编辑推荐：
蛋白质周转信息提供了新的见解，并可能指导研究人员建立更准确的阿尔茨海默病模型。
在商业领域，“人员流动”（turnover）一词可能带有负面含义，意味着无法长期保持团队的稳定。然而，人员流动及其带来的变化本身并不一定是坏事，实际上，它是不可避免的。管理人员流动需要在预期和意外之间找到平衡——这与细胞中蛋白质的动态平衡有着异曲同工之妙。
蛋白质是细胞中的“工作主力”：它们被运输到工作场所，完成任务，最终被降解。然而，蛋白质的生命周期时间跨度差异很大，有些工作需要更长寿的蛋白质。蛋白质的更新换代（turnover）是维持蛋白质水平以支持细胞需求的关键过程。蛋白质水平的波动，无论是不足还是过剩，都可能导致疾病。因此，来自圣裘德儿童研究医院结构生物学和发育神经生物学系的Junmin Peng发了用于监测细胞和组织中蛋白质更新换代的方法和技术。
“要真正理解蛋白质降解，我们需要测量三个要素：蛋白质的丰度、蛋白质泛素化水平，以及最终的蛋白质更新换代速率，”Peng博士解释说，“我们对前两个要素已经理解了很长时间，但对蛋白质更新换代的理解还不够全面。”
蛋白质的丰度（即蛋白质的数量）必须受到调控，以确保任务在合适的时间、程度和位置完成。蛋白质泛素化是将一个泛素标签附着在不需要的蛋白质上的过程，为细胞的回收系统提供将其降解的指令。虽然蛋白质的丰度和泛素化水平可以直接测量，但蛋白质的更新换代则更为复杂。
这是因为被降解的蛋白质的氨基酸并不会被丢弃，而是被回收利用。“一旦蛋白质被降解成氨基酸池，”Peng博士说，“这些氨基酸会在细胞内被回收利用，因为细胞不会轻易丢弃宝贵的氨基酸构建模块。”
鉴于此，研究人员通过同位素标记来估算蛋白质的更新换代，他们将氨基酸追踪器整合到蛋白质的供应链中。然而，这种方法只能提供一个表观的更新换代速率，因为系统中仍然存在被回收的氨基酸。
Peng博士希望改进这种方法以找到真正的更新换代速率，因此他转向了质谱分析和数学建模。他的实验室倡导一种基于微分方程的新型质谱分析流程，名为JUMPt，该流程能够更准确地处理蛋白质更新换代的数据。
为了深入研究不同组织中的蛋白质更新换代，Peng博士与耶鲁大学医学院的Yansheng Liu合作，将互补的技能引入项目。“在蛋白质组学中，有两种主要的蛋白质分析方法：数据非依赖采集（DIA）和串联质谱标记（TMT），”Peng博士解释说，“我们进行了TMT实验，然后将完全相同的样本送到刘Liu博士那里进行DIA实验。这为我们提供了两组独立的数据，以相互验证彼此的工作。”
在所有条件都具备的情况下，Peng博士和Liu博士开始了他们的合作。研究团队测量了八种小鼠组织和九个脑区的蛋白质丰度和更新换代速率，并编制了一个包含11,171种独特蛋白质信息的综合图谱，名为Tissue-PPT。这项最近发表在《Cell》杂志上的研究，将哺乳动物组织中记录的蛋白质更新换代速率的数量增加了三倍。
通过分析RNA水平、蛋白质丰度和蛋白质更新换代速率之间的相关性，研究人员发现，作为一个“复合体”共同工作的蛋白质往往具有相似的更新换代速率。这揭示了一个之前未被充分认识到的协调层次。他们还发现，蛋白质更新换代调节了许多过程，包括新蛋白质的合成（翻译）。最后，研究人员揭示了磷酸化（一种可以影响蛋白质功能的蛋白质修饰）在许多蛋白质的更新换代中的重要性。
Peng博士认为这个图谱将成为该领域的一个分水岭。“目前，我们正在从整体水平分析蛋白质更新换代，但这种方法可以扩展到研究蛋白质更新换代在不同应激条件下或疾病状态下的变化，甚至可以在单个细胞水平上进行，”他说，“这项工作是首次大规模分析，为该领域的未来研究奠定了基础和基调。”
阿尔茨海默病模型的局限性？ Tissue-PPT数据集显示，磷酸化调节了参与神经退行性疾病的蛋白质的稳定性，例如tau蛋白。像阿尔茨海默病这样的神经退行性疾病是Peng实验室特别关注的对象。两种蛋白质，β-淀粉样肽和tau蛋白，在阿尔茨海默病中被发现会积累，但它们的积累机制不同。β-淀粉样肽由于更新换代缓慢而积累，而tau蛋白则是由于过度磷酸化形式的聚集而积累。
在2020年发表在《神经元》杂志上的一项研究中，Peng博士对阿尔茨海默病患者大脑的蛋白质组学景观进行了全面探索。小鼠模型对于理解人类疾病和测试潜在治疗途径至关重要。已经开发出许多不同的小鼠模型来研究阿尔茨海默病，但没有一个模型似乎能够完全捕捉到该疾病。为了理解这些不同的小鼠模型与人类疾病之间的关系，Peng团队在《自然·通讯》杂志上发表的一项新研究中采用了一种蛋白质组学方法。他们发现，每个小鼠模型只能重新捕捉到阿尔茨海默病进展过程中大约20%或更少的分子事件。当结合四个小鼠模型的数据时，发现仍然只反映了人类疾病中40%的分子事件。
“每个小鼠模型都有其自身的优势，能够捕捉到阿尔茨海默病中发生的特定分子事件，但即使将它们结合起来，我们仍然错过了人类中发生的一半以上的情况，”Peng博士说，“这突显了小鼠模型的局限性：它们根本无法完全复制人类生物学的复杂性。”
蛋白质更新换代为阿尔茨海默病研究中RNA-蛋白质不一致性提供了新的解读角度？ 这项研究的另一个有趣发现是，不能从RNA水平准确推断蛋白质水平。Peng实验室比较了人类和小鼠样本中的RNA和蛋白质数据。他们发现，30%的数据在RNA和蛋白质之间存在不一致性。他们提出，这些不一致性在于这些蛋白质的降解速度。
虽然RNA水平决定了大多数蛋白质的丰度，但蛋白质更新换代也是一个强有力的调节器，正如新的Tissue-PPT图谱所展示的那样。“我们分析了我们在小鼠模型中能够检测到的所有蛋白质的更新换代，”Peng博士说，“我们发现，一些我们认为在小鼠中积累的关键成分并不是由RNA调节的。相反，它们具有较慢的蛋白质更新换代速率。”
许多这些蛋白质聚集在淀粉样斑块中，这是阿尔茨海默病的标志性特征。这促使该团队将这一系列蛋白质命名为“淀粉样蛋白组”——本质上是淀粉样斑块的蛋白质组。
Peng博士并没有将这一发现视为阿尔茨海默病研究的坏消息，而是乐观地认为这将指导研究人员为他们的研究选择最佳模型。“如果你想使用小鼠模型研究某一特定途径或特定成分，我们的数据将使你能够选择能够准确反映该特定途径的模型，”他说道。
这项研究的成果将有助于确保未来能够更准确地考虑和研究蛋白质更新换代这一复杂的动态过程——以及它对疾病的影响。
生物通微信公众号
生物通 版权所有
