2018-04-23
后基因組時代，生命科學研究進入到系統、全面、動態的功能探索階段。多種高通量研究策略如基因組測序、轉錄組測序、蛋白質組定量檢測和代謝組分析也被組合應用到同一課題中。
正式開始之前，咱們先簡單粗暴的總結一下多組學研究的重要成員及其研究策略。
基因組學 (Genomics)：利用高通量測序獲取樣本中所有功能基因的序列和表達量信息。
轉錄組學 (Transcriptomics)：利用高通量測序全面快速地獲取某一物種特定器官或組織在某一狀態下幾乎所有轉錄本。轉錄組測序可以檢測到所有正在表達的基因的變化動態。
蛋白組學 (Proteomics)：利用HPLC-MSMS技術獲取某一時刻樣本內所有表達蛋白。蛋白組學是基因表達調控機理研究的一個重要工具。
代謝組學 (Metabolomics)：利用液質聯用/氣質聯用技術研究在某一時刻樣本內所有代謝物。代謝組學放大了基因和蛋白表達的微小變化, 反映了機體系統的生理和病理狀態。
一句話概括：
基因組學告訴你可能發生什么（what possibly happen），
轉錄組學告訴你正在發生什么（what probably happen），
蛋白組學告訴你已經發生什么（what actually happen），
而代謝組學則告訴你什么確實發生了（what happened）
總而言之，這些技術都想利用up-down的研究邏輯從全局找變量。但因為技術局限和檢測層面不同，各有優劣。舉個栗子，就是同一種臟器甚至樣品來源的蛋白組數據和轉錄組數據間定量對接也未必有理想的相關性。故而目前很多研究都開始使用交叉驗證方法。
圖：多組學研究整體框架及技術流程
轉錄組學作為一個“承上啟下”的重要研究手段，在多組學研究中不可或缺。今天我們就由淺入深，分享幾例轉錄組和其他組學聯合作戰的研究策略和研究成果。
案例1：
Transcriptomics+Metabolomics（大豆葉枯病的初級代謝應激調控機制探究）
An integrated RNAseq-1H NMR metabolomics approach to understand soybean primary metabolism regulation in response to Rhizoctonia foliar blight disease
BMC Plant Biology (2017)
IF=3.964 (2區)
| DOI 10.1186/s12870-017-1020-8
樣本來源：健康葉片（control）和Rhizoctonia（葉枯病致病菌）感染的大豆葉片（case）
分組策略：每組六個生物學重復，每個生物學重復由六株大豆的相似葉片混池得到
圖：Overview of analytical approaches for integration of soybean metabolites and transcripts.
圖：Metabolite and transcript pathway network analysis of soybean responses to R. solani.
結果展示：
Rhizoctonia感染會導致大豆葉枯病，為了探究其致病機理，對大豆葉片進行轉錄組測序和代謝產物鑒定，二者聯合分析發現Rhizoctonia感染后，氧化還原和ROS信號轉導通路中相關基因的表達都有顯著變化， 同時發現感染植株中乙醇脫氫酶表達受到抑制，導致葉片內乙醇累計，這可能是導致葉枯性狀的原因之一。基于差異轉錄本和差異代謝物，得到了Rhizoctonia感染后，大豆體內應激反應的代謝通路網絡。
案例2
Transcriptomics+Proteomics（幼生期和發育期小鼠的基因表達差異研究）
An integrated transcriptomics-guided genomewide promoter analysis and next-generation proteomics approach to mine factor(s) regulating cellular differentiation
DNA Research （2017）
IF=5.404 (2區)
| DOI 10.1093/dnares/dsw057
樣本來源：培養5d和12d的雄性小鼠的Sertoli細胞（Sc,睪丸支持細胞）
圖：Transcriptomic analysis and TFBS analysis
圖：Heat maps depicting comprehensive proteome quantification profile comparison of nuclear and cytoplasmic extracts of infant (5 days old) and pubertal (12 days old) Sc.
結果展示：
利用轉錄組測序和蛋白質組定量檢驗，發現不同于發育期小鼠，幼生期小鼠由于細胞分化的不成熟導致無法支撐精子的形成。轉錄組測序分析在幼生期小鼠和發育期小鼠Sc中分別捕獲到14和19個特異的轉錄因子結合位點；對細胞核和細胞質的蛋白進行差異分析，在幼生期小鼠和發育期小鼠Sc中分別檢測到1670和890個差異蛋白。蛋白組學和轉錄組組學聯合分析發現，YY1可以與小鼠發育期高表達的多個基因的啟動子區發生結合來調控其表達，這一現象表明YY1可能是調節小鼠Sc細胞分化的重要因子。
案例3
Transcriptomics+DNA-seq+Proteomics（乳腺癌異種移植的治療靶點挖掘）
Proteogenomic integration reveals therapeutic targets in breast cancer xenografts
NATURE COMMUNICATIONS (2017)
IF=12.124 (1區)
| DOI 10.1038/ncomms14864
樣本來源：24例乳腺癌病人異種移植的免疫缺陷型小鼠模型
圖：Correlation between mRNA and iTRAQ protein expression levels identified pathways with significantly concordant or discordant mRNA-protein expressions.
圖：Proteogenomic summary of xenograft shows relationships among mutation, CNV (normalized log-R ratio), mRNA (log-transformed and normalized RSEM values), proteomic (normalized log2 ratio to reference), and phosphoproteomic expression (normalized log2 ratio to reference) levels of breast cancer-related genes in 24 PDX samples across 4 intrinsic subtypes.
圖：Transcriptomic and proteomic clustering of breast cancer PDX and human samples.
結果展示：
首先采用定量蛋白組學手段檢測24例乳腺癌病人異種移植的免疫缺陷型小鼠中蛋白表達水平，同時得到了與此正相關的轉錄組測序結果。通過進一步的蛋白基因組學1分析，又檢測到多個酪氨酸激酶受體的靶基因，其中發現了多個在基因層面并未能檢測到的蛋白的磷酸化過程，這說明基于質譜技術的蛋白組學可以提供更多關于藥物靶點的準確信息。
名詞解釋：
1.Proteogenomics，蛋白基因組學，是基于高精度的串聯質譜數據對基因組進行注釋,不僅能在蛋白質水平上驗證基因表達和模式，還能提供蛋白質組層面特有的信息，如翻譯后修飾、信號肽等,目前已成為功能基因組學研究不可或缺的重要工具。
