|
跨膜蛋白在介導大腦中的突觸傳遞、可塑性和體內平衡方面起著至關重要的作用。 細胞表面跨膜蛋白主要由G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），離子通道和轉運蛋白構成，在大腦的神經(jīng)元信號處理和可塑性中發(fā)揮重要作用。他們的許多家族成員，尤其是GPCR，代表了中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 疾病分子治療最成功的目標。 然而，由于這些跨膜蛋白具有很強的疏水性、相對較低的豐度和快速的更新，因此使用傳統(tǒng)的蛋白質組學技術進行測量尤其具有挑戰(zhàn)性。 在此背景下，來自上?？萍即髮WiHuman研究所的水雯箐課題組與胡霽課題組和鐘桂生課題組合作，于2021年7月21日在Science Advances上發(fā)文，通過一種新的蛋白質組學方法揭示了小鼠抑郁模型大腦中的跨膜蛋白質組重構景觀，并鑒定了兩個以前未知的抑郁樣行為的 GPCR調節(jié)因子。  歡迎加入 全國焦慮抑郁學術討論群 添加小編微信 brainnews_11 -留言：焦慮抑郁研究群- 作者收集了10個成年小鼠大腦核團分析腦中的跨膜蛋白表達。首先進行細胞膜分離以減少豐富的胞質蛋白并富集跨膜蛋白，并使用單次數(shù)據(jù)非依賴性采集（DIA）質譜分析來自單個大腦區(qū)域的蛋白質消化物。 鑒于使用傳統(tǒng)蛋白質組學技術繪制GPCR具有挑戰(zhàn)性，作者使用深度學習模型創(chuàng)建了一個GPCR家族靶向雜交文庫（簡稱GPCR雜交文庫），其中包含在小鼠基因組中編碼的524個GPCR的完整補充。 使用GPCR雜交文庫每個區(qū)域平均鑒定了108個GPCR蛋白質，而傳統(tǒng)的DDA文庫僅鑒定了平均65個GPCR蛋白質。除了GPCR外，跨膜蛋白質組分析鑒定并量化了10個大腦區(qū)域的170個離子通道和176個轉運蛋白。
2.跨膜蛋白轉錄組和蛋白質組譜的比較 跨膜蛋白質組分析能夠全面了解小鼠不同大腦區(qū)域的跨膜蛋白表達，可以將其與轉錄組水平的區(qū)域解析基因表達進行比較。主成分分析(PCA)和基于對所有跨膜蛋白定量的分層聚類樹揭示了四個大腦區(qū)域集群：腦橋/髓質、脊髓/中腦、大腦皮層/紋狀體/丘腦和嗅球/海馬(HIP)/小腦。 相比之下，跨膜蛋白編碼基因的轉錄組圖譜顯示不同腦區(qū)的連接模式，大腦皮層/HIP/杏仁核聚集得更緊密，小腦作為異常值脫穎而出。 在RNA-seq和蛋白質組學數(shù)據(jù)之間共享的1738個跨膜蛋白編碼基因（中值Spearman相關系數(shù)，0.39）中觀察到mRNA和蛋白質豐度之間的適度相關性。GPCR和轉運蛋白家族成員的mRNA與蛋白質的相關性低于離子通道。 結果表明，基于DIA MS的蛋白質組分析提供了跨膜蛋白分布的高通量和準確測量，在許多情況下，這在很大程度上與轉錄本分布不一致。
3.富含GPCR和其他跨膜蛋白的大腦區(qū)域 使用區(qū)域平均蛋白質組學量化數(shù)據(jù)，確定了區(qū)域性升高的 GPCR、離子通道和轉運蛋白家族成員，這些成員分為三類：區(qū)域富集蛋白（豐度是所有其他大腦區(qū)域的兩倍）、組-富集的蛋白質（兩到四個大腦區(qū)域的豐度是所有其他區(qū)域的兩倍）和增強的蛋白質（豐度是所有其他大腦區(qū)域中位數(shù)的兩倍）。 在某些大腦區(qū)域中豐富的GPCR子集經(jīng)歷了異常明顯的蛋白質合成、降解或運輸調節(jié)。這以11個區(qū)域/組富集的GPCR為例，其mRNA與蛋白質呈負相關，包括來自趨化因子受體、腎上腺素能受體和神經(jīng)肽Y受體家族的成員。 