2018-08-24
近期，有(you)研究人(ren)員在Chem Soc Rev（IF=40.182）雜(za)志上發表(biao)了題(ti)為“An integrative omics perspective for the analysis of chemical signals in ecological interactions”的(de)多(duo)組學研究綜述文(wen)章。文(wen)章作者利用已發表(biao)的(de)各類高通(tong)量數據，通(tong)過有(you)計劃的(de)分(fen)析策略，繼續深入挖掘生物圈的(de)信(xin)號轉導機(ji)制。
有(you)句話(hua)叫見微知著，今(jin)天小(xiao)編(bian)反其(qi)道而行，借此東風，帶(dai)大家從宏觀生物圈的生態調節著眼，研究一(yi)下(xia)多組學(xue)手段在(zai)信(xin)號轉(zhuan)導機制研究中的應用套路。
Fig. 1 Organism interactions in a hypothetical terrestrial environment
提起生(sheng)(sheng)物(wu)界(jie)的(de)(de)信號傳遞機制，耳熟能詳的(de)(de)應用(yong)就(jiu)是(shi)(shi)關于田(tian)間(jian)蟲害的(de)(de)性激(ji)素(su)(su)誘捕，這種學(xue)名叫做蠶蛾性誘醇（bombykol）的(de)(de)性激(ji)素(su)(su)早在1959年(nian)就(jiu)利用(yong)GC-MS質譜檢測和(he)NMR核(he)磁共振聯用(yong)鑒(jian)定得(de)到(dao)了，這也(ye)是(shi)(shi)第一個(ge)被(bei)發(fa)現的(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)信息(xi)素(su)(su)，甚至由(you)此開創(chuang)了生(sheng)(sheng)物(wu)科學(xue)界(jie)一項新(xin)的(de)(de)研(yan)究領域(yu)-生(sheng)(sheng)物(wu)界(jie)的(de)(de)化學(xue)信號轉導(dao)研(yan)究。
Fig. 2 Timeline of technological and conceptual developments that have largely contributed to the study of chemical signals
由(you)于化(hua)(hua)學信號分(fen)子的種(zhong)類繁多，諸(zhu)如水溶性(xing)(xing)小分(fen)子化(hua)(hua)合(he)物、揮發性(xing)(xing)有機物、蛋白質甚(shen)至(zhi)糖類衍生物等等，單一的檢(jian)測手段很難實現理想的研(yan)究效果。
伴隨著高通量測(ce)序(xu)平臺(tai)、質譜(pu)檢測(ce)平臺(tai)以及生物(wu)信息學(xue)(xue)技術(shu)(shu)的(de)不斷發(fa)展和完善(shan)，為不同層面的(de)信息挖掘(jue)提供了強大的(de)技術(shu)(shu)支撐，相對(dui)應(ying)的(de)轉錄組學(xue)(xue)、蛋(dan)白質組學(xue)(xue)、代謝組學(xue)(xue)也為機(ji)體對(dui)化(hua)學(xue)(xue)信號分子的(de)應(ying)答機(ji)制研究(jiu)提供了新(xin)的(de)研究(jiu)視(shi)角(jiao)。具體應(ying)用思路可參見圖3。
Fig. 3 信號轉導(dao)機制研究中的多組學工(gong)具應用概述
依托以上研究策略，下面我們選取9個研究案例，分類拆解一下信號轉導機制研究中轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學的具體實驗設計和數據分析方法。
Part1 Transcriptomics（轉錄(lu)組學應用案例）?
Fig. 4 Overview of a typical RNA-seq experiment
案例T1：選取同屬(shu)不同種(zhong)地(di)中海蚯蚓(Hormogaster samnitica和(he)H. elisae)，通過比較轉(zhuan)錄組檢測多(duo)肽類性信(xin)息素合(he)成基因(yin)的表達模式，來研究(jiu)其(qi)信(xin)息素的進化(hua)和(he)生殖基因(yin)的種(zhong)間差(cha)異。
案例T2：選取粗角猛蟻 (Cerapachys biroi) 以(yi)及其他7種膜翅目昆蟲(chong)，利用轉錄(lu)組技術檢測與氣味結(jie)合和化學(xue)感(gan)應相關功能基因在不同組織(zhi)部位的表達情(qing)況，結(jie)合系統(tong)發育樹分析，進行(xing)蟻類(lei)群居時信息(xi)傳遞方(fang)式的研究。
案例T3：選取長足胡(hu)蜂(Polistes metricus)、西方(fang)蜜(mi)蜂(Apis mellifera)、紅(hong)火蟻(Solenopsis invicta)，進(jin)行(xing)比(bi)較轉錄組分析，結(jie)果發現同一(yi)個群落中的物種(zhong)(zhong)，其種(zhong)(zhong)姓表型進(jin)化現象不單單取決于(yu)物種(zhong)(zhong)基因(yin)組上某些關鍵基因(yin)，而是(shi)存在(zai)一(yi)種(zhong)(zhong)協同進(jin)化現象。
Part2 Proteomics（蛋白質組學應用案例）
Fig. 5 Overview of a common proteomic workflow used for protein identification
案例P1：選取3類同屬不同種的雌性果蠅(Dorsophila)，進行(xing)(xing)精子(zi)液體(ti)蛋(dan)(dan)白(bai)SFPs誘導后(hou)，分別進行(xing)(xing)iTRAQ同位素標記(ji)蛋(dan)(dan)白(bai)實驗(yan)，探究果蠅交配(pei)過(guo)程中SFPs蛋(dan)(dan)白(bai)的級聯調控機(ji)制。
案例P2：選取(qu)中國(guo)(guo)林(lin)蛙(wa)(Rana Temporaria)和格子束(shu)帶蛇(she)(Thamnophis marcianus)，基于二(er)者的(de)行(xing)為學研(yan)究，通過蛋白質學檢測發(fa)(fa)現中國(guo)(guo)林(lin)蛙(wa)分泌的(de)的(de)α和β清蛋白會刺激格子束(shu)帶蛇(she)的(de)梨鼻(bi)骨配體并引發(fa)(fa)其(qi)捕食(shi)行(xing)為。
案例P3：選取受驚后小鼠(Mus musculus)尿液樣本，檢測其中α-2U-球蛋白(bai)(bai)（又稱(cheng)尿蛋白(bai)(bai)）表達情(qing)況，結果表明(ming)受驚后的小鼠尿液中的α-2U-球蛋白(bai)(bai)含量顯著(zhu)上(shang)調，表明(ming)α-2U-球蛋白(bai)(bai)可以作為小鼠情(qing)緒檢測的一(yi)個重要指標(biao)。
Part3 Metabolomics（代謝組學應用案例(li)）
Fig. 6 Overview of a generalized metabolomic protocol.
