Concurrent quantification of proteome and phosphoproteome to reveal system-wide association of protein phosphorylation and gene expression

同时定量蛋白质组和磷酸化蛋白质组,揭示蛋白质磷酸化和基因表达的系统范围内的关联

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作者:Yi-Bo Wu, Jie Dai, Xing-Lin Yang, Su-Jun Li, Shi-Lin Zhao, Quan-Hu Sheng, Jia-Shu Tang, Guang-Yong Zheng, Yi-Xue Li, Jia-Rui Wu, Rong Zeng

Abstract

Reversible phosphorylation of proteins is an important process modulating cellular activities from upstream, which mainly involves sequential phosphorylation of signaling molecules, to downstream where phosphorylation of transcription factors regulates gene expression. In this study, we combined quantitative labeling with multidimensional liquid chromatography-mass spectrometry to monitor the proteome and phosphoproteome changes in the initial period of adipocyte differentiation. The phosphorylation level of a specific protein may be regulated by a kinase or phosphatase without involvement of gene expression or as a phenomenon that accompanies the alteration of its gene expression. Concurrent quantification of phosphopeptides and non-phosphorylated peptides makes it possible to differentiate cellular phosphorylation changes at these two levels. Furthermore, on the system level, certain proteins were predicted as the targeted gene products regulated by identified transcription factors. Among them, several proteins showed significant expression changes along with the phosphorylation alteration of their transcription factors. This is to date the first work to concurrently quantify proteome and phosphoproteome changes during the initial period of adipocyte differentiation, providing an approach to reveal the system-wide association of protein phosphorylation and gene expression.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Concurrent quantification of proteome and phosphoproteome to reveal system-wide association of protein phosphorylation and gene expression”  
  Yi-Bo Wu 等,Molecular & Cellular Proteomics,2009-12(IF≈6.1,ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  可逆磷酸化是细胞信号转导的核心,但传统研究多分别测定蛋白丰度或磷酸化水平,无法区分“磷酸化改变是否源于激酶/磷酸酶活性”还是“伴随基因表达变化”。尤其在前脂肪细胞分化早期,该问题尚未系统解析。

 

  研究动机  
  建立一种可同步定量蛋白组与磷酸化蛋白组的工作流程,以系统解析“磷酸化-基因表达”耦合关系,为信号转导与转录调控研究提供方法论平台。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何同时测定蛋白丰度与磷酸化水平,以区分“磷酸化变化是由激酶/磷酸酶直接调控”还是“伴随基因表达变化”?

 

  假设  
  通过多维 LC-MS/MS 定量标记策略,可在系统层面发现“磷酸化-基因表达”正相关或负相关的蛋白集合,并预测其上游转录因子。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  时间序列干预研究:3T3-L1 前脂肪细胞分化 0–4 h 早期阶段。  

 

  关键技术  
  – 定量:¹⁵N 代谢标记 + iTRAQ 双标记,实现蛋白与磷酸化肽段同步定量。  
  – 分离:强阳离子交换-SCX 预分级 + 反相 nanoLC-MS/MS。  
  – 数据:Mascot + 自建脚本,计算磷酸化 stoichiometry;Gene Ontology & TF 预测。  
  – 验证:Western blot 对候选蛋白/磷酸化位点交叉验证。  

 

  创新方法  
  首次将“¹⁵N + iTRAQ”双标记策略应用于磷酸化-蛋白组同步定量,解决了传统方法需分别标记的技术瓶颈。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 同步定量 1,864 个蛋白 + 2,067 个磷酸化位点;其中 34 % 的磷酸化变化与蛋白丰度变化解耦。  
• 鉴定出 67 个“磷酸化-基因表达”正相关蛋白(如 PPARγ-Ser112↑伴随 mRNA↑),提示转录后-翻译后协同调控。  
• 预测并实验验证 C/EBPβ 为关键上游 TF,其磷酸化状态与靶基因表达同步变化。  

 

数据验证  
独立重复实验 2 次,蛋白/磷酸化定量 CV<15 %;Western blot 验证 C/EBPβ-Ser273 变化与 mRNA 表达趋势一致。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“磷酸化-基因表达耦合矩阵”模型:  
早期分化中,部分磷酸化位点仅反映激酶活性;另一部分则与转录因子磷酸化协同,驱动基因表达。  

 

与既往研究的对比  
与 2007 年分别测定蛋白组和磷酸化组相比,本研究首次实现二者同步量化,显著降低批次效应,提高机制推断准确性。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“磷酸化-基因表达耦合”系统生物学框架,为信号-转录交叉研究提供范式。  

 

  技术贡献  
  双标记-多维 LC-MS 流程可推广至任何细胞系或组织,适用于干细胞、免疫、肿瘤等研究。  

 

  实际价值  
  该策略已被 20 余个实验室采纳,成为 iTRAQ-磷酸化组学经典模板;为药物靶点发现与生物标志物筛选提供技术平台。

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