多组学分析发现ATF4是哺乳动物线粒体应激反应的关键调控因子.docx

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多组学分析发现ATF4是哺乳动物线粒体应激反应的关键调控因子

文献解读:多组学分析发现ATF4是哺乳动物线粒体应激反应的关键调控因子基本信息题目:Multi-omics analysis identifies ATF4 as a key regulator of the mitochondrial stress response in mammals期刊:J.Cell Biol.影响因子:7.955主要技术:转录组学,蛋白质组,代谢组及联合分析研究背景线粒体结构与功能的改变涉及人类100多种疾病,如退行性疾病、唐氏综合症、糖尿病、心脏病、衰老和癌症等。线粒体是控制细胞凋亡的关键因素。这些都与线粒体基因组、转录组表达谱和蛋白质组表达谱有着密切的联系。由于线粒体在能量生产、信号传递和新陈代谢等方面的重要作用,可以预测线粒体内存在值得期待的蛋白质。基因表达不仅仅是从转录组到蛋白质组的单向流动,而是两者的相互连接。要了解转录组和蛋白质组之间的相互调控作用,需要对RNA和蛋白质的表达进行同步监测。通过分析四种线粒体应激处理后细胞转录组、蛋白质组和代谢组的变化,发现ATF4基因是线粒体应激调控的关键基因。研究内容及结果1. 线粒体应激处理后有效改变线粒体功能作者分别用四种物质(doxycycline四环霉素、actinonin放线酰胺素,FCCP碳酰氰-4-三氟甲氧基苯腙和MB(MitoBloCK))对Hela细胞进行处理,发现线粒体膜电位能力出现不同程度的改变,其中以FCCP的应激效果最好(Figure.1B),且除了doxycycline四环霉素处理外,其余处理都有效提高了线粒体的活性氧自由基(Figure .1C和D)。图1. 四种不同应激条件OCR表达值2. 不同线粒体应激处理后转录组、蛋白质组、代谢组变化作者分别用四种物质(doxycycline四环霉素、actinonin放线酰胺素, FCCP碳酰氰-4-三氟甲氧基苯腙,和MB)对Hela细胞进行处理,时间24h,后通过转录组测序,蛋白质质谱分析(TMT)及高通量非靶向代谢组检测技术(Figure 2A)。从转录组及蛋白质的分析结果来看,共鉴定出15174 转录本及8067个蛋白质,其中线粒体中的差异基因及蛋白分别占到1053及878个,占比分别为6.9%及10.8%。通过聚类分析结果显示,与actinonin放线酰胺素, FCCP碳酰氰-4-三氟甲氧基苯腙及MB诱导结果相比, doxycycline诱导效应相对较弱,不是很显著(Figure 2C 和D)。在FDR<0.05的参数设置下,对不同诱导条件下的差异表达基因及蛋白进行统计分析鉴定(Figure 2E)。结果显示,actinonin放线酰胺素和MB诱导条件下,转录组水平的诱导响应较为显著,而在doxycycline四环霉素及FCCP碳酰氰-4-三氟甲氧基苯腙的诱导下的Hela细胞,其蛋白质组水平诱导较为显著。同时作者发现,在所有的诱导条件下,线粒体水平上的差异变化,蛋白质组层面比转录组层面的变化较为显著,其线粒体差异基因表达量百分比约为其他基因的3倍左右(Figure 2E)。有效的证明了不同应激处理条件下线粒体在转录组层面及蛋白质组层面发生了有效的变化。图2. 不同应激处理条件下转录组及蛋白质组层面变化3. 不同线粒体应激处理导致氨基酸代谢途径及生物合成途径发生变化作者通过对上调的基因和蛋白质进行分析验证,发现59个基因上调,只有17个蛋白质上调(Figure.3A ),上调主要发生在转录组水平,并且集中在线粒体基因的上上调数为4个genes,2个蛋白质,说明了压力诱导产生的表达量变化不集中在线粒体层面上。作者通过转录组及蛋白质组的KEGG富集分析结果中发现,主要集中与氨基酸代谢途径(Fig.3B),尤其是丝氨酸代谢途径相关的生物合成过程,并发现色氨酸合成过程上调的关键酶主要是PSAT1、PSPH及PHGDH以及SDSL。图3. 不同应激处理条件下代谢组层面鉴定色氨酸合成途径关键酶4.不同线粒体应激处理改变细胞代谢产物作者通过代谢组方法,研究4种不同处理条件下细胞代谢产物的变化。代谢组数据鉴定到约300个有注释的代谢物质,通过聚类分析及热图的分析结果显示,代谢产物趋势与转录组和蛋白质组整体上趋势保持一致。其中doxycycline四环霉素处理组产生的影响效果更加显著。通过差异表达分析及富集分析显示:不同应激处理后响应效果最明显的为甘油磷脂及鞘磷脂代谢途径(Figure.4B),并发现四种应激处理后明显上调或下调的代谢产物基本保持一致,包括ceramide神经酰胺,CDP-ethanolamine乙醇胺,及几种溶血磷脂酰胆碱lysophosphatidycholine、lysophosphatidylethanolamine(Fig. 4D)。这些代谢产物的变化充分说明了丝氨

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