多组学新趋“饰”｜4D蛋白组+修饰组+代谢组创新应用方案

蛋白质组学是多组学研究的“桥梁”。一方面，蛋白质丰度和蛋白质的翻译后修饰会影响代谢产物的表达谱；另一方面，代谢物浓度不仅影响蛋白表达量，更是通过介导蛋白质的翻译后修饰发挥调控作用。因此，蛋白代谢多组学已成为代谢机制研究的主流方向之一，特别是“代谢组”与“修饰组”的结合更是拓展了代谢研究的边界。

景杰生物采用领先的全新一代4D蛋白质组学定性/定量服务，深入的修饰蛋白质组学分析，多种样品的靶向和非靶向代谢组学分析服务，结合可定制化的生物信息学分析方法，提供极具特色的蛋白组+修饰组+代谢组三组整合分析服务，从而更系统全面地解析生物分子功能和调控机制。

应用领域

生物医学方向

1）基础医学、临床诊断-包括生物标志物（蛋白+修饰肽+代谢物及组合），疾病机理机制，疾病分型等研究；

2）生物医药-药物作用机理，药效评价，药物开发等研究。

农业方向

植物生理研究，营养评价、抗性研究等。

微生物领域

病原体-宿主相互作用、致病机理，耐药机制研究等。

食品营养

食品储藏及加工条件优化，食品组分及品质鉴定，功能性食品开发等。

技术优势

先进平台，质谱双核

拥有Bruker (timsTOF Pro2/timsTOF Pro)、Thermo Fisher (Exploris 480、HF-X、Fusion Lumos)，提供高质量组学数据。

全新一代，4D组学技术

独特4D质谱技术，大幅提升组学鉴定深度与准确度。

全新视角，三组联合

独特“蛋白组、修饰组、代谢组”三组联合应用方案，打开代谢调控研究新视角。

经验丰富，系统方案

超11年组学研究经验，PTMab自有抗体开发平台，研究+验证+转化，快捷 “一站式” 系统服务。

新型修饰，代谢“C位”

提供乳酸化、巴豆酰化、琥珀酰化等8种新型酰化修饰，破译代谢研究“核心”密码。

蛋白组+代谢组

蛋白组是从蛋白整体水平上对细胞内蛋白质的组成、活动规律及蛋白质与蛋白质的相互作用进行研究。代谢组通过检测生物体在受到外源刺激或基因修饰后其体内代谢物质的变化，从而探索整个生物体的代谢机制。蛋白组和代谢组紧密联系，蛋白水平会影响代谢产物的表达谱，而代谢物浓度又会影响蛋白表达量。

图1 代谢物作为基因和蛋白质活性的活性调节剂

对生物样本进行蛋白组和代谢组关联分析可以相互验证和相互补充。代谢组分析可以帮助蛋白组数据在功能上进行解释，而蛋白组分析通过突出参与的酶或酶促途径，更好地理解代谢组学数据。两者的组合能够更好地解释疾病或外界刺激的分子机理和不同组学对通路的调控机制，更直观地了解代谢物、酶及基因之间上下游的调控关系。

应用案例

01 蛋白组+代谢组+脂质组+转录组

Cell 封面文章 | 蛋白组+代谢组破解运动有益健康之谜

该研究运用蛋白组+非靶代谢组+脂质组+转录组的产品组合，首次全面地分析运动在分子水平上对人体的影响。研究发现运动之后，近10000个涉及能量代谢、氧化应激、炎症、组织修复、生长因子反应，以及各种调节途径的分子，发生了剧烈的变化。

实验设计：该项研究共招募了36名志愿者，禁食后在跑步机上进行有氧运动。在志愿者达到了峰值耗氧量后（跑了8~12分钟）的2分钟、15分钟、30分钟和60分钟采集其血液样本。进行蛋白组、代谢组、脂质组和外周血单个核细胞（PMBCs）的转录组分析（下图所示）。

研究一共涉及17662个分子，其中包括15855个转录子，260个来自于非靶向分析的蛋白质，109个靶向定量蛋白质，728个代谢物和710个脂质。

生信分析揭示运动对脂质、代谢物和蛋白质分子的影响。运动后早期关键的生物过程主要包括能量代谢、氧化应激和免疫反应，而运动后的晚期则为能量平衡、组织修复和重塑。并进一步使用c-means聚类分析，将脂质、代谢物和蛋白质根据变化趋势不同分成了4个集群。

图2 研究技术路线示意图

02 4D蛋白组+非靶向代谢组

Sci Transl Med｜新发现NLRP3炎症小体抑制剂——黄原酮

研究筛选并发现了一种小分子天然化合物黄原酮（Xanthone），是新的NLRP3炎症小体抑制剂，能通过NLRP3-IL-1β轴在小鼠角膜炎模型中发挥抗炎作用。4D蛋白组技术+非靶代谢组产品组合进一步发现xanthone通过代谢重塑巨噬细胞，恢复其线粒体健康，从而抑制NLRP3炎症小体的活化。

