謝物,縱坐標為蛋白。按負相關系數最高篩選的蛋白質和代謝物小分子構建的熱圖,通過藍色方塊的色度以及方塊中的數值顯示負相關的強度。熱圖上側和左側分別標示了代謝物和蛋白質的差異上調或下調分析結果。

重要提示:
相關性分析提示了蛋白質和代謝物的相互關聯,為新的調節作用和機制研究提供線索。(未知通路探索)


3.2蛋白和代謝聯合KEGG注釋

將實驗每組樣品的鑒定蛋白/代謝物與差異蛋白/代謝物的數據上載到KEGG(http://www.genome.jp/kegg )網站上,并得到所有通路的map結果。

下圖是一個結果示意圖,圖中綠色的表示該蛋白在實驗檢測的結果中是下調的,如果有紅色則表示為上調蛋白。方框中的是蛋白質,圓圈節點是代謝物。

重要提示:
通過KEGG將蛋白值信息和代謝小分子信息共同整合到已有的KEGG生物通路中,從兩個層次獲得的研究,相互交叉驗證,證實了這個通路被擾動的可能性。(已知通路確證)


經典案例

Combined Analysis of Metabolomes, Proteomes, and Transcriptomes of Hepatitis C Virus-Infected Cells and Liver to Identify Pathways Associated With Disease Development.

聯合分析丙肝病毒感染細胞和肝臟的代謝、蛋白和轉錄數據,以確定與疾病發展相關的途徑(IF = 19.233)


研究背景:丙型肝炎病毒(HCV)感染是肝臟疾病的主要原因,包括脂肪變性、纖維化和肝癌。

然而,促進肝臟疾病進展的機制尚不清楚。

研究材料:類肝細胞模型;模型小鼠肝組織;HCV感染患者

研究方法:轉錄組+蛋白組學+代謝組學

整體流程:


部分結果展示:



結果:

1 過氧化物酶體功能相關的mRNA和蛋白水平顯著降低;

2 受感染細胞的葡萄糖水平升高,從而導致過氧化物酶體功能受損;

3 HCV感染強烈抑制了肝細胞中PPAR-α的表達;

4 感染會誘發STAT3轉錄信號,而STAT3的激活會導致IL-6R受體轉錄的快速抑制,表明STAT3信號通路與過氧化物酶體之間存在調控聯系。


結論:

HCV感染通過干擾PPAR-α的表達和功能,在不同程度上抑制過氧化物酶體功能,這影響到脂肪酸與糖代謝之間的轉換,導致了受感染肝細胞的糖依賴和脂質積累,從而導致慢性肝病和肝細胞癌。

提示:肝臟疾病期間過氧化物酶體功能的重新激活可能會降低氧化應激和疾病進展為肝硬化和HCC的風險。


參考文獻

[1] Lupberger Joachim,Croonenborghs Tom,Roca Suarez Armando Andres et al. Combined Analysis of Metabolomes, Proteomes, and Transcriptomes of Hepatitis C Virus-Infected Cells and Liver to Identify Pathways Associated With Disease Development.[J] .Gastroenterology, 2019, 157: 537-551.e9.


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