转录组、蛋白质组、代谢组联合分析斑马鱼尾鳍再生机制

题目：Transcriptomic, proteomic, and metabolomic landscape of positional memory in the caudal fin of zebrafish

多组学联合探讨斑马鱼尾鳍再生机制

期刊：PNAS

影响因子：9.504

主要技术：转录组、蛋白质组（Label free）、代谢组

 

研究背景

        在脊椎动物中，附肢再生期间由位置记忆调控细胞增殖和分化，它能使再生细胞从未受损组织中获取空间信息。研究人员认为位置记忆依赖于某些梯度表达的分子信号，但是对于这些具体的分子信息研究甚少。

 

研究内容及结果

1. 无损伤斑马鱼尾鳍不同位置转录组和蛋白质组结果

        根据已有的研究，位置记忆的分子效应在未受损伤组织近远轴线梯度表达。因此，作者以成年斑马鱼尾鳍为研究对象，并沿着空间轴（近端、中部、远端）对未受伤尾鳍进行转录组和蛋白质组分析（图1A），分别定量到23926个转录本和3061个蛋白质。其中566个转录本和238个蛋白质在尾鳍近端和远端高表达（图1B）。PCA分析表明，斑马鱼尾鳍近远端中3个区域在转录水平和蛋白水平表达分离趋势明显（图1C,D）。其中近端和远端区域差异表达最为显著，包括1424个转录本和113个蛋白质（图1E,F）。

作者希望得到一些分子列表信息能够表明其表达水平沿着近端轴线有明显变化趋势。因此，作者对尾鳍不同位置的转录组和蛋白质组学数据联合分析（图2），分析在两个数据集中以相似模式存在的转录本和蛋白质。结果表明，在尾鳍近端区域，有54个蛋白质和66个转录本存在高表达，远端区域则有29个蛋白质和51个转录本存在高表达，在两个尾鳍不同位置中共有32个转录本和蛋白质表达模式相近。与其它研究结果类似，作者发现转录组和蛋白质组关联度比较有限，低于50％的差异表达的转录本具有相似的差异表达蛋白质，这进一步说明生物体存在广泛的转录调控机制。

图1 未受伤的尾鳍的转录组学和蛋白质组学图谱

 

 

图2 尾鳍不同位置的转录组和蛋白质组联合分析

 

2. 转录组和蛋白质组差异表达分子功能

        视黄酸（RA）信号转导和脯氨酸脱氢酶（Prod1）被认为与建立位置记忆有关。作者在斑马鱼尾鳍候选效应分子中鉴定了与RA信号转导和Prod1相关的转录物和蛋白质。如参与RA信号转导，在尾鳍近端高表达的aldh1a2和在远端高表达的bco1，以及其它差异表达的mRNA和蛋白质，这表明RA信号传导的调节可能更复杂，涉及在该途径的多个水平上的差异调节。为了进一步研究尾鳍近远端差异表达的分子类型，作者对转录组数据进行GO分析，结果显示尾鳍mRNA参与多个生物过程，如细胞—细胞信号转导（图3A）。作者推测转录因子由于其细胞调节因子功能，及有可能是位置记忆候选效应分子。随后作者发现转录组数据中有693个编码转录因子的mRNA，其中53个在尾鳍近端和末端区域差异表达（图3B）。跨膜蛋白作为主要信号传导途径的受体，也是良好位置记忆候选效应分子，与之对应，作者在组学数据中发现964个跨膜受体中的80个mRNA、222个离子通道蛋白中的55个的mRNA各自在尾鳍近端和远端区域之间存在差异表达。根据GO分析结果，作者将RA，WNT和FGF信号传导等几种途径基因进行表达量分析，确定了分别参与RA、WNT和、FGF信号传导等途径基因不同的转录水平梯度（图3C-G）。

图3 沿尾鳍近端轴线RNAs的差异表达

 