4D蛋白组和非靶代谢组对xanthone治疗前后巨噬细胞进行联合分析（下图F）。研究发现xanthone处理可重塑细胞代谢，表现为从糖酵解到柠檬酸循环的剧烈转变，酶蛋白水平的轻微变化（下图G-J）。GO富集分析显示差异主要在线粒体蛋白复合物和内膜，且Xanthone可显著上调细胞对应激的反应（下图M）。

进一步将得到的数据与MitoCartaDB线粒体蛋白质数据库进行比对，结果表明xanthone上调了线粒体结构相关基因，而control组细胞则更多地富集了线粒体翻译相关基因（下图N）。总之，研究结果阐明了黄原酮代谢重组巨噬细胞，使其恢复线粒体的适应性和有限的NLRP3炎症体激活。

图3 代谢重组巨噬细胞恢复线粒体适应性

蛋白组、修饰组、代谢组

三组联合应用方案，通过比较蛋白组+修饰组+代谢组三者之间的异同与相关关系，能够更进一步地系统全面地解析生物分子功能，更深入揭示蛋白质、翻译后修饰与代谢物间的潜在调控机制。

图4 代谢物引起翻译后修饰

应用案例

01蛋白组+修饰组+代谢组

Cell：蛋白组+修饰组+代谢组揭示菌血症早期预测和致病的分子特征

该研究运用TMT蛋白质组学+修饰组+非靶代谢组产品组合，对200余份金黄色葡萄球菌菌血症（SaB）患者血清样本进行分析，描述了宿主在感染早期产生的免疫应答生物标志物全景，提供了通过进一步的标志物解析预测患者死亡风险的可能性。

实验设计：收集正常人（25例）、SaB幸存患者（99例）以及SaB死亡患者（76例）的血清样本，使用TMT定量蛋白质组学、翻译后修饰以及代谢组学方法进行分析，全面揭示SaB宿主-病原体相互作用。

通过多组学方法，研究定义了许多可以准确预测 SaB 患者死亡率的特征和多变量模型。这些特征可以与先前报道的细胞因子标志物配对，用更敏感的免疫测定法进行量化，以提高预后价值。

修饰组学研究鉴定到多种与SaB相关的翻译后修饰，其中糖肽可作为更精确的生物标志物，并揭示了死于感染的患者血清蛋白的氨甲酰化。相比蛋白及代谢物，修饰肽显示出更强的预测能力。

图5 SaB患者血清的蛋白多组学分析（点击图片跳转原文）

02 蛋白组+磷酸化修饰组+乙酰化修饰组+代谢组

Cell Metab：线粒体蛋白质乙酰化调控运动的最大氧化能力

实验设计：该研究运用蛋白组+磷酸化修饰组+乙酰化修饰组+代谢组的组合产品，揭示了体能与代谢和翻译后修饰的重要关系。代谢组研究发现运动能力大鼠表现出更加高效的运动燃料选择，修饰组研究发现，高运动能力大鼠具有更强的线粒体蛋白去乙酰化能力。线粒体蛋白的去乙酰化可能是驱动运动体能和高效燃料选择的原因。

代谢组分析：在休息（0 分钟）、10 分钟（LCR 的平均耗尽时间）和 45 分钟（HCR 的平均耗尽时间）对大鼠亚组 (n=4-6) 进行采样，对其血浆和腓肠肌中的代谢物进行分析。研究发现，高运动能力大鼠表现出更加高效的运动燃料选择，其糖原消耗延迟，脂肪酸消耗增强，支链氨基酸利用率增强。

蛋白组分析：能源物质的选择受酶可用性和活性的控制，因此研究人员进一步在休息和运动 10 分钟后，从 HCR 和 LCR 趾长伸肌中分离线粒体，运用蛋白组+磷酸化修饰组+乙酰化修饰组技术进行分析。研究发现，高运动能力大鼠具有更强的线粒体蛋白去乙酰化能力，而该去乙酰化能力可能是驱动高效燃料选择的原因。

图6 线粒体蛋白质乙酰化调控运动的最大氧化能力

景杰生物极具特色的蛋白组+修饰组+代谢组三组整合分析服务，采用领先的全新一代4D蛋白质组学定性/定量服务，深入的修饰蛋白质组学分析，多种样品的靶向和非靶向代谢组学分析服务，结合可定制化的生物信息学分析方法，从而更系统全面地解析生物分子功能和调控机制。

参考文献：

1. Contrepois K, et al. 2020. Molecular Choreography of Acute Exercise. Cell.

2. Cui W, 2021. et al. Screening-based identification of xanthone as a novel NLRP3 inflammasome inhibitor via metabolic reprogramming. Clinical and Translational Medicine.

3. Contrepois K, et al. 2020. Molecular Choreography of Acute Exercise. Cell.

4. Overmyer K , et al. Maximal Oxidative Capacity during Exercise Is Associated with Skeletal Muscle Fuel Selection and Dynamic Changes in Mitochondrial Protein Acetylation. Cell Metabolism.