簡述細(xì)胞蛋白水平與mRNA豐度間的依賴關(guān)系
近20年來，高通量技術(shù)的發(fā)展支持了大規(guī)模的基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組定量分析。這些數(shù)據(jù)被用來分析在不同系統(tǒng)和條件下轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組的定量關(guān)系。這些研究有時(shí)候會導(dǎo)致一些沖突的結(jié)論，尤其是究竟在何種程度上mRNA的量控制了蛋白質(zhì)的量。
基礎(chǔ)生命科學(xué)研究和轉(zhuǎn)化生命科學(xué)研究的一個(gè)核心問題是：基因組信息是如何通過自身的表達(dá)來決定表型的。中心法則將DNA、RNA和蛋白質(zhì)這三種分子緊緊聯(lián)系在了一起。來源于同一基因座的轉(zhuǎn)錄本的量與蛋白的量之間的關(guān)系并不簡單。蛋白的表達(dá)水平除了被轉(zhuǎn)錄本的量調(diào)控以外，還存在其他許多重要的調(diào)控途徑。這些途徑包括(1)翻譯率：翻譯率受到mRNA序列的顯著影響，比如上游的開放閱讀框，內(nèi)部的核糖體結(jié)合位點(diǎn)；(2)翻譯率的調(diào)控：調(diào)控的方式有蛋白結(jié)合到轉(zhuǎn)錄本上的調(diào)控原件，非編碼RNA的結(jié)合，轉(zhuǎn)錄本與核糖體的結(jié)合能力；(3)蛋白質(zhì)的半衰期：泛素化途徑的降解或者細(xì)胞自噬不依賴于轉(zhuǎn)錄本的量；(4)蛋白質(zhì)合成的延遲：蛋白合成需要時(shí)間，因此轉(zhuǎn)錄的改變需要在一個(gè)短暫的延遲后才能影響蛋白的水平；(5)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)：蛋白在空間上被轉(zhuǎn)運(yùn)出了它所合成的地方。因此直接比較蛋白的豐度與mRNA的豐度是不可取的。
蛋白與mRNA的相互比較有兩種不同的形式。一種是(Figure 1A)在不同的個(gè)體、條件或者時(shí)間點(diǎn)，比較來源于同一個(gè)基因的蛋白與mRNA的量，這樣做是為了研究mRNA水平的變化在何種程度上影響了蛋白量的變化。另一種(Figure 1B)是比較多個(gè)不同的蛋白和與之對應(yīng)的mRNA的量，這樣做是為了研究在何種程度上蛋白水平能反應(yīng)mRNA的不同。
Figure 1. 不同形式的蛋白與mRNA相互較
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技術(shù)的進(jìn)步加深了我們對mRNA與蛋白水平關(guān)系的理解�；蚪M層面的研究需要高精度、高靈敏度和高準(zhǔn)確度的技術(shù)(Figure 2)。
Figure 2. 控制基因表達(dá)的一系列機(jī)制和與之相應(yīng)的定量手段
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過去20年來，質(zhì)譜技術(shù)已經(jīng)成為研究蛋白定性和定量的重要方法。作為一種全面的工具，質(zhì)譜支持大規(guī)模的相對和絕對定量，而且不需要抗體(Table 1)。
Table1 質(zhì)譜技術(shù)總結(jié)和用其研究mRNA與蛋白質(zhì)關(guān)系的代表性文獻(xiàn)
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在穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，mRNA的水平?jīng)Q定了蛋白質(zhì)的水平，而且蛋白質(zhì)的合成會有延遲(Figures 3A and 3B)。很難嚴(yán)格地定義“穩(wěn)定的狀態(tài)”，姑且認(rèn)為我們通常做組學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)收集的細(xì)胞，如果在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)(通常幾小時(shí))的蛋白或者mRNA水平保持相對恒定，則被看做是 “穩(wěn)定的狀態(tài)”。
在短暫的適應(yīng)期，轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控非常重要。如果改變細(xì)胞的生存環(huán)境和條件，細(xì)胞需要短暫的適應(yīng)期。這時(shí)如果僅僅只改變轉(zhuǎn)錄水平則太慢了，因此就需要轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控機(jī)制。提高現(xiàn)有轉(zhuǎn)錄本的翻譯速率能快速地合成新的所需蛋白，同時(shí)目標(biāo)性地降解蛋白質(zhì)，例如通過泛素途徑，可以加速清除無用蛋白甚至毒性蛋白(Figures 3B–3D)。按需表達(dá)的機(jī)制可以保證在信號刺激時(shí)細(xì)胞快速地響應(yīng)合成所需蛋白，而不是組成型地表達(dá)蛋白(Figures 3B)。另一方面，眾所周知，翻譯后修飾(也可以認(rèn)為是一種轉(zhuǎn)錄后調(diào)控)在短暫適應(yīng)期也非常重要。
