2018-04-23
后基因组时代，生命科学研究进入到系统、全面、动态的功能探索阶段。多种高通量研究策略如基因组测序、转录组测序、蛋白质组定量检测和代谢组分析也被组合应用到同一课题中。
正式开始之前，咱们先简单粗暴的总结一下多组学研究的重要成员及其研究策略。
基因组学 (Genomics)：利用高通量测序获取样本中所有功能基因的序列和表达量信息。
转录组学 (Transcriptomics)：利用高通量测序全面快速地获取某一物种特定器官或组织在某一状态下几乎所有转录本。转录组测序可以检测到所有正在表达的基因的变化动态。
蛋白组学 (Proteomics)：利用HPLC-MSMS技术获取某一时刻样本内所有表达蛋白。蛋白组学是基因表达调控机理研究的一个重要工具。
代谢组学 (Metabolomics)：利用液质联用/气质联用技术研究在某一时刻样本内所有代谢物。代谢组学放大了基因和蛋白表达的微小变化, 反映了机体系统的生理和病理状态。
一句话概括：
基因组学告诉你可能发生什么（what possibly happen），
转录组学告诉你正在发生什么（what probably happen），
蛋白组学告诉你已经发生什么（what actually happen），
而代谢组学则告诉你什么确实发生了（what happened）
总而言之，这些技术都想利用up-down的研究逻辑从全局找变量。但因为技术局限和检测层面不同，各有优劣。举个栗子，就是同一种脏器甚至样品来源的蛋白组数据和转录组数据间定量对接也未必有理想的相关性。故而目前很多研究都开始使用交叉验证方法。
图：多组学研究整体框架及技术流程
转录组学作为一个“承上启下”的重要研究手段，在多组学研究中不可或缺。今天我们就由浅入深，分享几例转录组和其他组学联合作战的研究策略和研究成果。
案例1：
Transcriptomics+Metabolomics（大豆叶枯病的初级代谢应激调控机制探究）
An integrated RNAseq-1H NMR metabolomics approach to understand soybean primary metabolism regulation in response to Rhizoctonia foliar blight disease
BMC Plant Biology (2017)
IF=3.964 (2区)
| DOI 10.1186/s12870-017-1020-8
样本来源：健康叶片（control）和Rhizoctonia（叶枯病致病菌）感染的大豆叶片（case）
分组策略：每组六个生物学重复，每个生物学重复由六株大豆的相似叶片混池得到
图：Overview of analytical approaches for integration of soybean metabolites and transcripts.
图：Metabolite and transcript pathway network analysis of soybean responses to R. solani.
结果展示：
Rhizoctonia感染会导致大豆叶枯病，为了探究其致病机理，对大豆叶片进行转录组测序和代谢产物鉴定，二者联合分析发现Rhizoctonia感染后，氧化还原和ROS信号转导通路中相关基因的表达都有显著变化， 同时发现感染植株中乙醇脱氢酶表达受到抑制，导致叶片内乙醇累计，这可能是导致叶枯性状的原因之一。基于差异转录本和差异代谢物，得到了Rhizoctonia感染后，大豆体内应激反应的代谢通路网络。
案例2
Transcriptomics+Proteomics（幼生期和发育期小鼠的基因表达差异研究）
An integrated transcriptomics-guided genomewide promoter analysis and next-generation proteomics approach to mine factor(s) regulating cellular differentiation
DNA Research （2017）
IF=5.404 (2区)
| DOI 10.1093/dnares/dsw057
样本来源：培养5d和12d的雄性小鼠的Sertoli细胞（Sc,睾丸支持细胞）
图：Transcriptomic analysis and TFBS analysis
图：Heat maps depicting comprehensive proteome quantification profile comparison of nuclear and cytoplasmic extracts of infant (5 days old) and pubertal (12 days old) Sc.
结果展示：
利用转录组测序和蛋白质组定量检验，发现不同于发育期小鼠，幼生期小鼠由于细胞分化的不成熟导致无法支撑精子的形成。转录组测序分析在幼生期小鼠和发育期小鼠Sc中分别捕获到14和19个特异的转录因子结合位点；对细胞核和细胞质的蛋白进行差异分析，在幼生期小鼠和发育期小鼠Sc中分别检测到1670和890个差异蛋白。蛋白组学和转录组组学联合分析发现，YY1可以与小鼠发育期高表达的多个基因的启动子区发生结合来调控其表达，这一现象表明YY1可能是调节小鼠Sc细胞分化的重要因子。
案例3
Transcriptomics+DNA-seq+Proteomics（乳腺癌异种移植的治疗靶点挖掘）
Proteogenomic integration reveals therapeutic targets in breast cancer xenografts
NATURE COMMUNICATIONS (2017)
IF=12.124 (1区)
| DOI 10.1038/ncomms14864
样本来源：24例乳腺癌病人异种移植的免疫缺陷型小鼠模型
图：Correlation between mRNA and iTRAQ protein expression levels identified pathways with significantly concordant or discordant mRNA-protein expressions.
图：Proteogenomic summary of xenograft shows relationships among mutation, CNV (normalized log-R ratio), mRNA (log-transformed and normalized RSEM values), proteomic (normalized log2 ratio to reference), and phosphoproteomic expression (normalized log2 ratio to reference) levels of breast cancer-related genes in 24 PDX samples across 4 intrinsic subtypes.
图：Transcriptomic and proteomic clustering of breast cancer PDX and human samples.
结果展示：
首先采用定量蛋白组学手段检测24例乳腺癌病人异种移植的免疫缺陷型小鼠中蛋白表达水平，同时得到了与此正相关的转录组测序结果。通过进一步的蛋白基因组学1分析，又检测到多个酪氨酸激酶受体的靶基因，其中发现了多个在基因层面并未能检测到的蛋白的磷酸化过程，这说明基于质谱技术的蛋白组学可以提供更多关于药物靶点的准确信息。
名词解释：
1.Proteogenomics，蛋白基因组学，是基于高精度的串联质谱数据对基因组进行注释,不仅能在蛋白质水平上验证基因表达和模式，还能提供蛋白质组层面特有的信息，如翻译后修饰、信号肽等,目前已成为功能基因组学研究不可或缺的重要工具。
