上科大蛋白質組學研究揭示抑郁行為的新調控因子

　　大腦是生物體內結構和功能最復雜的組織。近年來蓬勃發展的腦蛋白組學研究是繪制大腦功能分子圖譜、全面理解大腦生理病理機制的必經途徑。跨膜蛋白家族在突觸信號傳遞和神經可塑性調節中扮演重要角色，許多跨膜蛋白與精神類疾病和神經退行性疾病的發生發展密切相關。然而對動物組織中跨膜蛋白家族的組學解析仍面臨巨大的技術挑戰，限制了跨膜蛋白家族的深入認識。

　　上海科技大學iHuman研究所、生命科學與技術學院水雯箐課題組長期發展生物質譜技術，應用于G蛋白偶聯受體（GPCR）的配體篩選與功能蛋白質組學研究，促進新結構、新活性的GPCR配體發現與新藥靶的挖掘。近日，水雯箐課題組與上科大胡霽課題組、鐘桂生課題組合作，系統性繪制小鼠多腦區跨膜蛋白質組圖譜，通過對疾病動物模型的腦蛋白質組學研究揭示出兩種抑郁樣行為的GPCR類新調控因子，為抗抑郁藥物研發提供潛在的新治療靶點。該成果以“Multiregional profiling of the brain transmembrane proteome uncovers novel regulators of depression”為題于7月21日發表在學術期刊Science Advances（IF=14.136）上。

　　研究報道了一種腦組織跨膜蛋白質組學新技術，研究人員運用數據非依賴性采集（DIA）的蛋白質組學定量方法獲得高完整性和定量精度的質譜數據，同時基于深度學習的生信工具創建了一個GPCR家族的虛擬譜圖庫，從而實現對GPCR在內的跨膜蛋白質組的深度解析。利用該技術，研究人員在正常小鼠和抑郁小鼠模型的11個主腦區中分別鑒定并定量到143和158個GPCR，與已報道結果相比，其總數增加近一倍；與此同時，該研究也覆蓋了數目眾多的離子通道與轉運體蛋白（圖1）。

圖1、小鼠多腦區跨膜蛋白質組深度解析新策略

　　通過對小鼠多腦區跨膜蛋白質組與轉錄組表達譜的比較分析，研究人員發現跨膜蛋白家族成員的轉錄本與蛋白質的腦區分布整體關聯度低，尤其對于特定腦區富集的GPCR蛋白，在兩個組學維度上腦區分布的差異最為明顯，反映出顯著的翻譯后調控對GPCR成熟與定位的影響。基于這套高準確度的跨膜蛋白質組分子圖譜，研究者還構建了120個GPCR與1159個跨膜蛋白質在腦組織中可能形成的內源性蛋白互作網絡。對于該網絡揭示的大麻素受體CB1與跨膜蛋白FLRT3的未知關聯，研究者利用多種試驗方法驗證了CB1與FLRT3在原代神經元與腦切片中的共定位及相互作用。

圖2、跨膜蛋白在轉錄組和蛋白質組水平的多區域表達譜分析

　　研究人員進一步研究多重慢性壓力誘導的抑郁模型（CUMS）中多腦區跨膜蛋白質組的全局調控。值得注意的是，僅僅通過分析三個主腦區的GPCR組學數據，作者發現了在過去15年陸續報道的19種抑郁行為的已知調控因子和許多未知的潛在調控因子（圖3）。通過體內藥理學實驗，研究人員發現兩種GPCR蛋白的調節劑能夠特異性地緩解小鼠的多種抑郁樣表型。總的來說，該研究建立了一種腦蛋白質組學研究新策略和豐富的跨膜蛋白質數據資源，加深了我們對大腦中跨膜蛋白質空間分布與動態調控的理解，也為抗抑郁藥物研發提供了新靶點和新思路。

圖3、從抑郁模型三個特定腦區中發現的差異表達GPCR 及其與抑郁行為的關聯

　　上海科技大學iHuman研究所水雯箐課題組研究助理李珊珊、生命科學與技術學院博士生羅火青、博士生婁容琿與iHuman研究所成像平臺田翠萍為本文共同第一作者；生命科學與技術學院水雯箐副教授、胡霽副教授與鐘桂生副教授為共同通訊作者，上海科技大學為第一完成單位。該工作也得到上科大徐菲課題組與中科院生物與化學交叉中心張耀陽課題組的參與和支持。

　　水雯箐課題組聯合運用生物質譜、蛋白質組學、代謝組學、生物信息學和GPCR藥理學等多種研究手段，開展GPCR組學與配體發現研究，助力于GPCR的藥物前體發現與新藥靶挖掘。水雯箐作為通訊作者（含共同）發表論文40余篇，發表于ACS Central Science, Science Advances, Cell Research, Chemical Science, eLife, Analytical Chemistry 等。