2024-07-23
决定任何一个生命现象背后的分子调控网络都具有相当程度的复杂性，因此，多组学联合分析已经成为深入挖掘分子机理和发高分文章最有效的策略之一。其中，“转录组+代谢组”关联分析在PubMed检索中，发文量逐年持续增加，是多数实验室首先的热门研究手段。不同的组学搭配往往会对不同的生命现象的有着不同维度的认知，而转录组可以反应基因的表达情况；代谢组则反映出基因功能的一种最终体现，因为相较于转录组与蛋白组，代谢组则与表型直接相关，甚至可以直接作为表型的直接表征。在此，小编通过总结派森诺生物的案例文章，对典型组合“转录+代谢”以及进阶组合“转录+代谢+其他组学”的实验方案设计以及写作思路向读者进行阐述。
案例I
植物的一生面临着各种的生物胁迫（病虫害等）和非生物胁迫（干旱，洪涝，营养匮乏，土地盐碱化，重金属等）对其生存造成严重的威胁。然而，植物在长期的进化历程中，已经进化出相应的胁迫响应与应对机制来减缓以上胁迫的危害。对于植物在应对胁迫时的关键信号通路，参与胁迫应答的标记物以及关键的代谢通路的解析，是认知植物胁迫响应分子调控网络的重中之重。下面通过对派森诺生物与石河子大学携手合作的项目文章，进一步阐明“转录+代谢”在棉花镉胁迫的响应以及自主研发的水溶性聚合物改良剂(PA)对于棉花镉胁迫的缓解作用方面的应用思路。 该项目共有三个处理组别：对CK对照(不添加Cd且不对土壤进行改善)、Cd处理(添加40 mg·kg-1的Cd)和Pol处理(添加40 mg·kg-1的Cd和7.54 mg·kg-1的PA)；分贝取这三个处理组别中的棉花的功能叶进行转录组以及非靶向代谢组的检测；超高效液相色谱-质谱(LC/MS)代谢组学分析共检测到536个代谢物。使用Illumina测序平台的RNA-seq每个样本产生了约43-49百万条原始reads。随后，分别针对CK_vs_Cd，CK_vs_Pol，Cd_vs_Pol比较组，计算所得三个差显基因集与差显代谢物集；进而根据差显基因所在的代谢通路以及差显代谢物的种类与所在通路，如下图1与图2所示：参与脂质代谢以及代谢物的表达量能够显著受到Cd处理的抑制；但是该抑制趋势经Pol处理后受到显著地缓解；相反，参与碳水化合物代谢的基因和代谢物的表达量在Cd处理后受到显著地诱导，但在Pol处理后其诱导趋势受到了显著地抑制。 以上分析，不仅解析了棉花功能叶由Cd所介导的转录与代谢重编程过程，同时进一步确定了由Pol介导的缓解Cd胁迫所介导的转录与代谢重编程过程，这给后续系统解析其中的调控机理与分子机制提供了重要的证据。 图1. 棉花叶片脂质代谢通路分析 图2. 棉花叶片碳水化合物代谢通路分析
案例II
胰腺癌症（Pancreatic Cancer）是消化道常见恶性肿瘤之一。由于对胰腺癌的早期症状和发病机制的认知有限，因此急需通过以多组学为核心的系统生物学手段对现有药物和新药物的有效治疗靶点进行系统地解析。下面以上海交通大学与派森诺生物的项目文章为例，概括性地阐明进阶组合“转录+代谢+蛋白组”在对吉西他滨的新靶点的发掘以及相应作用分子机理的解析中的重要作用。 该项目分别对胰腺癌小鼠的对照组和吉西他滨治疗组进行了转录组，蛋白组与代谢组的检测，通过对对照组与治疗组的转录组和蛋白组进行了差显分析，鉴定出共有的差显基因集/蛋白集；随后针对代谢组进行对照组与治疗组之间的差显代谢物和相应的代谢通路进行鉴定；最后，针对以上的差显基因，差显蛋白和差显代谢物联合分析中所富集到的共同通路来进一步筛选到功能代谢物以及其抑制PC肿瘤的机理和功能基因/蛋白。具体来说，在对对照组与治疗组之间的代谢组进行差显分析后，共鉴定到154种代谢物发生了显著变化，其中嘌呤代谢相关的AMP、cAMP、腺苷琥珀酸、腺苷和GMP明显增加（图3C与3D）。因此，作者推测嘌呤代谢的核心分子AMP很可能为吉西他滨治疗中的新的药物靶点。 图3. 靶向代谢组学确定了对吉西他滨治疗有反应并受影响最大的功能代谢物 随后，通过对对照组与治疗组比较所得的差显蛋白集进行KEGG富集分析，发现吉西他滨给药组中许多与AMP生物合成和转化相关的酶表达水平显著上调，这位AMP作为吉西他滨作为新靶点提供了进一步的证据。进而，针对吉西他滨治疗期间胰腺癌通路中差显基因进行表达分析，锁定了5个与胰腺癌相关的基因，并进一步确定GADD45A的表达与AMP和cAMP均呈现出正相关性。这给作者推测吉西他滨候选的新靶点提功了较为有效的证据。综上所述，进阶组合“转录+代谢+蛋白组”不仅帮助作者锁定了吉西他滨治疗胰腺癌的AMP-cAMP轴，为解析其中的信号传导和分子机理提供了关键证据，而且通过鉴定表达趋势与AMP-cAMP轴显著关联的候选基因为药物的新靶点提供了关键思路。
通过两个本公司的案例分析，希望能够帮助读者更好地理解“转录+代谢”这个发文神器的实验设计，数据解读以及写作思路。
