2018-08-24
近期，有研究人员在Chem Soc Rev（IF=40.182）杂志上发表了题为“An integrative omics perspective for the analysis of chemical signals in ecological interactions”的多组学研究综述文章。文章作者利用已发表的各类高通量数据，通过有计划的分析策略，继续深入挖掘生物圈的信号转导机制。
有句话叫见微知著，今天小编反其道而行，借此东风，带大家从宏观生物圈的生态调节着眼，研究一下多组学手段在信号转导机制研究中的应用套路。
Fig. 1 Organism interactions in a hypothetical terrestrial environment
提起生物界的信号传递机制，耳熟能详的应用就是关于田间虫害的性激素诱捕，这种学名叫做蚕蛾性诱醇（bombykol）的性激素早在1959年就利用GC-MS质谱检测和NMR核磁共振联用鉴定得到了，这也是第一个被发现的生物信息素，甚至由此开创了生物科学界一项新的研究领域-生物界的化学信号转导研究。
Fig. 2 Timeline of technological and conceptual developments that have largely contributed to the study of chemical signals
由于化学信号分子的种类繁多，诸如水溶性小分子化合物、挥发性有机物、蛋白质甚至糖类衍生物等等，单一的检测手段很难实现理想的研究效果。
伴随着高通量测序平台、质谱检测平台以及生物信息学技术的不断发展和完善，为不同层面的信息挖掘提供了强大的技术支撑，相对应的转录组学、蛋白质组学、代谢组学也为机体对化学信号分子的应答机制研究提供了新的研究视角。具体应用思路可参见图3。
Fig. 3 信号转导机制研究中的多组学工具应用概述
依托以上研究策略，下面我们选取9个研究案例，分类拆解一下信号转导机制研究中转录组学、蛋白质组学和代谢组学的具体实验设计和数据分析方法。
Part1 Transcriptomics（转录组学应用案例）
Fig. 4 Overview of a typical RNA-seq experiment
案例T1：选取同属不同种地中海蚯蚓(Hormogaster samnitica和H. elisae)，通过比较转录组检测多肽类性信息素合成基因的表达模式，来研究其信息素的进化和生殖基因的种间差异。
案例T2：选取粗角猛蚁 (Cerapachys biroi) 以及其他7种膜翅目昆虫，利用转录组技术检测与气味结合和化学感应相关功能基因在不同组织部位的表达情况，结合系统发育树分析，进行蚁类群居时信息传递方式的研究。
案例T3：选取长足胡蜂(Polistes metricus)、西方蜜蜂(Apis mellifera)、红火蚁(Solenopsis invicta)，进行比较转录组分析，结果发现同一个群落中的物种，其种姓表型进化现象不单单取决于物种基因组上某些关键基因，而是存在一种协同进化现象。
Part2 Proteomics（蛋白质组学应用案例）
Fig. 5 Overview of a common proteomic workflow used for protein identification
案例P1：选取3类同属不同种的雌性果蝇(Dorsophila)，进行精子液体蛋白SFPs诱导后，分别进行iTRAQ同位素标记蛋白实验，探究果蝇交配过程中SFPs蛋白的级联调控机制。
案例P2：选取中国林蛙(Rana Temporaria)和格子束带蛇(Thamnophis marcianus)，基于二者的行为学研究，通过蛋白质学检测发现中国林蛙分泌的的α和β清蛋白会刺激格子束带蛇的梨鼻骨配体并引发其捕食行为。
案例P3：选取受惊后小鼠(Mus musculus)尿液样本，检测其中α-2U-球蛋白（又称尿蛋白）表达情况，结果表明受惊后的小鼠尿液中的α-2U-球蛋白含量显著上调，表明α-2U-球蛋白可以作为小鼠情绪检测的一个重要指标。
Part3 Metabolomics（代谢组学应用案例）
Fig. 6 Overview of a generalized metabolomic protocol.
案例M1：选取甘蓝菜粉蝶(Pieris brassicae)、甘蓝夜蛾赤眼蜂(Trichogramma brassicae)、盘绒茧蜂（又名寄生蜂）(Cotesia glomerata )三种食草性昆虫分别胁迫黑芥菜(Brassica nigra)，通过GC-MS质谱平台对虫害胁迫后黑芥菜内植物激素进行靶向检测，结果发现昆虫在黑芥表面产卵后，均会刺激其产生一种挥发性物质，会扰乱昆虫的后续捕食行为。
案例M2：选取紫柳珊瑚(Muriceopsis) 和解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)，二者为寄生关系，将共培养的对照组和阻断化学信号传导的处理组分别进行代谢组学检测，通过差异比较找到一种代谢产物Iturins可以保护宿主珊瑚免于其他真菌的侵染，而阻断后的共培养珊瑚仍旧会被其他真菌侵染。
案例M3：染斑海鹿(Aplysia juliana)和石莼(Ulva sp.)存在共生现象，通过核磁共振技术，检测到染斑海鹿可以吸收藻类植物产生的一些代谢产物，一旦遭受外界侵害信号，就释放这些物质来进行伪装，以达到自卫的目的。
Part4 Integrating information（关联分析示例）
Fig. 7 A hypothetical intraspecific interactionmediated for chemical signals in a wasp species.
Fig. 8 Multimodal signaling in the fluorescent frog Boana punctata.
最后还是得提醒一下大家，多组学工具确实十分好用，在基因层面和代谢物层面也不可或缺，但是高通量手段主要还是一个研究工具，这个工具的合理使用前期需要生理生化指标做方向指导，后期还要配合靶向性的表型验证，才能言之有物的做出科研论证。
科研的价值和乐趣，在于实验设计的创新和实验数据的有效挖掘。
希望还坚持在科研领域上的小伙伴们，在这条道路上越走越稳。
An integrative omics perspective for the analysis of chemical signals in ecological interactions.Chem. Soc. Rev., 2018,47, 1574（DOI: 10.1039/c7cs00368d）
名词解释
信号转导：是指一种细胞功能，膜上的镶嵌蛋白除了能控制细胞内外物质的交换外，有此受体蛋具有信号转导的功能，即可将细胞外环境中化学信号传递到细胞内，导致细胞内发生一系列生理生化反应，来调节细胞的发育，控制生长和分裂等。
