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《Nature》子刊：蛋白质组学大牛Ruedi 再出佳作！利用多层蛋白质组描绘肿瘤突变基因的深层分子机制全景图

中科新生命蛋白代谢多组学

2020.7.21

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肿瘤的发生往往伴随着基因突变。然而，基因突变如何改变下游生理过程，从而导致肿瘤的产生，这其中的深层分子机制却知之甚少。7月16日，蛋白质组技术和应用领域最具代表性的引领者之一：苏黎世联邦理工学院的Ruedi Aebersold教授及其团队，在《Nature Communications》上发表了一篇堪称教科书典范的研究论文：Multi-layered proteomic analyses decode compositional and functional effects of cancer mutations on kinase complexes。作者以一个肿瘤驱动基因Dyrk2 (dual-specificity tyrosine-phosphorylation-regulated kinase 2) 为例，利用了DIA/SWATH蛋白质组学、DIA/SWATH磷酸化蛋白质组学、互作蛋白质组、交联蛋白质组的多层蛋白质组学技术，系统揭示了Dyrk2基因突变是如何影响下游蛋白质表达及磷酸化修饰的分子机制。

实验设计

研究材料：

表达野生型Dyrk2及多种Dyrk2突变体的SF9/HEK293/HeLa细胞

技术方法：

DIA/SWATH蛋白质组学，DIA/SWATH磷酸化蛋白质组学，互作蛋白质组学（AP-MS，BioID-MS），交联蛋白质组学

研究路线：

研究结果

1.挑选关键Dyrk2突变体

在COSMIC数据库中收录了100多种与肿瘤相关的Dyrk2突变信息。为进一步收敛研究范围，作者利用structure-ppi algorithm对这100多种突变产生的蛋白结构变异程度进行预测，从而选定6种可能造成最大蛋白结构或活性变异的突变体进行后续研究，分别是【P198L (PL), R378L (RL), S471L (SL), S471P (SP), S471X（SX）和K251R(KR)】。

2.Dyrk2复合体及Dyrk2突变体蛋白质互作研究

Dyrk2由于在生物体内会与另外三个蛋白EDD、DDB1及VPRBP形成复合体结构共同行使生物学功能。因此，作者首先利用AP-MS以及BioID-MS两种互作蛋白质学技术研究了包括Dyrk2在内的这4个蛋白在细胞内与其它蛋白的互作情况。结果显示，与Dyrk2复合体具有相互作用的蛋白包括DNA损伤修复相关功能蛋白、泛素化相关蛋白、核孔复合体、COP9信号复合体等多种功能类型蛋白（图1）。

图1. Dyrk2复合体蛋白互作网络图

然后，作者比较了Dyrk2突变体的互作网络，发现Dyrk2突变体的互作情况与原先发生了很大差异。突变体SX变化尤其显著，基本所有的蛋白互作都发生了改变（图2）。

图2. Dyrk2突变体蛋白互作网络差异比较

3. 利用交联蛋白比较Dyrk2及其突变体的空间拓扑结构差异

为进一步阐述为何Dyrk2突变会导致其互作功能发生改变，作者利用赖氨酸交联质谱对Dyrk2及其突变体的空间拓扑结构进行了分析。结果发现，Dyrk2突变体在拓扑结构上与野生型具有非常显著的差异（图3）。

图3. Dyrk2野生型、KR突变体及RL突变体的蛋白拓扑结构差异比较

4. 利用蛋白质组学及磷酸化蛋白质组学揭示Dyrk2突变后对细胞蛋白质组的全局扰动

由于Dyrk2本身是一个激酶，因此作者进一步对Dyrk2突变后细胞的蛋白表达和磷酸化修饰扰动进行了研究，希望能够更深入地阐述Dyrk2突变后对细胞蛋白质组的全局影响。通过DIA/SWATH蛋白质组以及DIA/SWATH磷酸化蛋白质组检测以及GO功能注释发现，Dyrk2突变后的整体蛋白表达差异不大，而磷酸化修饰发生比较显著的变化（图4）。其中，核孔复合体相关蛋白发生的磷酸化修饰差异尤其显著（图5）。

图4. 不同突变体表达后细胞的蛋白质表达差异（左）及磷酸化修饰差异（右）

图5. 磷酸化差异GO功能注释

5. 多组学数据整合讨论

最后，作者结合定量蛋白质组、磷酸化蛋白质组、作蛋白质组、交联蛋白质组等多个组学数据，汇总描述了一幅肿瘤驱动基因Dyrk2突变的深层分子机制全景图（图6）。Dyrk2突变除了会对DNA损伤修复，细胞增殖凋亡，核转运等多类蛋白产生影响外，也会对许多已知的癌症驱动基因起到调控作用。

图6. 多组学信息整合互作网络图

小编总结

(1) 本研究利用多种蛋白质组学技术，包括定量蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学、互作蛋白质组学（AP-MS，BioID-MS）、交联蛋白质组学，系统阐述了肿瘤驱动基因突变造成的下游分子机制响应。该研究策略堪称基因突变在蛋白质组水平教科书式的研究模式。

（2）近期Ruedi Aebersold及Matthias Mann（新冠最新研究进展-Matthias Mann团队利用多组学揭示冠状病毒对宿主的扰动机制）两位蛋白质组学领域大神，接连利用蛋白质组+磷酸化蛋白质组的策略发表了高水平的研究论文，蛋白质组+磷酸化蛋白质组可谓是蛋白质水平上进行机理研究的黄金搭档。更加值得注意的是，从技术维度来看，两位技术引领者也不约而同的选择了DIA蛋白质组及DIA磷酸化蛋白质组的技术，预示着DIA相关技术的巨大应用前景和趋势。

中科新生命拥有超过16年的蛋白质组分析与服务经验，提供前沿的蛋白质组+磷酸化蛋白质组多组学联合分析服务，相关项目成果已发表《Cell Metabolism》等顶尖期刊。近期，平台再度升级，推出DIA蛋白质组+DIA磷酸化蛋白质组联合分析。对DIA磷酸化蛋白质组感兴趣的老师可点击近期讲座相关内容（APT-Omics云课堂-DIA磷酸化讲座精彩回放）。