2024-07-23
決(jue)定任何(he)一(yi)個生命現(xian)象背后的(de)(de)分(fen)子(zi)調控(kong)網絡都具(ju)有(you)相(xiang)(xiang)當程度的(de)(de)復(fu)雜性，因此，多組(zu)學(xue)聯合分(fen)析(xi)已經成為深入(ru)挖(wa)掘分(fen)子(zi)機理(li)和發高分(fen)文章(zhang)最有(you)效(xiao)的(de)(de)策(ce)略之一(yi)。其中，“轉(zhuan)錄(lu)組(zu)+代謝(xie)組(zu)”關聯分(fen)析(xi)在(zai)PubMed檢索(suo)中，發文量逐年持續(xu)增加，是多數實驗室(shi)首(shou)先的(de)(de)熱門(men)研究手段。不(bu)同的(de)(de)組(zu)學(xue)搭(da)配往往會對(dui)不(bu)同的(de)(de)生命現(xian)象的(de)(de)有(you)著不(bu)同維度的(de)(de)認(ren)知，而轉(zhuan)錄(lu)組(zu)可以(yi)(yi)反(fan)(fan)應基因的(de)(de)表(biao)(biao)達(da)情(qing)況(kuang)；代謝(xie)組(zu)則反(fan)(fan)映出基因功能的(de)(de)一(yi)種最終體現(xian)，因為相(xiang)(xiang)較(jiao)于轉(zhuan)錄(lu)組(zu)與(yu)蛋白組(zu)，代謝(xie)組(zu)則與(yu)表(biao)(biao)型(xing)直(zhi)(zhi)接相(xiang)(xiang)關，甚至可以(yi)(yi)直(zhi)(zhi)接作為表(biao)(biao)型(xing)的(de)(de)直(zhi)(zhi)接表(biao)(biao)征。在(zai)此，小(xiao)編通過(guo)總結派森諾生物的(de)(de)案(an)(an)例(li)文章(zhang)，對(dui)典型(xing)組(zu)合“轉(zhuan)錄(lu)+代謝(xie)”以(yi)(yi)及進(jin)階組(zu)合“轉(zhuan)錄(lu)+代謝(xie)+其他組(zu)學(xue)”的(de)(de)實驗方案(an)(an)設(she)計以(yi)(yi)及寫作思路向讀(du)者進(jin)行闡(chan)述。
案(an)例I
植物的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)生(sheng)(sheng)面臨著各種的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物脅(xie)迫(po)（病蟲害等）和非生(sheng)(sheng)物脅(xie)迫(po)（干旱，洪(hong)澇，營養(yang)匱乏，土地鹽(yan)堿(jian)化，重(zhong)金屬(shu)等）對其(qi)生(sheng)(sheng)存造(zao)成嚴重(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)威脅(xie)。然而，植物在(zai)長期的(de)(de)(de)(de)(de)進化歷程中，已經進化出相應(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)脅(xie)迫(po)響應(ying)(ying)(ying)與應(ying)(ying)(ying)對機制來減緩以(yi)上脅(xie)迫(po)的(de)(de)(de)(de)(de)危害。對于(yu)植物在(zai)應(ying)(ying)(ying)對脅(xie)迫(po)時的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵信號(hao)通路，參與脅(xie)迫(po)應(ying)(ying)(ying)答的(de)(de)(de)(de)(de)標記物以(yi)及關鍵的(de)(de)(de)(de)(de)代謝(xie)通路的(de)(de)(de)(de)(de)解析，是認知植物脅(xie)迫(po)響應(ying)(ying)(ying)分子(zi)調控網絡(luo)的(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)中之(zhi)重(zhong)。下面通過對派(pai)森諾(nuo)生(sheng)(sheng)物與石河子(zi)大(da)學攜(xie)手合作的(de)(de)(de)(de)(de)項(xiang)目文章，進一(yi)(yi)步闡明“轉錄(lu)+代謝(xie)”在(zai)棉花(hua)鎘脅(xie)迫(po)的(de)(de)(de)(de)(de)響應(ying)(ying)(ying)以(yi)及自主研發(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)水溶性聚合物改良劑(PA)對于(yu)棉花(hua)鎘脅(xie)迫(po)的(de)(de)(de)(de)(de)緩解作用(yong)方面的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)用(yong)思路。 