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多组学联合 | >10分的多组学联合应用文章如何炼成?

2018-06-08

在人们的日常生活中,精神压力会引发情绪焦虑和精神紊乱,严重的还会引发认知障碍。而压力应答与脑中的海马区功能密切相关,海马区不同的区域参与不同的功能调节。例如背部海马区(dHC)跟学习以及记忆形成有关,而腹部海马区(vHC)与情绪调节相关。前期有通过转录组学对腹部海马响应慢性压力的报道,但很少有研究海马响应急性压力的研究。一篇相关研究文章发表在医学期刊“Biological Psychiatry”上,文章从不同的层面(借助转录组和蛋白质组学),全面的分析海马不同区域响应急性压力的功能机制。


前两周我们有讲过转录+蛋白的概述,请戳:蛋白组还不够?多组学联合分析来助阵!另外,6月12日下午14:00我们将开设一场多组学联合应用的直播,长按二维码即可报名!



文献小笔记


Distinct Proteomic, Transcriptomic, and Epigenetic Stress Responses in Dorsal and Ventral Hippocampus

蛋白组学和转录组学联合分析研究小鼠不同区域海马组织对压力的应答机制

Biological Psychiatry:IF=11.41  February  2018


研究材料

▶ 对照组:C57BL/6J 雄性小鼠的整个海马组织(whole HC)背部海马(dHC)腹部海马(vHC)组织

▶ 实验组:新奇感刺激、约束刺激、冷水游泳刺激的相应组织


技术方法

转录组、蛋白质组联合分析

研究内容

1. 海马区不同区域的蛋白谱和转录谱表达各不同

① 通过对对照组小鼠转录组和蛋白质组学分析发现,超过20%的基因(蛋白)表达水平在两种组织中发生显著变化。进一步通过蛋白质互作网络分析发现,背部和腹部海马组织的蛋白形成不同的功能簇。背部海马组织主要参与谷氨酸能突触、长时增强效应、内吞作用以及细胞骨架的调控通路,腹部海马主要富集神经配体-受体激活、含血清素的神经突触和氨基丁酸能突触的通路。


② 接下来对转录和蛋白的联合分析发现,有171个基因在mRNA和蛋白质表达水平都发生了显著变化。其中有151个基因的mRNA和蛋白质表达呈正相关(r =0.56, p <0.0001),其中37个基因在腹部海马中富集,114个在背部海马中富集。进一步通过通路分析发现背部海马主要参与钙信号通路以及谷氨酸能突触,腹部海马主要参与代谢调控通路。有20个基因的mRNA和蛋白质表达呈负相关,包括受体和离子通道相关基因。



为验证蛋白组数据的可靠性,作者挑选了背部海马中mRNA和蛋白表达量较高的蛋白进行WB验证。


2. 不同压力刺激下,海马不同区域的转录组表达水平差别较大

与对照组小鼠的整个海马组织相比,不同的刺激方法(新奇感刺激、约束刺激、冷水游泳刺激)的整个海马组织中有100个基因的表达水平发生显著变化,多数基因是上调表达。出人意料的是,相比于整个海马组织,不同刺激处理下的腹部海马和背部海马,显著变化的基因数远远多于前者。


作者将3个刺激中至少响应2种刺激的基因命名为应激基因,在整个海马组织中,存在66个应激基因,vHC和dHC中存在199个应激基因。对这些应激基因进行通路分析发现,上调的应激基因与转录调控相关、下调的应激基因与细胞粘附以及细胞连接相关。


进一步对dHC 和 vHC进行比较分析,vHC组的应激基因更多,表明腹部海马组织对压力应激更敏感。那蛋白水平的表达趋势是否跟转录水平类似呢?

接下来,作者将24小时后的小鼠vHC和dHC中蛋白质水平进行检测。结果发现,同转录组的表达趋势一致,vHC组差异蛋白数目明显多于dHC组。



3. 通过PPI互作网络分析寻找应激相关重要基因

为了研究海马不同区域对应激的调控机制,作者对vHC和dHC进行了PPI互作网络分析。结果发现,与dHC组相比,vHC组出现了更大的调控网络,其中表观遗传学簇(组蛋白去乙酰化酶Kdm6b)是vHC组特有的。由于Kdm6b可以特异的抑制组蛋白甲基化H3K27me3。因此通过WB检测H3K27me3的水平发现,受刺激后,dHC组H3K27me3表达水平不变,而vHC组H3K27me3表达明显下调。



4. 对应激相关重要基因Kdm6b的遗传学验证

通过对腹部海马区的Kdm6b进行RNAi干扰,与对照组相比,结果发现Kdm6b-shRNA小鼠在运动时更容易激动,因此推测该基因参与的调控机制与腹部海马区的应激反应过强有关。这也表明,在应对压力条件下,腹部海马区神经元中的Kdm6b,对维持生物体正常稳定的的状态和行为是至关重要的。


总结与扩展

a) 多组学特色:借助蛋白组和转录组可对蛋白质和基因表达水平进行全方位分析,有助于获得基因表达的“全景图”,实现转录和蛋白层面的互补和整合;进一步借助相关性分析可以真正观察到mRNA-蛋白质关联性,它们之间表达趋势的不一致性也是生物体生物化学状态的真实反映,对此,可以帮助我们从整体上解释生物学问题。

b) 生信特色:除基础的生信分析内容外、高级分析如PPI网络分析结合Module分析,可以帮助我们快速锁定调控生物学功能的关键变量,阐述生物学过程的具体调控机制。

c) 课题延伸:除蛋白组研究的重要意义外,修饰蛋白组也十分值得深入研究(前期有文章对个别蛋白进行的报道,例如,急性压力下,synapsin 1的磷酸化可引起谷氨酸的释放,从而激活相应的受体,进而调控神经元的活动。)

d) 课题福利:蛋白质/转录组学和代谢组学越来越多地运用于医学和农林研究的各个领域,如何从海量的数据里去伪存真,找到组学之间的关联,仍然是一个研究的难点。


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