Nature子刊!蛋白质组学技术揭示唐氏综合症的发病机制

Systematic proteome and proteostasis profiling in human Trisomy 21 fibroblast cells

人21-三体综合征成纤维细胞中的系统蛋白质组和蛋白质稳定分析

IF：12.353

期刊：NC

技术：SWATH、转录组

研究背景

唐氏综合症（DS）是由21号染色体的三体性（T21）引起的出生性缺陷病之一。DS表型表现包括智力残疾、先天性心脏缺陷和阿尔茨海默病的高发生率等，而且患者的个体差异极大。目前对于DS尚无有效的治疗药物，因此揭示DS的发病机制和分子过程，对其临床治疗至关重要。

研究结果

1.T21蛋白质组学检测

为了准确量化DS中蛋白质组学的变化情况，作者选择了年龄、性别等条件相当的11例DS患者和11例正常个体的胎儿皮肤原代成纤维细胞，进行SW ATH相对定量蛋白质组学分析（图1）。与此同时，作者也选择了一对双胞胎个体（同卵双生，即T2N和T1DS）的成纤维细胞同样进行转录组学数据分析（图2和图3）。本次共鉴定到4056种蛋白质，此外在T2N和T1DS样本中加入20种“锚定蛋白”的重稳定同位素标记的多肽标准品，用于估算已鉴定的蛋白质的绝对丰度。

图1 T21成纤维细胞的蛋白质组学分析

图2 同卵双胞胎（T2D，T1DS）个体成纤维细胞蛋白质组学分析

2.T21蛋白质组被广泛地重塑

为了评估T21在转录和蛋白水平上基因表达的整体影响，作者将转录组与蛋白质浓度关联起来，发现所有生物样本之间存在中度相关性（ρ = 0.339 ~ 0.508）。鉴于稳态丰度值和计算来源于相同的数据集，则整体的相关性表明存在着广泛的翻译后调控模式影响mRNA 和蛋白质的表达水平（图3）。为了进一步研究T21中重要转录事件的蛋白质组学影响，作者将蛋白质数据与Sullivan等人描述的成纤维细胞中T21的转录特征重叠，同时分析淋巴母细胞、单核细胞和T细胞等其他细胞类型的DS / N转录组数据，，结果发现成纤维细胞中显著调节的转录物在不同细胞类型之间基本上是保守的，并且显著地影响相应的69个蛋白质水平（约有40%蛋白质是在Chr21上编码，图3c）。此外，比较不同细胞类型的整个转录组和蛋白质组之间的相关性值R，数据表明nonChr21基因的转录反应导致了普遍的低转录物-蛋白质相关性，这对于理解在不同细胞类型中出现的整体T21表型是很重要的。

图3 转录组和蛋白质组关联分析

3.T21中的基因表达和蛋白质降解模式

作者关注Chr21基因的整体表达，因为它们可能导致DS表型的发展。在组学数据中，SWATH-MS和二甲基化鸟枪蛋白质组学分别检测到42种和56种Chr21蛋白，占Chr21蛋白编码基因量的18.7-24.9%；另外，在T212中有18个mRNAs和9个蛋白的变化倍数大于1.4，其中在转录和蛋白水平上失调的四种基因（GART，CCT8，HLCS和HMGN1）对Chr21剂量敏感（图4b），且发现HMGN1的上调可能会增加染色质可及性并引起转录失调（图5）。

另一方面，在T21中SOD1，PFKL和CSTB蛋白浓度显著增加，但相应的转录物基本没有发生实质性变化，数据表明这些蛋白是在转录后发生显著上调。与此同时，作者也观察到蛋白表达缓冲现象，正如在T1DS / T2N中U2AF1、COL6A1和COL6A2的mRNAs表达水平有实质性上调而蛋白质水平缓冲后接近于不变。由此推测出蛋白质水平的缓冲最有可能是适应蛋白质周转而不是降低蛋白质合成速率，总的来说，作者发现了T21中Chr21上复杂且不同的基因表达、调节模式。

图4 Chr21 基因表达分析

4.细胞器特异性蛋白表达对T21的影响

为了揭示T21对细胞功能的蛋白质组学影响，作者对Chr21编码的蛋白质（最高5％和最低5％T1DS / T2N FC）进行蛋白调控网络分析，这些蛋白显著富集的通路包括糖酵解、整合素细胞表面互作、戊糖磷酸途径等（图5）。在对正常个体蛋白进行富集分析时，观察到强烈重叠的富集通路。这表明T21会影响常见的细胞功能。

为了将T21扰动通路的分析扩展到转录和蛋白质降解水平，作者随后又进行了GSEA 分析。蛋白质、mRNA和蛋白质降解层之间的交叉过程，表明在所有的三个层次中都显著地发生改变，包括细胞周期相关功能、细胞形态发生、脂蛋白代谢和线粒体细胞呼吸等（图6）。

关于T21中细胞器特异性基因表达控制分析，作者首先发现蛋白质在大多数细胞器中合成后，其降解通常会微调蛋白质水平；其次，在线粒体、过氧化物酶体和溶酶体中，蛋白质降解显著地抑制转录来以调节蛋白质表达水平；第三，T21对核仁基因表达的影响有限；第四，尽管核糖体相关的转录物受到抑制并且核糖体蛋白质降解加速，但细胞质核糖体蛋白在T21细胞中明显上调，强烈表明核糖体相关基因的翻译率大幅增加。总而言之，作者在多层数据基本上解剖了在T21非整倍体应激下每个细胞器的基因调控。

图5 T21影响的蛋白调控网络分析

图6 T21影响的基因GSEA分析

研究结论

在本研究中，作者使用SW ATH质谱法来量化T21对DS中基本细胞过程的影响，并分析11例DS和11例正常人的蛋白质表达情况，发现了广泛的细胞器的特异性转录后效应。总的来说，作者提供了一份有价值的蛋白质组学资源去了解DS表型表现的起源，有利于后续深入开展人类遗传疾病的研究。