CellReports：研究结果1.细胞增殖周期不同阶段的蛋白表达变化

标题：哺乳动物细胞从静止到增殖的蛋白质组学和代谢组学特征

蛋白质组学结合代谢组学表征哺乳动物细胞从静止到增殖的生物学过程

期刊：细胞报告

影响因子：8.032

主要技术：蛋白质组学、代谢组学

研究背景

正常增殖细胞与肿瘤细胞在代谢过程和生理功能上既有相同点，也有不同点。在细胞周期中，代谢过程随着细胞周期的变化而变化，但其发生的机制目前尚不清楚。

研究成果

1. 细胞增殖周期不同阶段蛋白质表达变化

作者选择了对IL-3有反应的非恶性鼠pro-B淋巴细胞系FL5.12作为研究对象。其中，对照组细胞系在不含IL-3的培养基中培养36小时，实验组细胞系在静止期维持36小时，培养基中加入IL-3刺激细胞增殖，并收集不同时期的细胞进行制备蛋白质组学分析和代谢组学分析（图1）.

图1 细胞增殖不同阶段的细胞样本采集

作者利用TMT技术对采集到的细胞在不同阶段进行蛋白质组学分析，共对6700个蛋白质进行了定量，其中两次生物学重复鉴定出4700多个蛋白质，共得到2666个平行性较好的蛋白质。确定。，这些可重现的蛋白质是后续分析的重点。对上述蛋白质进行聚类分析发现，随着细胞周期的进行，蛋白质的整体表达趋势呈逐渐变化的趋势。全局表达模式产生了两个不同的时间簇，分别对应于从 G0 到 G1 的过渡阶段（0h 和 4h）和从 G1 到 G2/M 的过渡阶段（8h 到 20h）（图 2）。有两种组蛋白具有相反的表达模式，一组在 G0/G1 中上调，在 S/M/G2 中下调，另一组显示相反的表达模式。随后的选择差异很大，并且与细胞周期进程有关 对该组的60个关键蛋白进行表达趋势聚类，结果表明这些蛋白参与了细胞增殖过程。作者进一步进行了GO富集分析，结果表明它们参与了核仁、线粒体、核糖体、ATP结合、翻译起始因子活性、翻译和rRNA加工等结构成分（p值

图 2. 蛋白质表达的层次聚类分析

2. 细胞增殖周期不同阶段的蛋白质模块分析

为进一步深化细胞周期生理调控的研究，作者通过系统编译已知和预测的蛋白模块，建立了大规模的小鼠蛋白模块库蛋白质组分析，并使用COMPLEAT工具对蛋白质组TMT数据进行分析并生成时序表达。蛋白质模块的概况。各阶段蛋白质模块的得分和p值分析（功能一致的蛋白质属于同一个蛋白质模块），找出各阶段重要的蛋白质模块以及所涉及的生物学过程（图3）。作者使用The蛋白质模块通过多个过滤标准进行优先排序（图 3B-E），发现了 311 个文献支持的蛋白质模块。

作者选取了 8 条关键代谢途径（TCA 循环、糖酵解、从头嘧啶生物合成、从头嘌呤生物合成、嘧啶回收、嘌呤降解、脂质合成、尿素循环）进行深入研究，发现TCA 循环受电子传递链 (ETC) 复杂成分的影响，蛋白质的整体下调支持蛋白质，而糖酵解中的蛋白质则相反，葡萄糖转运抑制剂 Txnip 被下调，葡萄糖转运蛋白 Slc2a1 (Glut< @1） 在 G0/G1 相变期间被上调）（图 4）.