案例(li)M1：選取甘藍(lan)菜粉蝶(Pieris brassicae)、甘藍(lan)夜(ye)蛾赤眼蜂(Trichogramma brassicae)、盤絨繭蜂（又名(ming)寄生(sheng)蜂）(Cotesia glomerata )三種食草性昆(kun)蟲(chong)分(fen)別脅迫(po)(po)黑(hei)芥菜(Brassica nigra)，通過GC-MS質(zhi)(zhi)譜平臺對蟲(chong)害(hai)脅迫(po)(po)后(hou)黑(hei)芥菜內植物激素(su)進行靶向檢測，結果(guo)發現昆(kun)蟲(chong)在黑(hei)芥表面產卵后(hou)，均會(hui)刺激其產生(sheng)一種揮發性物質(zhi)(zhi)，會(hui)擾亂昆(kun)蟲(chong)的后(hou)續捕食行為。
案例(li)M2：選(xuan)取紫柳(liu)珊瑚(hu)(Muriceopsis) 和解淀粉芽孢桿菌(jun)(jun)(Bacillus amyloliquefaciens)，二者為寄生關系，將共(gong)培養的對照組和阻斷化學信號傳導的處理組分(fen)別(bie)進行代謝組學檢測(ce)，通(tong)過差異(yi)比較找到一種代謝產物Iturins可(ke)以保護宿主珊瑚(hu)免于其他真菌(jun)(jun)的侵染，而阻斷后的共(gong)培養珊瑚(hu)仍舊會被其他真菌(jun)(jun)侵染。
案例M3：染斑(ban)海鹿(Aplysia juliana)和石莼(chun)(Ulva sp.)存在共(gong)生現(xian)象，通過核磁共(gong)振技術，檢測(ce)到染斑(ban)海鹿可以吸收藻類植(zhi)物(wu)產生的一些(xie)代謝產物(wu)，一旦遭受外(wai)界侵害信號，就(jiu)釋放這些(xie)物(wu)質(zhi)來進行(xing)偽(wei)裝(zhuang)，以達到自衛的目的。
Part4 Integrating information（關聯分析示(shi)例）
Fig. 7 A hypothetical intraspecific interactionmediated for chemical signals in a wasp species.
Fig. 8 Multimodal signaling in the fluorescent frog Boana punctata.
最(zui)后還是(shi)得提醒一下(xia)大家，多組學(xue)工具(ju)確實十(shi)分好用(yong)，在基因層面和(he)代謝物層面也不可或缺，但是(shi)高通(tong)量手(shou)段主要還是(shi)一個研究工具(ju)，這個工具(ju)的(de)合(he)理使(shi)用(yong)前(qian)期(qi)需要生理生化指標(biao)做方(fang)向指導(dao)，后期(qi)還要配合(he)靶向性的(de)表型驗證(zheng)，才能言之有物的(de)做出科研論證(zheng)。
科研的(de)價值和樂(le)趣，在于實驗設計的(de)創新和實驗數(shu)據的(de)有效挖(wa)掘(jue)。
希望還堅持在科研領域上的小伙伴們，在這條道路上越走越穩。
An integrative omics perspective for the analysis of chemical signals in ecological interactions.Chem. Soc. Rev., 2018,47, 1574（DOI: 10.1039/c7cs00368d）
名詞解釋
信(xin)號(hao)(hao)(hao)轉(zhuan)導：是指(zhi)一種細(xi)(xi)胞功能，膜上的鑲嵌蛋白(bai)除(chu)了能控制(zhi)細(xi)(xi)胞內(nei)外(wai)物質的交換外(wai)，有此受體蛋具(ju)有信(xin)號(hao)(hao)(hao)轉(zhuan)導的功能，即可將細(xi)(xi)胞外(wai)環境(jing)中(zhong)化學信(xin)號(hao)(hao)(hao)傳遞(di)到細(xi)(xi)胞內(nei)，導致細(xi)(xi)胞內(nei)發生(sheng)一系列(lie)生(sheng)理生(sheng)化反應，來(lai)調節(jie)細(xi)(xi)胞的發育，控制(zhi)生(sheng)長和分裂等(deng)。
