2018-08-24
近期，有研究人員在Chem Soc Rev（IF=40.182）雜志上發表了題為“An integrative omics perspective for the analysis of chemical signals in ecological interactions”的多組學研究綜述文章。文章作者利用已發表的各類高通量數據，通過有計劃的分析策略，繼續深入挖掘生物圈的信號轉導機制。
有句話叫見微知著，今天小編反其道而行，借此東風，帶大家從宏觀生物圈的生態調節著眼，研究一下多組學手段在信號轉導機制研究中的應用套路。
Fig. 1 Organism interactions in a hypothetical terrestrial environment
提起生物界的信號傳遞機制，耳熟能詳的應用就是關于田間蟲害的性激素誘捕，這種學名叫做蠶蛾性誘醇（bombykol）的性激素早在1959年就利用GC-MS質譜檢測和NMR核磁共振聯用鑒定得到了，這也是第一個被發現的生物信息素，甚至由此開創了生物科學界一項新的研究領域-生物界的化學信號轉導研究。
Fig. 2 Timeline of technological and conceptual developments that have largely contributed to the study of chemical signals
由于化學信號分子的種類繁多，諸如水溶性小分子化合物、揮發性有機物、蛋白質甚至糖類衍生物等等，單一的檢測手段很難實現理想的研究效果。
伴隨著高通量測序平臺、質譜檢測平臺以及生物信息學技術的不斷發展和完善，為不同層面的信息挖掘提供了強大的技術支撐，相對應的轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學也為機體對化學信號分子的應答機制研究提供了新的研究視角。具體應用思路可參見圖3。
Fig. 3 信號轉導機制研究中的多組學工具應用概述
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（轉錄組學應用案例）?
Fig. 4 Overview of a typical RNA-seq experiment
案例T1：選取同屬不同種地中海蚯蚓(Hormogaster samnitica和H. elisae)，通過比較轉錄組檢測多肽類性信息素合成基因的表達模式，來研究其信息素的進化和生殖基因的種間差異。
案例T2：選取粗角猛蟻 (Cerapachys biroi) 以及其他7種膜翅目昆蟲，利用轉錄組技術檢測與氣味結合和化學感應相關功能基因在不同組織部位的表達情況，結合系統發育樹分析，進行蟻類群居時信息傳遞方式的研究。
案例T3：選取長足胡蜂(Polistes metricus)、西方蜜蜂(Apis mellifera)、紅火蟻(Solenopsis invicta)，進行比較轉錄組分析，結果發現同一個群落中的物種，其種姓表型進化現象不單單取決于物種基因組上某些關鍵基因，而是存在一種協同進化現象。
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)，進行精子液體蛋白SFPs誘導后，分別進行iTRAQ同位素標記蛋白實驗，探究果蠅交配過程中SFPs蛋白的級聯調控機制。
案例P2：選取中國林蛙(Rana Temporaria)和格子束帶蛇(Thamnophis marcianus)，基于二者的行為學研究，通過蛋白質學檢測發現中國林蛙分泌的的α和β清蛋白會刺激格子束帶蛇的梨鼻骨配體并引發其捕食行為。
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（又稱尿蛋白）表達情況，結果表明受驚后的小鼠尿液中的α-2U-球蛋白含量顯著上調，表明α-2U-球蛋白可以作為小鼠情緒檢測的一個重要指標。
Part3 Metabolomics（代謝組學應用案例）
Fig. 6 Overview of a generalized metabolomic protocol.
案例M1：選取甘藍菜粉蝶(Pieris brassicae)、甘藍夜蛾赤眼蜂(Trichogramma brassicae)、盤絨繭蜂（又名寄生蜂）(Cotesia glomerata )三種食草性昆蟲分別脅迫黑芥菜(Brassica nigra)，通過GC-MS質譜平臺對蟲害脅迫后黑芥菜內植物激素進行靶向檢測，結果發現昆蟲在黑芥表面產卵后，均會刺激其產生一種揮發性物質，會擾亂昆蟲的后續捕食行為。
案例M2：選取紫柳珊瑚(Muriceopsis) 和解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)，二者為寄生關系，將共培養的對照組和阻斷化學信號傳導的處理組分別進行代謝組學檢測，通過差異比較找到一種代謝產物Iturins可以保護宿主珊瑚免于其他真菌的侵染，而阻斷后的共培養珊瑚仍舊會被其他真菌侵染。
案例M3：染斑海鹿(Aplysia juliana)和石莼(Ulva sp.)存在共生現象，通過核磁共振技術，檢測到染斑海鹿可以吸收藻類植物產生的一些代謝產物，一旦遭受外界侵害信號，就釋放這些物質來進行偽裝，以達到自衛的目的。
Part4 Integrating information（關聯分析示例）
Fig. 7 A hypothetical intraspecific interactionmediated for chemical signals in a wasp species.
Fig. 8 Multimodal signaling in the fluorescent frog Boana punctata.
最后還是得提醒一下大家，多組學工具確實十分好用，在基因層面和代謝物層面也不可或缺，但是高通量手段主要還是一個研究工具，這個工具的合理使用前期需要生理生化指標做方向指導，后期還要配合靶向性的表型驗證，才能言之有物的做出科研論證。
科研的價值和樂趣，在于實驗設計的創新和實驗數據的有效挖掘。
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
信號轉導：是指一種細胞功能，膜上的鑲嵌蛋白除了能控制細胞內外物質的交換外，有此受體蛋具有信號轉導的功能，即可將細胞外環境中化學信號傳遞到細胞內，導致細胞內發生一系列生理生化反應，來調節細胞的發育，控制生長和分裂等。