3. 野生型和突变体鱼鳍中候选位置效应分子表达模式

        作者推测，位置记忆效应分子可以在不同形状和大小的鳍中表达。为了验证此种推测，作者选择Aldh1l1和Ca2进行验证实验。Aldh1l1是一种醛脱氢酶，在尾鳍近端高表达，Ca2可以催化二氧化碳的水合作用，在尾鳍远端高表达。WB验证实验表明，Aldh1l1蛋白存在于尾鳍的近端富集梯度中，也存在于未损伤斑马鱼的背鳍和胸鳍近侧富集梯度中；Ca2存在于尾鳍的远端富集梯度中，也存在于未损伤斑马鱼的背鳍和胸鳍远侧富集梯度中（图4A-C）。作者又对不同大小鱼鳍Aldh1l1和Ca2的表达水平进行分析，发现Aldh1l1和Ca2的相反表达梯度同样存在于两种突变鱼的鱼鳍中（图4D）。这些数据表明，Aldh1l1和Ca2的丰度是跨越多个斑马鱼鳍和不同大小鱼鳍，这极有可能在组织再生期间建立位置记忆中发挥重要作用。

图4 WT和突变体鳍中的Aldh1l1和Ca2丰度

 

4. 无损伤尾鳍不同位置代谢物表达变化

        作者认为除了mRNA和蛋白质，代谢产物也有可能有助于位置记忆。基于组学结果，作者发现，几种代谢酶沿尾鳍的不同位置差异表达，此外，GO分析显示这些差异蛋白多参与氨基酸代谢和脂质转运（图5A）。因此，作者对未损伤尾鳍的近端、中端和远端区域的代谢物进行检测分析，共定量到125种代谢物。PCA分析显示近端和远端尾鳍区域的代谢物谱有明显的分离趋势（图5B）。

图5 尾鳍的近端轴线上差异表达的代谢产物

 

 

5. 早期再生过程中的蛋白质表达变化

        作者推测在斑马鱼鱼鳍受伤后的早期阶段应保留未受损鳍中位置记忆效应分子的表达模式。为了证明这个推测，作者选择截肢后不同时间鱼鳍进行Label free定量蛋白质组分析。为了降低个体差异性，作者从同一条鱼中采集了再生鳍的背侧近端区域和腹侧远端区域样本进行实验（图6A）。结果发现在0dpa、1dpa、3dpa中分别有97、11、2个差异蛋白，再生过程中不同时间蛋白质表达的PCA分析显示，1dpa和3 dpa的样本有明显的分离趋势，近端或远端区域之间的蛋白变化很小，未受损的鳍（0 dpa）的近端和远端区域之间的蛋白存在更多差异（图6B）。

图6 再生尾鳍的近端和远端区域差异表达蛋白

 

文章小结

        组织再生需要细胞根据其空间位置调节增殖和分化，位置记忆使再生细胞能够从未受损组织中获取空间信息。作者定量了未受损和再生的成年斑马鱼的尾鳍近端轴上的转录物、蛋白质和代谢物的丰度变化，发现了涉及多种细胞功能的数百种分子的复杂重叠表达模式，揭示位置记忆的候选效应分子，这些效应分子在成体附属物中具有再生和控制器官大小的作用。

 

解析文献

Rabinowitz JS, Robitaille AM, et al. Transcriptomic, proteomic, and metabolomic landscape of positional memory in the caudal fin of zebrafish. Proc Natl Acad Sci U S A , 2017 , 114 (5) :E717

 

参考文献

1. Greenbaum D, Colangelo C, et al. Comparing protein abundance and mRNA expression levels on a genomic scale. Genome Biol, 2003, 4(9):117.

2. Vogel C, Marcotte EM. Insights into the regulation of protein abundance from proteomic and transcriptomic analyses. Nat Rev Genet, 2012, 13(4):227–232.

3. Nachtrab G, Kikuchi K, et al. Transcriptional components of anteroposterior positional information during zebrafish fin regeneration. Development, 2013, 140(18):3754–3764.

4. Sperber H, et al. The metabolome regulates the epigenetic landscape during naive-to-primed human embryonic stem cell transition. Nat Cell Biol, 2015, 17(12):1523–1535.