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Cell Systems:多組學分析揭示干細胞多潛能分期進展的動力學

發布時間: 2019-06-10
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多潛能性(pluripotency)是指高等植物細胞,在伴隨胚胎發育的同時逐漸喪失了發育成個體的能力,僅具有分化成有限細胞類型以及構建組織的潛能的特性。比如我們熟知的干細胞就是一種具有多潛能性的細胞。近日,美國國立衛生研究院的研究人員在國際專業學術期刊Cell Systems上發表了一篇采用多組學的分析方法揭示多潛能分期進展的動力學的文章。


Cell Systems:多組學分析揭示干細胞多潛能分期進展的動力學


多潛能干細胞是高度動態和持續發展的,多潛能性的原始態(naive)和始發態(primed)這兩種狀態在之前已經被深入研究過,但是對兩者的中間狀態和轉換過程知之甚少。在本研究中,研究人員通過研究從原始態到始發態的多潛能性的胚胎干細胞的蛋白質組學磷酸化蛋白質組學轉錄組學表觀基因組學,綜合性地分析了胚胎著床前到著床后胚層分化的多能態轉變動力學,結果發現磷酸化蛋白質組學具有快速、急性和廣泛變化的特點,且優先于其他三類組學的有序變化。通過本研究,研究人員對潛能性階段進展的多層控制提出了新的見解,并為調控潛能性狀態轉變的模型機制奠定了基礎。


Cell Systems:多組學分析揭示干細胞多潛能分期進展的動力學

Cell Systems:多組學分析揭示干細胞多潛能分期進展的動力學
文獻精讀


1. 胚胎干細胞多能性的多組學圖譜


為了揭示蛋白質組學、磷酸化蛋白質組學,轉錄組學和表觀基因組學在從原始態(naive)到始發態(primed)多能性轉變過程中的時間動力學,有研究人員使用了一個先前驗證過的系統來誘導小鼠原胚胎干細胞ESCs?植入上胚層樣細胞(EpiLCs)。在由ESCEpiLCde 72h轉變期內,研究人員采用基于質譜的蛋白質組學和磷酸化修飾組學,再結合二代測序技術,對不同時間點進行了檢測,從而繪制了蛋白質組學、磷酸化修飾組學、轉錄組學和表觀基因組學的圖譜。


值得一提的是,為了提高蛋白質組測定的覆蓋率,研究人員采用了基于SCXStageTip分餾法。此外,?應用EasyPhos技術也獲得了不錯的磷酸化肽段覆蓋度,在單次運行中可定量超過15000個磷酸化肽段。研究再所有的樣本中共鑒定到包含有37619個磷酸化位點的30726個磷酸化肽段,其中有超過80%26180的可定量磷酸化位點具有高的位點可能性0.9612個不同時間點的多組學分析結果表明,共有17,866個磷酸化位點和超過一半的磷酸化位點14,103被定量。研究人員從蛋白質組學的結果中鑒定到超160000條不同的肽段,此外,在所有的樣本中有10597個蛋白可定量,在每個樣本中有9250個蛋白可定量,綜上可以看出蛋白質組學檢測具有相當高的覆蓋度。


圖片3.png?圖1?高時間分辨率多組學圖譜


此外,研究人員應用RNA-seq技術繪制了8個時間點的轉錄組圖譜,總檢測到16,734個轉錄本,對應13,600個獨特基因。通過從同上8個時間點收集的染色質的免疫沉淀測序ChIP-seq分析,鑒定了數千個轉錄活性與平衡基因。


2. 磷酸化組動力學變化優先于表觀基因組,轉錄組和蛋白質組


為了解改變細胞特性的分子事件順序和時間動力學,研究人員檢測了ESCs多潛能性的多個階段的蛋白質組學、磷酸化修飾組學,轉錄組組學和表觀基因組,研究這四個組學變化的時間,規模和程度。結果顯示磷酸化修飾組動力學先于表觀基因組,轉錄組學和蛋白質組學發生變化。


結果表明約50%受調控的磷酸化位點在EpiLC誘導的15 min內被顯著修飾,其中約1/3的磷酸化位點最早在5 min時就發生改變了。相比之下,少于1%的蛋白組或轉錄組在起始的一小時內顯著改變。基因啟動子上的H3K4me3水平在EpiLC誘導一小時開始改變,是伴隨著轉錄組平緩和廣泛變化發生的表觀基因組變化的第一個跡象。轉錄組在第6 h后顯著改變,蛋白質組的廣泛變化直到誘導后約12小時才明顯展露,這大概是因為與蛋白質合成與成熟的相關潛在因素存在。這些研究數據表明在多能狀態轉換中信號傳導的先驅作用。


