Science：首次全方位揭示人类蛋白组亚细胞定位图谱
导 语
在亚细胞水平获得蛋白质空间分布的准确信息对于理解蛋白质功能、相互作用及细胞活动机制具有重要意义。2017年5月11日，Science 杂志在线发表了瑞典皇家理工学院题为 A subcellular map of the human proteome的最新研究成果论文。研究者整合转录组、免疫荧光技术和质谱验证，首次绘制出人体蛋白质亚细胞结构分布的全景图，在单细胞水平将由13,993种抗体靶向的总共12,003种蛋白定位到30个细胞区室和亚结构中的一个或多个，并详述了13个主要细胞器的蛋白质组。为精确分析蛋白与蛋白间互作关系以及研究人体细胞高度复杂的结构组成提供了重要的资源。
结果速览
研究者首先通过免疫荧光成像技术来定义细胞器和亚细胞区的蛋白质组信息（图1）。通过测定30个亚细胞结构的蛋白定位，在细胞图谱中定义了13个亚细胞蛋白质组以及分泌蛋白质的蛋白质组（图1A），通过免疫荧光显微镜在细胞图谱中注释的亚细胞结构（图1B）。
图1（A）细胞结构图
图1（B）通过免疫荧光显微镜在细胞图谱中注释的亚细胞结构
定位于所有代表性细胞系结构的蛋白质（绿色）代表；微管标用抗微管蛋白抗体（红色）; 细胞核用DAPI（蓝色）复染。
为了获得合适的细胞系进行后续研究，研究人员首先利用单细胞RNA-seq技术从56株细胞系中筛选出22株代表不同胚层和器官的细胞系（图2A）。在此基础上，利用22个人类细胞系，13,993种抗体进行免疫荧光分析，为12,003个蛋白提供了亚细胞定位的实验数据。结果发现，这些蛋白主要分布在30种细胞结构或亚结构。其中，具有最大蛋白质组的细胞器是细胞核（有6,930种蛋白）及其亚结构（如核小体和核小斑点），和细胞质（有4,279种蛋白）。这些蛋白主要分布在30种细胞结构或亚结构（图2）。
图2 基于RNA测序的转录组与基于IF的蛋白质组分析
令人关注的是，大约一半的蛋白在1个以上的细胞区室中发现到，这揭示出一群相同的蛋白存在于细胞中的功能上不相关的部分。这一发现进一步阐明了细胞的复杂性（图3，图4）。
图3 人类蛋白质组中的多种定位的蛋白
图4 同一个细胞中的多个蛋白
最后，研究人员以蛋白质图谱中的蛋白空间信息对蛋白的互作关系进行验证（图5）。结果表明，在质膜上的蛋白拥有更多的机会与质膜、高尔基体、囊泡、黏着斑、细胞接头及细胞溶质中的蛋白发生直接的互作关系。而在对细胞内不同隔室间信号传递的分析中发现，大型细胞隔室的作用非常突出，特别是跟分泌途径相关，或者不同隔室之间信号传递有关。
图5 蛋白-蛋白相互作用的验证分析
小 结
总而言之，本研究整合转录组数据、蛋白组数据及基于抗体的荧光成像技术，为人类细胞的亚细胞结构定位提供了目前为止最为全面的综合性数据。上述结果收录在The Cell Atlas中，成为人类蛋白组计划（Human Protein Atlas）框架内的重要组成部分。
本文的亮点：提供了一个单细胞蛋白质组学研究的具体思路。
1.以单细胞RNA-seq技术为基础的转录组学分析技术的革命性提升，实现了单细胞内部数以千万个转录本的同时检测，完整地勾勒出各细胞活动之间的动态关联。进而促进了人类细胞图谱（Human Cell Atlas）项目的大胆落实。
2.使用基于抗体的免疫荧光显微分析技术，替代传统的质谱绘图技术，研究人员使用13993种抗体，定位了细胞间隔和亚结构内的12003种蛋白质，共计完成了13个主要细胞器的蛋白质组学研究。其中包括细胞核和其亚结构内的6930种蛋白质。这张亚细胞水平的人类蛋白质组空间分布将大大增加我们对人类生物学和疾病的理解。
Atlas portal
The Human Protein Atlas portal的网址为，该数据库可检索细胞器及其子结构蛋白组、单一或者多重定位的蛋白数据、不同细胞之间差异表达蛋白等等信息。Cell Atlas计划是超过10年的人类蛋白Atlas计划的研究结果，它于2016年的12月份启动。Science上的这篇文章阐述了作为国际合作产生的成千上万的图像的分析，合作包括了中国、韩国、印度、丹麦和德国。本文提到的“细胞地图（Cell Atlas）”项目成果，现已成为开放访问资源。可用于世界各地的研究人员研究感兴趣的蛋白质或细胞器。这种亚细胞地图能用于改进现有的蛋白质-蛋白质相互作用网络，也是解析人类细胞高度复杂结构的重要资源。
