細胞周期呢堰，即細胞生長和分裂的過程，是基本的生命進程凡泣。它是由基因和蛋白在時間和空間上的精確調控驅動的枉疼，一旦失調將會帶來毀滅性的后果，如癌癥问麸。到目前為止往衷，還沒有針對細胞周期過程中細胞間蛋白質組學差異的系統(tǒng)研究。2021年2月严卖，瑞典皇家理工學院的Emma Lundberg教授團隊通過整合亞細胞水平的蛋白質組學席舍、單細胞轉錄組學和細胞周期中單細胞水平基因和蛋白表達的精確時間測量，提出了一個全面的哮笆、時空維度的人類蛋白質組學異質性圖譜来颤。研究結果整合到HPA（Human Protein Atlas）數(shù)據(jù)庫中，為人類細胞周期和細胞增殖的分子研究提供了參考稠肘。
研究結果：
1 單細胞的蛋白質組學異質性
本文對HPA數(shù)據(jù)庫中的12390個蛋白圖像數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)福铅，其中2292個（18%）顯示出同一種細胞間在表達水平和空間分布的異質性。圖1A顯示项阴，CCNB1滑黔，一種細胞周期調節(jié)因子，其細胞間豐度存在差異；而HMGSC1略荡，其表達在細胞核和胞質之間存在豐度和空間定位的差異庵佣。2292種蛋白中，66%表現(xiàn)出不同細胞類型間的異質性汛兜，如圖1B所示巴粪。表明這些蛋白質組變化可能是由保守的調節(jié)機制控制。
2. 有絲分裂期的蛋白
一個蛋白如果定位于有絲分裂結構中粥谬，則它必然直接參與細胞周期活動中肛根。本研究顯示有230種蛋白定位于一個或多個有絲分裂結構中（圖1D），其中99個是之前未發(fā)現(xiàn)的漏策，如胞質分裂橋中的C12orf66和DUSP11派哲，有絲分裂染色體上的BMS1，有絲分裂紡錘體上的TAF1D和FKBPL等蛋白哟玷。
3.分裂間期的單細胞蛋白基因組學
為了確定觀察到的細胞間差異是否與間期進展相關狮辽，作者使用FUCCI U-2 OS細胞進行了靶向單細胞成像蛋白基因組學分析(圖1E)一也。2292個細胞間差異蛋白中有1219個均在U-2 OS細胞中表達巢寡，利用免疫熒光對蛋白定位和豐度進行深入分析發(fā)現(xiàn)，這些蛋白表達的平均差異倍數(shù)（fold change）為6.89椰苟。結果顯示：一些細胞周期調節(jié)因子抑月，如ANLN，在細胞間期進程中核豐度增加舆蝴；有的蛋白如TRNT1和NFAT5谦絮，則未顯示明顯的變化（圖1F）。
4. 與細胞間期相關的蛋白
基于上述研究發(fā)現(xiàn)321個細胞間差異蛋白與細胞周期間期進展相關（ 圖2A）洁仗，與細胞周期依賴（CCD）蛋白對應的基因在GO分析中顯著富集于細胞分裂（圖2B）的生物學過程层皱。有趣的是，與非CCD蛋白對應的基因在任何GO生物過程中都沒有富集赠潦。當將GO富集分析限制為酶時叫胖，非CCD蛋白中與基本代謝功能（如ATP生成）或整個代謝途徑（如糖酵解）相關的通路得到富集（圖2C）。這些結果表明她奥，鑒定到的CCD蛋白確實參與了細胞周期過程瓮增，而與細胞周期無關的蛋白可能參與了包括代謝在內的各種不同的生物過程。亞細胞定位結果發(fā)現(xiàn)CCD和非CCD蛋白的定位存在顯著差異(圖2D)哩俭。非CCD蛋白定位在中間絲绷跑、核仁、核體和線粒體凡资，而CCD蛋白定位于核仁和有絲分裂結構中砸捏。
5.?細胞周期蛋白網(wǎng)絡的擴展
為了研究新的CCD蛋白是否與已知的細胞周期蛋白相關聯(lián)，作者使用STRING數(shù)據(jù)庫分析了蛋白-蛋白相互作用，結果顯示新發(fā)現(xiàn)的CCD蛋白參與了已知CCD蛋白相關的生物學過程垦藏。已知的CCD蛋白(通常在轉錄水平調控)緊密聚集在網(wǎng)絡的核心吩谦，而新發(fā)現(xiàn)的CCD蛋白形成了一個擴展的網(wǎng)絡(圖2E-F)。
6.?細胞周期中轉錄組和蛋白質組的時間動態(tài)
