2024-07-23
決定任何一個生命現象背后的分子調控網絡都具有相當程度的復雜性，因此，多組學聯合分析已經成為深入挖掘分子機理和發高分文章最有效的策略之一。其中，“轉錄組+代謝組”關聯分析在PubMed檢索中，發文量逐年持續增加，是多數實驗室首先的熱門研究手段。不同的組學搭配往往會對不同的生命現象的有著不同維度的認知，而轉錄組可以反應基因的表達情況；代謝組則反映出基因功能的一種最終體現，因為相較于轉錄組與蛋白組，代謝組則與表型直接相關，甚至可以直接作為表型的直接表征。在此，小編通過總結派森諾生物的案例文章，對典型組合“轉錄+代謝”以及進階組合“轉錄+代謝+其他組學”的實驗方案設計以及寫作思路向讀者進行闡述。
案例I
植物的一生面臨著各種的生物脅迫（病蟲害等）和非生物脅迫（干旱，洪澇，營養匱乏，土地鹽堿化，重金屬等）對其生存造成嚴重的威脅。然而，植物在長期的進化歷程中，已經進化出相應的脅迫響應與應對機制來減緩以上脅迫的危害。對于植物在應對脅迫時的關鍵信號通路，參與脅迫應答的標記物以及關鍵的代謝通路的解析，是認知植物脅迫響應分子調控網絡的重中之重。下面通過對派森諾生物與石河子大學攜手合作的項目文章，進一步闡明“轉錄+代謝”在棉花鎘脅迫的響應以及自主研發的水溶性聚合物改良劑(PA)對于棉花鎘脅迫的緩解作用方面的應用思路。 該項目共有三個處理組別：對CK對照(不添加Cd且不對土壤進行改善)、Cd處理(添加40 mg·kg-1的Cd)和Pol處理(添加40 mg·kg-1的Cd和7.54 mg·kg-1的PA)；分貝取這三個處理組別中的棉花的功能葉進行轉錄組以及非靶向代謝組的檢測；超高效液相色譜-質譜(LC/MS)代謝組學分析共檢測到536個代謝物。使用Illumina測序平臺的RNA-seq每個樣本產生了約43-49百萬條原始reads。隨后，分別針對CK_vs_Cd，CK_vs_Pol，Cd_vs_Pol比較組，計算所得三個差顯基因集與差顯代謝物集；進而根據差顯基因所在的代謝通路以及差顯代謝物的種類與所在通路，如下圖1與圖2所示：參與脂質代謝以及代謝物的表達量能夠顯著受到Cd處理的抑制；但是該抑制趨勢經Pol處理后受到顯著地緩解；相反，參與碳水化合物代謝的基因和代謝物的表達量在Cd處理后受到顯著地誘導，但在Pol處理后其誘導趨勢受到了顯著地抑制。 以上分析，不僅解析了棉花功能葉由Cd所介導的轉錄與代謝重編程過程，同時進一步確定了由Pol介導的緩解Cd脅迫所介導的轉錄與代謝重編程過程，這給后續系統解析其中的調控機理與分子機制提供了重要的證據。 圖1. 棉花葉片脂質代謝通路分析 圖2. 棉花葉片碳水化合物代謝通路分析
案例II
胰腺癌癥（Pancreatic Cancer）是消化道常見惡性腫瘤之一。由于對胰腺癌的早期癥狀和發病機制的認知有限，因此急需通過以多組學為核心的系統生物學手段對現有藥物和新藥物的有效治療靶點進行系統地解析。下面以上海交通大學與派森諾生物的項目文章為例，概括性地闡明進階組合“轉錄+代謝+蛋白組”在對吉西他濱的新靶點的發掘以及相應作用分子機理的解析中的重要作用。 該項目分別對胰腺癌小鼠的對照組和吉西他濱治療組進行了轉錄組，蛋白組與代謝組的檢測，通過對對照組與治療組的轉錄組和蛋白組進行了差顯分析，鑒定出共有的差顯基因集/蛋白集；隨后針對代謝組進行對照組與治療組之間的差顯代謝物和相應的代謝通路進行鑒定；最后，針對以上的差顯基因，差顯蛋白和差顯代謝物聯合分析中所富集到的共同通路來進一步篩選到功能代謝物以及其抑制PC腫瘤的機理和功能基因/蛋白。具體來說，在對對照組與治療組之間的代謝組進行差顯分析后，共鑒定到154種代謝物發生了顯著變化，其中嘌呤代謝相關的AMP、cAMP、腺苷琥珀酸、腺苷和GMP明顯增加（圖3C與3D）。因此，作者推測嘌呤代謝的核心分子AMP很可能為吉西他濱治療中的新的藥物靶點。 圖3. 靶向代謝組學確定了對吉西他濱治療有反應并受影響最大的功能代謝物 隨后，通過對對照組與治療組比較所得的差顯蛋白集進行KEGG富集分析，發現吉西他濱給藥組中許多與AMP生物合成和轉化相關的酶表達水平顯著上調，這位AMP作為吉西他濱作為新靶點提供了進一步的證據。進而，針對吉西他濱治療期間胰腺癌通路中差顯基因進行表達分析，鎖定了5個與胰腺癌相關的基因，并進一步確定GADD45A的表達與AMP和cAMP均呈現出正相關性。這給作者推測吉西他濱候選的新靶點提功了較為有效的證據。綜上所述，進階組合“轉錄+代謝+蛋白組”不僅幫助作者鎖定了吉西他濱治療胰腺癌的AMP-cAMP軸，為解析其中的信號傳導和分子機理提供了關鍵證據，而且通過鑒定表達趨勢與AMP-cAMP軸顯著關聯的候選基因為藥物的新靶點提供了關鍵思路。
通過兩個本公司的案例分析，希望能夠幫助讀者更好地理解“轉錄+代謝”這個發文神器的實驗設計，數據解讀以及寫作思路。
