《Nature》子刊:蛋白质组学大牛Ruedi 再出佳作!利用多层蛋白质组描绘肿瘤突变基因的深层分子机制全景图

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肿瘤的发生往往伴随着基因突变。然而,基因突变如何改变下游生理过程,从而导致肿瘤的产生,这其中的深层分子机制却知之甚少。7月16日,蛋白质组技术和应用领域最具代表性的引领者之一:苏黎世联邦理工学院的Ruedi Aebersold教授及其团队,在《Nature Communications》上发表了一篇堪称教科书典范的研究论文:Multi-layered proteomic analyses decode compositional and functional effects of cancer mutations on kinase complexes。作者以一个肿瘤驱动基因Dyrk2 (dual-specificity tyrosine-phosphorylation-regulated kinase 2) 为例,利用了DIA/SWATH蛋白质组学、DIA/SWATH磷酸化蛋白质组学、互作蛋白质组、交联蛋白质组的多层蛋白质组学技术,系统揭示了Dyrk2基因突变是如何影响下游蛋白质表达及磷酸化修饰的分子机制。

实验设计


研究材料:

表达野生型Dyrk2及多种Dyrk2突变体的SF9/HEK293/HeLa细胞

技术方法:

DIA/SWATH蛋白质组学,DIA/SWATH磷酸化蛋白质组学,互作蛋白质组学(AP-MS,BioID-MS),交联蛋白质组学 

研究路线:

研究结果




1.挑选关键Dyrk2突变体




在COSMIC数据库中收录了100多种与肿瘤相关的Dyrk2突变信息。为进一步收敛研究范围,作者利用structure-ppi algorithm对这100多种突变产生的蛋白结构变异程度进行预测,从而选定6种可能造成最大蛋白结构或活性变异的突变体进行后续研究,分别是【P198L (PL), R378L (RL), S471L (SL), S471P (SP), S471X(SX)和K251R(KR)】。




2.Dyrk2复合体及Dyrk2突变体蛋白质互作研究




Dyrk2由于在生物体内会与另外三个蛋白EDD、DDB1及VPRBP形成复合体结构共同行使生物学功能。因此,作者首先利用AP-MS以及BioID-MS两种互作蛋白质学技术研究了包括Dyrk2在内的这4个蛋白在细胞内与其它蛋白的互作情况。结果显示,与Dyrk2复合体具有相互作用的蛋白包括DNA损伤修复相关功能蛋白、泛素化相关蛋白、核孔复合体、COP9信号复合体等多种功能类型蛋白(图1)。
图1. Dyrk2复合体蛋白互作网络图
然后,作者比较了Dyrk2突变体的互作网络,发现Dyrk2突变体的互作情况与原先发生了很大差异。突变体SX变化尤其显著,基本所有的蛋白互作都发生了改变(图2)。

图2. Dyrk2突变体蛋白互作网络差异比较




3. 利用交联蛋白比较Dyrk2及其突变体的空间拓扑结构差异




为进一步阐述为何Dyrk2突变会导致其互作功能发生改变,作者利用赖氨酸交联质谱对Dyrk2及其突变体的空间拓扑结构进行了分析。结果发现,Dyrk2突变体在拓扑结构上与野生型具有非常显著的差异(图3)。

图3. Dyrk2野生型、KR突变体及RL突变体的蛋白拓扑结构差异比较




4. 利用蛋白质组学及磷酸化蛋白质组学揭示Dyrk2突变后对细胞蛋白质组的全局扰动




由于Dyrk2本身是一个激酶,因此作者进一步对Dyrk2突变后细胞的蛋白表达和磷酸化修饰扰动进行了研究,希望能够更深入地阐述Dyrk2突变后对细胞蛋白质组的全局影响。通过DIA/SWATH蛋白质组以及DIA/SWATH磷酸化蛋白质组检测以及GO功能注释发现,Dyrk2突变后的整体蛋白表达差异不大,而磷酸化修饰发生比较显著的变化(图4)。其中,核孔复合体相关蛋白发生的磷酸化修饰差异尤其显著(图5)。

图4. 不同突变体表达后细胞的蛋白质表达差异(左)及磷酸化修饰差异(右)

图5. 磷酸化差异GO功能注释




5. 多组学数据整合讨论




最后,作者结合定量蛋白质组、磷酸化蛋白质组、作蛋白质组、交联蛋白质组等多个组学数据,汇总描述了一幅肿瘤驱动基因Dyrk2突变的深层分子机制全景图(图6)。Dyrk2突变除了会对DNA损伤修复,细胞增殖凋亡,核转运等多类蛋白产生影响外,也会对许多已知的癌症驱动基因起到调控作用。

图6. 多组学信息整合互作网络图


小编总结


(1) 本研究利用多种蛋白质组学技术,包括定量蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学、互作蛋白质组学(AP-MS,BioID-MS)、交联蛋白质组学,系统阐述了肿瘤驱动基因突变造成的下游分子机制响应。该研究策略堪称基因突变在蛋白质组水平教科书式的研究模式。

(2)近期Ruedi AebersoldMatthias Mann新冠最新研究进展-Matthias Mann团队利用多组学揭示冠状病毒对宿主的扰动机制)两位蛋白质组学领域大神,接连利用蛋白质组+磷酸化蛋白质组的策略发表了高水平的研究论文,蛋白质组+磷酸化蛋白质组可谓是蛋白质水平上进行机理研究的黄金搭档。更加值得注意的是,从技术维度来看,两位技术引领者也不约而同的选择了DIA蛋白质组DIA磷酸化蛋白质组的技术,预示着DIA相关技术的巨大应用前景和趋势。






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