Cell | 刘延盛/彭隽敏报道首张小鼠脑区等多组织蛋白、磷酸化修饰周转图谱

景杰生物 | 报道

蛋白质是生命活动的主要承担者，是细胞内最重要的生物大分子之一，参与细胞的各种生理功能。蛋白质周转（Protein turnover）是指生物体内蛋白质的合成与降解之间的动态平衡过程。蛋白质周转的失调与多种疾病的发生发展密切相关。例如，在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）中，蛋白质的异常降解和聚集会导致神经细胞的损伤和死亡。

近日，耶鲁大学刘延盛团队、圣裘德儿童研究医院彭隽敏团队和哥廷根大学Eugenio F.Fornasiero团队在Cell发表了题为“Turnover atlas of proteome and phosphoproteome across mouse tissues and brain regions”的最新科研成果。该研究基于蛋白质组学和磷酸化修饰组学，成功构建了一个涵盖16种小鼠组织和大脑区域的蛋白质组和磷酸化蛋白质组周转图谱，为理解蛋白质功能的作用机制提供了重要依据。

该研究定量分析了11000种蛋白质和40000个磷酸化位点的丰度及寿命，揭示了不同组织具有独特的蛋白质寿命模式，蛋白质的丰度（PA）和寿命（PT）共同决定了组织的蛋白质组功能和稳定性，为理解蛋白质稳态调控和组织特异性功能提供了重要的分子基础，并为未来的生物医学研究和疾病治疗提供了宝贵的数据资源。

图1 本研究模式图

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小鼠组织和大脑区的深度定量蛋白质周转景观

该研究根据蛋白质半衰期，利用脉冲稳定同位素标记（pSILAC）技术，结合数据独立采集（DIA-MS）和串联质量标记（TMTpro）技术，精确定量了11171种蛋白质的半衰期，成功构建了一个涵盖16种小鼠组织和大脑区域的蛋白质组和磷酸化蛋白质组周转图谱（Tissue-PPT）。

分析结果显示，不同组织的蛋白质半衰期存在显著差异，其中肠道蛋白质的半衰期最短（3.27天），而小脑的蛋白质半衰期最长（6.45天）。这一结果揭示了不同组织在蛋白质更新速度上的差异，为理解组织特异性的蛋白质稳态提供了重要依据。

图2 小鼠组织和脑区的高质量蛋白质周转图谱

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PA和PT共同调控蛋白质功能和稳定性

研究进一步揭示了PA（反映蛋白质丰度）和PT（反映蛋白质更新速率）共同定义组织蛋白质的功能和稳定性的机制。通过主成分分析（PCA）和层次聚类分析研究证实：大脑区域的蛋白质在PA和PT上均表现出较低的差异，说明脑区间的蛋白可变性较小；而肠道的PT则表现出较高的差异。

此外，研究还发现某些生物学过程与短寿命或长寿命蛋白质显著相关，例如“核心基质”和“有氧呼吸”过程与长寿命蛋白质相关，而“DNA损伤响应”和“蛋白质多泛素化”则与短寿命蛋白质相关。以上结果表明，PA和PT的联合分析可以更全面地揭示组织功能和蛋白质组稳定性。

图3 小鼠组织蛋白质组的蛋白质丰度和寿命分析

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PT调控蛋白质特异功能和蛋白互作

研究进一步针对与蛋白质降解相关的功能蛋白的PA和PT进行分析，结果显示，E3连接酶及其辅助蛋白的PT在不同组织中表现出最高的变异性，而蛋白酶体和去泛素化酶（DUBs）的PA在不同组织中相对稳定。此外，K48连接的泛素链在大脑区域的水平最低，且其半衰期显著长于K63连接的泛素链。

值得注意的是，研究通过整合蛋白质寿命数据和蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）数据，证实相互作用的蛋白质对的PT之间的相关性显著高于非相互作用的蛋白质对。这一结果表明，PPI在调节蛋白质寿命方面发挥着重要作用，且PT与PPI的紧密相关性可能有助于预测新的PPI。

研究进一步通过多组学分析，探讨了过氧化物酶体蛋白的PT变化。结果显示，过氧化物酶体蛋白在不同组织中的PT表现出显著差异，且其PT与mRNA和翻译水平呈负相关。此外，研究还发现过氧化物酶体蛋白的PT与选择性自噬过程相关蛋白的丰度显著相关。以上结果揭示了过氧化物酶体蛋白在不同组织中的动态调节机制，与组织特异性的代谢需求和细胞应激反应密切相关。

图4 PT调控蛋白质特异功能和蛋白质互作

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特异位点磷酸化调控蛋白质稳态

磷酸化是蛋白质周转的重要调控因素，研究利用磷酸化修饰组学，首次在体内系统地探索了磷酸化修饰对蛋白质稳定性的调控作用，共定量了67169个磷酸化位点和40573个磷酸化位点的半衰期，分析发现磷酸化可以显著改变蛋白质的PT。例如，Tau蛋白S522和T525位点和SNCA蛋白的T81位点的磷酸化分别显著延长各自的PT。这些结果表明，磷酸化修饰在调节蛋白质稳定性方面发挥着重要作用。

此外，研究还通过PhosTAC技术和磷酸模拟突变等实验验证了磷酸化修饰对Tau蛋白降解的影响，确定磷酸化修饰对蛋白稳定性具有决定性作用，为神经退行性疾病治疗提供了新的潜在干预靶点。

图5 分析位点特异性磷酸化周转及其对小鼠组织的影响

综上所述，该研究利用组学技术和微流控的深度融合，成功构建了一个涵盖16种小鼠组织和大脑区域的蛋白质组和磷酸化蛋白质组周转图谱，揭示了组织特导性的短寿命和长寿命蛋白质、互作蛋白与蛋白寿命间的强相关性，以及磷酸化对蛋白周转的调控关系，提供了蛋白质稳定、组织蛋白质动态变化和功能性蛋白质磷酸化的基本见解，为理解蛋白质稳态调控和组织特异性功能提供了重要的分子基础。

景杰评述

该研究基于先进的蛋白质组学和磷酸化修饰组学，绘制出涵盖16种小鼠组织和大脑区域的蛋白质组和磷酸化蛋白质组周转图谱，结果发现不同组织的蛋白质组具有显著不同的周转特性。值得注意的是，蛋白质的寿命在不同组织、不同器官间表现出极大的多样性，从短寿命的代谢酶到长寿命的结构蛋白，这种多样性不仅反映了不同组织在维持稳态和应对环境变化时的独特需求，也体现了基于多组织、多器官的蛋白质组学、修饰组学图谱构建的必要性，为蛋白质组动态平衡和组织特异性功能研究提供了宝贵的资源。

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参考文献：

Wenxue Li, et al. 2025. Turnover atlas of proteome and phosphoproteome across mouse tissues and brain regions.Cell.