上海科技大学水雯箐/胡霁/钟桂生开发新的技术，更好的鉴定跨膜蛋白

 跨膜蛋白在介导大脑中的突触传递、可塑性和体内平衡方面起着至关重要的作用。然而，这些蛋白质，尤其是 G 蛋白偶联受体 (GPCR)，在大多数大规模蛋白质组学调查中的代表性不足。

2021年7月21日，上海科技大学水雯箐，胡霁及钟桂生共同通讯在Science Advances 在线发表题为“Multiregional profiling of the brain transmembrane proteome uncovers novel regulators of depression”的研究论文，该研究提出了一种新的蛋白质组学方法，借助深度学习模型，对多个小鼠大脑区域的跨膜蛋白家族进行全面分析。

该研究发现多区域蛋白质组分析突出了信使 RNA 和蛋白质分布之间的巨大差异，特别是对于富含区域的 GPCR，并预测了大脑中的内源性 GPCR 相互作用网络。此外，该研究的新方法揭示了小鼠抑郁模型大脑中的跨膜蛋白质组重构景观，这导致鉴定了两个以前未知的抑郁样行为的 GPCR 调节因子。该研究提供了一种技术和丰富的数据资源，以扩展对大脑中跨膜蛋白质组组织和动力学的理解，并加速发现抑郁症治疗的潜在治疗靶点。

作为哺乳动物身体中最复杂的器官，大脑已经被使用各种转录组学或成像方法以系统范围的方式在分子水平上进行了深入的表征。Allen Brain Atlas 包含大量原位杂交 (ISH) 和基于微阵列的数据库，用于描述成年和发育中的哺乳动物大脑的区域或细胞基因表达谱。人类蛋白质图谱计划与最近的脑图谱项目一起，共同建立了高质量的转录组和蛋白质成像资源，以绘制跨多个哺乳动物大脑区域的转录本和蛋白质的空间表达图。

此外，考虑到大脑的所有功能最终都由蛋白质介导，并且在各种细胞类型和组织中观察到 mRNA 和蛋白质丰度之间的相关性较差，基于大规模质谱 (MS) 的蛋白质组学已启动调查以无偏见的方式绘制小鼠和人类大脑多个区域的蛋白质表达模式。然而，尽管越来越有能力询问大脑的分子组织，但对跨膜蛋白表达的深入和定量分析是一个显著的例外。

G 蛋白偶联受体 (GPCR)、离子通道和转运蛋白构成三个突出的细胞表面跨膜蛋白家族，它们在介导大脑中的神经元信号处理和可塑性中发挥重要作用 。它们的许多家族成员，尤其是 GPCR，代表了中枢神经系统 (CNS) 疾病分子治疗最成功的目标。然而，由于这些跨膜蛋白具有很强的疏水性、相对较低的丰度和快速周转，因此使用传统蛋白质组学技术进行测量尤其具有挑战性 。

值得注意的是，众所周知，GPCR 在当前基于 MS 的蛋白质组学调查中代表性不足。例如，29 个健康人体组织的蛋白质组图谱共分析了 103 个 GPCR，其中 64 个来自人类基因组中编码的 831 个 GPCR 的脑组织。在对人类细胞进行的另一项蛋白质组学分析中，GPCR 鉴定 (ID) 的覆盖率同样较低（14,237 种鉴定的蛋白质中有 56 种 GPCR）。

在这里，该研究提出了一种新的蛋白质组学方法，用于对区域解析小鼠大脑中的低丰度跨膜蛋白家族进行深入而准确的分析。与传统蛋白质组学工作流程相比，该研究的方法集成了三项创新。首先，该研究进行细胞膜分离以减少丰富的胞质蛋白并富集跨膜蛋白。其次，该研究进行了单次数据独立采集 (DIA) MS 分析，而不是传统的数据相关采集 (DDA) 分析，因为 DIA MS 是一种新兴技术，在蛋白质组学量化方面具有卓越的准确性和可重复性。最后，该研究使用用于 DIA MS 数据挖掘的深度学习工具创建了一个 GPCR 家族靶向混合库，以实现前所未有的跨膜蛋白分析深度。使用这种方法，该研究能够识别和量化 10 个小鼠大脑区域的 143 个 GPCR、170 个离子通道和 176 个转运蛋白。

通过将该研究的多区域蛋白质组学分析数据与全基因组转录组学和 ISH 数据相匹配，该研究确定了区域富集的 GPCR 和其他跨膜蛋白，其 mRNA 和蛋白质在多个大脑区域的分布相当不一致。通过蛋白质共表达分析，该研究预测了小鼠大脑中的内源性 GPCR 相互作用网络，并验证了 GPCR 蛋白及其未知相互作用伙伴在神经元细胞培养和脑组织中的共定位。此外，该研究使用这个新的工作流程揭示了慢性压力诱导的抑郁模型的 11 个小鼠大脑区域中跨膜蛋白质组重构的情况，从而快速发现了两种新型的抑郁样行为的 GPCR 调节剂。总之，该研究提供了一种技术和丰富的数据资源，以扩展对大脑中跨膜蛋白质组组织和动力学的理解，并加速发现抑郁症治疗的潜在治疗靶点。

来源： iNature