圖片4.png

圖2 ESC到EpiLC轉化過程中不同組學的時間動態


在上述基礎上,研究人員針對磷酸化位點、轉錄本和蛋白質動態調節的變化幅度進行了研究。?結果顯示蛋白質磷酸化存在最大程度的變化,且變化幅度更為廣泛,這表明磷酸化蛋白質組在這種轉變過程中比蛋白質組更具動態性。從具體分析mRNA,蛋白質和磷酸化水平受到差異調節的基因中得出,與蛋白質水平顯著變化無關的這些受調控的磷酸化位點狀態的變化可能會改變蛋白質活性,位置,組成及互作,從而體現出動態磷酸化在多潛能性階段性進展過程中起關鍵作用。


3. ERK信號傳導分析


為闡明當細胞經過多能性的不同階段轉變時,發生的信號事件、發生的時間和順序,研究人員結合CLUE算法和激酶注釋,鑒定到4個激酶底物ERK / S6K / RSKmTORp38aAKT)。隨后檢測了激酶ERK1ERK2的磷酸化動力學,結果顯示在誘導后約1小時發生快速去磷酸化,這一結果符合MS的磷酸化數據,同時WB實驗也證實了ERK1 / 2的瞬時活化,而在蛋白質或mRNA水平上沒有發生大的變化。ERK信號受負反饋環嚴格控制,且ERK1 / 2活性轉錄誘導特異性ERK1 / 2途徑抑制劑,那么在ESCsnavie多潛能性轉變時,ERK1 / 2信號傳導動力學是否會受到負反饋的影響。為此,研究人員檢測了已建立的ERK1 / 2信號傳導的負調節因子的表達動力學,結果表明ESC從基態轉變時,ERK1 / 2信號傳導可以嚴格控制負反饋環。


基于ERK1 / 2信號傳導的瞬時激活的理論,研究人員提出假設:在EpiLC誘導6小時后ERK1 / 2信號傳導可有可無。通過評估naive primed多能性因子的表達變化,證實雖然需要ERK信號傳導來觸發基態naive多能性的退出,但在進入EpiLC誘導約6小時后,它在很大程度上可有可無。


圖片5.png

圖3 Erk2和Erk1在ESC到EpiLC轉換過程中的磷酸化、蛋白質和mRNA三個水平的變化


4. 多能性進展過程中轉錄組和蛋白質組變化的比較分析


研究人員通過檢測mRNA表達和蛋白質豐度的時間動態,來研究信號傳導對轉錄組的下游影響以及ESC到EpiLC轉換期間轉錄水平的變化轉化為蛋白質水平的變化。結果表明哺乳動物系統中穩態mRNA和蛋白質水平之間的相關性普遍有限且相當穩定(相關性系數在0.48~0.56)


隨后,研究人員采用GO分析研究了72 h和0 h的蛋白質荷mRNA水平下調的基因,分析出與干細胞維持、胚盤分割和胚胎植入相關的基因的富集。而上調的基因富集到了在發育和甲基化依賴性染色質沉默中起作用的基因。根據蛋白質和mRNA水平變化倍數的程度顯示:動態調控基因有Esrrb,Tfcp211,Nanog,Sox2,Klf2 / 4,Tbx3和Kdm3a / b,這些基因與naive多潛能態相關,并且與移植后的上皮細胞Otx2,Dnmt3a / b等在轉錄組和蛋白質水平變化間展現出強烈的相關性(R>0.85)。Prdm14m的RNA水平變化很大但蛋白質水平卻沒有,與RNA-seq,MS蛋白組質組學及qRT-PCR結果一致。


圖片6.png

圖4 基于mRNA和蛋白質水平變化程度的基因排列順序


綜上所述,文章綜合性地分析了多潛能性胚胎干細胞分期進程中的蛋白質組、磷酸化蛋白組、轉錄組和表觀基因組,發現磷酸化蛋白質組動力學變化優先于表觀基因組,轉錄組和蛋白質組,在一定程度上為調控多能性轉變的分子機制研究提供理論基礎,同時也為生物分化進程中的多層調控研究提供了新的思路與框架。


參考文獻:

Yang P,?et al.,?2019, Multi-Omic Profiling Reveals Dynamics of the Phased Progression of Pluripotency. Cell systems.




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