由于能量和濃度的限制，細(xì)胞內(nèi)蛋白的合成和降解是平衡的。蛋白合成受到多方面的限制。一方面是能量和營養(yǎng)；另一方面是催化蛋白合成的調(diào)節(jié)機(jī)制。合成蛋白的代價(jià)要比合成mRNA的代價(jià)大得多，因此細(xì)胞要選擇最經(jīng)濟(jì)的辦法來解決蛋白合成的問題。盡管處在各種限制下，細(xì)胞都努力使蛋白保持在恒定水平，無論穩(wěn)態(tài)還是動態(tài)環(huán)境。這種物理的限制可以被用來優(yōu)化蛋白的擴(kuò)散速度、蛋白在細(xì)胞器間的轉(zhuǎn)運(yùn)和生化反應(yīng)速率(Figures 3E–3G)。在細(xì)胞內(nèi)，蛋白的拷貝數(shù)比mRNA的拷貝數(shù)多得多。一項(xiàng)研究表明，裂殖酵母在增殖期轉(zhuǎn)換到平衡期時(shí)，mRNA的拷貝數(shù)減少了將近70%，而蛋白拷貝數(shù)只減少了9.5%。
Figures 3 mRNA與蛋白質(zhì)動態(tài)關(guān)系的重要性
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蛋白質(zhì)的合成需要細(xì)胞分配資源，這種分配由轉(zhuǎn)錄調(diào)控開始。細(xì)胞生產(chǎn)一種蛋白的代價(jià)主要由蛋白的前體，蛋白的組成(比如分子量)和蛋白合成速率決定。研究表明在細(xì)菌代謝途徑中，合成高代價(jià)的酶通常受到多個(gè)轉(zhuǎn)錄速率調(diào)節(jié)；與之相反，合成低代價(jià)的酶僅受到幾個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)的控制，通常這種通路都是組成型表達(dá)。因此，合成高代價(jià)的酶受到嚴(yán)格的調(diào)控以避免 “浪費(fèi)”，低代價(jià)的酶即使它不被需要，依然可以被表達(dá)。轉(zhuǎn)錄調(diào)控反應(yīng)了最小代價(jià)合成蛋白與最大化功能之間的平衡。研究表明，在一個(gè)特定的細(xì)胞周期，如果想激活或者失活某個(gè)蛋白復(fù)合體，不必合成或者降解這個(gè)復(fù)合體的每個(gè)成員，只需調(diào)節(jié)一些關(guān)鍵的成員就足夠了。運(yùn)用這種經(jīng)濟(jì)的原則，細(xì)胞用最小的代價(jià)調(diào)控了蛋白復(fù)合體。但是，在多細(xì)胞生物中，這種優(yōu)化的機(jī)制可能不同。
細(xì)胞通過核糖體的使用來分配資源。細(xì)胞不得不靈活地利用翻譯機(jī)器原件，比如翻譯因子，tRNA，氨酰tRNA合成酶和核糖體。酵母蛋白翻譯的主要限制可能是競爭游離的核糖體，而非競爭氨酰tRNA。
高豐度蛋白的絕對與相對量的調(diào)節(jié)。上調(diào)高豐度蛋白的倍數(shù)比上調(diào)低豐度蛋白的倍數(shù)，需要更多的拷貝數(shù)，因此代價(jià)要大得多。高豐度蛋白通常通過高mRNA絕對水平和高效地翻譯產(chǎn)生。換言之，mRNA的量和翻譯速率與蛋白豐度正相關(guān)。但是，高表達(dá)蛋白的生產(chǎn)速率貌似已經(jīng)飽和，這種情況表明整體的翻譯已成為大多數(shù)高豐度蛋白的限制。這種限制很可能由于mRNA上核糖體飽和引起。因此，那些高豐度蛋白通常只有最低的蛋白變化率，通常執(zhí)行持家蛋白的功能。
另一方面，近期的研究表明蛋白合成速率的不同是決定蛋白拷貝數(shù)不同的主要因素(Figures 3F)。這種情況表明，mRNA的變化可以決定蛋白相對量的變化，轉(zhuǎn)錄后調(diào)控更多的導(dǎo)致蛋白絕對水平變化。因此，盡管翻譯后調(diào)控可能顯著地影響蛋白拷貝數(shù)，但是它可能不根本性地影響蛋白間的相對變化。
不同的空間，蛋白質(zhì)與mRNA的關(guān)系不同。不同的空間，比如細(xì)胞群和組織與單細(xì)胞，單細(xì)胞與亞細(xì)胞單位，同樣顯著地決定了蛋白量究竟在何種程度上反映了轉(zhuǎn)錄本的量。在組織里如果不對細(xì)胞類型加以區(qū)分，會導(dǎo)致對蛋白質(zhì)與mRNA的關(guān)系進(jìn)行錯(cuò)誤的評估。單細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)與相對應(yīng)的mRNA的相關(guān)性會降低，整個(gè)細(xì)胞水平與亞細(xì)胞水平的相關(guān)性也不同。
總而言之，在穩(wěn)定狀態(tài)蛋白水平很大程度上由轉(zhuǎn)錄本的量決定；而在動態(tài)階段，比如細(xì)胞分化或者應(yīng)激，轉(zhuǎn)錄后的過程可能會導(dǎo)致更多的改變。在很多場景中僅僅只依據(jù)轉(zhuǎn)錄水平無法充分地預(yù)測蛋白水平。因此要解釋清楚基因型與表型的關(guān)系，高質(zhì)量多層次基因表達(dá)的數(shù)據(jù)對完整地理解生物學(xué)過程必不可少。蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展為此提供了可能，iTRAQ、SILAC、SWATH等技術(shù)已廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等行業(yè)的研究。
參考文獻(xiàn)
Y Liu，A Beyer，R Aebersold.On the Dependency of Cellular Protein Levels on mRNA Abundance. Cell, 2016, 165(3):535-550