該(gai)(gai)項目共有三個處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)組別(bie)：對CK對照(不(bu)添加Cd且不(bu)對土壤(rang)進(jin)行改善)、Cd處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(添加40 mg·kg-1的(de)(de)(de)(de)Cd)和Pol處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(添加40 mg·kg-1的(de)(de)(de)(de)Cd和7.54 mg·kg-1的(de)(de)(de)(de)PA)；分貝取這(zhe)三個處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)組別(bie)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)棉花的(de)(de)(de)(de)功能(neng)葉進(jin)行轉錄組以(yi)及(ji)非靶向代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)組的(de)(de)(de)(de)檢測；超高效液相色譜-質譜(LC/MS)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)組學分析共檢測到(dao)536個代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)物(wu)。使用Illumina測序平臺的(de)(de)(de)(de)RNA-seq每(mei)個樣本(ben)產生了約43-49百萬(wan)條(tiao)原始reads。隨后，分別(bie)針對CK_vs_Cd，CK_vs_Pol，Cd_vs_Pol比較組，計算所得三個差顯(xian)(xian)(xian)(xian)基因集(ji)與差顯(xian)(xian)(xian)(xian)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)物(wu)集(ji)；進(jin)而根(gen)據差顯(xian)(xian)(xian)(xian)基因所在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)通路以(yi)及(ji)差顯(xian)(xian)(xian)(xian)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)物(wu)的(de)(de)(de)(de)種類與所在(zai)(zai)通路，如下圖1與圖2所示：參與脂質代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)以(yi)及(ji)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)物(wu)的(de)(de)(de)(de)表達(da)量(liang)能(neng)夠顯(xian)(xian)(xian)(xian)著(zhu)受到(dao)Cd處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)抑(yi)制；但(dan)是該(gai)(gai)抑(yi)制趨(qu)勢(shi)經(jing)Pol處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)后受到(dao)顯(xian)(xian)(xian)(xian)著(zhu)地(di)緩(huan)解；相反，參與碳水化合物(wu)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)的(de)(de)(de)(de)基因和代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)物(wu)的(de)(de)(de)(de)表達(da)量(liang)在(zai)(zai)Cd處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)后受到(dao)顯(xian)(xian)(xian)(xian)著(zhu)地(di)誘導，但(dan)在(zai)(zai)Pol處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)后其(qi)誘導趨(qu)勢(shi)受到(dao)了顯(xian)(xian)(xian)(xian)著(zhu)地(di)抑(yi)制。 以上分析，不僅解析了(le)棉(mian)花(hua)功能葉由Cd所(suo)介(jie)導(dao)的(de)(de)轉錄(lu)與(yu)代(dai)謝重編(bian)程(cheng)(cheng)(cheng)過程(cheng)(cheng)(cheng)，同(tong)時(shi)進(jin)一步確定(ding)了(le)由Pol介(jie)導(dao)的(de)(de)緩解Cd脅迫所(suo)介(jie)導(dao)的(de)(de)轉錄(lu)與(yu)代(dai)謝重編(bian)程(cheng)(cheng)(cheng)過程(cheng)(cheng)(cheng)，這給后續(xu)系統解析其中的(de)(de)調控機理與(yu)分子機制(zhi)提供了(le)重要的(de)(de)證據。 圖1. 棉(mian)花葉片(pian)脂質代(dai)謝通路分析 圖2. 棉花葉(xie)片碳水化合物代謝通(tong)路分(fen)析(xi)
案例II
胰腺癌癥(zheng)（Pancreatic Cancer）是消(xiao)化道(dao)常見惡性腫瘤(liu)之一。由于對胰腺癌的(de)(de)早期癥(zheng)狀(zhuang)和發(fa)病機(ji)制的(de)(de)認(ren)知有(you)(you)限，因此急需通(tong)過以多組學(xue)為核心(xin)的(de)(de)系統生物(wu)學(xue)手段對現有(you)(you)藥物(wu)和新藥物(wu)的(de)(de)有(you)(you)效治療靶點(dian)進行系統地解(jie)析。下(xia)面以上海交通(tong)大學(xue)與派(pai)森(sen)諾生物(wu)的(de)(de)項目文章為例，概括性地闡明(ming)進階(jie)組合“轉錄+代謝+蛋(dan)白(bai)組”在對吉西他濱的(de)(de)新靶點(dian)的(de)(de)發(fa)掘以及(ji)相應(ying)作用分子機(ji)理的(de)(de)解(jie)析中的(de)(de)重要作用。 