總之，這些富含GPCR的大腦區(qū)域的蛋白分布模式將為它們在大腦中的轉錄后調節(jié)和未表征的功能提供新的線索。 圖3 跨膜蛋白編碼基因在轉錄組和蛋白質組水平的多區(qū)域表達譜 基于作者的高準確度的跨膜蛋白質組分子圖譜，進一步構建了120個GPCR與1159個跨膜蛋白質在腦組織中可能形成的內源性蛋白互作網(wǎng)絡。以大麻素受體1(CB1)和亮氨酸的重復跨膜蛋白FLRT3為例，免疫染色同時觀察到了海馬神經(jīng)元和HIP中CB1和FLRT3的共定位。 鄰近連接試驗(PLA)確認兩種蛋白質在中國倉鼠卵巢(CHO)細胞和原代神經(jīng)元中的緊密物理分布。免疫沉淀(IP)驗證CB1和FLRT3在體外的相互作用。
作者針對多重慢性壓力誘導的抑郁模型（CUMS）構建了一個的最大DDA庫和一個源自DIA MS數(shù)據(jù)的GPCR混合庫，其中包含524個小鼠GPCR的完整補充。 從CUMS模型的每個大腦區(qū)域中的GPCR、離子通道和轉運蛋白家族中鑒定了離散的差異表達(DE)跨膜蛋白集。根據(jù)PCA圖，在PFC和HY中發(fā)現(xiàn)了數(shù)量最多的DE跨膜蛋白，這兩個大腦區(qū)域對情緒調節(jié)和壓力反應至關重要。 從CUMS模型的大腦蛋白質組分析中鑒定了來自三個家族的91個上調和142個下調的獨特蛋白質，它揭示了與抑郁癥發(fā)病機制相關的跨膜蛋白質組重構的最全面的景觀。而傳統(tǒng)的方法分析CUMS模型的整個小鼠大腦時，僅發(fā)現(xiàn)了16種異常調節(jié)的蛋白質。 在我們的研究中發(fā)現(xiàn)的這組233種DE跨膜蛋白富含13條通路，包括突觸囊泡循環(huán)、尼古丁成癮、氧化磷酸化、鈣信號和腺苷3',5'-單磷酸(cAMP)信號，富含已知參與帕金森病和阿爾茨海默病發(fā)展的分子，這可能表明神經(jīng)退行性疾病和抑郁癥之間存在共同的分子機制。
通過體內藥物干預和/或基因操作發(fā)現(xiàn)35種GPCR顯示在PFC，HIP或HY顯著差異表達，這三個腦區(qū)都與情緒和抑郁癥相關，且這三個腦區(qū)中19種GPCR已被文獻證明是抑郁樣行為的公開調節(jié)因子，是潛在的抗抑郁靶點。 作者選擇了NmbR和Fzd7這兩個未驗證與抑郁癥有關的GPCR進行功能評估。通過行為學和藥理學實驗，驗證了NmbR和Fzd7具有快速抗抑郁反應。
圖7 小鼠模型中抑郁樣行為的新型GPCR調節(jié)因子的發(fā)現(xiàn) 綜上，本文開發(fā)了一種新的技術來表征腦組織中跨膜蛋白質組的區(qū)域分布和動態(tài)。當這項技術應用于疾病模型并與體內藥理學相結合時，可以非常有效地發(fā)現(xiàn)驅動疾病表型的分子調節(jié)劑。 上?？萍即髮WiHuman研究所水雯箐課題組研究助理李珊珊、生命科學與技術學院博士研究生羅火青、婁容琿與iHuman研究所成像平臺田翠萍為本文共同第一作者，水雯箐教授、胡霽教授、鐘桂生教授為共同通訊作者，上海科技大學為第一完成單位。該工作也得到上科大徐菲課題組與中科院生物與化學交叉中心張耀陽課題組的參與和支持。  Li S, Luo H, Lou R, et al. Multiregional profiling of the brain transmembrane proteome uncovers novel regulators of depression. Science advances 2021; 7(30). DOI: 10.1126/sciadv.abf0634 |
|
|