图3 蛋白质模块分析

图 4 TCA 循环中的下调蛋白和糖酵解中的上调蛋白

3. 代谢物水平与代谢酶的相关性

作者更感兴趣的是代谢酶表达水平的趋势变化是否反映在它们的代谢物中。因此，作者再次进行代谢组学分析，在6个时间点检测到291个代谢物，最终经过筛选和过滤后得到155个代谢物用于后续分析。层次聚类分析显示，相邻时间点之间代谢组学表达谱相似，与蛋白质组学结果不同的是，在G0/G1过渡期间变化非常显着，并且代谢组学表达变化出现在S期（T = 12h后） . 作者进一步验证了相关代谢物的表达水平是否与代谢酶的表达水平一致，并将代谢物以高可信度映射到上述八种代谢途径。结果表明，绝大多数酶显示出一致的模式，但它们的代谢物却没有，它们的波动也超过酶水平，例如在 TCA 循环中持续下调的酶显示出可变的代谢物模式（图 4A-B），一些代谢物如柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、富马酸和苹果酸在 G0-G1 转变期间上调。总而言之，在TCA、糖酵解、脂质代谢等途径中，代谢酶的表达与相关代谢物的表达并不是很一致。一些代谢物，例如核苷酸代谢途径，与该途径所涉及的酶具有更好的相关性，因为该途径更加精细。结果表明，绝大多数酶显示出一致的模式，但它们的代谢物却没有，它们的波动也超过酶水平，例如在 TCA 循环中持续下调的酶显示出可变的代谢物模式（图 4A-B），一些代谢物如柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、富马酸和苹果酸在 G0-G1 转变期间上调。总而言之，在TCA、糖酵解、脂质代谢等途径中，代谢酶的表达与相关代谢物的表达并不是很一致。一些代谢物，例如核苷酸代谢途径，与该途径所涉及的酶具有更好的相关性，因为该途径更加精细。结果表明，绝大多数酶显示出一致的模式，但它们的代谢物却没有，它们的波动也超过酶水平，例如在 TCA 循环中持续下调的酶显示出可变的代谢物模式（图 4A-B），一些代谢物如柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、富马酸和苹果酸在 G0-G1 转变期间上调。总而言之，在TCA、糖酵解、脂质代谢等途径中，代谢酶的表达与相关代谢物的表达并不是很一致。一些代谢物，例如核苷酸代谢途径，与该途径所涉及的酶具有更好的相关性，因为该途径更加精细。其波动也超过酶水平，例如在 TCA 循环中持续下调的酶显示出可变的代谢物模式（图 4A-B），一些代谢物如柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、富马酸和苹果酸被上调在 G0-G1 过渡期间。总而言之，在TCA、糖酵解、脂质代谢等途径中，代谢酶的表达与相关代谢物的表达并不是很一致。一些代谢物，例如核苷酸代谢途径，与该途径所涉及的酶具有更好的相关性，因为该途径更加精细。其波动也超过酶水平，例如在 TCA 循环中持续下调的酶显示出可变的代谢物模式（图 4A-B），一些代谢物如柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、富马酸和苹果酸被上调在 G0-G1 过渡期间。总而言之，在TCA、糖酵解、脂质代谢等途径中，代谢酶的表达与相关代谢物的表达并不是很一致。一些代谢物，例如核苷酸代谢途径，与该途径所涉及的酶具有更好的相关性，因为该途径更加精细。富马酸盐和苹果酸盐在 G0-G1 过渡期间上调。总而言之，在TCA、糖酵解、脂质代谢等途径中，代谢酶的表达与相关代谢物的表达并不是很一致。一些代谢物，例如核苷酸代谢途径，与该途径所涉及的酶具有更好的相关性，因为该途径更加精细。富马酸盐和苹果酸盐在 G0-G1 过渡期间上调。总而言之，在TCA、糖酵解、脂质代谢等途径中蛋白质组分析，代谢酶的表达与相关代谢物的表达并不是很一致。一些代谢物，例如核苷酸代谢途径，与该途径所涉及的酶具有更好的相关性，因为该途径更加精细。

为了解释酶和代谢物相对丰度的变化，作者首先获得了平均酶和代谢物时间曲线（图 5A），TCA 循环、糖酵解和脂质合成显示酶和相应代谢物水平相关性之间没有明显差异，而其他途径呈正相关或负相关。为了更好地量化这些关系，作者计算了酶丰度分布和代谢物丰度分布之间的绝对 Pearson 相关系数，以及它们在每个代谢途径中的平均值，然后对于每个途径，通过对酶和代谢物的随机样本进行统计显着性测试均值。酶和代谢物谱之间的相关性通常比偶然预期的要好（p 值），

作者继续研究一种途径中的酶谱与另一种途径中的代谢物谱之间的交叉相关性，以了解相互关系（图 5B）。作者发现TCA循环中的酶与尿素循环中的代谢物呈正相关，与糖酵解和TCA循环中的代谢物呈负相关；糖酵解和TCA循环中的代谢物与嘧啶/嘌呤合成途径中的酶呈正相关。与糖酵解途径本身相比，糖酵解途径中的酶与其他途径的相关性更高，这意味着糖酵解的代谢物是其他途径（例如氨基酸和核苷酸合成途径）的合成前体。因此，作者认为代谢物动力学显示出比酶动力学更复杂的模式。

图5 酶与代谢物的相关性分析

研究成果

正常增殖细胞与肿瘤细胞之间存在代谢和生理上的异同。一旦细胞进入细胞周期，细胞代谢就会被用来促进各种生物过程。为了将代谢与细胞周期联系起来，作者分析了非恶性鼠 pro-B 淋巴细胞谱系响应 IL-3 从静止到增殖的转变，并确定了正常增殖细胞和癌细胞共有的多个关键途径。在癌细胞中可以看到酶表达趋势和细胞增殖转变的许多代谢特征。这些发现可能会导致对癌症代谢治疗窗口的深入研究。

解析文献

Ho-Joon Lee、Mark P. Jedrychowski 等人。哺乳动物细胞从静止到增殖的转变的蛋白质组学和代谢组学特征。细胞报告 , 2017 , 20 (3) :721-736.

参考

1. Ting L、Rad R、Gygi SP、Haas W. MS3 消除了等压多重定量蛋白质组学中的比率失真。自然方法。2011；8:937–940.

2. Orr SJ、Boutz 博士等人。进入细胞周期期间人类 T 淋巴细胞的蛋白质组学和蛋白质相互作用网络分析。分子系统生物学。2012；8:573.

3. Singh SA、Winter D 等人。共调节蛋白质组学揭示了 APC/C 依赖性降解的底物和机制。EMBO 杂志。2014; 33:385–399.

4. Coloff JL、墨菲 JP 等。增殖和静止的乳腺上皮细胞中的差异谷氨酸代谢。细胞代谢物。2016; 23:867–880.