該項目分(fen)別對(dui)(dui)(dui)(dui)胰(yi)腺癌小鼠的(de)(de)(de)對(dui)(dui)(dui)(dui)照組(zu)(zu)(zu)(zu)和吉西他濱治療(liao)(liao)(liao)組(zu)(zu)(zu)(zu)進行了(le)(le)轉錄組(zu)(zu)(zu)(zu)，蛋(dan)(dan)白組(zu)(zu)(zu)(zu)與代(dai)(dai)謝(xie)組(zu)(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)檢(jian)測，通過對(dui)(dui)(dui)(dui)對(dui)(dui)(dui)(dui)照組(zu)(zu)(zu)(zu)與治療(liao)(liao)(liao)組(zu)(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)轉錄組(zu)(zu)(zu)(zu)和蛋(dan)(dan)白組(zu)(zu)(zu)(zu)進行了(le)(le)差顯分(fen)析，鑒定(ding)出共(gong)有的(de)(de)(de)差顯基(ji)因(yin)集/蛋(dan)(dan)白集；隨(sui)后針對(dui)(dui)(dui)(dui)代(dai)(dai)謝(xie)組(zu)(zu)(zu)(zu)進行對(dui)(dui)(dui)(dui)照組(zu)(zu)(zu)(zu)與治療(liao)(liao)(liao)組(zu)(zu)(zu)(zu)之間的(de)(de)(de)差顯代(dai)(dai)謝(xie)物(wu)和相應的(de)(de)(de)代(dai)(dai)謝(xie)通路進行鑒定(ding)；最(zui)后，針對(dui)(dui)(dui)(dui)以上的(de)(de)(de)差顯基(ji)因(yin)，差顯蛋(dan)(dan)白和差顯代(dai)(dai)謝(xie)物(wu)聯合分(fen)析中所富(fu)集到的(de)(de)(de)共(gong)同(tong)通路來進一步篩選到功能代(dai)(dai)謝(xie)物(wu)以及其抑制PC腫瘤的(de)(de)(de)機(ji)理和功能基(ji)因(yin)/蛋(dan)(dan)白。具體來說，在對(dui)(dui)(dui)(dui)對(dui)(dui)(dui)(dui)照組(zu)(zu)(zu)(zu)與治療(liao)(liao)(liao)組(zu)(zu)(zu)(zu)之間的(de)(de)(de)代(dai)(dai)謝(xie)組(zu)(zu)(zu)(zu)進行差顯分(fen)析后，共(gong)鑒定(ding)到154種(zhong)代(dai)(dai)謝(xie)物(wu)發生(sheng)了(le)(le)顯著變化，其中嘌呤代(dai)(dai)謝(xie)相關的(de)(de)(de)AMP、cAMP、腺苷琥(hu)珀酸(suan)、腺苷和GMP明顯增加（圖3C與3D）。因(yin)此，作(zuo)者推(tui)測嘌呤代(dai)(dai)謝(xie)的(de)(de)(de)核心分(fen)子AMP很可能為吉西他濱治療(liao)(liao)(liao)中的(de)(de)(de)新的(de)(de)(de)藥物(wu)靶點。 圖3. 靶向(xiang)代謝(xie)組學確(que)定了對吉(ji)西他濱治療(liao)有反應(ying)并(bing)受(shou)影響最大的功能代謝(xie)物 隨后，通(tong)過(guo)對對照組(zu)與(yu)治(zhi)療組(zu)比較所(suo)得的(de)(de)(de)差顯蛋白(bai)集進行KEGG富集分(fen)析，發現吉(ji)(ji)西(xi)他(ta)濱給藥組(zu)中(zhong)許多與(yu)AMP生物合成和轉(zhuan)化(hua)相(xiang)關的(de)(de)(de)酶表達水平顯著上調，這位AMP作(zuo)為(wei)吉(ji)(ji)西(xi)他(ta)濱作(zuo)為(wei)新(xin)(xin)靶點提(ti)供了(le)進一步(bu)的(de)(de)(de)證據(ju)(ju)。進而(er)(er)，針對吉(ji)(ji)西(xi)他(ta)濱治(zhi)療期間胰(yi)腺癌(ai)通(tong)路(lu)中(zhong)差顯基因(yin)進行表達分(fen)析，鎖(suo)定了(le)5個與(yu)胰(yi)腺癌(ai)相(xiang)關的(de)(de)(de)基因(yin)，并進一步(bu)確(que)定GADD45A的(de)(de)(de)表達與(yu)AMP和cAMP均呈現出正相(xiang)關性。這給作(zuo)者推測吉(ji)(ji)西(xi)他(ta)濱候選(xuan)的(de)(de)(de)新(xin)(xin)靶點提(ti)功(gong)了(le)較為(wei)有效的(de)(de)(de)證據(ju)(ju)。綜上所(suo)述，進階(jie)組(zu)合“轉(zhuan)錄+代謝(xie)+蛋白(bai)組(zu)”不(bu)僅幫助作(zuo)者鎖(suo)定了(le)吉(ji)(ji)西(xi)他(ta)濱治(zhi)療胰(yi)腺癌(ai)的(de)(de)(de)AMP-cAMP軸，為(wei)解析其中(zhong)的(de)(de)(de)信號傳導(dao)和分(fen)子機(ji)理提(ti)供了(le)關鍵(jian)證據(ju)(ju)，而(er)(er)且通(tong)過(guo)鑒定表達趨勢與(yu)AMP-cAMP軸顯著關聯的(de)(de)(de)候選(xuan)基因(yin)為(wei)藥物的(de)(de)(de)新(xin)(xin)靶點提(ti)供了(le)關鍵(jian)思路(lu)。
通過兩(liang)個本(ben)公司的案例分析，希望能(neng)夠幫助讀者更好地理解(jie)“轉錄+代謝”這(zhe)個發文神器(qi)的實(shi)驗設計，數據(ju)解(jie)讀以及寫作思路。