作者對細胞周期中RNA和蛋白表達時間進行了精確測量膝藕，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)RNA在G1期達到峰值式廷，而75%的蛋白質在S期和G2期達到峰值(圖3B、3C)芭挽。對50個CCD蛋白分析發(fā)現(xiàn)滑废，蛋白表達平均峰值比RNA延遲7.7小時（圖3D）。這是第一次報道單細胞水平上轉錄組和蛋白質組表達的時間差異袜爪。
7.?PTM與循環(huán)蛋白的穩(wěn)定性
PTM對細胞周期信號傳導很重要蠕趁，本文利用U-2 OS細胞的磷酸化蛋白質組學質譜數(shù)據(jù)分析了PTM的豐度。分析發(fā)現(xiàn)辛馆，相對于所有PTM的平均值俺陋，CCD蛋白上的PTM位點更多（圖3E），表明CCD蛋白具有更加嚴格的PTMs調控昙篙。而受轉錄周期調控的蛋白PTM位點較平均值低腊状，表明這些蛋白的PTMs調控較寬松，在轉錄調控中發(fā)揮著更大的作用苔可。蛋白質降解在細胞周期中也起著重要作用缴挖，本研究發(fā)現(xiàn)受轉錄調控的CCD蛋白穩(wěn)定性明顯低于非轉錄調控CCD蛋白（圖3F），表明通過這些蛋白降解來實現(xiàn)細胞周期的不同蛋白表達焚辅。
8. 細胞周期蛋白的時空分布
通過蛋白表達時間的對比分析映屋，可以獲得與已知的細胞周期蛋白具有高度相似模式的新的細胞周期蛋白，如本文新發(fā)現(xiàn)的ZNF32蛋白同蜻，與已知的CCD蛋白ORC6的表達模式相似(圖4A)棚点，而ZNF32被認為與肺腺癌相關。脫氫酶UGDH是一種新的CCD蛋白質湾蔓，免疫熒光和活細胞成像觀察到瘫析，其在G1早期從胞漿轉運到細胞核，隨后卵蛉，核豐度逐漸增加颁股，直到G2期達到峰值（圖4C)。此外，共同的亞細胞定位也是與已知的細胞周期蛋白相關聯(lián)的另一個途徑。如線粒體蛋白丙酮酸羧化酶(PC)在G2期(20.3小時)表達達到高峰冤馏，與TTC21B(19.1小時)具有相同的亞細胞位置和時間表達模式蚂斤。通過這些信息，本文將新發(fā)現(xiàn)的和已知的細胞周期蛋白與細胞器(如胞漿横缔、細胞核纠修、核仁和高爾基體)中相似的時間分布關聯(lián)起來祝拯，形成蛋白質的時空分布圖滤愕。
9 細胞周期蛋白與增殖相關
新的CCD蛋白在增殖組織中的基因表達明顯高于非增殖組織温算，表明其對細胞增殖的重要性（圖5A、5B）间影，基因共表達網(wǎng)絡分析發(fā)現(xiàn)注竿，在所有癌癥組織和正常增殖組織中，新的CCD基因到已知細胞周期基因的路徑明顯更短魂贬，而在低增殖組織和非增殖組織中巩割，路徑長度沒有顯著減少（圖5C），也說明了新的CCD蛋白與細胞增殖相關付燥。圖5D顯示宣谈，SiRNA使基因沉默后，導致了細胞增殖異常键科。CD2BP2在正常肝臟低表達闻丑，在肝臟腫瘤中高表達(圖5E)，提示CD2BP2的表達促進細胞增殖勋颖。因此嗦嗡，這些新的CCD蛋白可能成為新的癌癥診斷或治療靶點。
小結
通過該研究發(fā)現(xiàn)牙言，大約五分之一的人類蛋白質組顯示了細胞間的差異性酸钦，同時鑒定到數(shù)百種以前未知的與有絲分裂和細胞周期相關的蛋白質怪得，且其中部分具有致癌性咱枉。文章結果表明，只有26%的細胞間差異蛋白與細胞周期進程相關徒恋，而且大多數(shù)是在翻譯后被調控的蚕断。本研究最大的亮點是通過基于抗體的蛋白數(shù)據(jù)結合轉錄組數(shù)據(jù)以及基于質譜的PTM數(shù)據(jù)，在單細胞水平上對細胞周期蛋白進行了時間和空間的描述入挣，為人類細胞周期的研究亿乳、CCD蛋白質在腫瘤發(fā)生中的作用，以及細胞增殖的新臨床標志物的鑒定方面提供重要的資源径筏。
參考文獻
Diana Mahdessian, Anthony J. Cesnik, Christian Gnann, et al. Spatiotemporal dissection of the cell cycle with single-cell proteogenomics[J].Nature.?2021葛假，590(7847):649-654.
