Science：基因组到蛋白质组图谱揭示自然变异如何驱动蛋白质组多样性并塑造适应

每个生物体的基因组都包含一些突变，这些突变通常会产生未知的生物学效应。柏林夏里特医学院的研究人员与美国斯坦福大学合作，发现了一种预测酵母中多种突变效应的方法。这一发现的关键在于对蛋白质组（细胞内所有蛋白质的集合）的详细分析。研究团队认为，这种新方法将成为更好地理解分子机制（例如，在微生物对药物的耐药性不断增强的背景下）的宝贵工具。这项研究已发表在《科学》杂志上。

微生物是适应力的大师。即使是最小的基因变异也能帮助它们适应其栖息地不断变化、有时甚至是恶劣的环境条件。例如，对药物产生耐药性。“为了更好地评估病原体产生耐药性的风险，或开发新的和改良的药物，我们需要更好地理解不同基因变异与其导致的生物突变之间的关联，”夏里特医学院生物化学研究所所长、两位研究负责人之一的马库斯·拉尔瑟教授说道。“由于基因组测序技术发展如此迅速，我们现在可以很好地识别基因差异。然而，我们通常不知道这些差异对微生物生长或耐药性的影响，也不知道它们在哪些条件下会显著。” 

一窥分子黑匣子

要了解不同基因变异的影响，研究蛋白质组会有所帮助。蛋白质组就像齿轮组一样，控制和引导细胞活动，使一切正常运转。各种蛋白质就像齿轮一样相互啮合，相互影响。“例如，基因中的特定变异可能导致蛋白质不再产生，或者以不同的形式或数量产生。这实际上会极大地改变细胞的内部运作，”该研究的主要作者之一、柏林夏里特医学院 (BIH) 的约翰内斯·哈特尔博士说道。“由于蛋白质组本身的遗传变异导致其变化如此之大，它在很大程度上仍然是一个分子黑匣子。我们的研究表明，照亮这片黑暗是可能的，也是必要的。”

研究人员利用两种天然存在的酵母细胞菌株进行研究。酵母是属于真菌界的单细胞微生物。其中一种酵母菌株来自加州的一个葡萄园，另一种则分离自意大利一位免疫抑制患者。研究人员将这两种菌株进行了多代杂交。“这创造了近千种新的酵母菌株，其中亲本的遗传特征完全融合，”Johannes Hartl 解释道。杂交实验和随后的酵母菌株遗传分析在斯坦福大学的实验室进行。由 Markus Ralser 领导的夏里特医学院团队使用高通量筛选和质谱技术分析了不同菌株的蛋白质组。这使得他们能够清晰地识别不同的蛋白质，并精确地定量它们在细胞中的含量。

蛋白质组揭示分子基础

研究人员齐心协力，对海量数据进行了深入研究。目标是：找到单个基因变异与由此产生的蛋白质组变化之间的明确关联。“为了实现这一目标，我们比较了基因组和蛋白质组数据，并创建了一种图谱，展示了数千种基因变异对细胞中数千种蛋白质数量的影响，”Johannes Hartl 解释道。“为了验证我们发现的关联是否真的源于这种特定的基因变异，而不是细胞内的其他过程，我们使用 CRISPR/Cas‘基因剪刀’将基因变异插入到酵母的原始亲本菌株中，该菌株之前并不含有这种基因变异。然后，我们观察是否也能在这里找到相应的蛋白质组变化。”

研究人员进一步研究了一些基因变异及其相关的蛋白质组变化，并检测了它们的具体效应。例如，他们研究了酵母细胞在抗真菌剂（也称为抗真菌药物）的作用下是否能够存活。“抗真菌剂会结合并抑制酵母细胞膜重要组成部分生物合成所必需的酶。只要该药物阻断足够多的酶，细胞就会停止生长，”Johannes Hartl说道。“然而，在我们的基因组到蛋白质组图谱中，我们能够看到某些基因变异中这种酶的水平升高。实验表明，携带这种基因变异的酵母细胞对抗真菌剂的抵抗力更强。”

微小的基因突变可能会产生重大影响

研究还表明，许多基因变异——即使乍一看似乎“不起眼”——也可能产生深远的影响。研究人员观察到，在标准条件下，影响细胞中数百种蛋白质的基因变异没有明显影响。然而，当这些条件发生改变时，例如通过药物治疗或营养供应的变化，这些变异就会对细胞生长产生显著影响。

Markus Ralser 强调：“基因组到蛋白质组图谱是揭示分子生物学关联、理解突变和遗传差异影响的杰出工具。因此，我们现在更容易了解许多蛋白质的功能和相互作用，从而能够更好地预测它们可能如何产生耐药性并适应新环境，例如以人类为宿主。” 因此，在后续研究中，研究人员希望将这种方法扩展到导致人类特别严重感染的真菌病原体。